储液罐液位控制是一个热点的研究问题，为了实现储液罐液位的自动控制和检测，近年来，许多学者进行了大量的研究，采用的方法主要有红外法、超声波法、干簧管传感器法等，红外方法检测中，由于红外探测器和传感器的应用，在系统中设计比较复杂，红外传感器在使用中，由于环境问题，容易出现老化；干簧管传感器法主要属于开关检测型，只能对液位的上限和下限进行临界检测，检测精度也不高；超声波检测采用光传播理论，检测快速，测量精度较好，同时在检测过程中不易受到电源或者环境的干扰，因此得到了广泛的应用。

文中拟采用单片机作为控制核心，设计按键电路模块、数字显示模块、超声波传感器模块、集成H桥模块等，完成了一套智能水位控制系统，检测误差低于0.3%，稳定时间低于3 s。

1、超声波传感器与工作原理

超声波模块可提供2~400 cm 的非接触距离测试功能，测试的精度最高可以达到3 mm，主要模块包括超声波发射器、接收器、和控制电路。

基本工作原理：

由超声波模块发送信号，在检测端进行信号检测，当探测得到超声波信号时，记录时间，其中的距离即时间与光在空气中的传播速度的乘积的一半。

其电路原理图如图 1所示。

图1 超声波模块原理图

其中 VCC 为电源，该传感器为5V系统，GND为地，引脚TRIG 为触发控制信号输入端，ECHP端为回响信号输出端。

2 H桥驱动电路与工作原理

图 3 所示为一个典型的直流电机控制电路，由 4个三极管组成的H桥驱动电路。H桥式电机驱动电路包括 4个三极管和一个电机。根据设计时序，保证Q1和 Q4或者Q2和Q3成对同时导通，从而实现电机M中的电流方向变换，实现对电机运转方向的控制。

图3 H桥驱动电路

该电路在实际使用过程中，当电流流向 Q1- M-Q4 切换到Q2-M-Q3 过程中，会出现第一条通路还没有完全关闭的时刻，第二条支路就自动导通的情况，这种情况称之为直通，当直通现象产生后，电流不流经电机M，并会产生极大的电流，会给电路到来很大的危害，基于此，需要对电路进行改进，在方向切换时，增加“死区”时间，待完全关闭其中一条通道后，切换再进行。改进的电路图如图 4 所示。在基本 H 桥电路的基础上增加了4个与门和 2个非门。

4个与门同一个“使能”导通信号相接，通过提供一种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。从而杜绝了直通现象。

图4 改进过的H桥驱动电路

3 单片机控制系统设计

该系统采用STC12系列或者STC89C51系统单片机进行控制系统的设计，具体的设计电路图如果5所示。最小系统包含复位电路、晶振电路和电源电路等。

图5 单片机控制电路图

4 报警电路设计

报警电路采用有源蜂鸣器设计。报警电路图如图6所示。

图6 报警电路

蜂鸣器采用9012三极管驱动，其基极接到RD端，当RD端为低电平时，三极管导通，蜂鸣器响。否则关断。蜂鸣器正极接大小为5V的电源，负极则要接到三极管的集电极上。三极管的基极需要通过与门联通单片机的引脚。当引脚为高电平时，此时的与非门输出低电平，三极管停止导通，蜂鸣器失电，不报警；当引脚电平为低时，则与非门输出高电平，三极管导通，蜂鸣器中的电流形成回路发出警报报警。

5 系统软件设计

软件设计采用模块化设计思想，主要有按键控制程序模块、数码管显示模块、定时中断程序模块、超声波传感器控制模块、H 桥电机控制模块等。

5.1 主程序流程图设计

程序启动后，启动 T1 定时计数器中断启动，调用计数器函数，当计数到达到 400，时（800 ms），调用距离计算函数，超声波模块启动，开启计数器计数，当超声波模块接收到返回声音时停止计数，通过计算函数计算得出距离并显示在数码管上，并判断水位状态，低于最低水位时，采用声光报警，并启动水泵进行抽水，而当水位高于上限水位时，同样采用声光报警，低水位时采用黄灯报警，高水位时采用红灯报警，如此循环。

5.2 T1中断子程序流程图

T1 中断主要完成扫描数码管显示和开启超声波模块的作用，首先进行初值的装载，并不断扫描数码管更新显示，当检测时间到达800 ms时，自动清零，开启超声波模块，接受到信号后然后关闭，以此循环。

具体的流程图设计如图 8所示。