吳興中,，屈澤明
　　(湖南湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411101）

       摘要：針對(duì)湖南湘潭鋼鐵集團(tuán)管廊溝潛水泵控制現(xiàn)狀和實(shí)際要求,，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的液位自動(dòng)控制器,。該控制器具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液位的功能,，同時(shí)可根據(jù)高,、低液位設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停潛水泵,。采用RS485總線協(xié)議,，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該控制器具有成本低,、運(yùn)行可靠,、穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),，并具有一定的推廣意義,。
　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)；RS485總線,；遠(yuǎn)程監(jiān)控　　

0引言
　　隨著控制技術(shù)越來越成熟,，芯片運(yùn)行愈來愈穩(wěn)定，目前越來越多的各種控制器被應(yīng)用于工礦企業(yè),，用于替代過去的人工操作和控制,，并取得了巨大的效益和超越人工控制的令人滿意的效果。
　　湖南湘潭鋼鐵集團(tuán)公司五米寬厚板廠水處理車間許多電纜,、管道鋪設(shè)在管廊溝內(nèi),，由于管廊溝內(nèi)四壁滲水、水管老化而產(chǎn)生漏水,，存在淹沒管道和電纜的風(fēng)險(xiǎn),，由此可能造成管道腐蝕或電纜短路“放炮”的重大事故。故原設(shè)計(jì)時(shí)在管廊溝的積水坑內(nèi)都安裝了潛水泵控制器,，它通過在水中放置3個(gè)電極監(jiān)測(cè)積水坑液位的高水位和低水位,，實(shí)現(xiàn)高水位自動(dòng)啟動(dòng)潛水泵運(yùn)行，低水位時(shí)自動(dòng)停止?jié)撍眠\(yùn)行,。此控制器只能指示高,、低兩個(gè)液位，不能顯示液位實(shí)際值,。目前由于潛水泵控制器投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng),，元件老化嚴(yán)重，90%的控制器已經(jīng)出現(xiàn)電路板元件燒毀不能使用的現(xiàn)象,。為了保證管廊溝內(nèi)積水不淹沒管道和電纜,，湖南湘潭鋼鐵集團(tuán)公司五米寬厚板廠水處理車間員工需要每天3次去管廊溝內(nèi)點(diǎn)檢。如果發(fā)現(xiàn)有積水,，則需要人工啟動(dòng)潛水泵把水排出管廊溝外,，水位低時(shí)手動(dòng)關(guān)閉潛水泵，防止?jié)撍靡驘o水發(fā)熱而燒毀潛水泵電機(jī),。
　　基于此,，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的超聲波液位控制器，實(shí)現(xiàn)了液位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),、潛水泵無人操作自動(dòng)運(yùn)行等功能,。
1液位控制器的設(shè)計(jì)
　　原潛水泵控制器通過在水中放置3個(gè)電極監(jiān)測(cè)積水坑液位的高水位和低水位,，實(shí)現(xiàn)高水位自動(dòng)啟動(dòng)潛水泵，低水位時(shí)自動(dòng)停止?jié)撍?，此控制器存在如下缺陷?br/>　?。?）只能指示液位高低，不能顯示液位實(shí)際值,，由于不知道液位實(shí)際值,，給在管廊溝內(nèi)檢修作業(yè)帶來不便。
　?。?）水中放置的3個(gè)電極由于產(chǎn)生電解反應(yīng),，造成電極腐蝕快或結(jié)垢嚴(yán)重，需要定期更換電極,。
　?。?）原控制器成本較高，需要2 500元左右,，且維護(hù)成本較高,。
　　基于上述情況，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的超聲波液位控制器,。此控制器具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)際液位的功能,，由于不直接與水接觸，故傳感器使用壽命長(zhǎng),，控制器具有維護(hù)簡(jiǎn)單,、成本低廉的特點(diǎn)。
　　1.1液位控制器的硬件組成及原理
　　本系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,，系統(tǒng)主要由單片機(jī),、通信接口電路、LED顯示電路,、鍵盤電路,、超聲波模塊及控制信號(hào)電路組成。
　　

　　選取 AT89S52單片機(jī)作為控制核心, AT89S52單片機(jī)是一種低功耗,、高性能 CMOS 8位微控制器,。它具有以下資源：8KB Flash，256 B RAM,，32位I/O端口,，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器,， 1個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu),，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路等［1］。
　　HCSR04是深圳市捷深科技有限公司的一款超聲波測(cè)距模塊,，它有4個(gè)管腳，分別是+5 V Vcc,，電源地Gnd,，控制端Trig，接收端Echo,。HCSR04模塊如圖2所示,。其基本工作原理是：給控制端Trig提供一個(gè)10 μS 以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，模塊將發(fā)出 8個(gè)40 kHz周期波并檢測(cè)回波,，一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)Echo,；回響信號(hào)Echo的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比［2］；由此通過發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔計(jì)算得到距離,，距離=高電平時(shí)間×聲速/2,。

