前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的单片机的液位控制系统设计思考，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
液位控制系统在工业的诸多方面都有着广泛的应用，其作用是将液面控制在人们需要的范围之内。这对于许多工业生产来说是尤为重要的，在造纸行业，污水处理行业，自来水行业等都需要对液位进行控制以保证生产的顺利进行。过去的液位控制系统主要是依托自动控制原理搭建控制电路的方式进行液位控制。随这种方式的普及和使用，这种控制方式的缺点也暴露出来。控制精度低、信息化程度低、自动化程度低等诸多缺点使其无法适应如今的这个追求无人化，高效化的工业生产体系。
近年来，随着嵌入式技术的发展，使得液位控制系统焕发了新的活力，运用单片机与传感器相结合进行液位控制可以保证较高的精度，和较高的自动化程度。同时相较于传统的液位控制系统其也有着更小的体积和更高的稳定型。本设计以 51 单片机为控制核心实现对液位的精确控制，并且本设计引入了物联网技术，使得本设计的信息化程度很高。相较于传统的液位控制系统本设计可以将液位信息直观地显示在可视化网页上，并且可以在手机端实现远程控制实时调节液面高度，实现了很好的人机交互，减少了工作人员的工作量，对提高生产效率有着重要的意义。
1. 系统的总体设计
本文提到的液位控制系统是基于 51 单片机开发而来。其主要由控制模块、信息采集模块、执行模块以及物联网模块构成。控制模块即为 51 单片机，其主要负责整个系统的数据运算处理和对整个系统的控制；信息采集模块由液位传感器构成，其负责实时采集液位高度的数据；执行模块由注水阀门和排水阀门构成，其负责根据单片机的指令进行整个系统的水位调节；物联网模块负责实现整个系统与外界的信息交互。整个系统实现了对液位的自动化控制，极大节约了人力，物力。整个系统的电路系统框图如图 1 所示。
2. 系统控制模块
该系统的控制模块采用了 AT89C51 芯片为控制核心，该芯片是由 ATMEL 公司研制的一款芯片，是一款 8 位的处理器，其运算能力虽不及 16 位与 32 位的处理器，不过其在成本和功耗方面低于它们，这也是它的一大优势。通过测试，该款芯片的运算能力也完全满足本设计的数据处理要求。本设计运用单片机的最小系统便可以满足控制需求，所谓单片机的最小系统就是单片机可以进行工作的最简化模式，电路构成比较简单，使用起来较为容易。其特点是整个单片机的资源都可以被利用起来，可以外接较多设备，比较适合本设计的使用。单片机的最小系统有两个重要的部分，它们分别是晶振电路和复位电路。晶振电路由晶振和电容构成，其功能是驱动单片机进行工作。晶振振动一次所需要的时间被称为时钟周期，单片机就是根据这个时钟周期来进行工作的，本设计的单片机每 12 个时钟周期完成一次操作，本设计采用的晶振频率为 12MHz，经过计算本设计使用的单片机完成一次操作的时间为 1us，运行速度满足设计需求。复位电路由电阻和电容构成，其主要功能是用来中断单片机的运行，使单片机初始化，其是保证单片机稳定工作的重要因素。单片机最小系统电路图如图 2 所示：
3. 传感器模块
目前市面上的液位传感器种类繁多，常见的有通过浮球或浮筒在液体中的位置变化进行液位测量的传感器，这类传感器根据其工作特点被称作接触式传感器，该类传感器出现的较早应用也较为广泛，其特点是成本低廉，结构简便，可靠性强，不过精度较差。目前测量精度较高的为非接触式传感器，该类型的传感器利用雷达，超声波，激光的测距原理进行液面位置的测量。该型传感器运用的都是新兴技术，电器化程度较高，因此便于与单片机的搭配使用。非接触式液位传感器都是利用反射的原理制成的，根据反射物的不同其也有着不同的优缺点。激光式的测量精度较高，结构紧凑，可靠性高。并且就算容器内的液体极少，其也可以完成测量，不过其成本和能耗较高。超声波式液位传感器受超声波本身的特性的影响，导致其测量精度受外界影响较大，外界环境温度的变化会极大地影响其测量精度，经计算室温每变化 1℃，误差将增加大约 3%，不符合本设计的要求。综上所述，本设计最终选择雷达式的液位传感器。雷达式液位传感器不会受到外界环境变化的影响，也不会受到被测液体密度浓度变化的影响，在绝大多数情况下，该种传感器都可以正常进行使用。