基于超声波传感器的水箱水位控制

计算机控制技术课程设计

自动化与电气工程学院

基于超声波传感器的水箱水位控制系统

1课程设计目的

超声波技术是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都可使用的通用技术之一。超声波技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。

传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器。液位控制在多个领域都有使用，所以实现其自动化检测具有非常重要的意义。通过压力传感器实现液位控制系统，具有体积小，实际应用系统简单实用，成本低，效益好；具有较高的性能价格比；系统不易受到干扰，可靠性高等优势。

该课程设计是通过相关超声波硬件组合调试实现对液位高度的控制，通过一系列的放大比较将模拟信号转化为数字化的信号，然后通过对数字信号的各种处理实现类比，将液位高度的变化通过数字信号的不同反映出来，显示结果，实现对液位高度的实时监控。

图1 设计原理图

2设计方案及原理

超声波测距的方法本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量水箱水位后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。

图2 设计原理图

传感器的位置距离水箱顶部20cm，水箱高度为100cm。

假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t／s，超声波传播速度为v／m·s－1表示，则有关系式(2-1)

s=vt／2 (2-1)

在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，温度的变化会变成扰动，按式(2-2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。

v=331．4+0．607T (2-2)

式中，T为实际温度单位为℃，v为超声波在介质中的传播速度单位为m／s。

表2-7 声速与温度的关系表

温度（摄氏度）－30 －20 －10 0 10 20 30 100

声速（米／秒）313 319 325 323 338 344 349 386 在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速c是基本不变的，计算时取c 为340m/s。如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正，我做的PID控制中不断修改算法，在扰动中的不断控制，模拟了温度对于超声波传感器的影响和对液位计算的影响，在实际测量时利用单片机的计时功能实现距离的测量。

3 硬件设计

3.1硬件结构图

图3 硬件结构图

3.2硬件选型

(1)控制器分为上位机和下位机。上位机为控制计算机，通过反馈的高度与设定的高度进行对比，通过预先设定的算法计算出控制量u；下位机为AT89C51即单片机，接收由上位机所给出的控制量，对执行机构进行控制。AT89C51具有如下特点：4kB Flash片内内存储器，128 byte RAM，32个外部双向输入输出口，5个中断优先级，2个16位可编程计数器，2个全双工串行通信口。如图所示为单片机部分的功能选择

图4 单片机部分

(2)D/A转换器采用DAC0832，8为D/A转换器，与微处理器完全兼容。DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换电路及转换控制电路构成。主要参数：分辨率为8位；电流稳定时间1微秒；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；可单一电源供电（5V-15V）；低功耗，20mW。

(3)驱动电路采用继电器和三极管如图3所示的连接方式。通过给I/O端口高低电平来控制继电器的通断，继而控制水泵控制水量的占空比，以达到控制水位的目的，如图所示。其中三极管为控制开关作用，当输入高电平，NPN饱和导通，继电器线圈通电，触电吸合，使220V电源接通。反之，输入高电平，NPN截止，继电器线圈断电，触点断开。

图5继电器、三极管驱动电路

(4)执行机构采用水泵控制。根据相关资料对于水量液位的变化，水泵可以迅速反应，对液位进行升高或者降低。

(5)在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多;频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。本文中选用的探头是4OKHz的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器UCM-T40KI和一支接收传感器UCM-R4OKI组成，工作在标准电信号。5V供电电压，其特性参数如表2-5所示。

表1传感器特性参数表

选择公司是德国西克（SICK ）智能传感器公司。

(6)显示部分采用数码管。数码管显示电路可以实现温度的实时显示以便观察水温变化。

4系统软件设计

4.1被控对象模型的建立

首先要建立被控最想模型，我选用的有水箱，电机和水泵，利用PID 进行控制，由于超声波测距控制系统的控制对象具有液位的变化收到温度影响，惯性也较大的特点，因而可以将被控对象归于一阶惯性环节，即可将被控对象的传递函数表示为

1+Ts K

，

为了确定K,T 的值可以绘出系统加上阶跃信号，继电器的占空比

位100%的工作曲线，已知被控对象的传递函数的K 为65，由自控原理一节惯性环节的特性可知，一阶系统过渡过程重要特征点是系统输出达到过渡过程总变化量的63.2%的点。通过计算水箱水位上升到2.83632.0*)20120(20=-+的高度（相对于传感器），所用的时间即为时间常数T ，经网上查阅水位上升到83.2的T 取320。

因此继续通过控制PID 来调节参数，被控对象模型的传递函数为

132065

+s 。

经网上查阅资料可知，电机模型和水泵模型的被控对象函数分别为12.01

+s ，11.01

+s ，由此可以知道被控对象的开环传递函数。

4.2 系统仿真及实际调试

本设计是闭环控制系统，我选用的是基于4：1的衰减曲线法的PID 参数整定，