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在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會(huì)需要對(duì)容器中的液位 (水位)進(jìn)行自動(dòng)控制。比如自動(dòng)控制水箱、水池、太陽(yáng)能等容器中的蓄水量，但普遍存在下列問題：

(1) 采用直流水介質(zhì)電接點(diǎn)型水位傳感器，因電解效應(yīng)，電極極易腐蝕而導(dǎo)致接觸不良，可靠性低，電極壽命短；

(2) 大多數(shù)廠家水位分級(jí)僅有3～4級(jí)，分辨率也僅為80～100mm，不能滿足用戶需要；

(3) 長(zhǎng)期使用傳感器，上面所結(jié)水垢使得測(cè)量精度產(chǎn)生較大誤差。

針對(duì)當(dāng)前的熱水器控制系統(tǒng)存在的缺陷，作了必要的改進(jìn)和完善：①系統(tǒng)采用磁致伸縮液位傳感器，通過測(cè)量發(fā)射電流脈沖和接收到回波信號(hào)之間的時(shí)間間隔來確定具體的位置信息；

②針對(duì)水位、水溫傳感器上產(chǎn)生水垢而影響導(dǎo)電性方面，系統(tǒng)特別安裝了超聲波除垢系統(tǒng)，定時(shí)除去傳感器上的水垢，保持感應(yīng)性能穩(wěn)定。由于傳感器敏感元件與測(cè)量介質(zhì)之間不直接接觸，提高了測(cè)量精度和線性度。

1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

控制系統(tǒng)以89C55WD單片機(jī)為核心，由水位、溫度控制電路、時(shí)鐘電路、鍵盤電路、液晶顯示電路、加水電磁閥控制電路和超聲波除垢系統(tǒng)組成。液晶顯示電路、時(shí)鐘芯片和MC14433均使用P0口 , 通過片選電路使它們各自起作用。溫度探測(cè)是利用裝于磁致伸縮傳感器外管與波導(dǎo)管之間的鉑熱電阻(6個(gè))，可測(cè)定儲(chǔ)罐內(nèi)平均溫度。鍵盤電路用P1口掃描，通過IN T0接口向單片機(jī)提供中斷信號(hào)。P2口經(jīng)過74HC244 驅(qū)動(dòng)后，控制上水、蜂鳴器和超聲波除垢器工作。

水位控制電路可實(shí)現(xiàn)連續(xù)顯示水位，由磁致伸縮液位傳感元件、激勵(lì)脈沖發(fā)生器、信號(hào)濾波放大、輸入保護(hù)電路、積分放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。脈沖發(fā)生器強(qiáng)電流脈沖信號(hào)給磁致伸縮線，作為起始脈沖，并開始計(jì)時(shí)，該電流在磁致伸縮線產(chǎn)生磁場(chǎng)，并使磁致伸縮線產(chǎn)生扭動(dòng)，產(chǎn)生扭應(yīng)力波。這個(gè)扭應(yīng)力波到達(dá)水位時(shí)，在回波信號(hào)處理下，檢出水位感應(yīng)脈沖電流，為終止脈沖。再利用差模電壓比較，產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度反比于水位的PWM信號(hào)。通過積分后通過電路調(diào)整得到一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，傳給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路MC14433 送給單片機(jī)，通過計(jì)算發(fā)送激勵(lì)脈沖的時(shí)間和接收到回波的時(shí)間，計(jì)算時(shí)間差ΔT，再根據(jù)超聲波的傳播速度ν，可計(jì)算出檢出頭與液面之間的距離L0=ν3ΔT，而容器的總深度L1已知，即可得出L=L1- L0，最終，電壓幅度隨著水位位置的改變呈線性變化輸出。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 水溫采集及顯示

實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量和控制的關(guān)鍵是選擇合適的溫度傳感器。采用鉑為測(cè)溫元件，鉑熱電阻具有較好的電阻系數(shù)，較大的電阻率，它對(duì)溫度的靈敏度高，對(duì)溫度變化的反應(yīng)速度快 ,電阻溫度特性較好。由于鉑熱電阻阻值與溫度之間的關(guān)系是非線性 , 其關(guān)系式為

