单片机液位高度测量及控制
引言
水位测量包括水面（界面）和料面的测量。按照习惯，“水面”主要指“水---气”界面，“界面”主要指“水---水”界面，“料面”主要指“固---气”界面。水位的测量几乎遍及生产与生活的各个领域，，不但要求精度高，还需良好的适应工业现场的特殊环境。随着科学技术与生产的迅速发展，水位自动检测领域出现了种类多种多样的测量手段，并且其功能越来越完善，各项性能指标越来越易于工业生产的要求，其数字化、自动化、智能化水平越来越高。
水位高度测量涉及到工业生产的各个领域，由于其使用和要求具有一定的特殊性，对水位高度测量不但要求精度要高，还要求具有在恶劣环境下持续传感的能力。此外还须具备数字化或线性化输出，对安全性、强度和可靠性都要求很高，往往要求在水位传感系统中有自诊断的能力。目前国内外在水位监测方面采用的技术和产品很多，传统的水位传感器按其采用的测量技术及使用方法分类一多达十余种。其中包括超声波、电容、浮子、射频、光纤等传感器等等，近年来国内外一些研制单位还在研制开发更新的传感器。这些传感器的出现大大推动了水位高度测量技术的发展。
水位高度检测概述
1.1 水位检测的意义和发展
水位检测广泛用于各种行业领域，它几乎遍及生产与生活的各个领域,尤其工业生产过程如石油、化工、医药和食品等行业领域中, 水体的测量不但要求精度高,还需很好地适应工业现场的特殊环境,具有在恶劣环境下持续传感的能力, 由于水体性质物理环境的复杂性，给准确检测水位变化带来的很大的困难。故对水位测量提出了精确、实时、在线的要求。随着科学技术与生产的迅速发展,液位自动检测领域出现了种类多样的测量手段，对其经济性、技术性提出了很高的要求。
由于水位检测应用领域的不同，性能指标和技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势，随着电子技术及计算机技术的发展，水位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，水位检测的微机控制必将得到更加广泛的应用。
1.2 水位高度控制器
水位控制器是指通过机械式或电子式的方法来进行高低水位的控制，可以控制电磁阀、水泵等，成为水位高度自动控制器，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，可分为以下四类：
1.通过电子式水位开关和搭配的水位高度控制器来控制。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，再配合水位高度控制器，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。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：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。还有一种是带干簧管的微型浮球开关，由外面浮球开关的带有磁性小浮球使杆里面的干簧管闭合，从而控制水位，多数应用在清水的水位控制，一般十几块钱就有交易了，但易受污物影响，不适用在污水上。第二种是电缆式浮球开关，该装置通过一弹性电线与水泵连接，可用于水塔、水池水位高低的自动控制和缺水保护，允许接的用电器是220V,10A左右，平衡锤或弹性电线的某一固定点到浮筒间的电线长度，决定水位的高低。这种水位开关价格便宜，对于一些要求不太严格的场合适用，有一定耐污能力。但存在这样的问题：浮球易受外界杂物影响其稳定性，特别是纤文状的杂物缠绕而有失误，同一小水箱里不宜使用多个，否则会相缠绕。使用寿命相对短些，而且多数直接接220V,存在一定的安全隐患，终有一天因为电线破损而漏电电人。所以电缆式浮球开关一般有这样的警告：电源线是本装置的完整部分，一经发现电线受损，本装置应被替换，不准对电线进行修理。
3.通过非接触式的水位开关来控制，例：超声波液位高度控制器。如图1所示。液位高度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高度控制器安装的位置。液位高度控制器输出继电器信号，来完成对液位的监控。主要用于监测储罐液面，实现上下限报警或监测管道中是否有液体存在，储罐材质可以是各类金属、金属或不发泡塑料。这种方式不受介超声波水位控制质密度、介电常数、导电性、反射系数、
图1
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。属于高档产品，价格不菲。
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。
2 水位高度检测系统实训方案
本实训设计内容是设计一套水位高度检测系统。
本实训设计方案是：利用步进电机，通过带动水面感应探头，在移动过程中记录下所移动距离，当探头碰触水面时立即停止，此时所移动的距离经过换算后便是水面高度。其测量精度比较高，即误差小于2mm。
3 实训方案传感器系统
3.1 传感器的选择
此设计最重要的模块之一就是水位传感器了，因为这个模块的准确性直接决定了水位高度测量的准确性。如果传感器选择得不可靠，可能造成所显示的数值非水池中的真实水位值。
水位的高度检测可有多种选择，如①超声波；②电容传感器；③红外传感器；④利用水的导电性，直接感应电流的“通”或“断”来判断是否到达了相应的水位线。
方案一：使用了超声波传感器。超声波具有不受被测的深度和导电性影响的特殊性，但精度不高，价格昂贵；这种产品不具备市场竞争力。这种产品不具备市场竞争力。再者，这种传感器与单片机的接口较复杂，需要模/数之间的转换。
方案二：使用电容式传感器。容易实现，但要求水位的变化较为缓慢，距离不能太远。
方案三：使用红外传感器，利用水面和容器的反射构成薄膜干涉，当有水时，由于水面反射光的干涉，使得红外传感器接收不到相应的信号，由此可以探测水位高度。但是，同样地这种传感器价格也很昂贵，而且安装起来也不太容易。
方案四：利用水的导电性，直接感应电流的“通”或“断”来判断是否到达了相应的水位线。这种方式不用额外的开销，而且安装简单，且安装高度较为灵活。
3.2 传感器的设计
由于设备有限，本设计的传感器设计采用利用水的导电性，直接感应电流的“通”或“断”来判断是否到达了相应的水位线。如图2所示。1134