一种单片机控制的液位检测模块的设计

【摘要】利用STC89C52单片机控制步进电机的运动，进而间接控制液位传感器对液位的动态检测，来实现液位的数据测量。本文介绍了探测式液位传感器的组成和工作原理，给出了由单片机控制的整个液位检测系统的原理框图。

【关键词】液位检测；探测式水位传感器；步进电机

液位的检测是过程控制技术的重要构成部分，在国民经济发展上发挥了很大的作用。

一、探测式水位传感器

探测式水位传感器由步进电机、限位开关、拉线盘、传动齿轮以及测杆、测针等零部件组成，结构如图1所示。此传感器的基本测量原理是它将步进电机的正、反向的旋转通过齿轮和拉线的传递，转换为测针的竖直方向的位移。步进电机的运行是在脉冲信号控制下进行的，脉冲数据变化能够直观的反映电机转动角度的变化（测针的位移距离变化），测针的作用是产生水位信号。在水中放置一个零V的电极，测针触水时，即可使测针和电极之间形成电路回路，此时的测针为低电平——“0”，若测针离开水面，则测针的电平为高——“1”状态。

传感器的上部限位位置在测量时是固定的，一般将上部的限位点作为基准，在测量前是可以随意设置的。在进行测量时，首先使测针处于上限位置，同时对计数器赋值，作为基准测量初值。然后电机运行，使测针向下运行，停止在水面上方，进行水位的数据测量，并将数据存储。存储数据后，设置软件，使电机反向运行牵引测针上升到原上限点处，完成一次测量。

二、测量方式的选择

探测式水位计是由步进电机的转动驱动测杆进行运动，步进电机的转速是由其接受到的脉冲信号控制的，接受一个脉冲信号步进电机就会转动一个固定的角度。所以，我们可以控制脉冲的产生个数，进而控制步进电机的角度转变。还可以控制脉冲的频率的高低来控制步进电机的转动速率，进行调速。

采用单片机的定时计数器即可达到脉冲信号的产生与频率的控制，此种驱动方式具有易控制、高精度、不受水的温度和水质变化影响、测量水位变化快的特点。静态和动态水位都可进行测量。电机的步进角为1.5度，相应测针步进距离为0.1mm，全行程是300mm。

三、硬件设计

根据上面的传感器和水位测量方式的介绍与选择，本模块由步进电机驱动电路、水位探测式传感器组成。具体的实现框图如图2所示。

先由单片机检测水位传感器的初始状态，包括限位状态与确保测针处于水面上方，在确保检测无误后，然后执行水位测量程序，开始测量，首先执行触水信号的产生，使探针触水时返回信号，传递给单片机，得知水平面的具置。单片机接收后，再控制步进电机转动使探针进行多次的触水运动，且将多次的步进电机步进数存储，根据存储的数据计算出水位，由单片机显示在LED上。

单片机产生的控制步进电机进行转动的脉冲信号由P1.0产生，控制转动方向的脉冲由P1.1产生。脉冲分配器和功率放大电路将自动将此脉冲信号转换为步进电机三相的信号，由此来控制步进电机转动，实现对探针上下运动的控制。其结构组成框图如图3所示。

图3 单片机控制探针的组成框图

单片机接口电路产生的脉冲信号，通过脉冲分配器将单片机产生的脉冲信号进行分配后传输到步进电机。

由于单片机的驱动能力不足，这里采用的功率放大部分，是采用PMM8713组成的驱动电路，通过此驱动电路放大脉冲信号后，驱动步进电机牵引探针运动来实现水位的测量。

四、传感器控制信号

探针触水信号：因为探针触水的瞬间即可产生，且将信号送与单片机。所以它的响应时间直接影响到水位测量的精度。要想测量精度高，就必须要求其响应时间短。中断响应是一种立即响应，由此可以将响应时间减到最短。所以我们用中断来响应探针触水信号。

限位开关信号：它的作用是控制探杆运动的临界范围，使用单片机的P1.2口进行查询和控制。

参考文献：

[1]蒋漪涟.基于单片机实现液位和液体流速检测系统（硕士学位论文）.陕西：西安理工大学，2006.

[2]章虎.基于分布式微机多点液位检测系统（硕士学位论文）.湖北：中国地质大学，2007.