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液位控制系統在工業的諸多方面都有著廣泛的應用，其作用是將液面控制在人們需要的范圍之內。這對于許多工業生產來說是尤為重要的，在造紙行業，污水處理行業，自來水行業等都需要對液位進行控制以保證生產的順利進行。過去的液位控制系統主要是依托自動控制原理搭建控制電路的方式進行液位控制。隨這種方式的普及和使用，這種控制方式的缺點也暴露出來?？刂凭鹊?、信息化程度低、自動化程度低等諸多缺點使其無法適應如今的這個追求無人化，高效化的工業生產體系。
近年來，隨著嵌入式技術的發展，使得液位控制系統煥發了新的活力，運用單片機與傳感器相結合進行液位控制可以保證較高的精度，和較高的自動化程度。同時相較于傳統的液位控制系統其也有著更小的體積和更高的穩定型。本設計以 51 單片機為控制核心實現對液位的精確控制，并且本設計引入了物聯網技術，使得本設計的信息化程度很高。相較于傳統的液位控制系統本設計可以將液位信息直觀地顯示在可視化網頁上，并且可以在手機端實現遠程控制實時調節液面高度，實現了很好的人機交互，減少了工作人員的工作量，對提高生產效率有著重要的意義。
1. 系統的總體設計
本文提到的液位控制系統是基于 51 單片機開發而來。其主要由控制模塊、信息采集模塊、執行模塊以及物聯網模塊構成?？刂颇K即為 51 單片機，其主要負責整個系統的數據運算處理和對整個系統的控制；信息采集模塊由液位傳感器構成，其負責實時采集液位高度的數據；執行模塊由注水閥門和排水閥門構成，其負責根據單片機的指令進行整個系統的水位調節；物聯網模塊負責實現整個系統與外界的信息交互。整個系統實現了對液位的自動化控制，極大節約了人力，物力。整個系統的電路系統框圖如圖 1 所示。
2. 系統控制模塊
該系統的控制模塊采用了 AT89C51 芯片為控制核心，該芯片是由 ATMEL 公司研制的一款芯片，是一款 8 位的處理器，其運算能力雖不及 16 位與 32 位的處理器，不過其在成本和功耗方面低于它們，這也是它的一大優勢。通過測試，該款芯片的運算能力也完全滿足本設計的數據處理要求。本設計運用單片機的最小系統便可以滿足控制需求，所謂單片機的最小系統就是單片機可以進行工作的最簡化模式，電路構成比較簡單，使用起來較為容易。其特點是整個單片機的資源都可以被利用起來，可以外接較多設備，比較適合本設計的使用。單片機的最小系統有兩個重要的部分，它們分別是晶振電路和復位電路。晶振電路由晶振和電容構成，其功能是驅動單片機進行工作。晶振振動一次所需要的時間被稱為時鐘周期，單片機就是根據這個時鐘周期來進行工作的，本設計的單片機每 12 個時鐘周期完成一次操作，本設計采用的晶振頻率為 12MHz，經過計算本設計使用的單片機完成一次操作的時間為 1us，運行速度滿足設計需求。復位電路由電阻和電容構成，其主要功能是用來中斷單片機的運行，使單片機初始化，其是保證單片機穩定工作的重要因素。單片機最小系統電路圖如圖 2 所示：
3. 傳感器模塊
目前市面上的液位傳感器種類繁多，常見的有通過浮球或浮筒在液體中的位置變化進行液位測量的傳感器，這類傳感器根據其工作特點被稱作接觸式傳感器，該類傳感器出現的較早應用也較為廣泛，其特點是成本低廉，結構簡便，可靠性強，不過精度較差。目前測量精度較高的為非接觸式傳感器，該類型的傳感器利用雷達，超聲波，激光的測距原理進行液面位置的測量。該型傳感器運用的都是新興技術，電器化程度較高，因此便于與單片機的搭配使用。非接觸式液位傳感器都是利用反射的原理制成的，根據反射物的不同其也有著不同的優缺點。激光式的測量精度較高，結構緊湊，可靠性高。并且就算容器內的液體極少，其也可以完成測量，不過其成本和能耗較高。超聲波式液位傳感器受超聲波本身的特性的影響，導致其測量精度受外界影響較大，外界環境溫度的變化會極大地影響其測量精度，經計算室溫每變化 1℃，誤差將增加大約 3%，不符合本設計的要求。綜上所述，本設計最終選擇雷達式的液位傳感器。雷達式液位傳感器不會受到外界環境變化的影響，也不會受到被測液體密度濃度變化的影響，在絕大多數情況下，該種傳感器都可以正常進行使用。