CN202108713U - 一种液位检测与水泵控制一体化智能装置 - Google Patents

Abstract

一种液位检测与水泵控制一体化智能装置，属控制领域。包括用于探测液位的超声波探头和水泵电机的常规接触器运行主回路，其特征是设置一个控制单元和一个电源单元，超声波探头的信号端与控制单元的检测信号输入端连接，控制单元的控制信号输出端，与常规接触器运行主回路的控制信号输入端连接，电源单元为控制单元提供电源。本技术方案采用汽车倒车雷达进行液位测量，利用单片机进行水泵电机运行控制，既具有反射波液位计的优点，又对水泵的运行具有控制功能，进而实现了检测和控制的智能一体化，且价格低廉，完全可以满足工厂/企业给水、排水系统的实际使用需求，可广泛用于液位检测和控制领域。

Description

一种液位检测与水泵控制一体化智能装置

技术领域

本实用新型属于控制领域，尤其涉及一种用于水池液位检测及液位控制水泵的运行控制装置。 

背景技术

现代化工厂企业常用到液位检测与水泵控制技术。其中，液位检测的方法主要有浮球式、电极棒式或反射波液位计等，而水泵控制主要通过常规的接触器-继电器启/停控制电路或控制箱来实现。 

1)浮球液位检测： 

特点：适合各种液体的液位检测，当液位到达上、下切换值/限位值时，检测器的触点发出通/断开关量信号，通过控制电缆送继电器控制系统。 

不足：对于排水系统，通常至少需要三个浮球分别来用于检测低液位(停泵)、高液位(启泵)和异高液位(报警)，安装、定位、维修比较繁琐，另外需要配置体积较大的控制箱。 

2)电极棒液位检测： 

特点：需要与液位继电器配合使用，适合具有一定导电性能的液体的液位检测，利用电极棒及液体的导电性，通过专用水位继电器将液位信号送继电器控制系统。 

不足：对于排水系统，至少需要四根电极棒分别用于检测低液位(停泵)、高液位(启泵)、异高液位(报警)及1根共地电极棒(构成电回路)，与浮球液位检测方法同样具有安装、定位、维修比较繁琐问题，另外亦需要配置体积较大的控制箱。 

3)反射波液位计： 

特点：超声波、雷达波、红外线、激光液位计都是利用波束的反射原理，通过发送与返回波束的时差计算探测距离，它们具有无接触、测量准确、安装定位方便等优点。其中超声波液位计得到市场普遍使用。 

不足：目前市场上的超声波或雷达液位计的价格不菲，高昂的价格在普通给排水系统中难以大量应用，且没有针对给排水系统中液位控制的一体化解决方案，需 要借助其他控制系统(PLC等)来实现水池液位的自动控制。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种液位检测与水泵控制一体化智能装置，其采用汽车倒车雷达进行液位测量，利用单片机进行水泵运行控制，既具有反射波液位计的优点，又对水泵的运行具有控制功能，进而实现了检测和控制的智能一体化，且价格低廉，完全可以满足工厂/企业给水、排水系统的实际使用需求。 

本实用新型的技术方案是：提供一种液位检测与水泵控制一体化智能装置，包括用于探测液位的超声波探头和水泵电机的常规接触器运行主回路，其特征是：设置一控制单元和一电源单元；所述超声波探头的信号端，与控制单元的检测信号输入端连接；所述控制单元的控制信号输出端，与常规接触器运行主回路的控制信号输入端连接；所述的电源单元为控制单元提供电源。 

所述的电源单元包括交流双线圈隔离变压器，其电源输入端与交流电源对应连接，其电源输出端与控制单元的交流电源输入端对应连接。 

所述的控制单元包括整流模块、测量模块、继电器输出模块和显示控制模块。 

所述的整流模块为常规整流-滤波-稳压功能电路；所述的测量模块包括方波放大电路、升压电路、第一放大电路、整形电路和第二放大电路；所述的继电器输出模块为常规直流中间继电器输出功能电路；所述的显示控制模块包括微处理器及晶振电路、数码显示电路、功能按键电路和LED信号显示电路。 

