在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位 (水位)进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、太阳能等容器中的蓄水量，但普遍存在下列问题：

(1) 采用直流水介质电接点型水位传感器，因电解效应，电极极易腐蚀而导致接触不良，可靠性低，电极寿命短；

(2) 大多数厂家水位分级仅有3～4级，分辨率也仅为80～100mm，不能满足用户需要；

(3) 长期使用传感器，上面所结水垢使得测量精度产生较大误差。

针对当前的热水器控制系统存在的缺陷，作了必要的改进和完善：①系统采用磁致伸缩液位传感器，通过测量发射电流脉冲和接收到回波信号之间的时间间隔来确定具体的位置信息；

②针对水位、水温传感器上产生水垢而影响导电性方面，系统特别安装了超声波除垢系统，定时除去传感器上的水垢，保持感应性能稳定。由于传感器敏感元件与测量介质之间不直接接触，提高了测量精度和线性度。

1、系统设计原理

控制系统以89C55WD单片机为核心，由水位、温度控制电路、时钟电路、键盘电路、液晶显示电路、加水电磁阀控制电路和超声波除垢系统组成。液晶显示电路、时钟芯片和MC14433均使用P0口 , 通过片选电路使它们各自起作用。温度探测是利用装于磁致伸缩传感器外管与波导管之间的铂热电阻(6个)，可测定储罐内平均温度。键盘电路用P1口扫描，通过IN T0接口向单片机提供中断信号。P2口经过74HC244 驱动后，控制上水、蜂鸣器和超声波除垢器工作。

水位控制电路可实现连续显示水位，由磁致伸缩液位传感元件、激励脉冲发生器、信号滤波放大、输入保护电路、积分放大电路和模数转换电路组成。脉冲发生器强电流脉冲信号给磁致伸缩线，作为起始脉冲，并开始计时，该电流在磁致伸缩线产生磁场，并使磁致伸缩线产生扭动，产生扭应力波。这个扭应力波到达水位时，在回波信号处理下，检出水位感应脉冲电流，为终止脉冲。再利用差模电压比较，产生一个脉冲宽度反比于水位的PWM信号。通过积分后通过电路调整得到一个工业标准电压信号，传给模数转换电路MC14433 送给单片机，通过计算发送激励脉冲的时间和接收到回波的时间，计算时间差ΔT，再根据超声波的传播速度ν，可计算出检出头与液面之间的距离L0=ν3ΔT，而容器的总深度L1已知，即可得出L=L1- L0，最终，电压幅度随着水位位置的改变呈线性变化输出。

2、系统硬件设计

2.1.1 水温采集及显示

实现温度测量和控制的关键是选择合适的温度传感器。采用铂为测温元件，铂热电阻具有较好的电阻系数，较大的电阻率，它对温度的灵敏度高，对温度变化的反应速度快 ,电阻温度特性较好。由于铂热电阻阻值与温度之间的关系是非线性 , 其关系式为

Rt=Ro(I+αt+βt2 ) (1)式中，Rt为铂热电阻的电阻值；Ro为铂热电阻在0℃时的电阻值，R =100Ω；α为一阶温度系数，α= 31908×10-3(℃)；β为二阶温度系数，β=51802×10-7(℃) 。因此，在设计测温电路时，先测量的是铂电阻的电压量 , 因而需由铂热电阻的电阻值推导出相应的电压值与温度之间的函数关系为Ut=f(Rt)=f[f(t)](2)为了提高测量精度，减少误差，采用三导线单臂电桥测量，经放大和A/D处理，输入到单片机进行实时显示。单片机只需一根RXD串口线与之通信，每隔30s读取一次数据 ,这样既能实时地读取水的温度值，还能节省单片机的时间。

显示系统采用液晶显示模块，液晶显示不仅具有功耗低、视觉效果好的优点，而且液晶显示模块可以显示菜单，使人机界面达到更高的层次。实现功能：(1) 实时显示时间、温度、水位；(2) 显示设置菜单 (包括：定时设定、温度设定、水位设定、时间调整、超声波除垢)。

2.1.2 水位测量

2.1.2.1.1 水位测量模块介绍

水位测量模块处理电路中涉及的关键技术有：(1) 需要产生一个足够能量的周期激励脉冲电流信号，该脉冲信号在波导丝周围感应出周期脉冲环形磁场，需要足够大的电流强度；(2) 利用脉宽调制技术 (PWM)，实现电压峰值或零位比较检波，通过发射电流脉冲到接收到回波信号，确定扭转弹性波在波导丝中的传播时间。