　　鍵盤電路由數(shù)字增加鍵、數(shù)字減少鍵,、確認(rèn)鍵,、測(cè)試鍵4個(gè)鍵組成，鍵盤電路采用矩陣式鍵盤電路設(shè)計(jì),，4個(gè)鍵占用4個(gè)I/O資源,。
　　LED顯示電路由4位共陰極LED數(shù)碼管組成，采用動(dòng)態(tài)掃描方式,。利用達(dá)林頓集成芯片ULN2008驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管以及繼電器,，這樣設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)化了電路，也使電路板更緊湊,、簡(jiǎn)約,。數(shù)碼管用來顯示實(shí)際液位以及設(shè)定的高低液位值。通過程序控制繼電器通,、斷,，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛水泵的啟停控制,。
　　通信接口電路采用芯片MAX485,，它符合RS485協(xié)議，通過它實(shí)現(xiàn)了TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平［1,3］,。
　　工作原理分析：控制器以AT89S52單片機(jī)為控制核心,，通過單片機(jī)I/O端口觸發(fā)超聲波測(cè)距模塊HCSR04發(fā)出40 kHz的超聲波信號(hào)。利用單片機(jī)I/O端口監(jiān)測(cè)HCSR04模塊回響信號(hào),，一旦回響信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí),，啟動(dòng)單片機(jī)定時(shí)器，開始計(jì)時(shí)。當(dāng)回響信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí),，停止計(jì)時(shí),，讀出回響信號(hào)為高電平的時(shí)間。根據(jù)HCSR04模塊距離計(jì)算公式,，計(jì)算出傳感器與液位的實(shí)際距離LH,。實(shí)際液位LACT =LSET-LH，其中LSET為量程,，LH為傳感器與液位的實(shí)際距離,。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定高、低液位值,，邏輯判斷控制繼電器的通,、斷，即潛水泵啟,、?？刂菩盘?hào)。利用LED數(shù)碼管對(duì)實(shí)際液位LACT進(jìn)行顯示,，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際液位的在線監(jiān)控,。通過RS485接口電路實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控。另外,，控制器可以通過鍵盤電路對(duì)高,、低液位值進(jìn)行參數(shù)設(shè)置操作。為了保證在控制器出現(xiàn)程序“飛跑”的情況下能自動(dòng)使控制器復(fù)位重啟,，設(shè)計(jì)了看門狗電路,。
　　1.2液位控制器的程序設(shè)計(jì)
　　控制器程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括主程序模塊,、鍵盤程序模塊,、顯示程序模塊及通信程序模塊等。
　　在主程序模塊中完成定時(shí)器的初始化,、中斷初始化以及測(cè)量實(shí)際液位等功能,，主程序功能如圖3所示?！　?/p>

　　鍵盤程序模塊包括鍵盤識(shí)別部分,、參數(shù)顯示部分以及4個(gè)鍵的處理部分，設(shè)計(jì)時(shí)采用外部中斷程序來滿足鍵盤對(duì)及時(shí)響應(yīng)的要求,。
　　顯示程序采用動(dòng)態(tài)掃描方式實(shí)現(xiàn)LED數(shù)碼管對(duì)數(shù)據(jù)的顯示,，通過定時(shí)中斷來保證數(shù)碼管掃描時(shí)間間隔一致，使數(shù)碼管顯示穩(wěn)定,、不閃爍,。
　　通信程序用于液位控制器與PC通信,，實(shí)現(xiàn)液位控制器與PC數(shù)據(jù)交換，便于遠(yuǎn)程操作與監(jiān)控,。
2實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
　　通過實(shí)驗(yàn)板對(duì)液位控制器進(jìn)行了測(cè)距精度,、顯示效果、通信等方面的測(cè)試,。
　　實(shí)驗(yàn)表明模塊的盲區(qū)為2 cm,，探測(cè)距離范圍為2~450 cm，控制器有較高的精度,，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的控制要求。
　　LED數(shù)碼管顯示穩(wěn)定,、鮮艷 ,、清晰，非常適合用在光線暗淡的環(huán)境,。
　　通過RS485總線與PC連接通信,，實(shí)現(xiàn)了液位控制器與上位機(jī)PC遠(yuǎn)程通信。利用液位控制器與PC通信界面可對(duì)高,、低液位進(jìn)行設(shè)定,，并可監(jiān)控液位的實(shí)際值，通信界面如圖4所示,。

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