产品概述

基于单片机的液位控制 一种基于单片机的液位控制器设计

小编 2024-12-09 产品概述 23 0

一种基于单片机的液位控制器设计

吴兴中,屈泽明 (湖南湘潭钢铁集团有限公司,湖南 湘潭 411101)

摘要: 针对湖南湘潭钢铁集团管廊沟潜水泵控制现状和实际要求,设计了一种基于单片机的液位自动控制器。该控制器具有实时监测液位的功能,同时可根据高、低液位设定值,实现自动启停潜水泵。采用RS485总线协议,可实现远程监控功能。实际运行结果表明,该控制器具有成本低、运行可靠、稳定、抗干扰能力强等优点,并具有一定的推广意义。

随着控制技术越来越成熟,芯片运行愈来愈稳定,目前越来越多的各种控制器被应用于工矿企业,用于替代过去的人工操作和控制,并取得了巨大的效益和超越人工控制的令人满意的效果。

湖南湘潭钢铁集团公司五米宽厚板厂水处理车间许多电缆、管道铺设在管廊沟内,由于管廊沟内四壁渗水、水管老化而产生漏水,存在淹没管道和电缆的风险,由此可能造成管道腐蚀或电缆短路“放炮”的重大事故。故原设计时在管廊沟的积水坑内都安装了潜水泵控制器,它通过在水中放置3个电极监测积水坑液位的高水位和低水位,实现高水位自动启动潜水泵运行,低水位时自动停止潜水泵运行。此控制器只能指示高、低两个液位,不能显示液位实际值。目前由于潜水泵控制器投运时间较长,元件老化严重,90%的控制器已经出现电路板元件烧毁不能使用的现象。为了保证管廊沟内积水不淹没管道和电缆,湖南湘潭钢铁集团公司五米宽厚板厂水处理车间员工需要每天3次去管廊沟内点检。如果发现有积水,则需要人工启动潜水泵把水排出管廊沟外,水位低时手动关闭潜水泵,防止潜水泵因无水发热而烧毁潜水泵电机。

基于此,本文设计了一种基于单片机的超声波液位控制器,实现了液位实时监测、潜水泵无人操作自动运行等功能。

原潜水泵控制器通过在水中放置3个电极监测积水坑液位的高水位和低水位,实现高水位自动启动潜水泵,低水位时自动停止潜水泵,此控制器存在如下缺陷。

(1)只能指示液位高低,不能显示液位实际值,由于不知道液位实际值,给在管廊沟内检修作业带来不便。

(2)水中放置的3个电极由于产生电解反应,造成电极腐蚀快或结垢严重,需要定期更换电极。

(3)原控制器成本较高,需要2 500元左右,且维护成本较高。

基于上述情况,设计了基于单片机的超声波液位控制器。此控制器具有实时监测实际液位的功能,由于不直接与水接触,故传感器使用寿命长,控制器具有维护简单、成本低廉的特点。

本系统原理结构图如图1所示,系统主要由单片机、通信接口电路、LED显示电路、键盘电路、超声波模块及控制信号电路组成。

选取 AT89S52单片机作为控制核心, AT89S52单片机是一种低功耗、高性能 CMOS 8位微控制器。它具有以下资源:8KB Flash,256 B RAM,32位I/O端口,2个数据指针,3个16位定时器/ 计数器, 1个6向量2级中断结构,全双工串行口, 片内晶振及时钟电路等[1]。

HCSR04是深圳市捷深科技有限公司的一款超声波测距模块,它有4个管脚,分别是+5 V Vcc,电源地Gnd,控制端Trig,接收端Echo。HCSR04模块如图2所示。其基本工作原理是:给控制端Trig提供一个10 μS 以上脉冲触发信号,模块将发出 8个40 kHz周期波并检测回波,一旦检测到有回波信号则输出回响信号Echo;回响信号Echo的脉冲宽度与所测的距离成正比[2];由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔计算得到距离,距离=高电平时间×声速/2。

键盘电路由数字增加键、数字减少键、确认键、测试键4个键组成,键盘电路采用矩阵式键盘电路设计,4个键占用4个I/O资源。

LED显示电路由4位共阴极LED数码管组成,采用动态扫描方式。利用达林顿集成芯片ULN2008驱动LED数码管以及继电器,这样设计既简化了电路,也使电路板更紧凑、简约。数码管用来显示实际液位以及设定的高低液位值。通过程序控制继电器通、断,实现对潜水泵的启停控制。

通信接口电路采用芯片MAX485,它符合RS485协议,通过它实现了TTL电平转换为RS485电平[1,3]。

工作原理分析:控制器以AT89S52单片机为控制核心,通过单片机I/O端口触发超声波测距模块HCSR04发出40 kHz的超声波信号。利用单片机I/O端口监测HCSR04模块回响信号,一旦回响信号由低电平变为高电平时,启动单片机定时器,开始计时。当回响信号由高电平变为低电平时,停止计时,读出回响信号为高电平的时间。根据HCSR04模块距离计算公式,计算出传感器与液位的实际距离LH。实际液位LACT =LSET-LH,其中LSET为量程,LH为传感器与液位的实际距离。根据实际情况设定高、低液位值,逻辑判断控制继电器的通、断,即潜水泵启、停控制信号。利用LED数码管对实际液位LACT进行显示,实现对实际液位的在线监控。通过RS485接口电路实现远程操作和监控。另外,控制器可以通过键盘电路对高、低液位值进行参数设置操作。为了保证在控制器出现程序“飞跑”的情况下能自动使控制器复位重启,设计了看门狗电路。

1.2液位控制器的程序设计

控制器程序采用模块化结构设计,主要包括主程序模块、键盘程序模块、显示程序模块及通信程序模块等。

在主程序模块中完成定时器的初始化、中断初始化以及测量实际液位等功能,主程序功能如图3所示。

键盘程序模块包括键盘识别部分、参数显示部分以及4个键的处理部分,设计时采用外部中断程序来满足键盘对及时响应的要求。

显示程序采用动态扫描方式实现LED数码管对数据的显示,通过定时中断来保证数码管扫描时间间隔一致,使数码管显示稳定、不闪烁。

通信程序用于液位控制器与PC通信,实现液位控制器与PC数据交换,便于远程操作与监控。

2实验与结果

通过实验板对液位控制器进行了测距精度、显示效果、通信等方面的测试。

实验表明模块的盲区为2 cm,探测距离范围为2~450 cm,控制器有较高的精度,能够满足现场的控制要求。

LED数码管显示稳定、鲜艳 、清晰,非常适合用在光线暗淡的环境。

通过RS485总线与PC连接通信,实现了液位控制器与上位机PC远程通信。利用液位控制器与PC通信界面可对高、低液位进行设定,并可监控液位的实际值,通信界面如图4所示。

参考文献

[1] 吴兴中,朱松林,彭新良.利用单片机实现对云台的控制[J].四川兵工学报,2011,32(3):71-73.

[2] 深圳市捷深科技有限公司.HCSR04超声波测距模块说明书[Z].20110227.

[3] 吴兴中,欧青立.一种PC与单片机多机 RS232串口通信设计[J].国外电子测量技术,2009,28(1):7476.

基于单片机高低水位控制系统设计实例

硬件原理水位检测部分要分析,程序简单,检测IO高低电平,控制显示和马达运转

低水位时,显示1,继电器接通,保持抽水

高水位时,显示2,继电器开,停止抽水

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