基于超声波的高精度水位控制系统设计

周继裕　王承亮　黄楠　罗皓

摘 要： 本设计利用STC单片机控制系统实现水位的精确控制，主机通过无线通信方式对从机进行远程控制。采用超声波测距的方法来确定水位值并用12864液晶屏显示出来，从矩阵键盘设定水位值，通过比较设定水位和测量水位的数据，利用单片机的PWM控制直流双向水泵进行水位的调节，最终使水位达到设定值。通过测试该系统能精确监测水位并显示水位、准确地调控任意设定水位，而且精度可以达到1 mm。

关键词： 超声波测距； PWM； 直流双向水泵； 水位控制系统

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）10?0116?04

Abstract： The water level is controlled on the required position accurately by STC single chip microcomputer as the control system in this design. The host computer controls the slave machine remotely by wireless communication. The ultrasonic range finding method is used to determine the value of water level and the level is displayed on 12864 LCD. The value of water level is set with matrix keyboard. The DC two?way water pump is controlled by single?chip PWM to adjust water level. With ultrasonic monitoring， the water level reaches the set value at last and the accuracy is less than 1 mm by comparison between the set water level and water level measured data.

Keywords： ultrasonic range finding； PWM； DC two?way water pump； water level control system

0 引 言

水位控制系统广泛应用于供水系统，实现水位控制的方法有多种，如机械控制、逻辑电路控制[1]、机电控制[2]等，但这些控制方式普遍存在控制精度低、能耗大、不能实现连续控制和跟踪水位的缺点[3]。目前国内在液位自动控制方面缺少长期可靠的使用范例，还没有适用于液位测量和自动控制的定型产品。因此，开展液位自动控制的研究工作十分必要[4]。

本文设计的水位控制系统将超声波水位监测与STC单片机控制相结合，充分利用了超声波水位监测的连续性优点与STC单片机控制系统的输出脉冲宽度调制的优点，从而实现了水位的精确控制。系统通过主机的键盘设置透明容器的水位给定范围：10～200 mm，设定水位值后，系统自动调整水位高度，使系统测量的水位显示值与实际值误差≤±2 mm，实现水位的精确测量和控制。

1 系统硬件设计

系统由主机模块、从机模块、超声波传感器模块和电机控制模块等组成。选用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，利用超声波传感器监控检测水位值，12864液晶显示水位值、系统控制状态和水位调整时间，矩阵键盘作为输入设备给定水位值，直流双向水泵通过抽水或放水调整水位值。利用STC12C5A60S2单片机的PWM口控制直流双向水泵微调水位，使其控制更精确。转向显示则显示双向水泵抽水或放水状态，即正转或反转。

系统总体框图如图1所示。

1.1 主控制系统

控制系统要设计成主从式控制系统，主机能通过无线通信对从机进行远程控制。

选用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，STC12C5A60S2除了具有其他普通单片机的特点外，还有SPI接口和2路的PWM[5]，单片机小系统包括5 V电源、12864液晶接口和矩阵键盘。STC12C5A60S2最小系统见图2。

1.2 超声波模块

1.5 NRF24L01无线发射接收模块

NRF24L01是无线数据传输单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5 GHz、ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，芯片能耗非常低[9?10]。NRF24L01是一个独立的模块，STC通过SPI接口控制NRF的发送和接收数据（见图4）。NRF无线模块是半双工的，所以在无线模式下，需要不断切换主机和从机的收发模式来实现双向通讯，即当主机为发送模式时，从机需要切换为接收模式，当主机为接收模式时，从机需要切换到发送模式，以实现双向通讯。

2 程序设计

2.1 程序功能描述

4 结 语

本设计采用STC12C5A60S2单片机和HC?SR04超声波传感器相结合，充分利用了NRF24L01无线通信优点实现主机对从机进行远程控制和读取水位值，控制从机通过单片机PWM控制水泵的速度，实现水位的精确控制，很好地克服了传统水位定位系统控制精度低的缺点，具有较好的应用价值。

参考文献

[1] 周征.传感器原理与检测技术[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2] 周骏，吴国华，卫骐绮，等.一种新型水箱阀门装置：中国，CN201245449[P].2009?05?27.

[3] 唐灵军，唐杰，谌超，等.基于单片机的水位控制系统设计[J].电子设计工程，2012，20（8）：62?64.

