單片機超聲波液位智能控制系統(tǒng)設計
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摘要：為了能夠實現(xiàn)擺脫人工對工農業(yè)生產中特殊液體的液位高度調節(jié)進行自動控制，該文設計了一種基于單片機的超聲波液位智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過超聲波傳感器對被測液體液位的高度進行實時測量，再由單片機進行數(shù)據的分析處理，將電機是否需要啟動的分析結果傳輸?shù)诫姍C控制系統(tǒng)中，通過啟動和關閉相應水泵自動調整液位，將液位控制在規(guī)定的上下限范圍內，實現(xiàn)擺脫人工對特殊液體自動化液位控制。
關鍵詞：單片機；超聲波測距；傳感器；液位控制
隨著科技的進步發(fā)展，電子技術已被廣泛應用到測量技術中，使得自動精確測量得以實現(xiàn)。在此基礎上，由于使用超聲波完成測距精度高、受被測介質影響較小，因此得到了更加廣泛的利用。針對工農業(yè)生產中由于性質特殊不能使用直接接觸式傳感器的特殊性質液體，設計了一種基于單片機的超聲波液位智能控制系統(tǒng)，不同于單純的超聲波測距儀器，該系統(tǒng)可以通過系統(tǒng)中的能量轉換裝置實現(xiàn)超聲波和電脈沖信號的相互轉換，這樣就能夠在完成對特殊性質液體液面高度測量的同時，由單片機接受并進行傳輸信號的處理，以完成自動化液位控制。系統(tǒng)實現(xiàn)的超聲波自動測距技術可廣泛應用于環(huán)境條件較為特殊的工業(yè)和農業(yè)等行業(yè)生產中，對實現(xiàn)液位自動測量及實時控制，提高控制精準度等均有較強的實用參考價值。
1超聲波液位智能控制系統(tǒng)的設計方案及關鍵技術
1.1系統(tǒng)架構
本設計選擇基于AT89C51單片機作為中央處理器進行液位控制。如圖1所示，整個控制系統(tǒng)由中央處理模塊、超聲波測距模塊、A/D轉換模塊、報警模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊以及電機控制模塊組成。以AT89C51芯片為核心，采用超聲波傳感技術測量液位、單片機控制水泵運作的方式達到控制液位的目的。
1.2系統(tǒng)工作原理
首先系統(tǒng)采用超聲波傳感技術實時監(jiān)測液位高度的變化，通過傳感器模塊將測量結果經A/D轉換處理成電信號后傳輸?shù)絾纹瑱C。由單片機控制水泵包括抽水電機和排水電機以及顯示和報警裝置等發(fā)出動作指令：當液位高于規(guī)定范圍上限時，電機啟動抽水水泵抽出液體使液面下降；當液位低于規(guī)定水位下限時，電機啟動排水水泵注入液體使液面上升，從而實現(xiàn)對液位的實時測量和控制。從電路角度來說，可以理解為在系統(tǒng)初始化的狀態(tài)下能夠體現(xiàn)出3個狀態(tài)，分別是低水位狀態(tài)、高水位狀態(tài)和正常水位狀態(tài)。傳感器在檢測到低水位狀態(tài)時會傳輸給單片機一個高電平信號，與此同時報警系統(tǒng)形成通路，驅動水泵注水。
1.3超聲波測距模塊
超聲波測距模塊是系統(tǒng)設計的核心技術。超聲波是以人耳剛能聽到的聲音頻率為零起點，其頻率高于20kHz，是人們聽不到的聲波，超聲波頻率可高達1011Hz[1]。超聲波最重要的特點是可以在各種介質中傳播，利用超聲波的脈沖反射及脈沖反射回波就可以完成相應測量。反射式超聲波測距方法的原理如圖2所示。首先使用超聲波發(fā)射器向外界被測目標發(fā)射超聲波，并同時開始計時，隨即超聲波在傳播途中會遇到障礙物即目標被測物體導致反射，接收器接收到反射回來的超聲波脈沖回波，同時立即停止計時。此時計時器記下了超聲波發(fā)射到目標被測物體以及從目標被測物體反射回接收器的時間t。超聲波的速度即聲速為340m/s，通過計算公式S=Vt/2就可以算出從超聲波發(fā)送器到目標被測物體之間的距離。
2系統(tǒng)的硬件電路設計
2.1主控芯片的選擇
系統(tǒng)中采用的是ATMEL的AT89C51單片機作為主控芯片。它的優(yōu)點在于靈活的編程設計和內部豐富的I/O端口，以及控制的準確性[2]。其內部的可擦除只讀處理器可反復擦除1000次，具有很快的數(shù)據處理速度和高集成性，芯片內部不僅集成了CPU、RAM、IO口、Flash等資源，還集成有串口通信接口、看門狗電路等，可以滿足大多數(shù)的外設使用。
2.2超聲波傳感器的選擇
