基于FPGA技术液位控制系统的设计

论文总字数：13513字

摘 要

本文主要描述了一个基于FPGA的超声波液位控制系统，主要由超声波模块、温度检测模块组成。本系统通过超声波测距确定液位，并在数码管上显示测距数值，然后通过水泵和水阀调节液位，能够实现实时控制液位。通过温度检测模块引入温度补偿，根据不同温度下的声速调整超声波测距。本文介绍了设计该系统的背景和意义，此外还有硬件设计和软件设计介绍和流程图，并附上调试程序。

关键词：FPGA；超声波测距；温度补偿；液位控制

Liquid level control system based on FPGA

Abstract

This paper mainly describes an ultrasonic liquid level control system based on FPGA, which is mainly composed of ultrasonic module and temperature detection module. The system determines the liquid level by ultrasonic distance measurement, displays the distance measurement value on the digital tube, and then adjusts the liquid level through the water pump and water valve, which can realize the real-time control of the liquid level. Temperature compensation is introduced into the temperature detection module to adjust the ultrasonic distance measurement according to the speed of sound at different temperatures. This paper introduces the background and significance of the design of the system, as well as the introduction of hardware design and software design and flow chart, with debugging program attached.

Keywords: FPGA; ultrasonic distance measurement; temperature compensation;level control

目 录

第一章 引言 1

1.1选题背景和意义 1

1.1.1选题背景 1

1.1.2设计意义 1

1.2国内外液位控制系统发展现状 2

1.2.1国外发展和现状 2

1.2.2国内发展和现状 2

1.3 本章小结 3

第二章 系统方案研究与设计 4

2.1 系统的总体方案和功能 4

2.1.1 液位控制系统的系统组成 4

2.1.2 系统的硬件结构 4

2.2 本章小结 5

第三章 基于FPGA的液位控制系统的硬件系统设计 6

3.1 系统主控模块设计 6

3.2超声波模块设计 7

3.2.1 HC_SR04超声波模块的优势及应用领域 8

3.2.2 HC_SR04超声波模块的工作原理 8

3.2.3 HC_SR04超声波模块的电路图 8

3.3温度传感器设计 9

3.3.1 DS18B20温度传感器的特点 9

3.3.2 DS18B20温度传感器的内部结构 10

3.3.3 DS18B20温度传感器的电路图 10

3.4 开关电器 10

3.4.1 MOS管触发开关特点 11

3.4.2 MOS管触发开关结构图 11

3.5 外围被控器件 12

3.5.1 直流6V水泵 12

3.5.2 直流6V电磁水阀 12

3.6本章小结 13

第四章 液位控制系统的软件设计 14

4.1 系统主程序设计 14

4.2程序设计电路 15

4.2 超声波模块程序设计 15

4.3 温度传感器程序设计 15

4.4 本章小结 16

第五章 系统调试结果与运行分析 17

5.1 系统的调试 17

5.1.1 系统的硬件调试 17

5.1.2 系统的软件调试 17

5.2 主要功能模块结果分析 17

5.3 系统总体调试 19

5.4本章小结 20

第六章 总结与展望 21

致 谢 22

参考文献 23

附 录 24

第一章 引言

1.1选题背景和意义

1.1.1选题背景

液位测量系统多应用于工业过程中，同在实验室设备中也可以使用液位控制系统控制液体多少,提高其测量精度更有利于应用在实验室中的精准控制。本文设计了一种使用超声波测距作为为测量核心的基于FPGA器件的液位控制系统。该设计由FPGA器件、超声波模块、温度传感器、显示电路等构成。该系统程序采用VHDL语言对主要测量工具进行编程并通过电路图进行连结，完成液位控制系统的设计。

随着集成电路设计规模日渐大型化、复杂化，在过程控制系统领域中，液位控制的占比以及被重视程度都有明显的上升，适用于各种领域、控制精度要求不同的液位控制系统研发已然成为相关行业的热门研究，而复杂的液位控制系统更是引起了足够的重视。使用如浮子法、浮筒法等机械器件方法进行液位控制，虽然可以简单有效地控制液位，但它们都存在一定的缺陷，它们只能设定在一个固定的位置，无法智能调控，同时它们都是接触式开关，长期使用会使液体对测量器具产生腐蚀，并且对于对容器中液体有严格要求的系统来说，这会对液体产生污染，对材料要求较高，限制了传感器使用场合。^[1]超声波测距成本低、体积小、使用灵活，用超声波测距负责液位控制系统中的液位测量，构成的系统更方便更可靠。当然也存在一些先进的液位控制方法，但这些方式所使用的传感器成本较高，大规模应用耗资高，收益与成本不匹配，不宜大面积推广。

1.1.2设计意义

随着控制技术的高速发展，液位控制系统可以实现的功能越来越多，也越来越精准，同时由于先进测量器件、控制技术被研发并验证，在自动测量控制领域中，液位控制系统的功能性得到了验证和发展。液位的控制系统可应用于太阳能热水器、工业锅炉控制、农用机水箱等精度要求不高的应用设备，同时高精度控制系统对实验室及医用设备是不可或缺的一部分。液位控制对工农业生产、医疗监护等都有着重要的意义。

超声波是一种无需接触即可测量的测距传感器，能够突破许多接触式传感器的限制，因此在如今各种需要测距的行业中更多地利用超声波测距作为测距核心。与其它接触式测距方式相比，虽然有不足却很小，同时其优异之处却远超其他测距方式，超声波测距虽受环境声音影响，但却完全避免了光线及被测物体颜色的影响，并且可以在夜间使用。超声波指向性强，传播的距离较远，因而测量距离远，产生的误差小。^[2]该系统采用HC-SR04 超声波传感器测量距离，同时FPGA根据测量的数据变化控制外围的水泵和水阀，实现液位的控制。当设定距离测距大于超声波测距获得的距离时，电磁水阀通电打开，开始排水，降低液位，当设定距离测距小于获得的距离时，启动水阀电机开始注水，升高液位，设置距离可根据实际情况更改。该系统成本低、控制简单，具有很强的实用价值。同时实现了弱电控制强电，减少了人工操作环节，实现了液位控制的自动无人控制。

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