基于单片机的水位检测文献综述

1引言

大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监则器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。所以，对水箱控制，如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。

2历史背景

在过去的几十年中，水箱主要是手动控制，即便采用浮标，电极等机械式控制，也极易造成资源的浪费。大部分原因是水箱内部水位没有及时反馈，从而使控制上有一定的延迟，从而造成了水量过多或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常。因而实现对水箱水位的实时精确控制以改善补水过多和及时补水的情况，成为过去几十年水箱控制技术发展的重点。[1]

我国仍然处于生产型发展中国家，所有几乎在能源相关的所有领域中，水箱是比不可少的部件，即使是发达国家也不例外。它性能的优良与否关系直接关系到企业的生产安全和效益。随着我国嵌入式技术的发展，我国控制系统技术已经达到国际水平，但是在中小型企业以及民用产品，大量的水箱控制任然通过专职的人员进行控制。随着我国单片机开发技术的逐渐成熟，以及单片机生产成本的下降，基于单片机的水箱控制系统应用到中小型以及民用产品有着交大的发展空间。而且越来越多的水箱生产厂商开始聘用单片机开发人员和电路设计人员，将控制系统成为水箱设计的一部分，以提高自身产品的安全性能和科技含量来提高产品在市场中的竞争力。[2]

3发展现状

水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、钢铁等大型企业领域，它以自身的自动化控制系统的安全优势，已经慢慢深入到一些民用水箱产品。但是目前阶段，它的成本还很高。比如把一台纯手工家用水箱设计成自动化控制的水箱，从硬件的设计和铺设，对于民用化产品实施的性价比较高。因此大规模的使用仍受到经济上的限制。[3]

3.1水箱水位控制器的相关技术

对于液位进行控制的方式有很多,而应用较多的主要有2种,一种是简单的机械

式控制装置控制,一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：

(1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等,这种控制形式的优点是结构简单,成本低廉。存在问题是精度不高,不能进行数值显示,另外很容易引起误动作,且只能单独控制,与计算机进行通信较难实现。[4]

(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、A／D 变换成数字信号传送到单片机,经单片机运算和给定参量的比较,进行PID运算,得出调节参量;经由D／A变换给调压／变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化,

来调节电机转速,以达到控制水箱液位的目的。[5]

当然，不管是机械式还是复杂的电子式控制，它们都是通过控制电磁阀、水泵等，成为水位自动控制器或水位报警器，从而来实现半自动化或者全自动化，方法有多种，根据选用不同的产品而不同。

3.1.1水箱水位控制器的控制方法

1.通过电子式水位开关（BZ2401或BZ0501）和搭配的水位控制器 (BZ201、 BZ202)来控制，电子式水位开关原理是通过电子探头对水位进行检测，再由水位检测专用芯片对检测到的信号进行处理,当被测液体到达动作点时，芯片输出高或低电平信号，再配合水位控制器，从而实现对液位的控制。不需浮球和干簧管,外部无机械动

作,耐污耐用,不怕漂浮物影响，任意角度安装,竖向安装有一定的防波浪功能。[6]（1）电子式水位开关在污水中的应用

适宜长时间浸在水中,工作电压是直流5-24V，很安全。举例：把一个水位开关放在高水位A位置，另一个水位开关放在低水位B位置。当水到达B位置时，继电器闭合，此时可控制水泵或电磁阀的启动，开始进水；当水上升到达高水位A位置时，继电器断开，水泵或电磁阀断电。然后水又到低水位B位置，不断往复循环 (7)

这种方式较实用，耐污，寿命长，安全。

2.通过浮球开关来控制水位。基本上有两种方式：

（1）一种是浮球开关带着一个大的金属球，浸在水中时浮力大，可以控制两个水位，比如水满了，浮球因为浮力而上升，带动球阀运动，使阀门关闭，停止进水，当水少了，浮球下降，阀门打开，又再进水，如此循环。这种方式较多应用在煮开水器和卫生间的冲水器上。

（2）带干簧管的微型浮球开关，在密闭的金属或塑料管内，设置一点或多点的磁簧开关，然后将管子贯穿一个或多个，中空而内部装有环型磁铁的浮球，并利用固定环，控制浮球与磁簧开关在相关位置上，使浮球在一定范围内上下浮动。利用浮球内的磁铁去吸引磁簧开关的接点，产生开与关的动作，从而控制水位，多数应用在清水的水位控制，但易受污物影响，不适用在污水上。[8]

3.通过非接触式的水位开关来控制，例：超声波液位控制器。液位控制器的探头产生高频超声波脉冲耦合到容器外壁。这个脉冲会在容器壁和液体中传播，还会被容器内表面反射回来。通过对这种反射特性的检测和计算，就可以判断出液位是否达到了液位控制器安装的位置。液位控制器输出继电器信号，来完成对液位的监控。这种方式不受介质密度、介电常数、导电性、反射系数、压力、温度、沉淀等因素的影响，所以适用于医药，石油，化工，电力，食品等行业的各类液体液位工程控制，对于有毒的、强腐蚀危险品液体的检测，该产品更是理想的选择，但在有泡沫的情况下也易出现误动作。[9]

4.水位继电器。本产品采用集成电路，并结合高层楼宇上、下水池的水位分级

提升进行设计，具有上下水池联合控制、水池排水及缺水保护等功能，可实现水箱补水、排水，并有效防止水池水位过高溢出或溢出空转损坏。效果还可以，这种方式怕水垢，水垢厚了就就容易误判。[10]

4发展前景

基于水箱水位控制器的重要性，因此社会各方面都在大力发展。由于水位变化的非线性，因此传统的手动和机械式控制器将会慢慢被淘汰，各种全自动式控制器将会得到大力发展。

（1）基于单片机的水箱水位控制器已得到一定的发展，但就其理论深度，我感觉它还有相当大的发展空间。它的主要技术就是包含C51单片机的PID算法。

基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51芯片为核心,由键盘、数码显示、A ／D转换、传感器,电源和控制部分等组成。工作过程如下：水箱(水塔)液位发生变化时,引起连接在水箱(水塔)底部的软管管内的空气气压变化,气压传感器在接收到

软管内的空气气压信号后,即把变化量转化成电压信号;该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5 V标准信号,送入A／D转换器,A／D转换器把模拟信号变成数

字信号量,由单片机进行实时数据采集,并进行处理,根据设定要求控制输出,同时数

码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度,可任意控制水位高度。[11]

但PID算法也有一定的缺陷，在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。[12]

（2）基于PLC的水箱水位控制系统

水箱水位自动控制系统由PLC （核心控制部件）、高低位水箱的水位检测电路（高低水位信号传送给PLC）、水泵电动机控制电路（PLC 控制启停及主备切换）、