1水位控制系統模型原理
水位智能控制系統在制作前必須進行總體設計，以保證設計方案正確可行。根據設計任務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；（2）利用液位傳感器實現水位的高度測量，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）可以根據水位變化實現報警等功能；（5）中心控制系統能夠對各個模塊實現統一控制。具體到電路設計系統中，選擇一款主流單片機作為系統的控制核心，獨立鍵盤模塊實現參數輸入和進水量的限制；水箱上方按照超聲波測距電路模塊，以實現水位的測量；單片機通過水泵驅動電路控制水泵的工作；各種操作信息提示及工作狀態及測量參數等信息通過液晶顯示模塊進行顯示。
2水位控制系統的電路設計
控制系統的總體硬件設計由各個分模塊電路構成，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，使按鍵逐行動態接地，列線輸入按鍵狀態，最后由行值和列值共同形成鍵編碼。鍵盤處理程序的任務是：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；根據鍵編碼轉向分支程序。
2.2水位檢測電路
水位控制系統中的水位高度檢測模塊，可以由超聲波測距模塊實現。在該模塊中，主要包括超聲波的發生電路和接收電路，電路圖如圖2-2和2-3所示所示。發射電路中，信號分成兩路，一路經兩級反相后輸入超聲波發射探頭的一個電極，另一路經三級反相后輸入超聲波發射探頭另一電極。這種推挽形式將方波信號加到換能器兩端，提高了超聲波的發射強度。其中兩個反相器并聯，用以提高驅動能力。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，防止干擾信號產生。電路完成后，經調試，該模塊在一定范圍內可穩定測距。
2.3顯示電路設計
根據客觀條件，對各種參數信息進行顯示的器件為內置KS0108B控制器圖形液晶顯示器MS12864A。電路設計圖如圖2-4所示。圖2-4中，由于MS12864A不自帶負壓，因此外接-12V。+5V為背光燈電壓。3腳為液晶顯示器驅動電壓，經20K可調電阻分頁得到。功能引腳D/I、R/W、E、CS1、CS2、RET以及數據端口DB0至DB7需按嚴格時序進行管腳電平的控制。
2.4水泵驅動電路設計
本設計確定選擇水泵進行加水，水泵工作電壓為12V，電流大小取決于負荷。為滿足功率要求，本次設計中采用大功率雙全橋電機驅動芯片L298，可直接通過電源來調節電壓輸出，設計電路圖如圖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，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P17為高電平時，OUT4輸出+12V，當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，具體電路設計如圖2-6所示。圖2-6中，當P01為低電平時，三極管9014的C、E極不導通，蜂鳴器不響，LED不亮。當P01為高電平時，三極管9014的C、E導通，蜂鳴器響，LED亮，起到聲光提醒的效果。
3軟件設計
根據設計要求，軟件設計最終確定的功能有以下幾項：(1)按鍵輸入工作參數。工作參數包括上下限水位值，若當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，當水至最高水位警戒線時停止進水，并進行聲光報警；(4)系統工作信息、工作狀態、進水時有關水的參數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，產生40khz信號，通過定時器可知超聲波傳輸的時間，根據公示計算出聲波傳輸的距離，從而得到當前的水位值；通過判斷是否低于下限水位，決定是進水還是繼續測距；如果水泵持續進水，高過了下限值，關閉水泵，黃燈亮；水位下降，界于正常值之間，綠燈亮起。重復上面步驟，可以實現水位的智能控制。
4結束語
以單片機、超聲波傳感器、水泵為基礎，設計并制作了一臺智能水位控制系統。該系統能通過按鍵進行參數設置，根據測量水位啟動水泵加水，同時具有水位報警功能。但設計也有不足之處：(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計方法不夠合理。環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。由于計數器直接測頻會產生量化誤差和標準頻率誤差，尤其是量化誤差在低頻測量時產生的測頻誤差較大，由于測頻的誤差，造成水流量測量值發生跳變。
作者：李登輝 單位：桂林電子科技大學信息科技學院