并且由于雷達波的特性，其可以實現較遠距離的測量，其測量范圍通常達到數十米。雷達波的傳播不需要介質，在真空的環境下也可以進行傳播，這也極大地減少了該型傳感器的測量誤差。并且該型傳感器采用一體化封裝設計，無裸露的零部件，因此具有耐高溫耐腐蝕的特點，有著極強的可靠性。這類傳感器一般自帶誤差修正功能，可以把反射回的雜波自動過濾掉，以減少測量誤差。該型傳感器的工作原理是利用雷達波的反射，通過傳感器自帶的計時器計算雷達波從發射到接觸到液面后反射回傳感器所需要的時間，來計算液面位置。其計算公式如下：L=VT/2其中 L 為傳感器與被測液面的距離，V 為光速，T 為傳感器計時器記錄的時間。雷達式液位傳感器工作原理圖如圖3 所示。
4. 物聯網模塊
該系統用于實現物聯網功能的部分是 ESP8266 芯片，該芯片是 Espressif 公司研發的一款可以進行編程的物聯網芯片，因其強大的數據交互功能被人們廣泛使用。其大多與單片機配合使用以實現物聯網功能。ESP8266 芯片實物圖如圖 4 所示。使用該型芯片時，我們可以選擇讓其直接連接至無線網絡的工作模式，從而通過因特網實現芯片與可視化網頁的數據交互；也可以選擇讓該芯片發射一個網絡熱點的工作模式，遠程操控設備（如手機）通過接入該網絡熱點，實現與該芯片一定范圍內數據交互；還可以選擇讓其在前面兩種工作模式下來回轉變，既可以使用無線網絡實現芯片與手機之間的數據交互，也可以通過連接芯片發出的熱點實現芯片與手機之間的信息交互，這種工作模式有著極高的靈活性，該模式可以使用兩種連接方式進行數據交互，因此其可靠性要高于只能固定使用一種方式的工作模式?？紤]到本設計工作在無線網絡環境下，因此本設計選擇使用無線網絡進行芯片與手機之間的數據交互。本設計物聯網功能的實現除了硬件部分，還需要軟件部分的支持。本設計的人機交互頁面是可視化網頁，其上面顯示了液位信息，方便監測人員的實時監測。液位數據被液位傳感器檢測后，ESP8266 通過 MQTT 協議將其發送至 EMQ X，EMQ X 相當于一個數據中轉站，硬件設備與軟件設備通過它建立連接。EMQ X 會將收到的數據上傳至Influx DB 中，Influx DB 是一種時序數據庫，其適用于存貯的大量數據，Influx DB 會將收到的數據按照一定的時間序列進行分類儲存，并且按照采集周期顯示在可視化網頁上。這樣本設計便實現了物聯網技術，使得該液位控制系統實現了較高的自動化程度和智能化程度。
5. 執行模塊
本設計的執行模塊采用繼電器作為控制開關，控制電動閥門進行液面高度控制。繼電器是利用電磁原理進行工作的開關，通過其內部電路的吸合與斷開來控制外部電路的吸合與斷開，其是弱電與強電之間的橋梁，被廣泛地應用于弱電對強電的控制，本設計需要單片機的弱電對電動閥門的強電進行控制，因此選用了繼電器作為控制開關。繼電器的工作原理圖如圖 5 所示。繼電器通過三極管與電動閥門相連，繼電器在與單片機的引腳相連接。兩個繼電器分別控制出水口電動閥門和進水口電動閥門。正常狀態下兩個連接繼電器的單片機引腳為低電平狀態。當液位高于設定值時，連接出水口電動閥門的引腳變為高電平，繼電器吸合，出水口電動閥門開啟，系統開始排水。當液位恢復至設定值時，連接出水口電動閥門的引腳輸出低電平，繼電器斷開，出水口電動閥門關閉；當液面低于設定值時，連接進水口電動閥門的引腳變為高電平，繼電器吸合，進水口電動閥門開啟，系統開始進水。當液位恢復至設定值時，連接進水口電動閥門的引腳輸出低電平，繼電器斷開，進水口電動閥門關閉。這樣便是實現了對液位的控制。
6. 結語
液位控制系統在工業中有著十分重要的地位，傳統的液位控制系統采用電路控制，控制精度和自動化程度都不高。本系統以 AT89C51 芯片為控制核心，運用了傳感技術與物聯網技術，實現了對液位的自動化控制和遠程監控。本文從控制模塊、物聯網模塊、傳感器模塊、執行模塊四個方面介紹了該系統的組成部分和工作原理。在該系統中引入物聯網技術是順應當今時代的選擇，如今的時代是一個大數據時代，數據的交流在任何行業內都十分的重要。本設計利用物聯網技術實現了數據的交互，這是與傳統液位控制系統的本質區別，也是未來自動控制技術的一個發展方向。
作者：王宇 單位：佳木斯大學 機械工程學院
