基于超声波传感器的水位自动控制系统研究

0 引 言

目前国内在液位自动控制方面缺少长期可靠的使用范例，还没有适用于液位测量和自动控制的定型产品。因此，开展液位自动控制的研究工作十分必要。

系统为一个水位监测与控制装置，通过键盘可以设定瓶内液位（0～25cm内的任意值），并通过控制电磁阀（或类似于电磁阀的装置）使瓶内的液位达到设定值，液位超过25cm或低于2cm时会发出警报。显示器能实时显示当前液位状态和瓶内液体重量以及阀门状态。

1 系统功能概述及框图

本设计利用MCS-51 单片机结合数字芯片、模拟电路，完成对水位的检测和自动控制。

基本工作流程为：主机通过键盘设定自己和从机的液位，超声波传感器测出当前水位对应的电压值，再经过ICL7135 模数转化送入控制器与设定值比较，单片机通过控制电磁阀调节主机液位，并把设定值与当前值显示在LCD 上；主机控制器通过485 通讯对从机控制器传输设定值，从机控制器也可以如主机控制器一样对液位进行控制，并通过LCD 显示主机给定值与当前液位值；并利用485 通讯把从机当前液位传送给主机显示出来。

系统由单片机系统数据处理模块、A/D 数据输入模块、485 通讯模块、液位控制及报警模块及键盘和显示模块等几部分组成。系统总框图如图1 所示。

2 方案论证与比较

考虑系统的要求，在对器件的选择过程中，侧重于对传感器和模数转换芯片的选择。

2.1 传感器

系统设计过程中，主要对以下三种传感器进行了选择比较。

方案一：压力传感器

图1 系统框图 目前的液位压力传感器大部分是投入式静压液位变送器，而投入式静压液位传感器只有参考大气压才能进行准确测量，然而连接电缆中的通气会受到环境的影响，造成气管内壁冷凝，结露。露水滴到电子器件和传感器上，会影响精度或者输出漂移。同时，结露过快，变送器的使用寿命也会大大缩短。此压力传感器容易受到环境的影响而造成测量不准确，并且安装不方便。 方案二：压阻式压力传感器 压阻式传感器是用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制作扩散压敏电阻；硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，当硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化；此变阻器容易受外部环境的影响，如温度，从而造成测量不准确，而且体积一般比较大，不易安装、不易携带；一般其精确度也比较低。不能满足设计的需要，所以不选择。 方案三：超声波传感器 超声波传感器是工业领域内第一款在产品上带有按键设定功能和自诊断功能的小型传感器。它虽然体积小，但是具有其它大型传感器所具有的功能，安装使用方便而且不受被测物体的颜色影响，有许多特设功能，如：具有自诊断LED 显示和按键设定功能、温度补偿功能、可选择模拟量或开关量输出等；其供电电压为10～30V，测量范围为30mm～300mm，输出电压0V～10V，输出电流为4mA～20mA，最小负载阻抗2.5 欧，精度可达到0.5mm，外形分为直线型和直角型。感应口径为18mm。 超声波传感器所具有的条件满足设计所需要0～25cm 的液位控制，以及液位误差不超过±0.3cm 的要求，并且解决了安装不方便的难题。所以本设计选择了精度高，体型小的超声波传感器。 2.2 A/D 转换器 所采用的A/D 转换器的精度和性能直接影响后端单片机接收数据的精度，在此我们对以下两种AD 转换器进行比较分析。 方案一：采用8 位ADC0809 A/D 转换器 ADC0809 是常用的8 位A/D 转换器，属逐次逼近型，ADC0809 由单一+5V 供电，片内含带有锁存功能的8 路模拟电子开关，可对0～+5V 8 路的模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约需100us，所以速度较快，但是ADC0809 芯片分辨率低，精度不够，不能满足本系统要求，不予采用。 方案二：采用4 位半双积分A/D 转换器ICL7135 ICL7135 是应用广泛的4 位半双积分A/D 转换器，动态BCD 码输出的积分型A/D 转换器。其特点是：精度高、极性自动转换输出、自动校零、单一电源工作、动态BCD 码输出。由于双积分方法的二次积分时间比较长，所以A/D 转换速度慢，通常为（3～10）次/s，此外，对周期变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也比较好。在同等精度的情况下，价格低于逐次逼近式A/D 转换器，因而在对速度要求不高的场合，更宜于采用这类A/D 转换器。 考虑系统的要求，本设计采用控制精度较高的ICL7135 A/D 转换器。 3 硬件电路及软件设计 本设计的硬件电路包括最小系统电路、液位控制及报警电路、ICL7135 信号采集传输电路、键盘和显示模块等。 3.1 最小系统（电源供电电路与I/O 扩展及选通电路） 本设计使用的最小系统板是以80C52 单片机为内核，并且具有良好的扩展性。CPU 外接11.0592MHz 的晶振，主要由74LS373 锁存电路、74LS138 译码电路以及按键、显示器件、ICL7135 及其外围典型电路组成，并用8255 外扩了I/O 接口。最小系统电路如图2 所示。