黃俊

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖南株洲 412001）

液位控制的方法多樣，主要通過(guò)機(jī)械或電子的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[1-5]，現(xiàn)在，液位控制的方法也在不斷改進(jìn)與提高。本文針對(duì)當(dāng)前儲(chǔ)液罐液位控制中液位控制精密度不高、控制過(guò)程中可能存在過(guò)沖以及水位控制中電機(jī)不能同時(shí)進(jìn)行抽水和注水等問(wèn)題[6-10]，設(shè)計(jì)了一款基于超聲波傳感器的液位控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制核心，采用PWM控制方式，完成了一套智能水位控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)后，調(diào)試達(dá)成水位低限3 cm高限5 cm的水位智能控制功能，并帶有警報(bào)功能和水位顯示功能，測(cè)試簡(jiǎn)便，機(jī)交互友好[11-13]。

1 超聲波傳感器與工作原理

超聲波傳感器的工作原理是根據(jù)超聲波模塊，發(fā)送和接收超聲波信號(hào)，根據(jù)信號(hào)接收的時(shí)間，然后測(cè)算出發(fā)送和接收模塊之間的距離。文中采用HCSR04超聲波模塊。它可提供2～400 cm的非接觸距離測(cè)試功能，測(cè)試的精度最高可以達(dá)到3 mm，主要由超聲波發(fā)射器、接收器、和控制電路構(gòu)成[14-16]。

實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 HC-SR04實(shí)物圖

如圖1所示VCC接入5 V電源，GND接地，TRIG觸發(fā)控制信號(hào)輸入，接入單片機(jī)P1.0I/O口，ECHP回響信號(hào)輸出接入單片機(jī)P1.1I/O口。

表1 電氣參數(shù)

根據(jù)電氣參數(shù)可知，只需要提供一個(gè)10 μs以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40 kHz周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。

這個(gè)超聲波模塊的原理圖如圖2所示。

圖2 超聲波模塊原理圖

2 電氣抽水與注水控制

根據(jù)液位控制的要求，當(dāng)水位還沒(méi)有達(dá)到上限值的時(shí)刻，需要通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)儲(chǔ)液罐進(jìn)行注水，改變注水的頻率和水量，逐漸達(dá)到控制水位。同理，到達(dá)上限水位后，需要對(duì)儲(chǔ)液罐進(jìn)行抽水，直至到達(dá)下限水位。注水和抽水的控制，都是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為了方便控制，采用可以正反轉(zhuǎn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)研究考慮，采用H橋電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的控制采用直流電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。

H橋電路主要由 4個(gè)三極管 Q1、Q2、Q3、Q4組成，其中Q1、Q4以及Q2、Q3組成導(dǎo)通對(duì)，根據(jù)控制端的不同，實(shí)現(xiàn)不同的導(dǎo)通對(duì)在不同的時(shí)間進(jìn)行導(dǎo)通控制，從而實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)中流過(guò)的電流方向不同，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的不同控制，而且H橋電路有一個(gè)非常重要的問(wèn)題，設(shè)計(jì)只能是Q1、Q4以及Q2、Q3組成導(dǎo)通對(duì)。不能Q1、Q2或者Q3、Q4導(dǎo)通，如果Q1、Q2或者Q3、Q4導(dǎo)通，則出現(xiàn)直通現(xiàn)象，會(huì)燒毀電源和電機(jī)。

根據(jù)上面的分析，在本設(shè)計(jì)中，在H橋電路的基礎(chǔ)上增加了控制電路，確保4個(gè)與門在同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)相接，這樣，用這一個(gè)信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開關(guān)。而2個(gè)非門通過(guò)提供一種方向輸入，可以保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個(gè)三極管能導(dǎo)通。從而確保電路不會(huì)發(fā)生直通現(xiàn)象。