Rt=Ro(I+αt+βt2 ) (1)式中，Rt為鉑熱電阻的電阻值；Ro為鉑熱電阻在0℃時(shí)的電阻值，R =100Ω；α為一階溫度系數(shù)，α= 31908×10-3(℃)；β為二階溫度系數(shù)，β=51802×10-7(℃) 。因此，在設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí)，先測(cè)量的是鉑電阻的電壓量 , 因而需由鉑熱電阻的電阻值推導(dǎo)出相應(yīng)的電壓值與溫度之間的函數(shù)關(guān)系為Ut=f(Rt)=f[f(t)](2)為了提高測(cè)量精度，減少誤差，采用三導(dǎo)線單臂電橋測(cè)量，經(jīng)放大和A/D處理，輸入到單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。單片機(jī)只需一根RXD串口線與之通信，每隔30s讀取一次數(shù)據(jù) ,這樣既能實(shí)時(shí)地讀取水的溫度值，還能節(jié)省單片機(jī)的時(shí)間。

顯示系統(tǒng)采用液晶顯示模塊，液晶顯示不僅具有功耗低、視覺效果好的優(yōu)點(diǎn)，而且液晶顯示模塊可以顯示菜單，使人機(jī)界面達(dá)到更高的層次。實(shí)現(xiàn)功能：(1) 實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、溫度、水位；(2) 顯示設(shè)置菜單 (包括：定時(shí)設(shè)定、溫度設(shè)定、水位設(shè)定、時(shí)間調(diào)整、超聲波除垢)。

2.1.2 水位測(cè)量

2.1.2.1.1 水位測(cè)量模塊介紹

水位測(cè)量模塊處理電路中涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：(1) 需要產(chǎn)生一個(gè)足夠能量的周期激勵(lì)脈沖電流信號(hào)，該脈沖信號(hào)在波導(dǎo)絲周圍感應(yīng)出周期脈沖環(huán)形磁場(chǎng)，需要足夠大的電流強(qiáng)度；(2) 利用脈寬調(diào)制技術(shù) (PWM)，實(shí)現(xiàn)電壓峰值或零位比較檢波，通過發(fā)射電流脈沖到接收到回波信號(hào)，確定扭轉(zhuǎn)彈性波在波導(dǎo)絲中的傳播時(shí)間。

2.1.2.1.2 激勵(lì)脈沖電路

激勵(lì)脈沖發(fā)生電路包括多諧振蕩電路、場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路及充放電電路。在磁致伸縮傳感器中，需要對(duì)波導(dǎo)絲施加瞬間高壓脈沖，激發(fā)脈沖超聲波。利用電容瞬間放電的方法實(shí)現(xiàn)，電路由N溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管、旁路電阻、儲(chǔ)存能量電容和二極管組成。在場(chǎng)效應(yīng)管Q 的柵極輸入控制脈沖，當(dāng)Q的柵極為低電位時(shí)，柵-源極電壓差為零 , Q關(guān)斷，儲(chǔ)存能量電容C通過旁路電阻R9和二極管D1充電，充電時(shí)間由時(shí)間常數(shù)決定。若Q導(dǎo)通，C存儲(chǔ)的能量通過Q及D2向波導(dǎo)絲放電，在波導(dǎo)絲中激發(fā)出超聲波。R10用于調(diào)節(jié)激發(fā)能量，改變激發(fā)超聲波幅值的大小。

綜合考慮到電路中可能存在的諸多干擾，以及所選用器件需要承受大電流，將關(guān)鍵器件場(chǎng)效應(yīng)管選為IRF840型，可以承受8A電流。驅(qū)動(dòng)電路由起緩沖作用的電壓跟隨器UC3140、電阻及一對(duì)小功率開關(guān)三極管組成。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，UC3140輸出低電平，切效應(yīng)管Q截止；當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，UC3140輸出高電平，雙極型三極管Q1、Q2對(duì)管的基極電位為高電位，場(chǎng)效應(yīng)管Q導(dǎo)通。R7的作用是與功率三極管基極相連，在基極回路中形成電流。這樣通過三極管對(duì)管和場(chǎng)效應(yīng)對(duì)管驅(qū)動(dòng)，可以提高帶容性負(fù)載的能力，具有較大的峰值電流，且可以提高開關(guān)速度。

