【基于单片机的水库水位监测报警器设计12000字（论文）】

基于单片机的水库水位监测报警器设计随着科技日新月异般的发展，传统的测量方法难以满足工业等测量环境恶劣的行业中的测量要求，随之而出的无接触式测水位仪越来越受人们的青睐。超声波测量其原理为通通常可安装于高处进行非接触式测量。本测水位系统不仅仅能够实现测水位、还能实时对所测水位距离进行展示并进行危险警示，而且在不同的应用场景中使用者可自行更改报警该测水位系统从实际考虑出发，选择以STC89C52单片机为主体，配合超声波量液面距离的水位监测报警器，其中还包括显示屏模块显示实时液位，温度测量温度补偿、声光报警模块进行报警。同时设计了按键设置模块本文基于STC89C52单片机设计了一款超声波测量水库水位监测关键词：单片机；显示屏；超声模块；报警模块目录 11.1背景和意义 1 1 3 32.2单片机的选型 32.3超声波模块的选型 4 52.5温度传感器的选型 52.6测水位原理 62.6本章小结 7 8 8 8 3.6测水位系统总体电路 4.1系统软件设计 4.2超声波子程序设计 4.3显示子程序设计 4.4报警子程序设计 4.5按键子程序设计 5.1系统构成及功能介绍 5.2系统调试 5.2.1子模块测试 6.1总结 29附录 301第一章绪论1.1背景和意义在现代化的工业生产中，液位测量几乎遍及生产过程的各个环节。在许多生产领域，不但对液位测量精度要求高，还需要测量仪表很好地适应工业现场的特殊环境，例如高温、高压、强腐蚀性、强放射性的场合以及远距离传送和在密闭压力容器内使用等情况。目前测水位的方式有很多：浮球式、电容式、静压式、光电折射式等，其中本文选择超声波一般为20KHz以上的，且通过人耳无法直接获取的声波。正是因为它频率高的优势，因此包含很多低频声波所没有的优点，也增加了许多特殊的用途。比如其高度集中的能量可以用来切割、打孔等；其准确的定向性可以在工业和医学方面用来进行探测，尤其是在无接触测水位领域得到了广泛的应用。使用超声波设计的传感器将在工业、医疗等方面发挥无可替代的作用，根据目前的发展趋势，为了达到日新月异的发展需求，高能量、高定位、高精度是它下一步的发展目标。比如水下武器所利用声呐进行准确定位测水位，进而对目标进行识别并进行武器攻击，这些都离不开超声波的帮助。超声波不仅在高科技发展中应用广泛，而且在我们日常生活的实际应用中也使用甚广。比如我们常见的水位的高度的测量，如果使用传统的仪器仪表进行测量，暂且不论测量精度是否准确，一般物体在水中搁置较长时间都会对仪器仪表造成腐蚀，不但成本较高，测量精度自然也不会准确，而采用可以安装在水库高处无接触进行测量的超声波便能够完美的地处理此类实际应用问题。因此本文结合实际情况，设计并研发出基于STC89C52控制的小巧式的超声波测水位仪，还具有成本低、便于携带、精度高等优势。1.2国内外研究现状随着各项科学技术日新月异般的发展，尤其是在智能测水位领域，出现了很多不同以往的新的测水位方式，如通过超声波、激光等技术针对不同场景实现有效测水位，并且均已在各领域得到广泛应用。超声波测水位则是根据超声波方向性强，能量集中等性质进行测水位。计算距离的方式与激光测水位类似，需要注意的是在不同的介质中的传递速度各异。近年来已经研发出多种超声波测水位仪，根据超声波的不同可划分为两种不同的模式：电气式和机械式。以电气作为超声波产生来源的方式包括压电型以及磁致伸缩型等；以机械作为超声波的产生来源的方式包括加尔统笛以及气流旋笛等。可根据用途选择相适应型号的超声波发生器。其中压电式超声波发生器的应用较为普遍，其主要通过压电晶体所产生的谐振来进行测水位工作。超声波技术包含物理、电子信息、仪器仪表等多种基础学科知识，而且使用范围甚为2广泛。