[4] 李严，张民.基于超声波传感器的水位自动控制系统[J].传感器与仪器仪表，2009，25（5?1）：134?136.

[5] 姚永平.STC12C5A60S2系列IT 8051单片机中文指南[EB/OL].[2013?09?11].www.stcmcu.com：宏晶STC.2011.

[6] 李军，申俊泽.超声测距模块HC?SR04的超声波测距仪设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（10）：77?78.

[7] 张天鹏，徐磊.L298N控制直流电机正反转[J].工业设计，2011（3）：98?99.

[8] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开放、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009.

[9] 刘靖，陈在平，李其林.基于nRF24L01的无线数字传输系统[J].天津理工大学学报，2007，23（3）：38?40.

[10] 时志云，盖建平，王代华，等.新型高速无线射频器nRF24L01及其应用[J].电子设计工程，2007（8）：42?44.

[11] 程琴，任海东.基于ZigBee的水库水位监测及远程控制系统[J].现代电子技术，2013，36（13）：68?70.

[12] 毕宏彦，崔志洋，张伟.空气源热泵控制系统开发[J].现代电子技术，2013，36（22）：150?151.

[13] 苏伟达，吴允平，蔡声镇，等.压力传感器在大型太阳能供热系统中的应用[J].现代电子技术，2012，35（24）：179?181.

[14] 赵培宇.STC单片机波特率自适应方法[J].现代电子技术，2013，36（23）：41?43.

摘 要： 本设计利用STC单片机控制系统实现水位的精确控制，主机通过无线通信方式对从机进行远程控制。采用超声波测距的方法来确定水位值并用12864液晶屏显示出来，从矩阵键盘设定水位值，通过比较设定水位和测量水位的数据，利用单片机的PWM控制直流双向水泵进行水位的调节，最终使水位达到设定值。通过测试该系统能精确监测水位并显示水位、准确地调控任意设定水位，而且精度可以达到1 mm。

关键词： 超声波测距； PWM； 直流双向水泵； 水位控制系统

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）10?0116?04

Abstract： The water level is controlled on the required position accurately by STC single chip microcomputer as the control system in this design. The host computer controls the slave machine remotely by wireless communication. The ultrasonic range finding method is used to determine the value of water level and the level is displayed on 12864 LCD. The value of water level is set with matrix keyboard. The DC two?way water pump is controlled by single?chip PWM to adjust water level. With ultrasonic monitoring， the water level reaches the set value at last and the accuracy is less than 1 mm by comparison between the set water level and water level measured data.

Keywords： ultrasonic range finding； PWM； DC two?way water pump； water level control system

0 引 言

水位控制系统广泛应用于供水系统，实现水位控制的方法有多种，如机械控制、逻辑电路控制[1]、机电控制[2]等，但这些控制方式普遍存在控制精度低、能耗大、不能实现连续控制和跟踪水位的缺点[3]。目前国内在液位自动控制方面缺少长期可靠的使用范例，还没有适用于液位测量和自动控制的定型产品。因此，开展液位自动控制的研究工作十分必要[4]。

本文设计的水位控制系统将超声波水位监测与STC单片机控制相结合，充分利用了超声波水位监测的连续性优点与STC单片机控制系统的输出脉冲宽度调制的优点，从而实现了水位的精确控制。系统通过主机的键盘设置透明容器的水位给定范围：10～200 mm，设定水位值后，系统自动调整水位高度，使系统测量的水位显示值与实际值误差≤±2 mm，实现水位的精确测量和控制。

1 系统硬件设计

系统由主机模块、从机模块、超声波传感器模块和电机控制模块等组成。选用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，利用超声波传感器监控检测水位值，12864液晶显示水位值、系统控制状态和水位调整时间，矩阵键盘作为输入设备给定水位值，直流双向水泵通过抽水或放水调整水位值。利用STC12C5A60S2单片机的PWM口控制直流双向水泵微调水位，使其控制更精确。转向显示则显示双向水泵抽水或放水状态，即正转或反转。

系统总体框图如图1所示。

1.1 主控制系统

控制系统要设计成主从式控制系统，主机能通过无线通信对从机进行远程控制。

选用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，STC12C5A60S2除了具有其他普通单片机的特点外，还有SPI接口和2路的PWM[5]，单片机小系统包括5 V电源、12864液晶接口和矩阵键盘。STC12C5A60S2最小系统见图2。

