吳興中，屈澤明 (湖南湘潭鋼鐵集團有限公司，湖南 湘潭 411101）

摘要：針對湖南湘潭鋼鐵集團管廊溝潛水泵控制現狀和實際要求，設計了一種基于單片機的液位自動控制器。該控制器具有實時監測液位的功能，同時可根據高、低液位設定值，實現自動啟停潛水泵。采用RS485總線協議，可實現遠程監控功能。實際運行結果表明，該控制器具有成本低、運行可靠、穩定、抗幹擾能力強等優點，并具有一定的推廣意義。

随着控制技術越來越成熟，芯片運行愈來愈穩定，目前越來越多的各種控制器被應用于工礦企業，用于替代過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滿意的效果。

湖南湘潭鋼鐵集團公司五米寬厚闆廠水處理車間許多電纜、管道鋪設在管廊溝内，由于管廊溝内四壁滲水、水管老化而産生漏水，存在淹沒管道和電纜的風險，由此可能造成管道腐蝕或電纜短路“放炮”的重大事故。故原設計時在管廊溝的積水坑内都安裝了潛水泵控制器，它通過在水中放置3個電極監測積水坑液位的高水位和低水位，實現高水位自動啟動潛水泵運行，低水位時自動停止潛水泵運行。此控制器隻能指示高、低兩個液位，不能顯示液位實際值。目前由于潛水泵控制器投運時間較長，元件老化嚴重，90%的控制器已經出現電路闆元件燒毀不能使用的現象。為了保證管廊溝内積水不淹沒管道和電纜，湖南湘潭鋼鐵集團公司五米寬厚闆廠水處理車間員工需要每天3次去管廊溝内點檢。如果發現有積水，則需要人工啟動潛水泵把水排出管廊溝外，水位低時手動關閉潛水泵，防止潛水泵因無水發熱而燒毀潛水泵電機。

基于此，本文設計了一種基于單片機的超聲波液位控制器，實現了液位實時監測、潛水泵無人操作自動運行等功能。

原潛水泵控制器通過在水中放置3個電極監測積水坑液位的高水位和低水位，實現高水位自動啟動潛水泵，低水位時自動停止潛水泵，此控制器存在如下缺陷。

（1）隻能指示液位高低，不能顯示液位實際值，由于不知道液位實際值，給在管廊溝内檢修作業帶來不便。

（2）水中放置的3個電極由于産生電解反應，造成電極腐蝕快或結垢嚴重，需要定期更換電極。

（3）原控制器成本較高，需要2 500元左右，且維護成本較高。

基于上述情況，設計了基于單片機的超聲波液位控制器。此控制器具有實時監測實際液位的功能，由于不直接與水接觸，故傳感器使用壽命長，控制器具有維護簡單、成本低廉的特點。

本系統原理結構圖如圖1所示，系統主要由單片機、通信接口電路、LED顯示電路、鍵盤電路、超聲波模塊及控制信号電路組成。

選取 AT89S52單片機作為控制核心, AT89S52單片機是一種低功耗、高性能 CMOS 8位微控制器。它具有以下資源：8KB Flash，256 B RAM，32位I/O端口，2個數據指針，3個16位定時器/ 計數器， 1個6向量2級中斷結構，全雙工串行口， 片内晶振及時鐘電路等［1］。

HCSR04是深圳市捷深科技有限公司的一款超聲波測距模塊，它有4個管腳，分别是 5 V Vcc，電源地Gnd，控制端Trig，接收端Echo。HCSR04模塊如圖2所示。其基本工作原理是：給控制端Trig提供一個10 μS 以上脈沖觸發信号，模塊将發出 8個40 kHz周期波并檢測回波，一旦檢測到有回波信号則輸出回響信号Echo；回響信号Echo的脈沖寬度與所測的距離成正比［2］；由此通過發射信号到收到的回響信号時間間隔計算得到距離，距離=高電平時間×聲速/2。

鍵盤電路由數字增加鍵、數字減少鍵、确認鍵、測試鍵4個鍵組成，鍵盤電路采用矩陣式鍵盤電路設計，4個鍵占用4個I/O資源。

LED顯示電路由4位共陰極LED數碼管組成，采用動态掃描方式。利用達林頓集成芯片ULN2008驅動LED數碼管以及繼電器，這樣設計既簡化了電路，也使電路闆更緊湊、簡約。數碼管用來顯示實際液位以及設定的高低液位值。通過程序控制繼電器通、斷，實現對潛水泵的啟停控制。

通信接口電路采用芯片MAX485，它符合RS485協議，通過它實現了TTL電平轉換為RS485電平［1,3］。

工作原理分析：控制器以AT89S52單片機為控制核心，通過單片機I/O端口觸發超聲波測距模塊HCSR04發出40 kHz的超聲波信号。利用單片機I/O端口監測HCSR04模塊回響信号，一旦回響信号由低電平變為高電平時，啟動單片機定時器，開始計時。當回響信号由高電平變為低電平時，停止計時，讀出回響信号為高電平的時間。根據HCSR04模塊距離計算公式，計算出傳感器與液位的實際距離LH。實際液位LACT =LSET-LH，其中LSET為量程，LH為傳感器與液位的實際距離。根據實際情況設定高、低液位值，邏輯判斷控制繼電器的通、斷，即潛水泵啟、停控制信号。利用LED數碼管對實際液位LACT進行顯示，實現對實際液位的在線監控。通過RS485接口電路實現遠程操作和監控。另外，控制器可以通過鍵盤電路對高、低液位值進行參數設置操作。為了保證在控制器出現程序“飛跑”的情況下能自動使控制器複位重啟，設計了看門狗電路。

1.2液位控制器的程序設計

控制器程序采用模塊化結構設計，主要包括主程序模塊、鍵盤程序模塊、顯示程序模塊及通信程序模塊等。

在主程序模塊中完成定時器的初始化、中斷初始化以及測量實際液位等功能，主程序功能如圖3所示。

鍵盤程序模塊包括鍵盤識别部分、參數顯示部分以及4個鍵的處理部分，設計時采用外部中斷程序來滿足鍵盤對及時響應的要求。

顯示程序采用動态掃描方式實現LED數碼管對數據的顯示，通過定時中斷來保證數碼管掃描時間間隔一緻，使數碼管顯示穩定、不閃爍。

通信程序用于液位控制器與PC通信，實現液位控制器與PC數據交換，便于遠程操作與監控。

2實驗與結果

通過實驗闆對液位控制器進行了測距精度、顯示效果、通信等方面的測試。

實驗表明模塊的盲區為2 cm，探測距離範圍為2~450 cm，控制器有較高的精度，能夠滿足現場的控制要求。

LED數碼管顯示穩定、鮮豔 、清晰，非常适合用在光線暗淡的環境。

通過RS485總線與PC連接通信，實現了液位控制器與上位機PC遠程通信。利用液位控制器與PC通信界面可對高、低液位進行設定，并可監控液位的實際值，通信界面如圖4所示。

參考文獻

［1］ 吳興中,朱松林,彭新良.利用單片機實現對雲台的控制［J］.四川兵工學報，2011,32(3):71-73.

［2］ 深圳市捷深科技有限公司.HCSR04超聲波測距模塊說明書［Z］.20110227.

［3］ 吳興中,歐青立.一種PC與單片機多機 RS232串口通信設計［J］.國外電子測量技術,2009,28(1):7476.

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