2.1.2.1.3方波激勵(lì)電路

波激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生采用的脈沖發(fā)生電路主要芯片為555，由于傳感器輸出端信號(hào)的幅度只有15mV左右，需要增設(shè)放大電路，以便更準(zhǔn)確地測(cè)得回波信號(hào)。采用LM318精密高速運(yùn)算放大器可以滿足要求，LM318具有15MHz小信號(hào)帶寬，保證50V/μs的轉(zhuǎn)換速度，在將信號(hào)放大100倍后，仍然可以保證約100kHz的帶寬。

為了消除雜波干擾，還需要在放大電路后面增加濾波電路。激發(fā)出的超聲波頻率一般為幾十～幾百kHz。采用有源濾波的形式，設(shè)計(jì)高通和低通濾波器，使得頻率為10～500kHz的信號(hào)可以通過，經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)得電路濾波范圍可以達(dá)到918～468kHz。

2.1.3 超聲波除垢

系統(tǒng)在一定時(shí)間會(huì)啟動(dòng)超聲波發(fā)生器，去除探頭上水垢。其機(jī)理是 : (1) 超聲波破壞了垢物生成和其在器壁上的板結(jié)條件，使成垢物在溶液中形成分散的垢結(jié)晶；(2) 超聲波的空化作用，使液體內(nèi)產(chǎn)生大量空穴和高壓氣泡，當(dāng)其破裂時(shí)，在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力峰，使成垢物變成小垢物懸浮于液體中；(3) 超聲波在垢層和器壁中的傳播速度不同，產(chǎn)生速度差，在其界面形成剪切力，導(dǎo)致垢物與界面的結(jié)合力降低，致使垢層脫落。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件流程主程序首先完成對(duì)并行口、串行口和中斷源的初始化，設(shè)置初始運(yùn)行參數(shù)，開中斷 ,顯示水溫、水位和時(shí)間，然后掃描水位和水溫，并且時(shí)刻響應(yīng)鍵盤電路和時(shí)鐘電路的中斷。判斷水位的高低，由單片機(jī)控制電磁閥開啟，到了設(shè)定水位，關(guān)電磁閥，程序返回。在系統(tǒng)工作期間，液晶顯示器將隨時(shí)顯示水溫、水位和時(shí)間。當(dāng)按下鍵盤上的開/關(guān)鍵時(shí)，將系統(tǒng)關(guān)閉，液晶顯示屏和蜂鳴器關(guān)閉 ,此時(shí)單片機(jī)除了響應(yīng)鍵盤的開/關(guān)鍵和時(shí)鐘中斷外將不響應(yīng)外界的任何事件，處于“睡眠狀態(tài)”, 時(shí)鐘芯片DS12887會(huì)一直處于工作狀態(tài)，以保證系統(tǒng)能照常計(jì)時(shí)。

4、系統(tǒng)性能測(cè)試及分析

基于磁致伸縮液位傳感器水位測(cè)量的誤差主要表現(xiàn)為系統(tǒng)誤差，它取決于傳感器的波導(dǎo)絲材料性能的穩(wěn)定性，波導(dǎo)絲表面光滑度，材料缺陷的多少，電路系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和抗干擾能力，特別是環(huán)境溫度變化使液體密度變化產(chǎn)生的誤差以及由于溫度變化使扭波波速變化引起的誤差。

4.1.1 線性度

在測(cè)量0～1m范圍內(nèi)，移動(dòng)傳感器浮子，每隔10cm記一組數(shù)據(jù)，測(cè)量 20組數(shù)據(jù)。輸出電流對(duì)應(yīng)的位移與浮子實(shí)際曲線擬合得較好，系統(tǒng)線性度較高。

4.1.2 穩(wěn)定性

把浮子固定在某一位置，改變環(huán)境溫度，使系統(tǒng)在10～60℃之間變化，記錄的數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)在10～60℃之間的溫漂穩(wěn)定性誤差為119mm，這主要是由于材料性能隨著溫度的變化而發(fā)生變化，引起扭轉(zhuǎn)波速的變化，此外，溫度變化對(duì)電子元器件的影響也是造成誤差的原因，可以考慮加入溫度補(bǔ)償電路來減小誤差。

5、結(jié) 論

該控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，采用磁致縮液位傳感器，它沒有強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，防雷擊，核心材料磁致伸縮絲對(duì)于聲波的傳遞特性不發(fā)生變化，因而產(chǎn)品十分穩(wěn)定。實(shí)時(shí)性好，磁致伸縮液位傳感器是連續(xù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，有利于水位實(shí)時(shí)監(jiān)控，有較好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。