基于超聲波傳感器的水位自動控制系統(tǒng)研究

0 引 言

目前國內(nèi)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(chǎn)品。因此，開展液位自動控制的研究工作十分必要。

系統(tǒng)為一個水位監(jiān)測與控制裝置，通過鍵盤可以設(shè)定瓶內(nèi)液位（0～25cm內(nèi)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(nèi)的液位達(dá)到設(shè)定值，液位超過25cm或低于2cm時會發(fā)出警報。顯示器能實時顯示當(dāng)前液位狀態(tài)和瓶內(nèi)液體重量以及閥門狀態(tài)。

1 系統(tǒng)功能概述及框圖

本設(shè)計利用MCS-51 單片機(jī)結(jié)合數(shù)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(jī)通過鍵盤設(shè)定自己和從機(jī)的液位，超聲波傳感器測出當(dāng)前水位對應(yīng)的電壓值，再經(jīng)過ICL7135 模數(shù)轉(zhuǎn)化送入控制器與設(shè)定值比較，單片機(jī)通過控制電磁閥調(diào)節(jié)主機(jī)液位，并把設(shè)定值與當(dāng)前值顯示在LCD 上；主機(jī)控制器通過485 通訊對從機(jī)控制器傳輸設(shè)定值，從機(jī)控制器也可以如主機(jī)控制器一樣對液位進(jìn)行控制，并通過LCD 顯示主機(jī)給定值與當(dāng)前液位值；并利用485 通訊把從機(jī)當(dāng)前液位傳送給主機(jī)顯示出來。

系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊、A/D 數(shù)據(jù)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(tǒng)總框圖如圖1 所示。

2 方案論證與比較

考慮系統(tǒng)的要求，在對器件的選擇過程中，側(cè)重于對傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇。

2.1 傳感器

系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要對以下三種傳感器進(jìn)行了選擇比較。

方案一：壓力傳感器

圖1 系統(tǒng)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(jìn)行準(zhǔn)確測量，然而連接電纜中的通氣會受到環(huán)境的影響，造成氣管內(nèi)壁冷凝，結(jié)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(jié)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(huán)境的影響而造成測量不準(zhǔn)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(kuò)散壓敏電阻；硅平膜片在微小變形時有良好的彈性特性，當(dāng)硅片受壓后，膜片的變形使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化；此變阻器容易受外部環(huán)境的影響，如溫度，從而造成測量不準(zhǔn)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(shè)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(yè)領(lǐng)域內(nèi)第一款在產(chǎn)品上帶有按鍵設(shè)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(shè)功能，如：具有自診斷LED 顯示和按鍵設(shè)定功能、溫度補(bǔ)償功能、可選擇模擬量或開關(guān)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(fù)載阻抗2.5 歐，精度可達(dá)到0.5mm，外形分為直線型和直角型。感應(yīng)口徑為18mm。