液位自动检测装置

液位自动检测装置

摘要：此方案设计了一个可以实现水位检测的系统。该系统包括了液位的检测、检测数据的处理、数据显示、键盘控制等四个部分。采用ATmega16、LM311、L298N、DS1302等进行设计。通过步进电机带动探针，能实时检测到液位的高度。并能用键盘设定水位限值，超出限值时能做出报警警示。

关键词：ATmega16 步进电机探针

Level automatic detection devices

Abstract: This design can achieve a level detection system. The system includes a level of analysis, data processing, data show that the keyboard control of four parts. By L298N, ATmega16, design. Through the stepper motor driven probe, real-time detection to the high level. And the water level can use the keyboard set limits, beyond the limits can be made when the police warning.

Key words:ATmega16 stepper motor probe

1、设计要求

设计并制作一个水位监测装置，示意图如图（1.1）所示（容器可用2.0升~2.25升可乐瓶制作）。

图1.1 液位检测装置图

1.1 基本要求

（1）显示器能实时显示当前液位高度，液位显示误差不超过±0.5cm。

（2）通过键盘可以设定容器里的液位检测和超限报警范围（3-25cm内的任意值）。

（3）当液位超过报警范围时，能通过声光报警。

1.2 发挥部分

（1）日期和时间显示功能。

（2）通过键盘控制，可以将液位超限报警范围值和当前液位值和当前时间保存下来。

2、任务分析

2.1、液位传感器检测液位

在本设计中要对液面进行实时测量，把检测到的数据送到处理器进行处理显示在LCD上，并且能通过键盘设置液面的报警上下限，当超过范围时能通过声光报警。还要有掉电保存设置的值和保存一些当前的液面和时间的数据。

2.2、数据处理

本设计的数据有来自传感器的数据、键盘的数据、显示器上的数据。要对这些数据进行处理则需一个稳定可靠的处理器。保证数据处理的稳定性、可靠性、及时性。

2.3、数值、时间显示

在显示器上需要对检测的数据进行实时显示，同时加多日期和时间显示。显示数据需有较好的人机对话界面。

3、方案选择

液位传感器方案选择

方案一：利用液体之间的电容特性，跟电阻发生RC振荡。通过RC之间的振荡频率与液面之间的高度成线性关系，测得液体的高度。但要液体的电容特性变化不定，误差大，电阻的阻值改变会影响振荡频率，如果电阻的参数不稳定，着调试就很困难，而且误差会增大。

方案二：利用水的导电性，用一个探针和电压比较器组成传感器。当探针在液面上时两个探针不导通，当在液体时两探针导通。然后通过电压比较器把两个信号进行放大。利用两个不同的电平状态控制步进电机正向转动和反向转动，让步进电机带动探针，进行水位探测。

通过比较，方案二虽然比较复杂，但比起电容振荡测量，电机探测干扰小，精确度高，也容易控制。因此我们决定用方案二。

4、设计方案的实施，单元电路的设计

4.1、系统框图

本系统以ATMEGA 16作为主控芯片。LM311电压比较器对水位进行信号采样。L298N用来驱动步进电机。采用DS1302实时时钟芯片产生日期和时间。用1602液晶模块显示时间、当前液位、上限、下限值。用蜂鸣器和发光二极管作为报警标志。其系统框图如图4.1所示

图4.1 系统框图

4.2 单元电路原理与设计

4.2.1单片机系统

Atmega16MCU介绍

系统的控制核心Atmega16单片机，是Atmel公司推出的基于AVR RICS低功耗CMOS 8位高性能单片机，采用的是Harvard结构。由于Atmega16单片机运算速度快、内部资源丰富等诸多优点，故本设计选用它作为控制核心。图4.2为其引脚排列图。Atmega16系统图如图4.3所示。

图4.2 Atmega16引脚排列图

4.2.2 1602液晶显示模块

本设计中，采用1602LCD作为显示提示信息器件，与用户进行友好交互。1602LCD是专门用于显示字母、数字、符号的显示模块，具有功耗低、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到很广泛。表4.1为液晶显示模块管脚排列和功能，图4.4是它与系统单片机连接的原理图。

表4.1 LCD1602管脚排列和功能表

图4.4 液晶模块与单片机的连接电原理图

4.2.3 LM311 电压比较器采样模块

本设计中用到LM311单通道差分电压比较器对水位状态实时监控。根据水能导电的特性（导通电阻为200k—300k），所以要在与探针并联的电阻阻值和水的导通电阻差不多，这样探针两端的电压才会发生较明显的变化。要注意的一点，是要在比较器的输出端加个104P的电容把干扰滤掉，要不会影响很大。所以通过比较器，把探针是否探测到水分为两个明显的状态，单片机就读取这两个状态来做相干的处理。未探测到液体时，其输出状态为低电平。探测到液体时，其输出状态为高电平。图4.5为LM311的管脚和功能。图4.6为比较器与探针的电路图

图4.5 LM311的管脚图

图 4.6 LM311与探针连接电路

4.2.4 L298N 步进电机驱动模块

本设计中要用到步进电机带动探针进行水位实时探测。需要用到步进电机驱动模块。L298N为驱动两相步进电机的驱动芯片，具有电路图简单，操作方便的特点。图4.7为L298N的管脚与功能图，图4.8 L298N的驱动电路图。

图4.7 L298N 管脚与功能图