基于Arduino与超声波HC-SR04的智能液位传感器与控制器

组件与物料

	Arduino UNO	×	1
	超声波传感器 HC-SR04 (通用)	×	1

应用与在线服务

Arduino IDE

项目介绍

下图展示了超声波传感器与 Arduino 的连接，模型仅为演示用途。

简介

液位指示器广泛应用于各工业领域，也可用于小型或家用场景。我们构建了一个液位传感器系统，可持续读取数据，指示水箱内液体占比。本系统是一个反馈控制系统：不仅显示液位，还通过水泵自动控制液位。

结构

上图是系统简化框图。Arduino 作为主控单元，HC-SR04 超声波传感器安装在水箱顶部。演示模型使用两个潜水泵（单向，只能单向输送液体）；实际应用可用双向泵。两泵均由 Arduino 控制信号驱动，泵需 12V 供电，因此需配合电机驱动模块（框图中未画出）。

工作原理

为便于理解，分为感知系统和控制系统两部分：

感知系统

使用 HC-SR04 超声波传感器，工作频率 40kHz（超声波 >20kHz）。传感器包含发射头和接收头。发射头发出 40kHz 超声波，液面反射后被接收头接收。传感器 4 引脚：GND 接 Arduino GND，VCC 接 3.3V 或 5V，Trig 引脚发送触发信号，Echo 引脚接收回波。通过测量回波时间计算距离：

duration = pulseIn(echoPin, HIGH); // 获取回波高电平持续时间(微秒)
distance = duration * 0.034 / 2;   // 换算距离(cm)，声速约340m/s

控制系统

Arduino 读取传感器数据，根据代码中设定的阈值控制水泵：

• 液位超过上限阈值 → 启动水箱内水泵排液，直到液位低于阈值
• 液位低于下限阈值 → 启动储液罐水泵注液
• 实际应用中水箱通常只用一个水泵

未来改进方向

• 使用安装在水箱外的双向泵，仅需一台泵
• 增加 OLED 或 LCD 显示屏实时显示液位
• 接入物联网上传数据到云端
• 开发手机 App 远程监控和控制液位
• 添加溢出报警蜂鸣器，或在代码中增加防溢出逻辑

代码

液位控制器 Arduino

int tankPump = 3;
int reserviorPump = 2;
int trigPin = 9;  // 白线
int echoPin = 10; // 棕线
long duration;
int distance;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(tankPump, OUTPUT);
  pinMode(reserviorPump, OUTPUT);
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
}

void loop() {
  ultrasound();
  pump();
}

void ultrasound() {
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  distance = duration * 0.034 / 2;
  Serial.print("Distance:");
  Serial.println(distance);
  delay(1000);
}

void pump() {
  if (distance > 10) {        // 液位低于10cm(距离大) -> 注液
    digitalWrite(tankPump, HIGH);
    digitalWrite(reserviorPump, LOW);
  } else {
    digitalWrite(tankPump, LOW);
  }
  if (distance < 6) {         // 液位高于6cm(距离小) -> 排液
    digitalWrite(reserviorPump, HIGH);
    digitalWrite(tankPump, LOW);
  } else {
    digitalWrite(reserviorPump, LOW);
  }
}

原理图