基于超声波传感器的水位自动控制系统研究

时间：07-02 来源：EDN 点击：

图2 最小系统电路图

本电路需外接一个AC220/9V 的变压器，变压器的二次侧通过整流滤波后输入CW7805便可得到+5V 电压，此电压做最小系统的电源。

系统中通过8255外扩了PA、PB、PC共24个I/O口，以便作为系统的输入输出通道。用74LS138的输出作为各个芯片的译码选择端，除最小系统中使用的Y0～Y3外，还有Y4～Y7可供其它扩展使用。

3.2 液位控制及报警电路

本设计的液位控制电路是一闭环电路，传感器把液位传给单片机与设定值比较，单片机通过对电磁阀的控制来控制液位。用9V 电源对继电器供电，使用了24V 电源对传感器供电，用220V 交流电对电磁阀供电；在报警电路中，利用9V 电源对蜂鸣器供电，当液位超过25cm或低于2cm 时发出报警。在供水回路中，用电动机进行循环供水，保证程序的连续运行。

3.3 ICL7135 信号采集传输电路

本电路由一个小型集成电路来实现，采样后的信号经过电位器送到ICL7135 进行处理，将处理后信号直接送到单片机最小系统。ICL7135 量程为0～2V，基准电压由MC1403 输出（2.5V）分压获得1V 电压。

HC240 是八位缓冲线/线驱动器，内含八个具有三态输出反相缓冲器。三态输出的反相缓冲器，输出允许控制端（ENA、ENB），每一个EN 控制四个缓冲器，1A、2A 数据输入，1Y、2Y 输出。输出分别送出个、十、百、千、万位。

HC157 是四路二选一开关，1 为选择输入端，S 为低电平时，选择A 输出；S 为高电平时，选择B 输出ICL7135 的BCD 码的位选通输出端D1-D5 分别接8 位可编程逻辑接口电路8255的PA0～PA3 和PB0～PB4。CPU 可读取各个位的状态并判断，从而在ICL7135 的B1～B8 输出端读取BCD 数据。ICL7135 信号采集传输电路如图3 所示。

图3 ICL7135 信号采集传输电路

3.5 软件设计

软件部分主要是利用51 系列单片机作控制器，传感器输出电压进行采样，将采样值与设定值比较，单片机对电磁阀控制来调节液位，主机通过485 通讯给分机设定数值，分机控制器对分机液位进行控制。软件部分包括ICL7135 采样部分、485 通讯部分、数字处理部分、显示部分、键盘部分等。为了避免在传感器移动造成测量数据不准确，特别增加了调零功能，进一步提高了系统的准确性。主程序流程图如图4 所示。

图4 主程序流程图

4 实验结果及分析

需要的测试设备有4 位1/2 高精度数字万用表、刻度尺、100M 双踪数字示波器。测试结果如表4-1 所示。

表4-1 测试数据

由以上数据我们可以看出，系统的各个检测单元的测试数据精度很高、液晶显示值和测量值与设定值非常接近，与传感器输出电压成线性关系，与重量也成一定的比例关系，这与硬件的选择及其参数的匹配以及软件控制算法的选择是不可分割的。

5 设计总结

本设计在硬件上，使用S18UUA 超声波传感器，ICL7135 等高精度芯片和仪器进行液位测量，使所测量的液位精度远高于液位误差不超过±0.3cm 的要求。此外，本设计还应用了MAX485 通讯，OCM4X8C 液晶显示LCD 等芯片和元件，使设计更符合实际应用的要求，也相应的降低了软件设计的难度。在软件上，采用规范化的编程方法，有效的减少了程序所需要的存储空间。目前本课题主要用于地下水位的检测，项目经济效益接近15 万元。

本文作者创新点：

（1）采用超声波传感器进行测量，提高了系统精度。
（2）主站能测量并显示主站自己和任何一个分站的液位高度、液体质量和阀的状态。
（3）主站能设定自己的入水阀和出水阀状态。
（4）分站能显示该分站的液位高度，液体重量，显示和设定入水阀出水阀状态。

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