1水位控制系统模型原理
水位智能控制系统在制作前必须进行总体设计，以保证设计方案正确可行。根据设计任务可以明确以下几个模块：（1）通过按键输入最高水位和最低水位等参数；（2）利用液位传感器实现水位的高度测量，并能正确传递给控制中心；（3）能够利用显示装置实时显示水位的高度；（4）可以根据水位变化实现报警等功能；（5）中心控制系统能够对各个模块实现统一控制。具体到电路设计系统中，选择一款主流单片机作为系统的控制核心，独立键盘模块实现参数输入和进水量的限制；水箱上方按照超声波测距电路模块，以实现水位的测量；单片机通过水泵驱动电路控制水泵的工作；各种操作信息提示及工作状态及测量参数等信息通过液晶显示模块进行显示。
2水位控制系统的电路设计
控制系统的总体硬件设计由各个分模块电路构成，主要有以下几个电路模块：
2.1矩阵键盘电路模块
水位控制系统中采用的键盘模块是4*4的矩阵键盘，电路图如图2-1所示。图中，P1.0~P1.3接键盘行线，输出接地信号；P1.4~P1.7接列线，输入回馈信号，以检测按键是否按下。行线输出扫描码，使按键逐行动态接地，列线输入按键状态，最后由行值和列值共同形成键编码。键盘处理程序的任务是：确定有无按键按下；消除抖动重新确定是否有按键按下；确定哪一个按键按下；形成键编码；根据键编码转向分支程序。
2.2水位检测电路
水位控制系统中的水位高度检测模块，可以由超声波测距模块实现。在该模块中，主要包括超声波的发生电路和接收电路，电路图如图2-2和2-3所示所示。发射电路中，信号分成两路，一路经两级反相后输入超声波发射探头的一个电极，另一路经三级反相后输入超声波发射探头另一电极。这种推挽形式将方波信号加到换能器两端，提高了超声波的发射强度。其中两个反相器并联，用以提高驱动能力。接收电路采用芯片CX20106，可完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形等功能，电容C10为滤波电容，防止干扰信号产生。电路完成后，经调试，该模块在一定范围内可稳定测距。
2.3显示电路设计
根据客观条件，对各种参数信息进行显示的器件为内置KS0108B控制器图形液晶显示器MS12864A。电路设计图如图2-4所示。图2-4中，由于MS12864A不自带负压，因此外接-12V。+5V为背光灯电压。3脚为液晶显示器驱动电压，经20K可调电阻分页得到。功能引脚D/I、R/W、E、CS1、CS2、RET以及数据端口DB0至DB7需按严格时序进行管脚电平的控制。
2.4水泵驱动电路设计
本设计确定选择水泵进行加水，水泵工作电压为12V，电流大小取决于负荷。为满足功率要求，本次设计中采用大功率双全桥电机驱动芯片L298，可直接通过电源来调节电压输出，设计电路图如图2-5所示。L298的6脚ENA、12脚ENB接+3.3V，从而双全桥一直处于工作状态，4脚VS接直流水泵工作电压+12V，12脚IN4接单片机I/O口P17，当P17为高电平时，OUT4输出+12V，当P17为低电平时，OUT4输出0V。直流水泵一端接+12V，另一端接OUT4，则OUT4电平高或低可开启或关断直流水泵。D1至D8为整流二极管IN4007，用于分流电动势，防止损害L298。
2.5声光报警电路设计
在该模块中，采用有源式蜂鸣器和LED作声光报警，具体电路设计如图2-6所示。图2-6中，当P01为低电平时，三极管9014的C、E极不导通，蜂鸣器不响，LED不亮。当P01为高电平时，三极管9014的C、E导通，蜂鸣器响，LED亮，起到声光提醒的效果。
3软件设计
根据设计要求，软件设计最终确定的功能有以下几项：(1)按键输入工作参数。工作参数包括上下限水位值，若当前液位过低则自动进入加水模式，进水停止时进行声光提示；(2)实时测量水箱当前液位，并进行水泵控制；(3)最高水位限制功能。为防止水箱溢水及保护超声波探头，当水至最高水位警戒线时停止进水，并进行声光报警；(4)系统工作信息、工作状态、进水时有关水的参数信息等均用液晶显示器进行实时显示。程序流程图如图3-1所示。图3-1中，首先要进行初始化，接下来通过控制按键输入水位上限和下限值，并反馈给单片机，作为判断水位检测的比较值；程序控制开启超声波模块，产生40khz信号，通过定时器可知超声波传输的时间，根据公示计算出声波传输的距离，从而得到当前的水位值；通过判断是否低于下限水位，决定是进水还是继续测距；如果水泵持续进水，高过了下限值，关闭水泵，黄灯亮；水位下降，界于正常值之间，绿灯亮起。重复上面步骤，可以实现水位的智能控制。
4结束语
以单片机、超声波传感器、水泵为基础，设计并制作了一台智能水位控制系统。该系统能通过按键进行参数设置，根据测量水位启动水泵加水，同时具有水位报警功能。但设计也有不足之处：(1)超声波测距模块没有进行温度补偿并且距离测量的软件设计方法不够合理。环境变化对于超声波的传播速度有影响，其中温度变化影响最大。(2)测量的水流量与进水体积存在明显误差。由于计数器直接测频会产生量化误差和标准频率误差，尤其是量化误差在低频测量时产生的测频误差较大，由于测频的误差，造成水流量测量值发生跳变。
作者：李登辉 单位：桂林电子科技大学信息科技学院