儲(chǔ)液罐液位控制是一個(gè)熱點(diǎn)的研究問(wèn)題，為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液罐液位的自動(dòng)控制和檢測(cè)，近年來(lái)，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，采用的方法主要有紅外法、超聲波法、干簧管傳感器法等[1-5]，紅外方法檢測(cè)中，由于紅外探測(cè)器和傳感器的應(yīng)用，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，紅外傳感器在使用中，由于環(huán)境問(wèn)題，容易出現(xiàn)老化；干簧管傳感器法主要屬于開(kāi)關(guān)檢測(cè)型，只能對(duì)液位的上限和下限進(jìn)行臨界檢測(cè)，檢測(cè)精度也不高【6-10】；超聲波檢測(cè)采用光傳播理論，檢測(cè)快速，測(cè)量精度較好，同時(shí)在檢測(cè)過(guò)程中不易受到電源或者環(huán)境的干擾[11-13]，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
文中擬采用單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)按鍵電路模塊、數(shù)字顯示模塊、超聲波傳感器模塊、集成 H橋模塊等，完成了一套智能水位控制系統(tǒng)，檢測(cè)誤差低于 0.3%，穩(wěn)定時(shí)間低于 3 s。

1 超聲波傳感器與工作原理

超聲波模塊可提供 2~400 cm 的非接觸距離測(cè)試功能，測(cè)試的精度最高可以達(dá)到 3 mm，主要模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器、和控制電路[14-16]。

基本工作原理：

由超聲波模塊發(fā)送信號(hào)，在檢測(cè)端進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，當(dāng)探測(cè)得到超聲波信號(hào)時(shí)，記錄時(shí)間，其中的距離即時(shí)間與光在空氣中的傳播速度的乘積的一半。
其電路原理圖如圖 1所示。

圖1 超聲波模塊原理圖

2 H橋驅(qū)動(dòng)電路與工作原理
圖 3 所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路，由 4個(gè)三極管組成的 H 橋驅(qū)動(dòng)電路。H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括 4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)序，保證Q1和 Q4或者 Q2和 Q3成對(duì)同時(shí)導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)M中的電流方向變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向的控制。

圖3 H橋驅(qū)動(dòng)電路
該電路在實(shí)際使用過(guò)程中，當(dāng)電流流向從 Q1-M-Q4 切換到 Q2-M-Q3 過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)第一條通路還沒(méi)有完全關(guān)閉的時(shí)刻，第二條支路就自動(dòng)導(dǎo)通的情況，這種情況稱(chēng)之為直通，當(dāng)直通現(xiàn)象產(chǎn)生后，電流不流經(jīng)電機(jī) M，并會(huì)產(chǎn)生極大的電流，會(huì)給電路到來(lái)很大的危害，基于此，需要對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，在方向切換時(shí)，增加“死區(qū)”時(shí)間，待完全關(guān)閉其中一條通道后，切換再進(jìn)行。改進(jìn)的電路圖如圖 4 所示。在基本 H 橋電路的基礎(chǔ)上增加了 4個(gè)與門(mén)和 2個(gè)非門(mén)。

4個(gè)與門(mén)同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)相接，通過(guò)提供一種方向輸入，可以保證任何時(shí)候在 H橋的同側(cè)腿上都只有一個(gè)三極管能導(dǎo)通。從而杜絕了直通現(xiàn)象。

圖4 改進(jìn)過(guò)的H橋驅(qū)動(dòng)電路
3 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)采用STC12系列或者STC89C51系統(tǒng)單片機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)電路圖如果 5所示。最小系統(tǒng)包含復(fù)位電路、晶振電路和電源電路等。

圖5 單片機(jī)控制電路圖

4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路采用有源蜂鳴器設(shè)計(jì)。報(bào)警電路圖如圖 6所示。

圖6 報(bào)警電路
蜂鳴器采用 9012 三極管驅(qū)動(dòng)，其基極接到 RD端，當(dāng) RD 端為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器響。否則關(guān)斷。蜂鳴器正極接大小為 5 V 的電源，負(fù)極則要接到三極管的集電極上。三極管的基極需要通過(guò)與門(mén)聯(lián)通單片機(jī)的引腳。當(dāng)引腳為高電平時(shí)，此時(shí)的與非門(mén)輸出低電平，三極管停止導(dǎo)通，蜂鳴器失電，不報(bào)警；當(dāng)引腳電平為低時(shí)，則與非門(mén)輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器中的電流形成回路發(fā)出警報(bào)報(bào)警。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要有按鍵控制程序模塊、數(shù)碼管顯示模塊、定時(shí)中斷程序模塊、超聲波傳感器控制模塊、H 橋電機(jī)控制模塊等。

5.1 主程序流程圖設(shè)計(jì)

程序啟動(dòng)后，啟動(dòng) T1 定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷啟動(dòng)，調(diào)用計(jì)數(shù)器函數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)到 400，時(shí)（800 ms），調(diào)用距離計(jì)算函數(shù)，超聲波模塊啟動(dòng)，開(kāi)啟計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)超聲波模塊接收到返回聲音時(shí)停止計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)算函數(shù)計(jì)算得出距離并顯示在數(shù)碼管上，并判斷水位狀態(tài)，低于最低水位時(shí)，采用聲光報(bào)警，并啟動(dòng)水泵進(jìn)行抽水，而當(dāng)水位高于上限水位時(shí)，同樣采用聲光報(bào)警，低水位時(shí)采用黃燈報(bào)警，高水位時(shí)采用紅燈報(bào)警，如此循環(huán)。

5.2 T1中斷子程序流程圖
T1 中斷主要完成掃描數(shù)碼管顯示和開(kāi)啟超聲波模塊的作用，首先進(jìn)行初值的裝載，并不斷掃描數(shù)碼管更新顯示，當(dāng)檢測(cè)時(shí)間到達(dá) 800 ms 時(shí)，自動(dòng)清零，開(kāi)啟超聲波模塊，接受到信號(hào)后然后關(guān)閉，以此循環(huán)。

5.3 計(jì)數(shù)模塊程序子流程圖
流程圖如圖 9 所示，計(jì)數(shù)模塊主要完成數(shù)值轉(zhuǎn)換后，在液晶顯示器上顯示十進(jìn)制的數(shù)值。首先進(jìn)行定時(shí)器的初始化，設(shè)置 TMOD 為定時(shí)模式，并將初值放置在 TH0 和 TL0，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)后，標(biāo)志位清零，進(jìn)入下一次定時(shí)循環(huán)。

6 調(diào)試與結(jié)果分析

根據(jù)軟硬件的設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，其調(diào)試結(jié)果如表 2所示。

表2 調(diào)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可得，該系統(tǒng)測(cè)量穩(wěn)定時(shí)間短，測(cè)試均在 3 s 時(shí)間內(nèi)完成，測(cè)量誤差均在 0.3%以下，測(cè)量精度高。當(dāng)水位達(dá)到上限時(shí)，裝置會(huì)聲光報(bào)警，并停止水泵抽水；同理，當(dāng)水位低于最低水位時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)水泵進(jìn)行抽水，從而實(shí)現(xiàn)水位的智能控制，測(cè)試簡(jiǎn)便，人機(jī)交互好，在同類(lèi)項(xiàng)目中達(dá)到了較高的水平。

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