基于超声波传感器的水箱水位控制
基于单片机的超声波水位控制系统毕业论文
学士学位毕业设计(论文) 基于单片机的超声波水位控制系统Control system of ultrasonic level based on single chipmicrocomputerbySupervisor: Huang FuhaiMarch 2015毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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基于单片机的超声波水位控制器的设计
基于单片机的超声波水位控制器的设计一、引言在许多工业和民用领域，如水库、水塔、污水处理厂等，准确监测和控制水位是至关重要的。
传统的水位控制方法往往存在精度低、可靠性差、响应速度慢等问题。
随着电子技术和单片机技术的不断发展，基于单片机的超声波水位控制器应运而生，它具有精度高、响应快、易于实现自动化控制等优点，为水位控制提供了一种更加高效、可靠的解决方案。
二、超声波水位测量原理超声波是一种频率高于 20kHz 的机械波，它在空气中传播时遇到障碍物会发生反射。
超声波水位控制器就是利用这一原理来测量水位的。
控制器通过发射超声波脉冲，并测量从发射到接收反射波的时间间隔，根据声音在空气中的传播速度，就可以计算出传感器到水面的距离。
由于传感器的安装位置是固定的，因此可以通过计算得出水位的高度。
三、系统硬件设计（一）单片机选型在本设计中，选用了_____型号的单片机作为核心控制器。
该单片机具有性能稳定、运算速度快、资源丰富等优点，能够满足系统的控制和数据处理需求。
（二）超声波传感器选择了一款高精度的超声波传感器，其测量范围能够满足实际应用的需求，并且具有良好的稳定性和可靠性。
（三）显示模块为了实时显示水位信息，选用了_____显示模块。
它可以清晰地显示水位高度、报警状态等信息，方便操作人员查看。
（四）按键模块设置了按键模块，用于设定水位的上下限阈值，以及进行系统的参数设置和操作控制。
（五）报警模块当水位超过设定的上下限阈值时，报警模块会发出声光报警信号，提醒操作人员及时采取措施。
（六）电源模块为整个系统提供稳定的电源供应，确保系统的正常运行。
四、系统软件设计（一）主程序流程系统上电后，首先进行初始化操作，包括单片机内部资源的初始化、传感器的初始化、显示模块的初始化等。
然后进入主循环，不断地采集水位数据、进行数据处理和判断，并根据判断结果控制显示模块和报警模块。
（二）数据采集与处理程序通过单片机的定时器和中断功能，精确地测量超声波从发射到接收的时间间隔，并将其转换为水位高度。
超声波传感器um30—15112在液位控制中的应用
图 １ 外 形 尺 寸及 控 制 显 示 面 板 图
ｕ ３ １１２超声 波传 感器 主要 技术 参数 如 ｎ ｒ ０— ５ １
下 ： 测 距 离 在 ８ ０—６ ０ ｍ 之 间 ， 限距 离 可 以 检 ０ ００ ｍ 极
数字 ６处为 Ｄ Ｅ ２ Ｌ Ｄ指示 灯 ； 注数字 ７处 为 Ｄ 标 １ Ｌ Ｄ指 示 灯 。 Ｅ
收稿 日期 ：０ １ １ ４ 修 返 日期 ：０ ２—０ ２ １ 一ｌ —１ ； ２１ ２—２ ８ 作者简介 ： 王晓刚（ ９ ４一） 男 ， 程师 ， 赤天化 股份公 司电仪工程公司主要从事技术管理工作 １７ ， 工 在
３ 超 声 波传 感器 ｕ ３ ｍ ０—１ １ ２的设 置 ５１
指示灯熄灭（ 如果 ２ ｓ ０ 内无操作 ， 自动退 出设 定模 会 式 ， 回检测 模 式 ） 同时按 Ｐ 返 。 １和 Ｐ ２键 。即确 定 此
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第３ ７卷 第 ３期
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【大学本科毕业设计】基于单片机和超声波模块的智能水位控制系统
郑州大学西亚斯国际学院本科毕业论文（设计）题目水位控制系统指导教师职称学生姓名学号专业电子信息工程班级院（系）电子信息工程学院完成时间 2011年4月23日水位控制系统摘要本文采用AT89C52单片机系统实现了水塔水位的自动控制，设计出一种低成本、高实用价值的水塔水位控制器。
该系统具有水位检测、水位高度LCD显示、低水位高水位报警以及自动加水等功能。
本设计过程中主要采用了传感技术、单片机技术、光报警技术以及弱电控制强电的技术。
本设计传感器使用了超声波模块，并且详细阐述了超声波测距测的原理，给出了系统构成框图。
此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时监控液位。
并采用52单片机系统控制整个电路的信号处理以及采用光电耦合和继电器来实现弱电控制强电来实现加水系统的自动控制。
它能自动完成水位检测、光报警、上水停水的全部工作循环，保证液面高度始终处于较理想的范围内，它结构简单，制造成本低，灵敏度高，节约能源显著，是用于各种高层液体储存的理想设备。