當前應用比較廣泛的超聲波傳感器有以下幾種：通用型傳感器、寬頻帶型傳感器、封閉型傳感器、高頻型傳感器[3]。本液位控制系統(tǒng)的設計主要針對工業(yè)中特殊性質液體進行超聲波測距，在這個特殊條件的約束下，測距需要有特殊針對性的傳感器。因此采用封閉型傳感器，封閉型傳感器由于有封閉空間的保護[4]，可以應用在更惡劣的或者特殊的測量環(huán)境中，相對于其他類型傳感器更加精準。
2.3A/D轉換電路
系統(tǒng)中采用ADC0808型號的A/D轉換器，其與AT89C51的嵌入式微型計算機電路的連接如圖3所示。輸入通道是IN0；ALE接地，000地址鎖定[5]；數(shù)字輸出通道連接到微型計算機的P0端口；打開A/D轉換針START開始連接微控制器P3.0，確認已完成EOC引腳的使用；微控制器P3.1及其連接用于查詢ADC0809轉換器的狀態(tài)；OE引腳是ADC0809轉換器控制數(shù)據的輸出，與微處理器的P3.2引腳相連，完成數(shù)字信號的傳輸。
2.4顯示和報警電路
顯示電路是由4個共陰極數(shù)字管組成，其發(fā)光段按字母順序連接到微控制器上的P1端口，每個數(shù)字管1、2、3、4連接到每臺控制器上P2端口的低4位[6]。報警電路采用晶體管2N2219和蜂鳴器一起來組成[7]。晶體管2N2219收集器連接到P3.3端口的外拉電阻上，將發(fā)射器的聲音發(fā)生裝置連接到主機。當P3接收低電平時，2N2219截止，不會觸發(fā)報警電路。當P3接收高電平時，晶體管2N2219就會被導通，電路隨之連通，報警裝置被激活，蜂鳴器發(fā)出報警。
2.5電機控制電路
控制電機是否啟動以及何時啟動的電路結構如圖4所示，使用2N2219晶體管放大器驅動電磁繼電器。繼電器的兩端使用了1N4001二極管來完成連接，選擇此類型二極管是為了在線圈供電時不會由于線圈供電產生的干擾影響到驅動電路。
3系統(tǒng)的軟件設計及關鍵技術
3.1主程序設計
在液位控制系統(tǒng)的軟件設計中，主程序主要由3個函數(shù)部分組成，用作將系統(tǒng)歸為初始位的初始化函數(shù)部分；負責監(jiān)測液位情況的液位檢測函數(shù)部分；控制電機在何時以何種方式運行的電機控制函數(shù)部分。程序流程如圖5所示。主程序實現(xiàn)將整個系統(tǒng)的參數(shù)初始化，如報警控制部分系統(tǒng)參數(shù)和電機控制部分系統(tǒng)參數(shù)完成初始化設置，調試到模擬仿真階段的初始狀態(tài)；設定所需液位高度上下限范圍及實時顯示液位的高度等。
3.2鍵盤接收處理子程序
鍵盤輸入部分同樣是控制系統(tǒng)中很重要的組成部分。鍵盤部分所需的軟件系統(tǒng)設計的程序流程如圖6所示。軟件設計中鍵盤輸入部分的功能需要使用程序中的掃描查詢方式來完成。若想要判斷出按鍵中的哪些部分被按下就需要根據嵌入式微處理器P2端口的高四位按鍵是否讀入的狀態(tài)來確定。若其中某一位發(fā)生了電平由高到低的變化，則表示此按鍵被按下；未被按下的按鍵依然體現(xiàn)的是高電平的狀態(tài)。
4結語
基于單片機的超聲波液位智能控制系統(tǒng)的設計主要應用于工農業(yè)生產中特殊性質的液體進行自動精確液位控制。在充分利用超聲波測距技術的基礎上，將其與自動化、智能化有效結合，實現(xiàn)實時監(jiān)測的同時對液體進行擺脫人工的自動化控制調整，將其運用到工農業(yè)生產中，會大大減少勞動力，提高工作效率，且保障了控制和檢測過程準確性，有廣泛的應用前景和使用價值。
參考文獻：
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[2]龐書偉，江世明.基于AT89C51單片機的電子密碼鎖設計[J].電子世界，2017（19）：96.
[3]施成威.通用型遠程在線狀態(tài)監(jiān)測終端的設計[D].杭州：浙江大學，2016.
[4]劉斌.車內噪聲主動控制系統(tǒng)設計與實驗研究[D].長沙：湖南大學，2017.
[5]劉巍杰.基于FPGA的NANDFlash控制器系統(tǒng)設計[D].西安：西安電子科技大學，2015.
[6]孫曉文.新型動車組塞拉門控制器設計與研制[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2016.
[7]張旭.超聲波與圖像融合的礦用車輛倒車預警系統(tǒng)[D].太原：太原理工大學，2016.
作者：侯佳辛 宋廣軍 單位：浙江海洋大學
