超声波传感器基础上的液位控制系统设计

　　为保证水池液位一直处于安全位置以下，下面文章提出设计了一种以STC89C52单片机为控制芯片的超声波非接触式液位控制系统。该系统采用HC-SR04实现测距功能，温度采集用于声速补偿，固态继电器控制三相电动机通断，LCD1602作为显示界面，按键用于参数设定。测量距离不在设定范围内时，系统自动判断并控制三相电动机的启停，该系统实现了弱电控制强电，实现无人值守自动排水。

　　关键词：STC89C52,超声波,固态继电器,三相电动机,LCD1602

　　在现实生活中利用超声波测距的应用越来越多，超声波是一种非接触式的测距传感器。超声波指向性强，能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远。与其它测距方式相比，它不受天气、光线及被测物体颜色的影响。对于被测物处于烟雾、有灰尘、电磁干扰、黑暗等恶劣的环境下有一定的适应能力[1]。

　　该系统采用HC-SR04超声波传感器作为距离测量传感器，测量出与液位之间的距离，把测量数据显示在LCD1602上面，单片机通过测量的数据间接控制固态继电器，实现对三相电机的启停控制。该系统在测量的距离小于上限距离时，系统报警，同时启动三相电机自动排水，当系统测量的距离大于下限距离时，三相电机自动停止，系统距离阈值可根据实际情况设置。该系统实现了弱电控制强电，实现无人值守自动排水功能，减少了人工操作环节，避免了人工操作的安全隐患并且安装简单，成本低，具有很强的实用价值。

　　1系统设计原理

　　1.1系统工作原理

　　采用超声波测量距离，将距离显示在LCD1602上，通过按键设置水池水位的上端和下端的安全距离，当测量的距离低于上端的安全距离时，系统报警提示，同时单片机通过P2.0引脚输出低电平信号，触发小型直流继电器工作，小型直流继电器导通，从而触发固态继电器导通，三相电机将启动进行自动排水;当测量的距离低于下端的安全距离时，单片机通过P2.0引脚输出高电平信号，小型直流继电器停止工作，无输出信号，从而固态继电器不导通，三相电机将自动停止抽水。

　　1.2超声波测距原理

　　采用超声波测量传感器与水池水面之间的距离，当超声波传感器的发射端发出信号后，遇到水面，就会将信号反射回来，利用超声波的这种特性，采用时间差值检测法[2]进行对水池水面距离的测量。其测量原理是超声波发射端向水面方向发射超声波，在发射声波的同时开始计时。声波在空气中传播，碰到水面立即反射回来，超声波接收端接收到反射信号就立即停止计时。

　　根据计时器记录的传播时间及声波在空气中传播的速度，就可以计算出发射端距水面的距离，计算公式为：S=Vt/2，由公式V=331.5+0.607T，可以确定出安装使用环境下的声速V。公式中：S表示测量距离;t表示声波发射到声波返回的时间间隔;V表示声波在空气中传播的速度，其值受到环境温度的影响;T表示安装环境的温度(℃)[3]。将测量的距离在LCD1602上面显示出来。

　　2系统硬件电路设计图

　　本系统硬件电路设计主要分为：电源模块、单片机最小应用系统、温度模块、超声波模块、继电器模块、按键模块，1602LCD显示电路。

　　3系统软件设计

　　3.1系统程序流程图

　　该系统采用C语言模块化程序设计。系统程序主要包括温度采集模块、超声波测距模块程序、继电器模块程序、LCD显示模块程序、按键模块程序、报警模块程序等。

　　3.2主程序设计

　　程序采用模块化设计，进入主程序，首先检测蜂鸣器状态，初始化单片机IO口，初始化LCD1602和定时器，调用执行一次温度采集函数和超声波测距函数，LCD显示用户设定初始的上限和下限值。进入while循环，执行主程序。voidmain(){speaker=0;delay_1ms(200);P0=P1=P2=P3=0XFF;init_1602();time_init();get_temperature();ultrasouic_dis();write_lcd(2,3,Up);write_lcd(2,11,Down);while(1){get_temperature();ultrasouic_dis();write_lcd(1,8,distance);Relay();key();if(key_can<5){key_with();}}}

