基于单片机的水位控制系统设计

2012-09-26唐灵军

电子设计工程 2012年8期

唐灵军，唐杰，谌超，胡斌

（邵阳学院电气工程系，湖南邵阳 422000）

在生产领域中，实现水位自动检测和控制是工业过程控制的一项关键技术，对于提高工业过程控制的自动化水平有着重要的意义。

在生活领域中，供水方式过去一般是通过人工来实现控制，容易造成对水资源的浪费，所以现在人们越来越关注水资源的问题。

目前，水位控制系统是受到广泛应用的供水系统，水位控制可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制、传感器控制等，但传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、不能实现连续控制和跟踪水位的特点，所以本论文设计出更方便更准确的水位控制系统。

1 总体方案设计

本系统主要由单片机最小系统电路、水位检测电路、步进电机驱动电路、水位显示电路、水泵驱动电路、软件设计等。设计系统框图如图1所示。图1中的单片机控制模块为系统的核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将所需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上，当水箱里的水位下降时，移动探头也随着下降，再通过简单的算法，显示器实时显示水箱里的水位。

图1 控制系统框图Fig.1 Control system diagram

2 硬件系统设计

2.1 控制器模块设计

单片机控制器主要用于产生步进电机控制脉冲，对步进电机当前步数进行采集处理，再经过简单的算法，在终端LCD上显示当前的水位。对于控制器的选择采用AT89S52作为系统控制的方案。AT89S52单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。相对于FPGA来说，它的芯片引脚少，在硬件很容易实现。并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。

2.2 电机驱动模块设计

本次设计的主要目的是控制电机的转速，其电机采用两相四线步进电机，因此电机驱动模块是必不可少的，其方案决定采用专用的电机驱动芯片L298N，此电机驱动芯片的电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。其电路原理图如图2所示。

2.3 水位检测模块设计

传统的水位检测有采用压力传感器，再经过AD转换，传送到单片机，运算复杂，精度不够高，或者是采用接触式拾取信号，在水箱的不同位置安装若干个金属棒来感知水位的变化，直接利用金属和水的导电性采集水位信号，运算简单，但不能实现连续水位的监控。本次设计利用单片机控制步进电机，在步进电机上悬挂一个移动探头，探头接触到水，则单片机采集到信号为高电平，否则为低电平。本设计能进行连续水位的监控，程序运行简单，控制精度高，成本低。其电路图如图3所示。

图2 驱动电路Fig.2 Driving circuit

图3 水位检测模块Fig.3 Water level detecion module

2.4 显示模块设计

本设计方案采用128×64LCD液晶显示器，该显示器功率低，驱动方法和硬件连接电路较为简单，显示屏幕大、可对汉字和字符进行显示。

2.5 进出水模块设计

在连续水位控制系统中，系统要对水箱里的水进行出进水控制，本设计采用继电器控制水泵来控制进出水，单片机控制继电器简单，适合工业的进出水。其电路图如图4所示。

3 软件设计

图4 水泵电路图Fig.4 Pump circuit diagram

为了使控制系统各种硬件设备能够正常运行，有效地实现实时控制和管理，除了要设计合理的硬件电路，还必须要有高质量的软件支持。软件设计包括各个模块的驱动程序的设计，主程序软件的设计，控制算法的实现。各驱动模块有键盘识别程序，LCD液晶显示器显示程序，控制设置程序等。主程序流程图如图5所示，鉴于篇幅所限，在此不提供程序源代码。