超声波水位控制系统设计分析

来源：核心期刊咨询网时间：2019-07-23 10:5212

摘要：设计一款以AT89C51单片机为核心的超声波水位控制系统，硬件包括超声波测距模块，显示、键盘、声光报警及继电器控制电路等部分。软件采用C语言编程，主要由主程序、液位控制子程序、按键扫描子程序、显示子程序等部分组成。该系统能够实现水位的实时监测、实

　　设计一款以AT89C51单片机为核心的超声波水位控制系统，硬件包括超声波测距模块，显示、键盘、声光报警及继电器控制电路等部分。软件采用C语言编程，主要由主程序、液位控制子程序、按键扫描子程序、显示子程序等部分组成。该系统能够实现水位的实时监测、实时显示，并能实现水位的自动控制。

　　1.引言

　　目前，超声波作为一种非接触的测距工具，在距离探测领域得到广泛应用，例如无损检测、过程测量、机器人避障、倒车雷达等(夏继强，郑昆，郑健峰，沈忱，基于STM32的收发一体式超声波测距系统：仪表技术与传感器，2014)。对于水位控制系统，水位监测是关键，而传统的水位控制系统通常采用浮球式或连通器式液位开关来监测水位，无法实现水位的实时监测。液位开关由于需要接触介质，安装维护也比较复杂。另外，若在酸、碱、盐、强腐蚀、高温等恶劣工况条件下，还存在耐用性差、可靠性低等问题。若改用超声波监测水位，可以很好的解决上述问题。

　　2.系统工作原理及总体设计

　　2.1超声波测距原理超声波测距常用的方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法。相位检测法检测精度高，但检测范围有限;而声波幅值检测法容易受反射波的影响。渡越时间检测法简单、易实现，一般超声波测距多采用渡越时间法(张波，王朋亮，基于STC89C51单片机超声波测距系统的设计：机床与液压，2010)。它利用超声波的反射特性测距，通过精确测量超声波经被测物体反射放大后到达接收端的时间与发射时间之差t，2.2系统总体设计本系统按模块划分主要包括AT89C51单片机控制模块、超声波测距模块、液晶显示模块、继电器控制模块、按键输入模块、指示灯模块、蜂鸣器报警模块。

　　系统结构框图如图1所示。超声波测距模块利用超声波的反射特性测距，通过精确测量超声波经被测物体反射放大后到达接收端的时间与发射时间之差t，由AT89C51单片机进行数据处理，计算出超声波发射点与被测物体间的距离S，液晶显示模块实时显示当前水位状态信息。系统具有提醒功能，当监测的实时水位处于不同的高度，系统将通过指示灯模块和蜂鸣器报警模块进行相应的声光报警提醒。水位的高度阈值等系统参数可根据控制的实际需要通过按键输入模块进行修改调整。继电器控制模块包含了2组继电器，分别用于控制给水水泵和排水水泵。单片机根据测得的实时水位，驱动相应的继电器控制水泵的启停，使系统水位始终处于合理的范围。(雷文礼，任新成，邵婷婷，基于单片机的超声波测距系统的设计与实现：现代电子技术，2015)系统硬件电路图如图2所示。

　　3.硬件设计

　　3.1超声波测距模块超声波测距模块采用HC-SR04超声波模块，该模块是一种收发一体式的超声波测距器件，内置超声波发射器、接收器和控制电路，测量距离400CM以内，测距精度可达3mm，技术参数可充分满足一般液位测距要求(卢超，基于无线收发的超声波液位测量仪：压电与声光，2014)。测距时，首先由单片机的I/O口P3.2输出一个至少10us的脉冲信号给TRIG端口，模块收到该脉冲信号后开始工作，将自动发送8个40khz的方波并自动检测是否有信号返回。若接收到返回信号，模块的ECHO端口将输出一个高电平给单片机的I/O口P3.3，单片机定时器开始计时;当该端口变为低电平时，定时器停止计时。读出定时器的值即为此次超声波从发射到返回的时间。

　　根据公式S=vt/2(v为超声波在空气中的传播速度)就可计算出待测距离。模块时序图如图3所示。在水位控制应用系统中，超声波测距模块应安装在水箱、水塔等装水容器的正上方，因此系统通过超声波测距模块测量出的S值为水面到顶部的距离，应将装水容器的高度减去S即为所测实际水位(张鑫，单片机原理及应用：电子工业出版社，2015)。本系统的水位通过LCD1602字符型液晶显示电路进行实时显示。3.2声光报警模块水位状态主要有三种：正常水位，高水位或低水位，超高水位或超低水位，为方便用户了解水位状态，系统通过声光报警模块给予提示。若水位处于正常水位，此时LED灯GREEN保持亮;若水位处于高水位，此时LED灯RED闪烁;若水位处于低水位，此时LED灯YELLOW闪烁;若水位处于超高水位或超低水位时，此时蜂鸣器响。