所述的方波放大电路包括第1三极管、第2、第3电阻和第5、第6电容，所述的升压电路包括第1电阻和升压变压器，所述的第一放大电路包括第4至第10电阻、第7至第9电容、第2三极管和第1二极管，所述的整形电路包括第2集成电路、第10至第17电容、第11至第17电阻和第2、第3二极管，所述的第二放大电路包括第18、第19电阻和第3三极管；其中：

第1三极管的基极与微处理器的FASHE端口连接，第1三极管的发射极接地，其集电极与升压变压器原边线圈的一端连接，第1三极管的基极经第2电阻接+5V电源端； 

升压变压器原边线圈的另一端经第3电阻接+12V电源端，同时经并联的第5、第6电容接地，升压变压器副边线圈两端与超声波探头的两个信号端分别对应连接，第1电阻并接在升压变压器副边线圈两端之间，升压变压器副边线圈的始端接地； 

升压变压器副边线圈的末端，经第4电阻和第7电容与第2三极管的基极连接， 第1二极管并接在第2三极管的基极与地之间，第5电阻并接在第2三极管的基极和集电极之间，第2三极管的发射极经第8电阻接地，第2三极管的集电极经第7、第6电阻与+5V电源连接，第7、第6电阻的连接端经第8电容接地，第2三极管的集电极经过依次串接的第9电容、第9电阻、第10电容与第2集成电路的第一负输入端连接，第9电阻与第10电容的连接端经第10电阻接地； 

第2集成电路的第一正输入端与第二正输入端并接后经第11电阻与+5V电源连接，第2集成电路的第一、第二正输入端经并接的第12电阻和第15电容接地，第14电阻并接在第2集成电路的第一负输入端与第一输出端之间，第13电阻并接在第2集成电路的第二负输入端与第二输出端之间，第11电容并接在第2集成电路的第一输出端和第9电阻与第10电容的连接端之间，第2集成电路的第一输出端经第12电容、第15电阻和第13电容与第2集成电路的第二负输入端连接，第2集成电路的第二输出端经第14电容和第16电阻接地，同时经第16电容、第3二极管和第18电阻与第3三极管的基极连接，第2集成电路的第二输出端经第16电容和第2二极管接地，第17电容并接在第3二极管与第18电阻的连接端与地之间，第3二极管与第18电阻的连接端经第17电阻接地； 

第3三极管的发射极接地，其集电极与微处理器的JIESHOU端口连接，同时经第19电阻接+5V电源端。 

所述的微处理器及晶振电路包括微处理器、晶振和第23、第24电容，所述的数码显示电路包括数码显示管和第21至第28电阻，所述的功能按键电路包括第1至第4按钮和第25、26、27和第37电容，所述的LED信号显示电路包括第1至第6发光二极管和第29至第34电阻，其中： 

微处理器的XTAL2和XTAL1端口与晶振的两端对应连接，并分别经第23、第24电容接地； 

数码显示管的A、F、B、E、D、Dp、C、G管脚分别经第21～28电阻与微处理器的P0.0～P0.7端口对应连接，数码显示管的1H～4H管脚分别与微处理器的P1.0～P1.3端口对应连接； 

微处理器的 

TXD、 和 端口分别经第1至第4按钮接地，第25、26、27和第37电容分别并接在第1至第4按钮的两端； 

第1～第6发光二极管分别与第29至第34电阻对应依次串联后，串接在微处理器的P2.3～P2.7和P4.1端口与+5V电源端之间。 

与现有技术比较，本实用新型的优点是： 

1.采用超声波探头和单片机控制电路相结合，既具有反射波液位计的优点，又可实现对水泵运行的控制功能，其包含测量、控制、数显、状态指示等功能，实现了测量与控制器的高度集成，体积小巧和功能多样化，充分体现了智能一体化的特点； 

2.将汽车倒车雷达探头应用于工业生产检测以及与控制器一体化，使得电控元件数量大为减少，控制箱外型尺寸大为缩小，有效地降低了设备成本，且工作稳定性完全满足现场的实际需要。 