2.1.2.1.2 激励脉冲电路

激励脉冲发生电路包括多谐振荡电路、场效应管驱动电路及充放电电路。在磁致伸缩传感器中，需要对波导丝施加瞬间高压脉冲，激发脉冲超声波。利用电容瞬间放电的方法实现，电路由N沟道绝缘栅场效应管、旁路电阻、储存能量电容和二极管组成。在场效应管Q 的栅极输入控制脉冲，当Q的栅极为低电位时，栅-源极电压差为零 , Q关断，储存能量电容C通过旁路电阻R9和二极管D1充电，充电时间由时间常数决定。若Q导通，C存储的能量通过Q及D2向波导丝放电，在波导丝中激发出超声波。R10用于调节激发能量，改变激发超声波幅值的大小。

综合考虑到电路中可能存在的诸多干扰，以及所选用器件需要承受大电流，将关键器件场效应管选为IRF840型，可以承受8A电流。驱动电路由起缓冲作用的电压跟随器UC3140、电阻及一对小功率开关三极管组成。当控制信号为低电平时，UC3140输出低电平，切效应管Q截止；当控制信号为高电平时，UC3140输出高电平，双极型三极管Q1、Q2对管的基极电位为高电位，场效应管Q导通。R7的作用是与功率三极管基极相连，在基极回路中形成电流。这样通过三极管对管和场效应对管驱动，可以提高带容性负载的能力，具有较大的峰值电流，且可以提高开关速度。

2.1.2.1.3方波激励电路

波激励信号的产生采用的脉冲发生电路主要芯片为555，由于传感器输出端信号的幅度只有15mV左右，需要增设放大电路，以便更准确地测得回波信号。采用LM318精密高速运算放大器可以满足要求，LM318具有15MHz小信号带宽，保证50V/μs的转换速度，在将信号放大100倍后，仍然可以保证约100kHz的带宽。

为了消除杂波干扰，还需要在放大电路后面增加滤波电路。激发出的超声波频率一般为几十～几百kHz。采用有源滤波的形式，设计高通和低通滤波器，使得频率为10～500kHz的信号可以通过，经过试验测得电路滤波范围可以达到918～468kHz。

2.1.3 超声波除垢

系统在一定时间会启动超声波发生器，去除探头上水垢。其机理是 : (1) 超声波破坏了垢物生成和其在器壁上的板结条件，使成垢物在溶液中形成分散的垢结晶；(2) 超声波的空化作用，使液体内产生大量空穴和高压气泡，当其破裂时，在一定范围内产生强大的压力峰，使成垢物变成小垢物悬浮于液体中；(3) 超声波在垢层和器壁中的传播速度不同，产生速度差，在其界面形成剪切力，导致垢物与界面的结合力降低，致使垢层脱落。

3、系统软件设计

控制系统的软件流程主程序首先完成对并行口、串行口和中断源的初始化，设置初始运行参数，开中断 ,显示水温、水位和时间，然后扫描水位和水温，并且时刻响应键盘电路和时钟电路的中断。判断水位的高低，由单片机控制电磁阀开启，到了设定水位，关电磁阀，程序返回。在系统工作期间，液晶显示器将随时显示水温、水位和时间。当按下键盘上的开/关键时，将系统关闭，液晶显示屏和蜂鸣器关闭 ,此时单片机除了响应键盘的开/关键和时钟中断外将不响应外界的任何事件，处于“睡眠状态”, 时钟芯片DS12887会一直处于工作状态，以保证系统能照常计时。

4、系统性能测试及分析

基于磁致伸缩液位传感器水位测量的误差主要表现为系统误差，它取决于传感器的波导丝材料性能的稳定性，波导丝表面光滑度，材料缺陷的多少，电路系统性能的稳定性和抗干扰能力，特别是环境温度变化使液体密度变化产生的误差以及由于温度变化使扭波波速变化引起的误差。

4.1.1 线性度

在测量0～1m范围内，移动传感器浮子，每隔10cm记一组数据，测量 20组数据。输出电流对应的位移与浮子实际曲线拟合得较好，系统线性度较高。

4.1.2 稳定性

把浮子固定在某一位置，改变环境温度，使系统在10～60℃之间变化，记录的数据可以看出，系统在10～60℃之间的温漂稳定性误差为119mm，这主要是由于材料性能随着温度的变化而发生变化，引起扭转波速的变化，此外，温度变化对电子元器件的影响也是造成误差的原因，可以考虑加入温度补偿电路来减小误差。

5、结 论

该控制系统具有很强的实用性，采用磁致缩液位传感器，它没有强烈的运动部件，结构简单，防雷击，核心材料磁致伸缩丝对于声波的传递特性不发生变化，因而产品十分稳定。实时性好，磁致伸缩液位传感器是连续的实时测量，有利于水位实时监控，有较好的应用和推广价值。