1.2 超声波模块

1.5 NRF24L01无线发射接收模块

NRF24L01是无线数据传输单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5 GHz、ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，芯片能耗非常低[9?10]。NRF24L01是一个独立的模块，STC通过SPI接口控制NRF的发送和接收数据（见图4）。NRF无线模块是半双工的，所以在无线模式下，需要不断切换主机和从机的收发模式来实现双向通讯，即当主机为发送模式时，从机需要切换为接收模式，当主机为接收模式时，从机需要切换到发送模式，以实现双向通讯。

2 程序设计

2.1 程序功能描述

4 结 语

本设计采用STC12C5A60S2单片机和HC?SR04超声波传感器相结合，充分利用了NRF24L01无线通信优点实现主机对从机进行远程控制和读取水位值，控制从机通过单片机PWM控制水泵的速度，实现水位的精确控制，很好地克服了传统水位定位系统控制精度低的缺点，具有较好的应用价值。

参考文献

[1] 周征.传感器原理与检测技术[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2] 周骏，吴国华，卫骐绮，等.一种新型水箱阀门装置：中国，CN201245449[P].2009?05?27.

[3] 唐灵军，唐杰，谌超，等.基于单片机的水位控制系统设计[J].电子设计工程，2012，20（8）：62?64.

[4] 李严，张民.基于超声波传感器的水位自动控制系统[J].传感器与仪器仪表，2009，25（5?1）：134?136.

[5] 姚永平.STC12C5A60S2系列IT 8051单片机中文指南[EB/OL].[2013?09?11].www.stcmcu.com：宏晶STC.2011.

[6] 李军，申俊泽.超声测距模块HC?SR04的超声波测距仪设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（10）：77?78.

[7] 张天鹏，徐磊.L298N控制直流电机正反转[J].工业设计，2011（3）：98?99.

[8] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开放、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009.

[9] 刘靖，陈在平，李其林.基于nRF24L01的无线数字传输系统[J].天津理工大学学报，2007，23（3）：38?40.

[10] 时志云，盖建平，王代华，等.新型高速无线射频器nRF24L01及其应用[J].电子设计工程，2007（8）：42?44.

[11] 程琴，任海东.基于ZigBee的水库水位监测及远程控制系统[J].现代电子技术，2013，36（13）：68?70.

[12] 毕宏彦，崔志洋，张伟.空气源热泵控制系统开发[J].现代电子技术，2013，36（22）：150?151.

[13] 苏伟达，吴允平，蔡声镇，等.压力传感器在大型太阳能供热系统中的应用[J].现代电子技术，2012，35（24）：179?181.

[14] 赵培宇.STC单片机波特率自适应方法[J].现代电子技术，2013，36（23）：41?43.

摘 要： 本设计利用STC单片机控制系统实现水位的精确控制，主机通过无线通信方式对从机进行远程控制。采用超声波测距的方法来确定水位值并用12864液晶屏显示出来，从矩阵键盘设定水位值，通过比较设定水位和测量水位的数据，利用单片机的PWM控制直流双向水泵进行水位的调节，最终使水位达到设定值。通过测试该系统能精确监测水位并显示水位、准确地调控任意设定水位，而且精度可以达到1 mm。

关键词： 超声波测距； PWM； 直流双向水泵； 水位控制系统

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）10?0116?04

Abstract： The water level is controlled on the required position accurately by STC single chip microcomputer as the control system in this design. The host computer controls the slave machine remotely by wireless communication. The ultrasonic range finding method is used to determine the value of water level and the level is displayed on 12864 LCD. The value of water level is set with matrix keyboard. The DC two?way water pump is controlled by single?chip PWM to adjust water level. With ultrasonic monitoring， the water level reaches the set value at last and the accuracy is less than 1 mm by comparison between the set water level and water level measured data.