附图说明

图1是浮球液位检测法示意图； 

图2是电极棒液位检测法示意图； 

图3是反射波液位计检测法示意图； 

图4是本实用新型的电路模块结构示意图； 

图5是整流模块实施例线路图； 

图6是继电器输出模块实施例线路图； 

图7是测量模块实施例线路图； 

图8是显示控制模块实施例线路图。 

图中1为浮球，2为电极，3为反射波发射/接收探头，301为现有水泵电机的常规接触器运行主回路，302为汽车倒车雷达超声波探头，303为控制单元，B为电源单元。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。 

图1中，当水池液位到达上、下切换值/限位值时，浮球检测器1的触点发出通/断开关量信号，通过控制电缆，将相应的控制信号送至水泵的继电器控制系统，控制水泵的运转/停止，来控制水池中液位的高低。 

图2中，当水池液位到达上、下切换值/限位值时，利用电极棒2及液体的导电性，通过专用水位继电器将液位信号送水泵的继电器控制系统，来控制水泵的运转/停止，以此来控制水池中液位的高低。 

图3中，利用反射波波束的反射原理，通过反射波发射/接收探头3发送超声波、 雷达波、红外线或激光液，通过测量发射波束与返回波束的时差，计算探测距离，藉此来检测水池液位，当水池液位到达上、下切换值/限位值时，将相应的控制信号送至水泵的继电器控制系统，通过间接测量的方式来控制水池中液位的高低。 

图4中，本技术方案包括用于探测液位的超声波探头302和水泵电机的常规接触器运行主回路301，所述的常规接触器运行主回路包括自动开关Q(带漏电保护功能)、电磁接触器KM和热保护继电器FR，所述的水泵电机P由自动开关、电磁接触器、热保护继电器串联供给动力电源。 

本技术方案在上述设备的基础上，设置了一个控制单元303和一个电源单元B；超声波探头的信号端与控制单元的检测信号输入端连接，控制单元的控制信号输出端与常规接触器运行主回路301的控制信号输入端连接，电源单元为控制单元提供电源。 

其中，电磁接触器KM由控制单元303控制吸合或释放，控制单元303负责接收并判别超声波探头302的发射信号并控制水泵P的启动和停止。 

上述的电源单元包括交流双线圈隔离变压器或控制变压器，其电源输入端与交流电源(图中以380V交流电源表示)对应连接，其电源输出端与控制单元的交流电源输入端对应连接。 

交流双线圈隔离变压器或控制变压器为控制单元提供12V交流电源，其可采用220VAC(或380VAC)变12VAC的交流双线圈隔离变压器，功率不应小于15W。 

12V交流电源进入控制器的AC1和AC2口。 

超声波探头选用目前市场上大量使用的汽车倒车雷达探头(本技术方案选用NU40D18TR-1)，该种探头探测距离(深度)0.35-3.99米，中心频率40KHz，波束角度50度，允许使用温度-40～+80度，信号电缆3米，收发一体全封闭防水封装，测量精度1mm。这种探头技术成熟、价格实惠，可有效降低使用成本。 

进一步的，上述的控制单元包括整流模块、测量模块、继电器输出模块和显示控制模块。 

具体的，其整流模块为常规整流-滤波-稳压功能电路。 

其测量模块包括方波放大电路、升压电路、第一放大电路、整形电路和第二放大电路。 

其继电器输出模块为常规直流中间继电器输出功能电路。 

其显示控制模块包括微处理器及晶振电路、数码显示电路、功能按键电路和LED信号显示电路。 

图5中，整流模块为常规整流-滤波-稳压功能电路，该电路将电源单元输出的交流12V电源，经桥式整流电路QD1整流滤波后输出12VDC电源，为超声波探头302提供电源；再经过稳压集成电路U1(7805)后输出5VDC电源，为控制器303电路提供工作用直流电源。 

图6中，继电器输出模块为常规直流中间继电器输出功能电路，其采用5VDC继电器，继电器提供1个无源常开接点和1个无源常闭接点(触点容量10A)，直接控制电磁接触器KM线圈的吸合或释放。 

MCU的输出信号端口(P3.5-gn6、P3.6-gn7、P3.7-gn8)与本输出电路连接，控制信号信号经三极管Q4、Q5、Q6驱动继电器线圈，其中继电器JDQ1作用于水泵的启动或停止，继电器JDQ2作用于高液位报警，继电器JDQ3作备用。 