電路原理圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)過(guò)的H橋驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用了模塊化的設(shè)計(jì)編寫方式，有簡(jiǎn)單易懂，方便調(diào)試，思路清晰的優(yōu)點(diǎn)。主要用到的模塊有按鍵控制程序模塊，數(shù)碼管掃描刷新程序模塊，定時(shí)器中斷程序模塊，定時(shí)/計(jì)數(shù)器程序模塊，超聲波傳感器控制程序模塊，H橋電機(jī)控制程序模塊，以及實(shí)現(xiàn)模塊拼接運(yùn)行的主程序模塊。

3.1 主流程圖

主流程圖如圖4所示。

圖4 主流程圖

當(dāng)程序啟動(dòng)，T0中斷啟動(dòng)，當(dāng)中的定時(shí)定時(shí)2 ms，在計(jì)數(shù)到400，也就是800 ms時(shí)，啟動(dòng)超聲波模塊，開始發(fā)送超聲波，并把計(jì)數(shù)清零，當(dāng)超聲波模塊啟動(dòng)時(shí)，也就是TX=1時(shí)，開啟計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到超聲波模塊接收到返回聲音，也就是RX變化時(shí)，此時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)函數(shù)調(diào)用計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)算得出距離，顯示在數(shù)碼管上，并判斷水位狀態(tài)，當(dāng)水位小于5 cm時(shí)，D1燈，也就是低水位燈亮起，蜂鳴器報(bào)警，水泵電機(jī)正轉(zhuǎn)開始注水，當(dāng)水位大于10 cm時(shí)，D2高水位燈亮起，水泵電機(jī)反轉(zhuǎn)開始抽水，如此循環(huán)。

3.2 T1中斷子程序流程圖

T1中斷子程序流程圖如圖5所示。

圖5 T1中斷程序子流程圖

T1中斷的主要作用為掃描顯示數(shù)碼管和開啟超聲波模塊，程序啟動(dòng)后，T1中斷裝載2 ms的初值，并不斷掃描數(shù)碼管更新顯示，并且timer時(shí)間每次自加一，當(dāng)加到400時(shí)，也就是800 ms時(shí)，自己清零，開啟超聲波模塊發(fā)送超聲波一次，然后關(guān)閉，以此循環(huán)，配合計(jì)數(shù)器和數(shù)碼管顯示模塊以及計(jì)算模塊，不斷更新測(cè)距數(shù)據(jù)。

3.3 計(jì)數(shù)模塊程序子流程圖

計(jì)數(shù)模塊程序子流程圖如圖6所示。

圖6 計(jì)數(shù)模塊子流程圖

計(jì)數(shù)模塊的主要功能為把16位的二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，然后送到顯示模塊，程序啟動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)器設(shè)置初值，當(dāng)超聲波模塊開啟，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，超聲波模塊接收到回波后計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，通過(guò)上述算法把time轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)S，并送到數(shù)碼管顯示，當(dāng)S＞700，也就是超出測(cè)量范圍時(shí)，數(shù)碼管顯示三段“-”，當(dāng)S＜700，在測(cè)距范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)碼管顯示個(gè)十百位。

4 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)軟硬件的設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，其調(diào)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 溫度上下限測(cè)試圖

根據(jù)圖7，經(jīng)過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)后，調(diào)試達(dá)成水位低限3 cm高限5 cm的水位智能控制功能，并帶有警報(bào)功能和水位顯示功能，達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

5 結(jié)論

文中首先分析了當(dāng)前儲(chǔ)液罐液位控制中存在的問(wèn)題，從問(wèn)題出發(fā)，采用單片機(jī)作為控制核心，根據(jù)PWM控制方式，設(shè)計(jì)了一套智能液位控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試后，達(dá)成水位低限3 cm高限5 cm的水位智能控制功能，并帶有警報(bào)功能和水位顯示功能，測(cè)試簡(jiǎn)便，人機(jī)交互好，在同類項(xiàng)目中達(dá)到了較高的水平。

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