该技术主要包含超声波的发射、传递以及接收等过程，然后所处环境下的传播速度和时间来计算与目标之间的距离，三种不同形式的声波之间的特点以及区别如表1.1所示。表1.1声波区别特点传播介质震动方向与前进方向垂直固体纵波震动方向与前进方向一样固体、液体、气体间、沿物体表面传播此外，超声波测水位一般通过微处理器进行测水位控制，将不同测水位模式、计算以及其它一些自动化功能融合在一起，使使用者更加高效快捷的进4工作频率范围3个(T0、T1、T2)EEPROM功能指令代码向下完全兼容传统8051通用I/O□32个工作温度范围-40-+85℃(工业级)也均停止工作，当遇到中断或者复位指令时恢复正常。超声波测水位模块的类型数不胜数，较为常见的有URM37、HC-SR04以及SRF系列超声波模块。超声波模块大都为可调节的232/TTL接口，精度可达到cm级别。其中本文主要是通过超声波在前进方向中碰到物体便会改变方向折回的特性来达到测水位的目的，测水位精度高等特点。因其性能优势，所以在测水位、水位监测、机广泛应用。测水位时首先通过TRIG(注：一般以保持10us以上的高电平为标准)触发模块进行测水位工作；然后连续发射8个40KHz的方波信号，同时当接收到反射回来的信号时，ECHO持续输出高电平信号(持续时间为从发射信号到接收到信号的时间),再根据DS18B20所检测的温度自动判断是否需要进行温差弥补，最后通过程序自动计算检测水位离并显示到显示屏上。5参数名称工作电压电平输出电平输出感应角度小于等于15°显示屏在本设计中主要是用来展示实时测量的距离，让使用者有直观的数据体验，因此本文显示模块采用应用较广的LCD1602字符型液晶显示屏。其主要由LCD、控制驱动式分为直接控制方式和间接控制方式。这两种连接方式的根数不一样，间接控制方式所使用的数据线比直接控制方式少一半，因此在读写需要将数据的高低位分别进行读写，本文采用直接控制方式。其中，只需要将LCD1602的8根数据线以及E、RS和R/W引脚与单片机连接在一起就可以进行工作，读写数据时不用区分高低位。在使用时大都是直接给LCD1602写入数据，而LCD1602直接将其进行参数名称显示容量工作电压工作电流最佳工作电压字符尺寸2.5温度传感器的选型本文添加温度传感器，主要是因为室外温度并不能保证恒定，偶尔出现的高温或低温6扰能力强，一般将其进行封装后使用，目前在化工业、农业、机械业等领域应用甚广。DS18B20相对于DS1820等温度传感器具有较高的分辨率以及较短的延迟时间，而且通信时只需要一根数据线即可完成通信，普遍适用下特点：能够精确测量-55℃至+125℃之间的温度(注：在-10℃至+85℃之间测量精度可达±0.5℃);在利用该模块时可以不加其他外围元器件；可以将多个DS18B20并联在一根线上，从而实现多个测量点同时测温；掉电保护，它也可以将当前所设置的参数保存下来，因此本文选择DS18B20作位等。本文采用往返测水位，该测水位方式是通过超声波模块发射并波，通过超声波在媒介中的传播速度，同时检测在媒介中的传播时目的。测水位原理如图2.2所示。假设V为某一固定频率超声波在空气中的传播速度，超声波从测水位仪发射到超声波遇到目标物体反射回来并被接收的时间为T,则检测的距离为L,如公式2-1所示。公式2-1适用于对距离的测量精度要求不高的场景，而对于一些精度要求高的场合，则需要考虑如介质的温、湿度所引起的超声波在整来达到增大精度的目的。如公式2-2所示。其中C₁为温度影响系数，如有湿度等其它影响因素可进行类似的考虑调整。传播速度随温度的变化如表2.4所示。7表2.4声速温度变化温度(℃)0声速(m/s)对于一般的测水位应用，一般默认声速是固定值，取340m/s,即室温声速。本文添加本章对水库水位监测系统的设计思路以及主要的元器件，单片机、超声波模块、显示第三章硬件电路设计测水位系统处理器控制电路主要是由STC89C52、电源电路、时钟电路以及复位电路等部分构成。