由于图5和图6中均为常规的标准功能电路，其具体元器件构成和相互之间的连接关系在此不再叙述。 

上述两图中所采用的集成电路芯片均为市售常见型号，其他元器件无特殊要求。 

图7中，测量模块包括方波放大电路、升压电路、第一放大电路、整形电路和第二放大电路。 

上述的方波放大电路包括第1三极管、第2、第3电阻和第5、第6电容，所述的升压电路包括第1电阻和升压变压器，所述的第一放大电路包括第4至第10电阻、第7至第9电容、第2三极管和第1二极管，所述的整形电路包括第2集成电路、第10至第17电容、第11至第17电阻和第2、第3二极管，所述的第二放大电路包括第18、第19电阻和第3三极管。 

其中，第1三极管的基极与微处理器的FASHE端口连接，第1三极管的发射极接地，其集电极与升压变压器原边线圈的一端连接，第1三极管的基极经第2电阻接+5V电源端； 

升压变压器原边线圈的另一端经第3电阻接+12V电源端，同时经并联的第5、第6电容接地，升压变压器副边线圈两端与超声波探头的两个信号端分别对应连接，第1电阻并接在升压变压器副边线圈两端之间，升压变压器副边线圈的始端接地； 

升压变压器副边线圈的末端，经第4电阻和第7电容与第2三极管的基极连接，第1二极管并接在第2三极管的基极与地之间，第5电阻并接在第2三极管的基极和集电极之间，第2三极管的发射极经第8电阻接地，第2三极管的集电极经第7、第6电阻与+5V电源连接，第7、第6电阻的连接端经第8电容接地，第2三极管 的集电极经过依次串接的第9电容、第9电阻、第10电容与第2集成电路的第一负输入端连接，第9电阻与第10电容的连接端经第10电阻接地； 

第2集成电路的第一正输入端与第二正输入端并接后经第11电阻与+5V电源连接，第2集成电路的第一、第二正输入端经并接的第12电阻和第15电容接地，第14电阻并接在第2集成电路的第一负输入端与第一输出端之间，第13电阻并接在第2集成电路的第二负输入端与第二输出端之间，第11电容并接在第2集成电路的第一输出端和第9电阻与第10电容的连接端之间，第2集成电路的第一输出端经第12电容、第15电阻和第13电容与第2集成电路的第二负输入端连接，第2集成电路的第二输出端经第14电容和第16电阻接地，同时经第16电容、第3二极管和第18电阻与第3三极管的基极连接，第2集成电路的第二输出端经第16电容和第2二极管接地，第17电容并接在第3二极管与第18电阻的连接端与地之间，第3二极管与第18电阻的连接端经第17电阻接地； 

第3三极管的发射极接地，其集电极与微处理器的JIESHOU端口连接，同时经第19电阻接+5V电源端。 

由图可知，超声波探头的信号通过csb1和csb2接入升压变压器T1的2、5脚，升压变压器T1的4脚接12VDC电源正极。 

测量电路的FASHE端口与微处理器MCU的P2.0(FASHE)管脚连接，由微处理器MCU产生的40KHz方波信号，经三极管Q1放大后耦合到升压变压器T1的次级线圈并驱动超声波探头发出超声波信号，此后MCU进入接收、测量循环。 

当发出的超声波信号遇到水面反射面时将返回探头，返回的超声波引起探头发生振动产生电信号，此电信号经过三极管Q2一级放大和运算放大器NE5532整形和三极管Q3二级放大，并通过三极管Q3的2脚JIESHOU与MCU的P2.1-JIESHOU管脚连接，由MCU进行测量值的计算。 

本图中第2集成电路可选用NE5532或功能类似的运放功能电路芯片，其余元件无特殊要求。 

图8中，微处理器及晶振电路包括微处理器、晶振和第23、第24电容，所述的数码显示电路包括数码显示管和第21至第28电阻，所述的功能按键电路包括第1至第4按钮和第25、26、27和第37电容，所述的LED信号显示电路包括第1至第6发光二极管和第29至第34电阻，其中： 

