基于超声波传感器的水箱水位控制器设计

冯 洋

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000)

随着电子技术的发展，基于超声波传感器的液位测量系统因具有非接触式的测量特点，已经用到了很多接触型测量仪表不能测量的特殊场合．我国住宅小区的水箱水位控制系统的基本要求是能够在无人监控的情况下自动进行工作，因而利用单片机作为控制系统核心，将超声波作为检测信号的手段，是一种控制水箱水位的理想装置［1－2］．该控制器能够对水位进行自动监控，并依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定，且此设计具有设计低成本、高实用价值的特点．

1 系统的总体设计方案

系统框图如图1所示，由图1可知水箱水位控制的核心是单片机，通过键盘电路来设置标定水位的上限值与下限值，超声波发送接收模块用于采集水位高度，要求实时检测水箱的液位高度，并与预设定的上下限值作比较，由单片机控制继电器开关的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值．检测值若高于上限设定值时，水泵停止进水;检测值若低于下限设定值，要求报警，开启上水水泵从而实现对水箱液位的监控［3］．

图1 水箱水位控制器系统框图

2 硬件电路设计

硬件电路设计中主要包括单片机主控电路，超声波发送和接收电路，水泵控制电路，键盘、显示和报警电路．

2．1 单片机主控电路

单片机是整个水位控制器的核心模块，本系统采用Atmel公司的AT89S52型号．AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 K在系统可编程Flash存储器;使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容;AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中广泛应用［4］．

2．2 超声波电路设计

超声波液位检测基本工作原理是利用超声波传播时间和传播速度来确定液面距离．本设计中采用反射式的方式，超声波传感器发射超声波，遇到液面后超声波被反射回来，超声波接收探头接收超声波．利用超声波传输距离与时间的关系，可确定液位的高度．

测距的公式表示为:L=C×T．

式中:L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)［5］．电路如图2(超声波发送电路)、图3(超声波接收电路)所示:

图2 超声波发送电路

图3 超声波接收电路

2．3 水泵控制电路

该设计的水泵控制电路采用继电器进行高压与低压的隔离，图4为继电器驱动电路，通过继电器对上水水泵进行控制．电路中D1二极管起到续流保护作用，由于继电器的电磁铁为感性元件，在关断瞬间，会产生很大的自感电动势，这样会导致两个三极管的损坏，甚至损坏控制电路．因此，在继电器驱动端反接一个二极管将自感电动势消除，从而保护电路［6］．

图4 水泵上水电路

图5 水箱水位控制流程图

2．4 键盘、显示和报警电路

键盘主要用于调节水箱水位的上下限;显示电路采用LCD1602液晶模块实现实时显示液面高度，用于工作人员查询［7］;报警电路可以采用蜂鸣器和发光二极管组成声光报警电路，加入报警电路主要是用于提示工作人员控制器已经检测到信号，正在进水．由于篇幅有限，在此不再累述．

3 软件设计

该系统首先用键盘输入水箱水位的上限值与下限值，通过软件设计将超声波采集的水箱水位的实际高度与标定水位进行比较，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值作比较，由单片机控制开关的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值．检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，停止上水;检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，开启上水水泵．现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控．

4 结语

本设计基于超声波传感器的水箱水位控制器实现了对水箱水位的精确控制和实时检测，并且可以根据需要重新调整水箱水位的上下限，能很好地防止“空塔”和“溢塔”的现象．该设计电路结构简单、价格便宜、易于控制、稳定性好，具有很高的实用价值，可以用于小区水箱的控制和农业上的灌溉系统控制，也可用于其他危险情况下的液面检测控制．

［1］张建龙．液位控制系统的研究与设计［J］．自动化与仪器仪表，2008，12(5):3－6．

［2］陈霞，白小军．基于单片机的液位监控系统［J］．武汉理工大学学报，2007，34(6):1－4．

［3］张文昭，包本刚，陈爱武．楼宇水箱水位检测与抽水自动控制系统［J］．湖南科技学院学报，2009，8(3):14－29．

［4］中国机械工业教育协会组．单片机原理与应用［M］．北京:机械工业出版社，2001．17－21．

［5］张波，王明亮．基于STC89C51单片机超声波测距系统的设计［J］．机床与液压，2005，17(6):28－32．

［6］朱维路．供水水泵电机的自动控制电路［J］．电工技术杂志，1998，16(6):4－18．

［7］李维提，郭强．液晶显示器件应用技术［M］．北京:电子工业出版社，2000．267－287．