Keywords： ultrasonic range finding； PWM； DC two?way water pump； water level control system

0 引 言

水位控制系统广泛应用于供水系统，实现水位控制的方法有多种，如机械控制、逻辑电路控制[1]、机电控制[2]等，但这些控制方式普遍存在控制精度低、能耗大、不能实现连续控制和跟踪水位的缺点[3]。目前国内在液位自动控制方面缺少长期可靠的使用范例，还没有适用于液位测量和自动控制的定型产品。因此，开展液位自动控制的研究工作十分必要[4]。

本文设计的水位控制系统将超声波水位监测与STC单片机控制相结合，充分利用了超声波水位监测的连续性优点与STC单片机控制系统的输出脉冲宽度调制的优点，从而实现了水位的精确控制。系统通过主机的键盘设置透明容器的水位给定范围：10～200 mm，设定水位值后，系统自动调整水位高度，使系统测量的水位显示值与实际值误差≤±2 mm，实现水位的精确测量和控制。

1 系统硬件设计

系统由主机模块、从机模块、超声波传感器模块和电机控制模块等组成。选用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，利用超声波传感器监控检测水位值，12864液晶显示水位值、系统控制状态和水位调整时间，矩阵键盘作为输入设备给定水位值，直流双向水泵通过抽水或放水调整水位值。利用STC12C5A60S2单片机的PWM口控制直流双向水泵微调水位，使其控制更精确。转向显示则显示双向水泵抽水或放水状态，即正转或反转。

系统总体框图如图1所示。

1.1 主控制系统

控制系统要设计成主从式控制系统，主机能通过无线通信对从机进行远程控制。

选用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，STC12C5A60S2除了具有其他普通单片机的特点外，还有SPI接口和2路的PWM[5]，单片机小系统包括5 V电源、12864液晶接口和矩阵键盘。STC12C5A60S2最小系统见图2。

1.2 超声波模块

1.5 NRF24L01无线发射接收模块

NRF24L01是无线数据传输单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5 GHz、ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，芯片能耗非常低[9?10]。NRF24L01是一个独立的模块，STC通过SPI接口控制NRF的发送和接收数据（见图4）。NRF无线模块是半双工的，所以在无线模式下，需要不断切换主机和从机的收发模式来实现双向通讯，即当主机为发送模式时，从机需要切换为接收模式，当主机为接收模式时，从机需要切换到发送模式，以实现双向通讯。

2 程序设计

2.1 程序功能描述

4 结 语

本设计采用STC12C5A60S2单片机和HC?SR04超声波传感器相结合，充分利用了NRF24L01无线通信优点实现主机对从机进行远程控制和读取水位值，控制从机通过单片机PWM控制水泵的速度，实现水位的精确控制，很好地克服了传统水位定位系统控制精度低的缺点，具有较好的应用价值。

参考文献

[1] 周征.传感器原理与检测技术[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2] 周骏，吴国华，卫骐绮，等.一种新型水箱阀门装置：中国，CN201245449[P].2009?05?27.

[3] 唐灵军，唐杰，谌超，等.基于单片机的水位控制系统设计[J].电子设计工程，2012，20（8）：62?64.

[4] 李严，张民.基于超声波传感器的水位自动控制系统[J].传感器与仪器仪表，2009，25（5?1）：134?136.

[5] 姚永平.STC12C5A60S2系列IT 8051单片机中文指南[EB/OL].[2013?09?11].www.stcmcu.com：宏晶STC.2011.

[6] 李军，申俊泽.超声测距模块HC?SR04的超声波测距仪设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（10）：77?78.

[7] 张天鹏，徐磊.L298N控制直流电机正反转[J].工业设计，2011（3）：98?99.

[8] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开放、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009.

[9] 刘靖，陈在平，李其林.基于nRF24L01的无线数字传输系统[J].天津理工大学学报，2007，23（3）：38?40.

[10] 时志云，盖建平，王代华，等.新型高速无线射频器nRF24L01及其应用[J].电子设计工程，2007（8）：42?44.

[11] 程琴，任海东.基于ZigBee的水库水位监测及远程控制系统[J].现代电子技术，2013，36（13）：68?70.

[12] 毕宏彦，崔志洋，张伟.空气源热泵控制系统开发[J].现代电子技术，2013，36（22）：150?151.

[13] 苏伟达，吴允平，蔡声镇，等.压力传感器在大型太阳能供热系统中的应用[J].现代电子技术，2012，35（24）：179?181.

[14] 赵培宇.STC单片机波特率自适应方法[J].现代电子技术，2013，36（23）：41?43.