并且由于雷达波的特性，其可以实现较远距离的测量，其测量范围通常达到数十米。雷达波的传播不需要介质，在真空的环境下也可以进行传播，这也极大地减少了该型传感器的测量误差。并且该型传感器采用一体化封装设计，无裸露的零部件，因此具有耐高温耐腐蚀的特点，有着极强的可靠性。这类传感器一般自带误差修正功能，可以把反射回的杂波自动过滤掉，以减少测量误差。该型传感器的工作原理是利用雷达波的反射，通过传感器自带的计时器计算雷达波从发射到接触到液面后反射回传感器所需要的时间，来计算液面位置。其计算公式如下：L=VT/2其中 L 为传感器与被测液面的距离，V 为光速，T 为传感器计时器记录的时间。雷达式液位传感器工作原理图如图3 所示。
4. 物联网模块
该系统用于实现物联网功能的部分是 ESP8266 芯片，该芯片是 Espressif 公司研发的一款可以进行编程的物联网芯片，因其强大的数据交互功能被人们广泛使用。其大多与单片机配合使用以实现物联网功能。ESP8266 芯片实物图如图 4 所示。使用该型芯片时，我们可以选择让其直接连接至无线网络的工作模式，从而通过因特网实现芯片与可视化网页的数据交互；也可以选择让该芯片发射一个网络热点的工作模式，远程操控设备（如手机）通过接入该网络热点，实现与该芯片一定范围内数据交互；还可以选择让其在前面两种工作模式下来回转变，既可以使用无线网络实现芯片与手机之间的数据交互，也可以通过连接芯片发出的热点实现芯片与手机之间的信息交互，这种工作模式有着极高的灵活性，该模式可以使用两种连接方式进行数据交互，因此其可靠性要高于只能固定使用一种方式的工作模式。考虑到本设计工作在无线网络环境下，因此本设计选择使用无线网络进行芯片与手机之间的数据交互。本设计物联网功能的实现除了硬件部分，还需要软件部分的支持。本设计的人机交互页面是可视化网页，其上面显示了液位信息，方便监测人员的实时监测。液位数据被液位传感器检测后，ESP8266 通过 MQTT 协议将其发送至 EMQ X，EMQ X 相当于一个数据中转站，硬件设备与软件设备通过它建立连接。EMQ X 会将收到的数据上传至Influx DB 中，Influx DB 是一种时序数据库，其适用于存贮的大量数据，Influx DB 会将收到的数据按照一定的时间序列进行分类储存，并且按照采集周期显示在可视化网页上。这样本设计便实现了物联网技术，使得该液位控制系统实现了较高的自动化程度和智能化程度。
5. 执行模块
本设计的执行模块采用继电器作为控制开关，控制电动阀门进行液面高度控制。继电器是利用电磁原理进行工作的开关，通过其内部电路的吸合与断开来控制外部电路的吸合与断开，其是弱电与强电之间的桥梁，被广泛地应用于弱电对强电的控制，本设计需要单片机的弱电对电动阀门的强电进行控制，因此选用了继电器作为控制开关。继电器的工作原理图如图 5 所示。继电器通过三极管与电动阀门相连，继电器在与单片机的引脚相连接。两个继电器分别控制出水口电动阀门和进水口电动阀门。正常状态下两个连接继电器的单片机引脚为低电平状态。当液位高于设定值时，连接出水口电动阀门的引脚变为高电平，继电器吸合，出水口电动阀门开启，系统开始排水。当液位恢复至设定值时，连接出水口电动阀门的引脚输出低电平，继电器断开，出水口电动阀门关闭；当液面低于设定值时，连接进水口电动阀门的引脚变为高电平，继电器吸合，进水口电动阀门开启，系统开始进水。当液位恢复至设定值时，连接进水口电动阀门的引脚输出低电平，继电器断开，进水口电动阀门关闭。这样便是实现了对液位的控制。
6. 结语
液位控制系统在工业中有着十分重要的地位，传统的液位控制系统采用电路控制，控制精度和自动化程度都不高。本系统以 AT89C51 芯片为控制核心，运用了传感技术与物联网技术，实现了对液位的自动化控制和远程监控。本文从控制模块、物联网模块、传感器模块、执行模块四个方面介绍了该系统的组成部分和工作原理。在该系统中引入物联网技术是顺应当今时代的选择，如今的时代是一个大数据时代，数据的交流在任何行业内都十分的重要。本设计利用物联网技术实现了数据的交互，这是与传统液位控制系统的本质区别，也是未来自动控制技术的一个发展方向。
作者：王宇 单位：佳木斯大学 机械工程学院
