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水位智能控制系統(tǒng)在制作前必須進行總體設(shè)計，以保證設(shè)計方案正確可行。根據(jù)設(shè)計任務(wù)可以明確以下幾個模塊：（1）通過按鍵輸入最高水位和最低水位等參數(shù)；（2）利用液位傳感器實現(xiàn)水位的高度測量，并能正確傳遞給控制中心；（3）能夠利用顯示裝置實時顯示水位的高度；（4）可以根據(jù)水位變化實現(xiàn)報警等功能；（5）中心控制系統(tǒng)能夠?qū)Ω鱾€模塊實現(xiàn)統(tǒng)一控制。具體到電路設(shè)計系統(tǒng)中，選擇一款主流單片機作為系統(tǒng)的控制核心，獨立鍵盤模塊實現(xiàn)參數(shù)輸入和進水量的限制；水箱上方按照超聲波測距電路模塊，以實現(xiàn)水位的測量；單片機通過水泵驅(qū)動電路控制水泵的工作；各種操作信息提示及工作狀態(tài)及測量參數(shù)等信息通過液晶顯示模塊進行顯示。
2水位控制系統(tǒng)的電路設(shè)計
控制系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計由各個分模塊電路構(gòu)成，主要有以下幾個電路模塊：
2.1矩陣鍵盤電路模塊
水位控制系統(tǒng)中采用的鍵盤模塊是4*4的矩陣鍵盤，電路圖如圖2-1所示。圖中，P1.0~P1.3接鍵盤行線，輸出接地信號；P1.4~P1.7接列線，輸入回饋信號，以檢測按鍵是否按下。行線輸出掃描碼，使按鍵逐行動態(tài)接地，列線輸入按鍵狀態(tài)，最后由行值和列值共同形成鍵編碼。鍵盤處理程序的任務(wù)是：確定有無按鍵按下；消除抖動重新確定是否有按鍵按下；確定哪一個按鍵按下；形成鍵編碼；根據(jù)鍵編碼轉(zhuǎn)向分支程序。
2.2水位檢測電路
水位控制系統(tǒng)中的水位高度檢測模塊，可以由超聲波測距模塊實現(xiàn)。在該模塊中，主要包括超聲波的發(fā)生電路和接收電路，電路圖如圖2-2和2-3所示所示。發(fā)射電路中，信號分成兩路，一路經(jīng)兩級反相后輸入超聲波發(fā)射探頭的一個電極，另一路經(jīng)三級反相后輸入超聲波發(fā)射探頭另一電極。這種推挽形式將方波信號加到換能器兩端，提高了超聲波的發(fā)射強度。其中兩個反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。接收電路采用芯片CX20106，可完成信號的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形等功能，電容C10為濾波電容，防止干擾信號產(chǎn)生。電路完成后，經(jīng)調(diào)試，該模塊在一定范圍內(nèi)可穩(wěn)定測距。
2.3顯示電路設(shè)計
根據(jù)客觀條件，對各種參數(shù)信息進行顯示的器件為內(nèi)置KS0108B控制器圖形液晶顯示器MS12864A。電路設(shè)計圖如圖2-4所示。圖2-4中，由于MS12864A不自帶負(fù)壓，因此外接-12V。+5V為背光燈電壓。3腳為液晶顯示器驅(qū)動電壓，經(jīng)20K可調(diào)電阻分頁得到。功能引腳D/I、R/W、E、CS1、CS2、RET以及數(shù)據(jù)端口DB0至DB7需按嚴(yán)格時序進行管腳電平的控制。
2.4水泵驅(qū)動電路設(shè)計
本設(shè)計確定選擇水泵進行加水，水泵工作電壓為12V，電流大小取決于負(fù)荷。為滿足功率要求，本次設(shè)計中采用大功率雙全橋電機驅(qū)動芯片L298，可直接通過電源來調(diào)節(jié)電壓輸出，設(shè)計電路圖如圖2-5所示。L298的6腳ENA、12腳ENB接+3.3V，從而雙全橋一直處于工作狀態(tài)，4腳VS接直流水泵工作電壓+12V，12腳IN4接單片機I/O口P17，當(dāng)P17為高電平時，OUT4輸出+12V，當(dāng)P17為低電平時，OUT4輸出0V。直流水泵一端接+12V，另一端接OUT4，則OUT4電平高或低可開啟或關(guān)斷直流水泵。D1至D8為整流二極管IN4007，用于分流電動勢，防止損害L298。
2.5聲光報警電路設(shè)計
在該模塊中，采用有源式蜂鳴器和LED作聲光報警，具體電路設(shè)計如圖2-6所示。圖2-6中，當(dāng)P01為低電平時，三極管9014的C、E極不導(dǎo)通，蜂鳴器不響，LED不亮。當(dāng)P01為高電平時，三極管9014的C、E導(dǎo)通，蜂鳴器響，LED亮，起到聲光提醒的效果。
3軟件設(shè)計
根據(jù)設(shè)計要求，軟件設(shè)計最終確定的功能有以下幾項：(1)按鍵輸入工作參數(shù)。工作參數(shù)包括上下限水位值，若當(dāng)前液位過低則自動進入加水模式，進水停止時進行聲光提示；(2)實時測量水箱當(dāng)前液位，并進行水泵控制；(3)最高水位限制功能。為防止水箱溢水及保護超聲波探頭，當(dāng)水至最高水位警戒線時停止進水，并進行聲光報警；(4)系統(tǒng)工作信息、工作狀態(tài)、進水時有關(guān)水的參數(shù)信息等均用液晶顯示器進行實時顯示。程序流程圖如圖3-1所示。圖3-1中，首先要進行初始化，接下來通過控制按鍵輸入水位上限和下限值，并反饋給單片機，作為判斷水位檢測的比較值；程序控制開啟超聲波模塊，產(chǎn)生40khz信號，通過定時器可知超聲波傳輸?shù)臅r間，根據(jù)公示計算出聲波傳輸?shù)木嚯x，從而得到當(dāng)前的水位值；通過判斷是否低于下限水位，決定是進水還是繼續(xù)測距；如果水泵持續(xù)進水，高過了下限值，關(guān)閉水泵，黃燈亮；水位下降，界于正常值之間，綠燈亮起。重復(fù)上面步驟，可以實現(xiàn)水位的智能控制。
4結(jié)束語
以單片機、超聲波傳感器、水泵為基礎(chǔ)，設(shè)計并制作了一臺智能水位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能通過按鍵進行參數(shù)設(shè)置，根據(jù)測量水位啟動水泵加水，同時具有水位報警功能。但設(shè)計也有不足之處：(1)超聲波測距模塊沒有進行溫度補償并且距離測量的軟件設(shè)計方法不夠合理。環(huán)境變化對于超聲波的傳播速度有影響，其中溫度變化影響最大。(2)測量的水流量與進水體積存在明顯誤差。由于計數(shù)器直接測頻會產(chǎn)生量化誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差，尤其是量化誤差在低頻測量時產(chǎn)生的測頻誤差較大，由于測頻的誤差，造成水流量測量值發(fā)生跳變。
作者：李登輝 單位：桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院