　　蜂鸣器和3个LED灯分别通过AT89C51的I/O口P0.1、P1.2、P1.3、P1.4予以控制。压电式蜂鸣器使用一个晶体三极管驱动，以提供约10mA的驱动电流。三极管基极接单片机的I/O口P0.1，当P0.1输出低电平时，三极管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压，此时压电蜂鸣器发出声音，当P0.1输出高电平时，三极管截止，无电流流过蜂鸣器，蜂鸣器停止发声(郭清，基于STC89C52的超声波测距防撞系统设计：仪表技术与传感器，2011)。3.3按键模块为适应不同的应用环境，满足不同用户需求，本系统设计了3个独立按键KeySet、KeyINC和KeyDEC，按键之间相互独立，互不影响。这3个按键的一端分别接到单片机的P1.5口～P1.7口，另一端全部接地。

　　KeySet键为选择键，通过该按键可以对显示内容进行选择;KeyINC为增加键，KeyDEC为减小键，这两个按键每按一下改变1cm。用户若需要改变容器高度值和超高水位阈值、超低水位阈值时，可通过KeyINC和KeyDEC键做相应调整。3.4继电器控制模块水位控制系统的控制对象为给水水泵和排水水泵，单片机利用继电器的吸合或断开来实现对水泵的控制。本系统设计了两个电路结构相同的继电器控制模块，用于外接给水水泵和排水水泵。由于单片机I/O口的输出电流较小，无法使继电器吸合，本设计使用晶体三极管放大电流进行驱动。继电器控制电路如图4所示，当单片机I/O口P1.0或1.1P输出高电平，继电器闭合，LED指示灯亮，外接水泵启动运行;当单片机I/O口P1.0或P1.1输出低电平，继电器断开，LED指示灯灭，外接水泵停止运行。

　　4.软件设计

　　软件设计部分采用C语言编程，遵循模块化编程思想，系统主要由主程序、按键扫描子程序、水位控制子程序和显示子程序等模块组成。主程序流程图如图5所示。首先系统初始化，设置外部中断INT1为下降沿触发方式，设置定时器T0为16位计数器模式、T0计数初值为0，并完成LCD的初始化设置。接着使用while(1)语句实现如下无限循环。首先由单片机I/O端口P3.2引脚置位HC-SR04超声波模块Trig引脚10us触发测距，P3.3端口等待与其相连接的Echo引脚变高电平，便启动定时器开始计时，并打开外部中断INT1。然后执行扫描按键子程序，检测是否有按键输入。接着对EX1的值进行判断，若EX1=1，返回继续按键扫描;若EX1=0，关定时器T0，计算待测水位值。

　　根据所测水位值调用水位控制子程序对水位进行调节，驱动给水水泵或排水水泵控制水的注入或流出，使系统水位维持在合理范围，同时对不同的水位状态进行声光报警(隋美蓉，等.基于单片机的超声测距安全系统实验设计与实现：实验技术与管理，2017)。最后，调用显示子程序，实时显示当前水位值，显示单位为厘米。超声波模块Echo引脚由高电平变低电平时，触发外部中断，表明成功接收回波信号，此时定时器T0的计数值即为超声波的渡越时间。在外中断处理程序中关闭外中断并读取定时器T0的值，系统通过“time=TH0<<8|TL0;s=(time*3.4)/200”语句即可计算出水面与超声波模块之间的距离.

　　5.结语

　　本文设计了一款以单片机AT89C51为核心器件的超声波水位控制系统，该系统硬件电路简单、可靠性高，具有良好的人机交互界面，能实时显示水位，水位参数调整灵活方便(黄怡，等.双向通信控制系统的实验教学设计与实践：实验技术与管理，2018)。作为一种非接触式测距，该系统不仅可用于各种工况条件下的水位监控，还可用于其他物位的监测，具有良好的开放性及应用推广价值。

　　作者：刘光平 单位：苏州大学文正学院

　　推荐阅读：《放射学实践》(月刊)创刊于1986年，由华中科技大学同济医学院主办。

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