程怡安 劉忠南 曹逸倫 郝曉昆 孔憲波

（山西晉中理工學(xué)院，晉中 030600）

目前，市面上測量液位的儀表種類繁多，但是同時具有測量、監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄及處理的液位測量裝置并不多。液位測量儀器對于江河湖海、城市用水等相關(guān)數(shù)據(jù)長時間、多網(wǎng)點(diǎn)的采集記錄分析具有重要意義。

經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，液面檢測技術(shù)已在石油、化工、醫(yī)藥以及食品等各個行業(yè)得到了越來越多的應(yīng)用。低溫液態(tài)（液態(tài)氧、液態(tài)氮、液態(tài)氬、液態(tài)天然氣及液態(tài)二氧化碳等）在各領(lǐng)域都有廣泛使用，而儲存低溫液體的容器必須能夠承受其負(fù)載[1]。發(fā)電廠、鋼廠在使用過程中需要保證脫氧器的水位、汽輪機(jī)的凝汽器的水位、加熱器水位維持在安全水位以下，確保裝置的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)前，市場上可以進(jìn)行液位測量的儀器很多，但大多數(shù)液位測量設(shè)備并不兼具監(jiān)控、測算、對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效記錄與處理的功能。在河流、湖泊、海洋和城市用水等實(shí)際應(yīng)用中，長時間、多個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行收集和記錄分析，對相關(guān)研究和應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。精確掌握液面的位置，可對天氣狀況、自然狀況乃至災(zāi)害的預(yù)測提供有效的數(shù)據(jù)支撐，同時為能源的合理利用提供有效的技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STC89C51 單片機(jī)為核心，由水位傳感器、液位顯示模塊（LCD1602）以及報警模塊組成。液位控制系統(tǒng)裝置采用STC89C51 單片機(jī)控制自動進(jìn)水和自動出水，且具有故障報警功能。故障報警系統(tǒng)會隨時自動檢測水位，一旦出現(xiàn)故障立即報警，并可以通過指示燈判斷水位高低。待故障排除后，報警自動解除。系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC89C51 單片機(jī)

STC89C51 單片機(jī)的單片機(jī)內(nèi)置MAX810 型復(fù)位電路，4 kB 帶電可擦可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM），3 個16 位定時器/計(jì)數(shù)器，1 個6 向量2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，同時安裝了8 kB Flash，512 Byte 隨機(jī)存取存儲器（Random Access Memory，RAM），32 位輸入/輸出（Input/Output，I/O）口線，看門狗定時器。微控制器選用8 位的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS），并搭載可進(jìn)行后續(xù)編程的具有8 kB 大小的Flash 存儲器，具有性能高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。此外，它搭載了可編程存儲器和中央處理器（Central Processing Unit，CPU）促使單片機(jī)能有效運(yùn)用在大量嵌入型控制應(yīng)用系統(tǒng)中，并能在日常使用過程中提供相應(yīng)的、有效且靈活的運(yùn)行方案[3]。

2.2 水位傳感器

水位傳感器是設(shè)計(jì)中的一個關(guān)鍵模塊，精度將直接影響水位控制的精度。若傳感器的選取不可靠，則會導(dǎo)致數(shù)字管顯示的值并非池塘中的真正水位值，產(chǎn)生假警報，導(dǎo)致錯誤注入、排出等。設(shè)計(jì)通過水流的導(dǎo)電特性，使水流產(chǎn)生“通”“斷”兩個信號，從而確定水平面有無達(dá)到對應(yīng)水位線，無須附加費(fèi)用，且使用方便，設(shè)置更高，更有彈性[4]。

2.3 LCD1602 顯示屏

設(shè)計(jì)使用LCD1602 顯示器件輸出信號。LCD1602液晶顯示屏是一種可以顯示字母、符號、數(shù)字等的點(diǎn)陣型液晶模塊。LCD1602 不僅外部無須連接驅(qū)動電路，而且可以顯示2 行16 個漢字，最多可以顯示32 個字符。LCD1602 由多個5×11 或者5×7 等點(diǎn)陣字符位組成。每個點(diǎn)陣字符位可以用來顯示一個字符，如5×11 點(diǎn)陣可以看成是5 行11 列等間距分布的發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）燈。每一個燈相當(dāng)于一個像素點(diǎn)，顯示屏上的信息由這些像素點(diǎn)組成，因此只需用指令控制燈的亮滅就可以顯示信息[5]。

