基于单片机的智能液位传感器（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.