基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的水位控制系統(tǒng)設(shè)計

基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的水位控制系統(tǒng)，通過金屬棒和水的導(dǎo)電性采集水位信號，結(jié)合了單片機(jī)輸出電平控制繼電器來控制抽水機(jī)的實驗，實現(xiàn)了連續(xù)控制和跟蹤水位，并以液晶實時顯示水位。該方案具有原理簡單、想法新穎、容易實現(xiàn)、精度高等特點，控制系統(tǒng)對于提高工業(yè)自動化水平和提高生活供水質(zhì)量具有重要的意義。

在生產(chǎn)領(lǐng)域中，實現(xiàn)水位自動檢測和控制是工業(yè)過程控制的一項關(guān)鍵技術(shù)，對于提高工業(yè)過程控制的自動化水平有著重要的意義。

在生活領(lǐng)域中，供水方式過去一般是通過人工來實現(xiàn)控制，容易造成對水資源的浪費(fèi)，所以現(xiàn)在人們越來越關(guān)注水資源的問題。

目前，水位控制系統(tǒng)是受到廣泛應(yīng)用的供水系統(tǒng)，水位控制可以有多種實現(xiàn)方法，如機(jī)械控制、邏輯電路控制、機(jī)電控制、傳感器控制等，但傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大、不能實現(xiàn)連續(xù)控制和跟蹤水位的特點，所以本論文設(shè)計出更方便更準(zhǔn)確的水位控制系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、水位檢測電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路、水位顯示電路、水泵驅(qū)動電路、軟件設(shè)計等。設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1中的單片機(jī)控制模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過鍵盤將所需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機(jī)中，并且通過控制器顯示到顯示器上，當(dāng)水箱里的水位下降時，移動探頭也隨著下降，再通過簡單的算法，顯示器實時顯示水箱里的水位。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2．1 控制器模塊設(shè)計

單片機(jī)控制器主要用于產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)控制脈沖，對步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前步數(shù)進(jìn)行采集處理，再經(jīng)過簡單的算法，在終端LCD上顯示當(dāng)前的水位。對于控制器的選擇采用AT89S52作為系統(tǒng)控制的方案。AT89S52單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。相對于FPGA來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實現(xiàn)。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點。

2．2 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計

本次設(shè)計的主要目的是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其電機(jī)采用兩相四線步進(jìn)電機(jī)，因此電機(jī)驅(qū)動模塊是必不可少的，其方案決定采用專用的電機(jī)驅(qū)動芯片L298N，此電機(jī)驅(qū)動芯片的電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好。其電路原理圖如圖2所示。

2．3 水位檢測模塊設(shè)計

傳統(tǒng)的水位檢測有采用壓力傳感器，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，傳送到單片機(jī)，運(yùn)算復(fù)雜，精度不夠高，或者是采用接觸式拾取信號，在水箱的不同位置安裝若干個金屬棒來感知水位的變化，直接利用金屬和水的導(dǎo)電性采集水位信號，運(yùn)算簡單，但不能實現(xiàn)連續(xù)水位的監(jiān)控。本次設(shè)計利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，在步進(jìn)電機(jī)上懸掛一個移動探頭，探頭接觸到水，則單片機(jī)采集到信號為高電平，否則為低電平。本設(shè)計能進(jìn)行連續(xù)水位的監(jiān)控，程序運(yùn)行簡單，控制精度高，成本低。其電路圖如圖3所示。

2．4 顯示模塊設(shè)計

本設(shè)計方案采用128x64LCD液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動方法和硬件連接電路較為簡單，顯示屏幕大、可對漢字和字符進(jìn)行顯示。

2．5 進(jìn)出水模塊設(shè)計

在連續(xù)水位控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)要對水箱里的水進(jìn)行出進(jìn)水控制，本設(shè)計采用繼電器控制水泵來控制進(jìn)出水，單片機(jī)控制繼電器簡單，適合工業(yè)的進(jìn)出水。其電路圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計

為了使控制系統(tǒng)各種硬件設(shè)備能夠正常運(yùn)行，有效地實現(xiàn)實時控制和管理，除了要設(shè)計合理的硬件電路，還必須要有高質(zhì)量的軟件支持。軟件設(shè)計包括各個模塊的驅(qū)動程序的設(shè)計，主程序軟件的設(shè)計，控制算法的實現(xiàn)。各驅(qū)動模塊有鍵盤識別程序，LCD液晶顯示器顯示程序，控制設(shè)置程序等。主程序流程圖如圖5所示，鑒于篇幅所限，在此不提供程序源代碼。

4 實驗結(jié)果及分析

4．1 給定水位測試

用鍵盤輸入給定的水位高度，其結(jié)果如表1所示。

4．2 液面跟蹤測試

啟動跟蹤測試程序，顯示器LCD實時顯示水位的高度，其測試結(jié)果如表2所示。

從以上結(jié)果來看，誤差值在允許范圍里，電機(jī)驅(qū)動負(fù)載的功率比較低，需要該用性能較好的電機(jī)。

5 結(jié)論

1)優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動控制，誤差補(bǔ)償；2)本課題設(shè)計的優(yōu)點在于設(shè)計了連續(xù)控制和液面跟蹤水位的系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)基于電極式水位控制系統(tǒng)的缺陷，方案新穎，算法簡單，容易實現(xiàn)，精度高，對實現(xiàn)水位自動檢測和控制具有實際的應(yīng)用價值。