关键词单片机/超声波模块/自动监测/LCD液晶/自动控制Water Level Control SystemABSTRACTAT89C52 microcontroller system using cooling towers to achieve the level of automation, design a low cost and high practical value of the water tower water level controller. The system has the water level detection, low water high water level alarm and automatic functions such as adding water. The design process mainly uses the sensor technology, single chip technology, optical technology and the weak control the strong police power technology. Detection system using simple system for detection of copper needles, resulting in the low and high sensitivity. 52 SCM system control by using the circuit of signal processing and the use of optical coupling and weak control relays to achieve strong power to realize automatic control of water systems.It can automatically detect the water level, light alarm, SheungShui, all the work withoutwater cycle, to ensure better surface height is always within the context of its structuresimple,low cost, high sensitivity, significant energy is used in various kindof ideal equipment for high-level liquid storage.KEY WORDS SCM ,Ultrasonic Module,Automatic monitoring,LCD,Circuit Control目录中文摘要 (I)英文摘要 ................................................................................................................... I I 1绪论 . (1)1.1研究现状 (1)1.2液位测量技术概况 (1)1.2.1机械浮子类液位计 (2)1.2.2电子类液位传感器 (2)1.2.3热学式液位计 (3)1.2.4．雷达液位传感器 (3)1.2.5超声波液位传感器 (3)1.2.6同位素/放射性液位传感器 (3)1.2.7液压类液位计 (4)1.2.8光学液位计 (4)1.3国内外液位传感器的现状 (4)1.4设计任务与计划 (5)2总体方案的设计 (7)2.1设计思路 (7)2.2方案设计 (8)3硬件设计 (10)3.1系统方框图 (10)3.2系统工作原理 (10)3.2.1单片机介绍 (10)4各部分电路设计 (15)4.1传感器的选用 (15)4.2显示模块 (16)4.3单片机控制处理电路 (17)4.4光报警显示统电路 (17)4.5继电器控制电路的原理图 (18)4.5.1光电耦合器简介 (19)4.5.2继电器简介 (19)5软件设计 (21)5.1水位控制系统程序流程图 (21)5.2 水位控制系统主程序 (22)6系统仿真 (23)6.1程序编译和加载 (23)6.2 Proteus系统仿真 (23)6.3系统仿真结果分析 (24)7结论 (25)致谢 (26)参考文献 (27)附录1 (28)附录 2 (29)1绪论1.1研究现状在许多工业生产系统中，需要对系统的液位或物料位进行监测，特别是对具有腐蚀性的液体液位的测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电脉冲来检测液面，电极长期浸泡在液体中，极易被腐蚀、电解、失去灵敏性，因而对测试设备的抗腐蚀性要求较高。
基于超声波的高精度水位控制系统设计
基于超声波的高精度水位控制系统设计作者：周继裕王承亮黄楠罗皓来源：《现代电子技术》2014年第10期摘要：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⁃04Abstract： 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 system0 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]。
关于西门子S7-200PLC控制的单水箱液位控制系统
关于西门子S7-200PLC控制的单水箱液位控制系统摘要：本文涉及西门子S7-200 PLC控制的单水箱液位控制系统，主要介绍了该系统的硬件组成、软件设计及控制方法。
通过采用传感器测量水箱液位，利用PLC进行数据处理和动作控制，实现了液位的自动控制。
该系统具有良好的控制精度和稳定性，能够满足单水箱液位控制的需求。
