吴子豪 芮杰 王道权 靳硕硕 石维浩 指导老师：魏章志
宿州学院机械与电子工程学院 安徽宿州 234000
【摘要】水位问题在很多方面都有体现，如湖泊、河流的水位，泳池、浴池的水位等等。本文介绍的水位控制系统主要用于水池，例如泳池、浴池。本控制系统由激光传感器进行测距，数据反馈给主控芯片进行运算，从而控制水位。在水位的控制过程中，我们用单片机控制电动阀门进出水，用于实现水位的控制。此控制系统主要可以用于调节水池水位，保证水池的高度甚至在温度传感器的组合下能实现简单的浴池水温控制。
【关键词】激光传感器 stm32f4
水位高度在实际生产生活中应用很广，比如水库水位，水塔水位，鱼缸水位，泳池水位，浴池水位，水箱水位等，几乎只要是存有大量水或要使用大量水的时候，水位几乎都是必须要关注的参数之一。
一、系统总体设计
1.1主控框架
本系统用单片机做主控，通过对传感器数据的处理来实现水位控制功能。
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1.2模拟框架
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2、主控芯片
主控芯片拟选用 STM32F407ZGT6，STM32F407ZGT6是由 ST（意法半导体）开发的一种高性能微控制器。 其采用了 90 纳米的 NVM 工艺和 ART 由于采用了 ST 的 ART 加速器，程序从 FLASH 运行相当于 0 等待更多的存储器多达 1MB FLASH。
3、测距模块
激光传感器用北醒光子科技的TFmini，主要用来测距。TFmini 基于 TOF（Time of Flight）即飞行时间原理。具体为产品周期性的向外发出近红外光调制波，调制波遇物体后反射。产品通过测量调制波往返相位差，得到飞行时间，再计算出产品与 被测目标之间的相对距离。
4、pid控制
PID控制，即比例积分微分控制，它被广泛运用在工业控制中 。
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PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成偏差：e(t)=r(t)-c(t)。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为：
由于在控制过程中，输入输出量是系统固定的，所以输出值基本由参数决定，即pid的参数整定。
PID的整定是有很多方法，其中根据实际整定参数是最常见的,即通过实际系统的表现来整定参数。
二、拟定参数与其计算
假设水池为一个标准长方体，底面积为S；假设设定达到的期望水位高度为h；激光传感器测得到水池底面的实际距离H；激光传感器测得到水面距离L；进水速度Vs；进水时间t；上次进水时间tf；
则期望水的体积Vexp=S*h;实际水的体积Vf=S*(H-L);
进水状态时与预期的偏差：e= Vexp- (Vf +Vs*(t-tf)*kp-Vs*(t-tf)*ki- Vs*(t-tf)*kd)。
在水池全封闭的情况下，当E=0时，水位达到预定水位时就停止进水，由于进水量是一定的，则我们只能通过控制进水的时间来进行调节，假设在全封闭的情况下达到预定水位的时间为T1，在时间一定的情况下，若水池存在出水，那么水位在时间一定的情况下达不到预定高度，此时，我们通过判断体积大小，加上积分环节进行调节，即保持Vs*(t-tf)*ki略大于出水量。由于我们只能控制进水时间，所以要减去积分环节的水量，使e=0的时刻更晚到了，延长加水时间。
由于微分受环境影响较大，而且水面不一定是不波动的，所以微分暂且不用。
三、结论
传统的人工加水往往不够及时，不够精准，在泳池，浴池这种地方水一般都是只减不少，尤其是浴池，人越多，水位变化幅度就越大，而浴池的水位往往和水温有关，因为一般浴池进水进的都是热水。此系统比传统人工能更好的保证水位，使得泳池和浴池的客人体验更佳。
【参考文献】
[1]TFmini 使用说明书 北醒（北京）光子科技有限公司
[2]李楠. PID控制参数现代设计技术的研究与应用[D].浙江工业大学,2009.
[3]王勇.非线性PID控制的研究[D].南京理工大学,2000.
项目编号：201910379029.