微处理器的XTAL2和XTAL1端口与晶振的两端对应连接，并分别经第23、第24电容接地； 

数码显示管的A、F、B、E、D、Dp、C、G管脚分别经第21～28电阻与微处理器的P0.0～P0.7端口对应连接，数码显示管的1H～4H管脚分别与微处理器的P1.0～P1.3端口对应连接； 

微处理器的 

TXD、 

和 

端口分别经第1至第4按钮接地，第25、26、27和第37电容分别并接在第1至第4按钮的两端； 

第1～第6发光二极管分别与第29至第34电阻对应依次串联后，串接在微处理器的P2.3～P2.7和P4.1端口与+5V电源端之间。 

由图可知，显示控制由单片机MCU及其外围电路组合实现。 

外部电路包括：功能按键S1(接MCU P4.3口)自动/手动切换按键S2(接MCUP3.1)、停止按键S3接(MCU P3.2)、启动按键S4(接MCU P3.3)、停机指示灯(绿色)DD1接(MCU P2.3)、自动指示灯(绿色)DD2(接MCU P2.4)、运转指示灯(红色)DD3接(MCU P2.5)故障指示灯(黄色)DD4(接MCU P2.6)、低水位指示灯(黄色)DD5(接MCU P2.7)、高水位指示灯(黄色)DD6(接MCU P4.1)等，另外功能按纽gn1-gn5(分别接MCUP1.4、P1.5、P1.6、P1.7、P3.4)作为备用。 

外部电路还包括数码显示器SM1(数选端a-g分别接MCU的P0.0-0.7，位选端XS0-XS3分别接MCU P10.-1.3)。 

本图中微处理器可选用STC12C5A32AE芯片或功能类似的微处理器芯片，数码显示器可选用4位数码管LG5641BH，其余元件无特殊要求。 

本实用新型工作原理简述： 

利用超声波发射与反射的时间差计算测量距离，声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波收到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回生源的世界可以测量的得到的话，那么就可以计算出从声波到目标的距离，这就是本装置的测量原理。这里声波传播的介质是空气，采用不可见的超声波。 

假设室温下声波在空气中的传播速度为335.5m/s，测量得到的声波从声援到达目标然后返回声源的时间是t秒，距离d可以由下列公式计算： 

d＝33550(cm/s)*t(s) 

因为声波经过的距离是声源与目标之间距离的两倍，声源与目标之间的距离应该是d/2。 

MCU内置测量程序，超声波发射通过P2.0FASHE脚连接测量电路的FASHE(发 射)口驱动。反射波信号由测量电路的JIESHOU(接收)口送至MCU的P2.1JIESHOU脚。通过计算P2.0与P2.1之间的时差即可换算出测量值。 

实际实施时，将本技术方案所涉及的一体化化智能控制器内置于水泵电气控制箱中，水泵电气控制箱安装于现场给(排)水池旁，按水泵自动控制方案配置电源和电气设备，汽车倒车雷达(探头)安装于水池顶部，信号通过电缆线连接至控制器。 

由于本技术方案将微处理器MCU和与之相连的LCD显示器、指示灯、控制键、超声波探头测量电路、输入与输出接口电路集成在一个紧凑的PCB板上，实现了测量与控制器的高度集成，体积小巧、功能强大。 

其微处理器MCU程序设置了多项参数，将手动、自动，排水、给水等控制集成在一起，实现了控制的多样性。探头使用汽车倒车雷达用超声波探头，使设备成本大为降低。 

本实用新型可广泛用于液位检测和控制领域。 

Claims (6)

1.一种液位检测与水泵控制一体化智能装置，包括用于探测液位的超声波探头和水泵电机的常规接触器运行主回路，其特征是：

设置一控制单元和一电源单元；

所述超声波探头的信号端，与控制单元的检测信号输入端连接；

所述控制单元的控制信号输出端，与常规接触器运行主回路的控制信号输入端连接；

所述的电源单元为控制单元提供电源。

2.按照权利要求1所述的液位检测与水泵控制一体化智能装置，其特征是所述的电源单元包括交流双线圈隔离变压器，其电源输入端与交流电源对应连接，其电源输出端与控制单元的电源输入端对应连接。