关键词：西门子S7-200 PLC，单水箱液位控制，传感器，自动控制正文：一、概述单水箱液位控制系统主要是通过对装置液位的检测、处理、控制实现液位的自动控制。
本文主要介绍基于西门子S7-200PLC 控制的单水箱液位控制系统。
二、系统硬件该系统的硬件由传感器、PLC、继电器、驱动器等组成。
其中：1. 传感器：采用超声波液位传感器，检测水箱液位高度，并将检测到的液位信号传输给PLC。
2. PLC：采用西门子S7-200 PLC，负责对液位信号进行处理，控制继电器进行开关控制。
3. 继电器：用于控制电泵、水泵等设备的开关控制，并将PLC输出的控制信号转化为继电器输出的开关信号。
4. 驱动器：用于控制电动阀门、水泵等设备的启动和停止。
三、系统软件PLC 控制器运行的程序是实现系统控制的关键，本系统采用Ladder Diagram（梯形图）语言进行程序设计。
具体实现步骤如下：1. 液位检测：通过设置输入端口，读取超声波液位传感器检测到的水位高度信号，并将其转化为PLC可以识别的数字信号。
2. 控制逻辑：根据设定的控制目标进行逻辑运算，以控制电泵、水泵等设备的开关控制。
3. 输出控制：根据控制逻辑的结果，设置输出端口，将PLC处理后的控制信号通过继电器输出，实现对水泵等设备的动作控制。
4. 系统监控：设置监控程序，实时监测PLC的运行状态，并对系统的运行状态进行判断，以保证系统的正常运行。
四、系统控制方法根据液位反馈信号，PLC控制程序可以根据设定的控制目标来判断控制条件。
将液位传感器所检测到的水位高度转换为数位信号后，PLC程序可以计算液位高度和液位与设定值之间的偏差，进而控制水泵等设备的开关控制。
基于AT89C51的超声波水位控制系统设计
• 125•设计一款以AT89C51单片机为核心的超声波水位控制系统，硬件包括超声波测距模块，显示、键盘、声光报警及继电器控制电路等部分。
软件采用C 语言编程，主要由主程序、液位控制子程序、按键扫描子程序、显示子程序等部分组成。
该系统能够实现水位的实时监测、实时显示，并能实现水位的自动控制。
1.引言目前，超声波作为一种非接触的测距工具，在距离探测领域得到广泛应用，例如无损检测、过程测量、机器人避障、倒车雷达等（夏继强，郑昆，郑健峰，沈忱，基于STM32的收发一体式超声波测距系统：仪表技术与传感器，2014）。
对于水位控制系统，水位监测是关键，而传统的水位控制系统通常采用浮球式或连通器式液位开关来监测水位，无法实现水位的实时监测。
液位开关由于需要灯模块、蜂鸣器报警模块。
系统结构框图如图1所示。
超声波测距模块利用超声波的反射特性测距，通过精确测量超声波经被测物体反射放大后到达接收端的时间与发射时间之差t ，由AT89C51单片机进行数据处理，计算出超声波发射点与被测物体间的距离S ，液晶显示模块实时显示当前水位状态信息。
系统具有提醒功能，当监测的实时水位处于不同的高度，系统将通过指示灯模块和蜂鸣器报警模块进行相应的声光报警提醒。
水位的高度阈值等系统参数可根据控制的实际需要通过按键输入模块进行修改调整。
继电器控制模块包含了2组继电器，分别用于控制给水水泵和排水水泵。
单片机根据测得的实时水位，驱动相应的继电器控制水泵的启停，使系统水位始终处于合理的范围。
（雷文礼，任新成，邵婷婷，基于单片机的超声波测距系统的设计与实现：现代电子技术，2015）系统硬件电路图如图2所示。
图1 系统结构框图3.硬件设计3.1 超声波测距模块超声波测距模块采用HC-SR04超声波模块，该模块是一种收发一体式的超声波测距器件，内置超声波发射器、接收器和控制电路，测量距离400CM 以内，测距精度可达3mm ，技术参数可充分满足一般液位测距要求（卢超，基于无线收发的超声波液位测量仪：压电与声光，2014）。
基于超声波传感器的无线液位测量系统_李敏哲
收稿日期:2005-09-16基于超声波传感器的无线液位测量系统李敏哲1,赵继印2,李建坡2(1.中国科学院生态环境研究中心,北京100085;2.吉林大学通信工程学院,吉林长春130025)摘要:针对诸多行业储液罐液位测量的特点和技术要求,设计了一种基于超声波传感器的无线液位测量系统。
系统由液位检测模块、无线数传模块和上位机工作站组成。
传感器将接收到的信号经数据处理后由无线数传模块送上位机工作站,工作站是由VC设计的一个数据处理平台,具有多路液位显示、超限报警、数据存储和打印等功能。
关键词:超声波传感器;液位测量;无线测量中图分类号:TP212.9文献标识码:A文章编号:1002-1841(2005)11-0035-02Wireless Liquid Level Detecting System Based on Ultrasonic SensorLI Min-zhe1,ZHAO J-i yin2,LI Jian-po2(1.Research Center for Eco-Environmental Sciences,Chinese Academy of Sciences,Beijing100085,China;munication Engineeri ng College,Jilin Universi ty,Changchun130025,China)Abstract:Ai med at the character and technique request of the liquid level detecting;desi gned