2.4 蜂鳴器報警電路

蜂鳴器是一種一體化構(gòu)成的光電訊響器，通過直流電壓輸出。該系統(tǒng)通過三極管9012 來驅(qū)動，其中電阻起到限流和保護(hù)作用。設(shè)計(jì)借助三極管對蜂鳴器進(jìn)行有效驅(qū)動，并做出一定程度的增強(qiáng)。當(dāng)處在低電平狀態(tài)時，三極管呈現(xiàn)飽和形態(tài)，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報警；當(dāng)其處在高電平狀態(tài)時，三極管呈現(xiàn)停止形態(tài)，驅(qū)動蜂鳴器停止報警[6]。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)工具的選擇

3.1.1 模擬仿真軟件Proteus

Proteus 是由一家英國公司自主研發(fā)并發(fā)行出版的一個電子設(shè)計(jì)自動化（Electronic Design Automation，EDA）軟件，不僅具有其他EDA 軟件的仿真功能，而且可以對各種單片機(jī)進(jìn)行仿真，同時支持Keil 軟件進(jìn)行編輯[7]。因此，設(shè)計(jì)最終選定Proteus 作為仿真軟件。

3.1.2 程序編輯軟件Keil

在軟件編程方面，設(shè)計(jì)采用Keil 軟件作為系統(tǒng)的開發(fā)工具。Keil 是美國Keil Software 公司出品的一款單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)，不僅提供了豐富的庫函數(shù)，而且具有功能強(qiáng)大的集成調(diào)試開發(fā)工具。C 語言不僅具有良好的語言可讀性，而且具有易于移植到其他設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)采用C 語言作為編程語言[8]。

3.2 軟件程序的設(shè)計(jì)

在啟動過程中，將水壓計(jì)探測到的深度輸入單片機(jī)，與設(shè)置的水深進(jìn)行比對。當(dāng)測得的數(shù)值超過最大數(shù)值時，就會啟動報警，然后水泵停止送水。當(dāng)測得的數(shù)值降到最低設(shè)置值時，就會拉響報警，然后開始用泵送水[9]。

4 實(shí)物展示

理論仿真后制作了實(shí)物進(jìn)行液位控制模擬。設(shè)計(jì)的電路板需要高精度的焊接技術(shù)和細(xì)致的操作，以確保電路板的穩(wěn)定性和可靠性。與普通電路板相比，設(shè)計(jì)的電路板的焊接工藝要求更高，因?yàn)橄到y(tǒng)需要承受液體流動和液位變化帶來的振動和沖擊，如果焊接不牢固會導(dǎo)致電路故障。圖2 為液位過高報警模塊響應(yīng)，此時水泵停止送水。圖3 為液位過低報警模塊響應(yīng)，此時水泵開始送水。圖4 為液位適中狀態(tài)，系統(tǒng)各項(xiàng)狀態(tài)正常。

圖2 液位過高

圖3 液位過低

圖4 液位適中

5 結(jié)語

智能液位控制器是一種利用水的導(dǎo)電性感應(yīng)電流“通”或者“斷”來判斷水位的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)自動控制水位，提高工作效率。經(jīng)過實(shí)物制作，得出3 點(diǎn)結(jié)論：一是可以準(zhǔn)確控制水的液位，避免了手動調(diào)節(jié)水位的煩瑣操作；二是響應(yīng)速度較快，可以在短時間內(nèi)根據(jù)水位的變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；三是可以適用于多種不同的液體，具有一定的通用性。目前，設(shè)計(jì)還存在兩方面不足。一方面，對于不同的液體，需要在設(shè)計(jì)中考慮其導(dǎo)電性不同的問題，否則可能會出現(xiàn)誤判水位的情況。另一方面，液位控制的精度和穩(wěn)定性需進(jìn)一步提高，以滿足不同行業(yè)的需求[10]。

為了改進(jìn)智能液位控制器，未來的設(shè)計(jì)可以從4 個方面入手。第一，引入更先進(jìn)的傳感器技術(shù)，改進(jìn)傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確性，提升液位控制的可靠性和穩(wěn)定性。第二，加強(qiáng)對不同液體導(dǎo)電性的測試和研究，針對不同液體設(shè)計(jì)不同的控制程序，提升系統(tǒng)的適用性和智能化程度。第三，深化液位控制器與其他智能設(shè)備的聯(lián)動，提高設(shè)備的智能化程度和自動化水平。第四，提升液位控制器的可編程性和可調(diào)節(jié)性，方便用戶根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整[11]。

智能液位控制器是一種具有廣泛應(yīng)用前景的智能設(shè)備，未來需不斷改進(jìn)和優(yōu)化，提升其可靠性、智能化程度，擴(kuò)大其適用范圍，以滿足不同行業(yè)的需求。