3.按照权利要求1所述的液位检测与水泵控制一体化智能装置，其特征是所述的控制单元包括整流模块、测量模块、继电器输出模块和显示控制模块。

4.按照权利要求3所述的液位检测与水泵控制一体化智能装置，其特征是所述的整流模块为常规整流-滤波-稳压功能电路；所述的测量模块包括方波放大电路、升压电路、第一放大电路、整形电路和第二放大电路；所述的继电器输出模块为常规直流中间继电器输出功能电路；所述的显示控制模块包括微处理器及晶振电路、数码显示电路、功能按键电路和LED信号显示电路。

5.按照权利要求4所述的液位检测与水泵控制一体化智能装置，其特征是所述的方波放大电路包括第1三极管、第2、第3电阻和第5、第6电容，所述的升压电路包括第1电阻和升压变压器，所述的第一放大电路包括第4至第10电阻、第7至第9电容、第2三极管和第1二极管，所述的整形电路包括第2集成电路、第10至第17电容、第11至第17电阻和第2、第3二极管，所述的第二放大电路包括第18、第19电阻和第3三极管；其中，

第1三极管的基极与微处理器的FASHE端口连接，第1三极管的发射极接地，其集电极与升压变压器原边线圈的一端连接，第1三极管的基极经第2电阻接+5V电源端；

升压变压器原边线圈的另一端经第3电阻接+12V电源端，同时经并联的第5、第6电容接地，升压变压器副边线圈两端与超声波探头的两个信号端分别对应连接，第1电阻并接在升压变压器副边线圈两端之间，升压变压器副边线圈的始端接地；

升压变压器副边线圈的末端，经第4电阻和第7电容与第2三极管的基极连接，第1二极管并接在第2三极管的基极与地之间，第5电阻并接在第2三极管的基极和集电极之间，第2三极管的发射极经第8电阻接地，第2三极管的集电极经第7、第6电阻与+5V电源连接，第7、第6电阻的连接端经第8电容接地，第2三极管的集电极经过依次串接的第9电容、第9电阻、第10电容与第2集成电路的第一负输入端连接，第9电阻与第10电容的连接端经第10电阻接地；

第2集成电路的第一正输入端与第二正输入端并接后经第11电阻与+5V电源连接，第2集成电路的第一、第二正输入端经并接的第12电阻和第15电容接地，第14电阻并接在第2集成电路的第一负输入端与第一输出端之间，第13电阻并接在第2集成电路的第二负输入端与第二输出端之间，第11电容并接在第2集成电路的第一输出端和第9电阻与第10电容的连接端之间，第2集成电路的第一输出端经第12电容、第15电阻和第13电容与第2集成电路的第二负输入端连接，第2集成电路的第二输出端经第14电容和第16电阻接地，同时经第16电容、第3二极管和第18电阻与第3三极管的基极连接，第2集成电路的第二输出端经第16电容和第2二极管接地，第17电容并接在第3二极管与第18电阻的连接端与地之间，第3二极管与第18电阻的连接端经第17电阻接地；

第3三极管的发射极接地，其集电极与微处理器的JIESHOU端口连接，同时经第19电阻接+5V电源端。

6.按照权利要求4所述的液位检测与水泵控制一体化智能装置，其特征是所述的微处理器及晶振电路包括微处理器、晶振和第23、第24电容，所述的数码显示电路包括数码显示管和第21至第28电阻，所述的功能按键电路包括第1至第4按钮和第25、26、27和第37电容，所述的LED信号显示电路包括第1至第6发光二极管和第29至第34电阻，其中，

微处理器的XTAL2和XTAL1端口与晶振的两端对应连接，并分别经第23、第24电容接地；

数码显示管的A、F、B、E、D、Dp、C、G管脚分别经第21～28电阻与微处理器的P0.0～P0.7端口对应连接，数码显示管的1H～4H管脚分别与微处理器的P1.0～P1.3端口对应连接；

微处理器的

TXD、

和

端口分别经第1至第4按钮接地，第25、26、27和第37电容分别并接在第1至第4按钮的两端；

第1～第6发光二极管分别与第29至第34电阻对应依次串联后，串接在微处理器的P2.3～P2.7和P4.1端口与+5V电源端之间。

Images