　　3.3温度采集程序设计

　　在本系统设计中采用DS18B20温度传感器采集环境温度，将采集的温度用于计算超声波测距的声速，补偿声速受环境温度的影响，提高测量距离的精确性。uintget_temperature(){floattemperature;uchara,b;delay_1ms(2);write_lcd_byte(0xcc);write_lcd_byte(0xbe);a=write_lcd_byte();b=write_lcd_byte();temp=b;temp<<=8;temp=temp|a;temperature=temp*0.0625;temp=temperature*100+0.5;returntemp;}

　　3.4超声波测距程序设计

　　首先超声波的发射端发射出一个超声波脉冲信号，延时10ms关闭脉冲信号，等待接收端接收返回的信号，开启定时器T0计时，当接收到信号后立即执行while(ultrasouic_recive)函数，利用计数器T0中的计数计算出被测液面与超声波测距仪之间的距离[4]。voidultrasouic_dis(){TH0=0;TL0=0;TR0=0;ultrasouic_send=1;delay();ultrasouic_send=0;while(!ultrasouic_recive);TR0=1;while(ultrasouic_recive){flag_time0=TH0*256+TL0;if((flag_time0>23530)){TR0=0;distance=888;break;}else{flag_ultrasouic_utility=1;}}if(flag_ultrasouic_utility==1){TR0=0;V=331.5+0.607*temp;distance=flag_time0/2*V;if((distance>400)){distance=888;}}}

　　3.5继电器程序设计

　　对测量的距离与用户设定的上限和下限距离相比较，当测量的距离小于用户设定的上限距离时，固态继电器吸合，此时启动三相异步电机;水位不断下降，当测量的距离大于用户设定的下限距离时，固态继电器断开，三相异步电机停止工作。voidRelay(){if(distanceDown)Relay1=1;}

　　4安装调试与应用

　　将制作好的超声波测距仪安装在应急排水池上方60cm处固定好，通过实验得到以下数据。通过实验数据表明，在有效数据测量范围内，测量距离与实际距离的误差均小于1.5%，满足系统设计要求。当系统测量的距离小于设定的安全距离上限时，电机自动启动进行排水，当系统测量的距离大于设定的安全距离下限时，电机自动停止排水。经过一段时间实际安装测试应用，该系统满足厂内自动排水要求，能够保证液面一直处于安全位置，避免了因积液而造成的安全隐患。

　　5结束语

　　通过超声波测量距离，实现了应急排水池的自动排水，保证液面一直处于安全位置，减少了人工操作环节，避免了人工操作的安全风险，避免了夜间水池液面超过安全距离而造成的危险。该测距自动排水系统设计简单，安装方便，实现无人值守自动排水的功能，在实际安装应用中取得很好的效果。

　　在硬件制作中充分考虑了三相交流固态继电器扇热性能，采用铝排安装固定并在接触面涂有散热硅胶，避免雨季因频繁启动过热而损坏继电器;考虑了环境温度对超声波声速的影响，采用DS18B20测量安装环境的温度，用于补偿超声波传感器声速受温度的影响，提高测量距离的精确性。该系统实现了弱电控制强电，具有抗干扰能力强，设计简单，安全可靠，精确度高、成本低和操作简单等特点，可以广泛应用于排水、防洪坑的自动排水。

　　参考文献：

　　[1]刘玉芹，刘敬文.超声波测距仪在移动机器人避障中的应用[J].仪器仪表学报，2006(S2)：541-542.

　　[2]李航，王可人.基于STC89C52RC的超声波测距系统设计[J].电子测试，2010(1)：55-58.

　　[3]唐万伟，张银蒲，申彦春.基于AT89S52单片机的超声波测距系统设计[J].唐山学院学报，2012(25)：17-18，21.

　　[4]郭清.基于STC89C52的超声波测距防撞系统设计[J].仪表技术与传感器，2011(6)：74-77.

　　相关期刊推荐：仪器仪表学报(月刊)创刊于1980年，是中国科协主管、中国仪器仪表学会主办，中国仪器仪表学科最具影响力的学术性刊物。