基于超聲波傳感器的水位自動控制系統研究

0 引 言

目前國內在液位自動控制方面缺少長期可靠的使用范例，還沒有適用于液位測量和自動控制的定型產品。因此，開展液位自動控制的研究工作十分必要。

系統為一個水位監測與控制裝置，通過鍵盤可以設定瓶內液位（0～25cm內的任意值），并通過控制電磁閥（或類似于電磁閥的裝置）使瓶內的液位達到設定值，液位超過25cm或低于2cm時會發出警報。顯示器能實時顯示當前液位狀態和瓶內液體重量以及閥門狀態。

1 系統功能概述及框圖

本設計利用MCS-51 單片機結合數字芯片、模擬電路，完成對水位的檢測和自動控制。

基本工作流程為：主機通過鍵盤設定自己和從機的液位，超聲波傳感器測出當前水位對應的電壓值，再經過ICL7135 模數轉化送入控制器與設定值比較，單片機通過控制電磁閥調節主機液位，并把設定值與當前值顯示在LCD 上；主機控制器通過485 通訊對從機控制器傳輸設定值，從機控制器也可以如主機控制器一樣對液位進行控制，并通過LCD 顯示主機給定值與當前液位值；并利用485 通訊把從機當前液位傳送給主機顯示出來。

系統由單片機系統數據處理模塊、A/D 數據輸入模塊、485 通訊模塊、液位控制及報警模塊及鍵盤和顯示模塊等幾部分組成。系統總框圖如圖1 所示。

2 方案論證與比較

考慮系統的要求，在對器件的選擇過程中，側重于對傳感器和模數轉換芯片的選擇。

2.1 傳感器

系統設計過程中，主要對以下三種傳感器進行了選擇比較。

方案一：壓力傳感器

圖1 系統框圖

目前的液位壓力傳感器大部分是投入式靜壓液位變送器，而投入式靜壓液位傳感器只有參考大氣壓才能進行準確測量，然而連接電纜中的通氣會受到環境的影響，造成氣管內壁冷凝，結露。露水滴到電子器件和傳感器上，會影響精度或者輸出漂移。同時，結露過快，變送器的使用壽命也會大大縮短。此壓力傳感器容易受到環境的影響而造成測量不準確，并且安裝不方便。

方案二：壓阻式壓力傳感器

壓阻式傳感器是用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制作擴散壓敏電阻；硅平膜片在微小變形時有良好的彈性特性，當硅片受壓后，膜片的變形使擴散電阻的阻值發生變化；此變阻器容易受外部環境的影響，如溫度，從而造成測量不準確，而且體積一般比較大，不易安裝、不易攜帶；一般其精確度也比較低。不能滿足設計的需要，所以不選擇。

方案三：超聲波傳感器

超聲波傳感器是工業領域內第一款在產品上帶有按鍵設定功能和自診斷功能的小型傳感器。它雖然體積小，但是具有其它大型傳感器所具有的功能，安裝使用方便而且不受被測物體的顏色影響，有許多特設功能，如：具有自診斷LED 顯示和按鍵設定功能、溫度補償功能、可選擇模擬量或開關量輸出等；其供電電壓為10～30V，測量范圍為30mm～300mm，輸出電壓0V～10V，輸出電流為4mA～20mA，最小負載阻抗2.5 歐，精度可達到0.5mm，外形分為直線型和直角型。感應口徑為18mm。