the liquid level detecting system based on ultrasonic sensor.The system includes liq uid level detecting module,wi reless trans mitti ng and receiving module and working station.The signal from the ul trasonic sensor was transmitted by wireless transmitting module.The wireless receiving module received the signal and sent to the working stati on.The working station is a data process flat designed by VC.It has the function such as mult-i route liquid level display,limi ting alarm,data storage,printing etc.Key Words:U l trasonic Sensor;Liquid Level Detecting;Wireless Detecting1引言超声波液位测量有许多优点:它不仅能够定点和连续测液位,而且能方便地提供遥测或遥控所需的信号。
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计算机控制技术课程设计
自动化与电气工程学院
基于超声波传感器的水箱水位控制系统
1课程设计目的
超声波技术是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都可使用的通用技术之一。
超声波技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。
该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。
因此，我国对超声波的研究特别活跃。
传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器。
液位控制在多个领域都有使用，所以实现其自动化检测具有非常重要的意义。
通过压力传感器实现液位控制系统，具有体积小，实际应用系统简单实用，成本低，效益好；具有较高的性能价格比；系统不易受到干扰，可靠性高等优势。
该课程设计是通过相关超声波硬件组合调试实现对液位高度的控制，通过一系列的放大比较将模拟信号转化为数字化的信号，然后通过对数字信号的各种处理实现类比，将液位高度的变化通过数字信号的不同反映出来，显示结果，实现对液位高度的实时监控。
图1 设计原理图
2设计方案及原理
超声波测距的方法本设计采用往返时间检测法测距。
其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量水箱水位后反射回来，经
反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。
测试传输时间可以得出距离。
图2 设计原理图
传感器的位置距离水箱顶部20cm，水箱高度为100cm。
假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t／s，超声波传播速度为v／m·s－1表示，则有关系式(2-1)
s=vt／2 (2-1)
在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，温度的变化会变成扰动，按式(2-2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。
v=331．4+0．607T (2-2)
式中，T为实际温度单位为℃，v为超声波在介质中的传播速度单位为m／s。
表2-7 声速与温度的关系表
温度（摄氏度）－30 －20 －10 0 10 20 30 100
声速（米／秒）313 319 325 323 338 344 349 386 在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速c是基本不变的，计算时取c 为340m/s。
如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正，我做的PID控制中不断修改算法，在扰动中的不断控制，模拟了温度对于超声波传感器的影响和对液位计算的影响，在实际测量时利用单片机的计时功能实现距离的测量。
3 硬件设计
3.1硬件结构图
图3 硬件结构图
3.2硬件选型
(1)控制器分为上位机和下位机。
上位机为控制计算机，通过反馈的高度与设定的高度进行对比，通过预先设定的算法计算出控制量u；下位机为AT89C51即单片机，接收由上位机所给出的控制量，对执行机构进行控制。
AT89C51具有如下特点：4kB Flash片内内存储器，128 byte RAM，32个外部双向输入输出口，5个中断优先级，2个16位可编程计数器，2个全双工串行通信口。
如图所示为单片机部分的功能选择
图4 单片机部分
(2)D/A转换器采用DAC0832，8为D/A转换器，与微处理器完全兼容。
DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换电路及转换控制电路构成。
主要参数：分辨率为8位；电流稳定时间1微秒；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；可单一电源供电（5V-15V）；低功耗，20mW。
(3)驱动电路采用继电器和三极管如图3所示的连接方式。
通过给I/O端口高低电平来控制继电器的通断，继而控制水泵控制水量的占空比，以达到控制水位的目的，如图所示。
其中三极管为控制开关作用，当输入高电平，NPN饱和导通，继电器线圈通电，触电吸合，使220V电源接通。
反之，输入高电平，NPN截止，继电器线圈断电，触点断开。
图5继电器、三极管驱动电路
(4)执行机构采用水泵控制。
根据相关资料对于水量液位的变化，水泵可以迅速反应，对液位进行升高或者降低。
(5)在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多;频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。
本文中选用的探头是4OKHz的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器UCM-T40KI和一支接收传感器UCM-R4OKI组成，工作在标准电信号。
5V供电电压，其特性参数如表2-5
表1传感器特性参数表
选择公司是德国西克（SICK ）智能传感器公司。
(6)显示部分采用数码管。
数码管显示电路可以实现温度的实时显示以便观察水温变化。
4系统软件设计
4.1被控对象模型的建立
首先要建立被控最想模型，我选用的有水箱，电机和水泵，利用PID 进行控制，由于超声波测距控制系统的控制对象具有液位的变化收到温度影响，惯性也较大的特点，因而可以将被控对象归于一阶惯性环节，即可将被控对象的传递函数表示为
1+Ts K
，
为了确定K,T 的值可以绘出系统加上阶跃信号，继电器的占空比
位100%的工作曲线，已知被控对象的传递函数的K 为65，由自控原理一节惯性环节的特性可知，一阶系统过渡过程重要特征点是系统输出达到过渡过程总变化量的63.2%的点。
通过计算水箱水位上升到2.83632.0*)20120(20=-+的高度（相对于传感器），所用的时间即为时间常数T ，经网上查阅水位上升到83.2的T 取320。
因此继续通过控制PID 来调节参数，被控对象模型的传递函数为
132065
+s 。
经网上查阅资料可知，电机模型和水泵模型的被控对象函数分别为12.01
+s ，11.01
+s ，由此可以知道被控对象的开环传递函数。
4.2 系统仿真及实际调试
本设计是闭环控制系统，我选用的是基于4：1的衰减曲线法的PID参数整定，PID控制是按偏差的比例、积分和微分进行控制的一种控制规律。
（1）首先，将PID变成比例控制，只存在比例控制，将Ki和Kd都变为0，给定值为阶跃函数，观察曲线的衰减情况，直到衰减比为4:1，即可得到δ和Ts。
由表可知，如下图所示
图6 MATLAB仿真
图7 MATLAB仿真
由下表可算得δ和Ts分别为0.8和0.0167。
图8 MATLAB 仿真
（2）如上表所示，可以算得Ti 和Td ，即Ti=0.24，Td=0.08，又因为下列的 Kp ——比例增益 Ki=Ti
T
Kp
——积分系数 Kd=T
Td
Kp
——微分系数 将积分微分系数加入到仿真中，可以得到下面的仿真图。
图9 MATLAB 仿真
图10 MATLAB 仿真
（3）
数字PID 位置型控制算法：0])
1()()()([)(0u T
k e k e Td
j e Ti T k e Kp k u k j +--++=∑= 在此基础PID 整定办法上不断调节参数，在有扰动的情况下，直到曲线控制最优。
可以得到Kp=25，Ki=7，Kd=27，如下图所示。
图11 MA TLAB 仿真
如图所示：
(1)比例调节器简单快速但对于具有自平衡性的控制对象存在静差。
加大比例系数Kp可以减小静差，但当Kp过大会使动态质量变坏，引起被控量震荡甚至使闭环不稳定。
(2)比例积分调节器中积分环节的加入有助于消除系统静差但是会使调整时间变长。
Ti时间积分大则积分作用弱，反之积分作用强。
增大Ti将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。
(3)比例积分微分调节器中微分作用的加入对偏差的任何变化都产生一个控制作用，以调节系统输出阻止偏差的变化，偏差变化越快，反馈矫正量越大。
故微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。
它加快了系统的动作速度减小调整时间，从而改善系统动态性能。
5心得体会
在本次的课程任务中，我学习了计算机控制技术中所学的有关于PID算法，输入、输出通道的组成，A/D转换器分辨率以及计算机控制系统的结构及组成有了更加深刻的认识。
与此同时通过这次课程设计，我熟练掌握了MATLAB仿真过程。
最重要的是我对于基于超声波传感器的控制系统的控制过程有了很大的进步。
参考文献
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[3]贾伯年. 传感器技术. 南京: 东南大学出版社,2000
[4]阎石. 数字电子技术基础. 北京: 高等教育出版社, 1998
附录1。