其中电源电路可谓是测水位系统乃至任何电子系统能够前提条件，单片机系统在运行时往往会因外界环境的干扰而出现异常，而稳定的电源往往能有效克制这种现象；时钟电路也可以说是振荡电路，晶振是单片机系统中必不可少的元件之一，少了它将不能产生单片机系统中的时钟频率，处理器的任何指令的有效执行都需要依靠晶振所产生的时钟频率，而且时钟频率与单片机的执行速率成正比；复位电路的实本设计中有上电自动复位和按键手动复位，上电自动复位即系统通电后自己进行复位操作，也就是上电后的初始化；按键手动复位是通过按键进行人工复位32二 单片机2345678912二15二图3.1最小系统电路3.2超声波模块电路测水位，发射超声波信号的同时等待接收反射回来的信号，与此同时收到信号所用的时间，并以此来计算所测量的距离。超声波测水位模块的TRIG引脚和ECHO引脚分别与STC89C52的P23和P24引脚进行连接，分别用于产生发射的超声波信号和等待接收反射回来的信号。超声波模块与单片机连接电路如图3.2所示：在进行超声波测水位的时候，主要是利用单片机的P23引脚发送10KHz的方波，当需要测量距离时，单片机通过P3.0引脚控制超声波模块的TRIG引脚发射超声波，与此同时将程序中选择的定时器清零并计时，ECHO也进入等待接收返回的超声波信号，当接收到返回信号时，通过P24引脚得到反馈，与此同时停止定时器计时并读取时间，然后在程序中进行距离计算并将计算结果显示在显示屏上面。 P2.0(A8)245678913二18二28二图3.3超声波模块与单片机连接电路报警距离通过单独的三个功能按键来进行设置，即“设置”按键、“+”按键以及“-”按键。第一次按一下“设置”按键就会进入设置报警距离的界面，然后可以分别选择增加或者减少当前设置的报警距离，设置完成之后再次按一下“设置”按键即可保存当前所设置的报警距离并返回正常测水位显示界面。报警距离设置电路如图3.3所示。在设置报警距离的时候，需要先按下S2(设置按键),接着根据显示界面所显示的当前报警距离来调整，如果当前距离大于想要设置的报警距离，则连续按S4(减小按键)至想要设置的值；如果当前距离小于想要设置的报警距离，则连续按S3(增大按键)至想要设置的值(注：每按一下S4或者S3代表当前值减小或者增大1cm)。目前程序为了演示方便，并没有设置很高的数值，如果投入使用，则需要修改内部程序，扩大可修改范围即234567892单片机 P2.1(A9)P2.0(A8)图3.5报警距离设置电路与单片机连接电路Figure3.5Alarmdistancesettingcircuit3.4声光报警电路蜂鸣器构成。由上文可知，本系统可以自己设置报警距离，因此，当所测得的距离小于自己所设置的报警距离的时候会引起蜂鸣器报警提警示电路的构成也相对简单而且易实现。蜂鸣器报警提示部分由三极管、LED、蜂鸣引脚为BUZZER提供低电平，BEEP1回路被导通并发出警报声音。蜂鸣器蜂鸣器Q13456789 P0.7(AD7) 28二25二3.5显示模块电路显示模块可以对当前水位测量信息或设置内容实现显示，它的主要电路在LCD1602内部已经集成，因此只需要将相应的引脚与单片机进行正确连接即可通过单片机程序进行显示内容的读写。显示模块电路如图3.5所示。邑图3.8液晶集电路Figure3.8LiquidcrystalcolLCD1602的数据位通过上拉电阻连接到STC89C52的P00-P07引脚，P13-P15连接到LCD1602的RS、RW以及EN控制引脚，其中RS对应寄存器转换；RW对应LCD1602的读写功能转换；EN则对应工作使能位。单片机对LCD1602的读写操作主要是利用PO□9234589P0.4(AD4)P0.5(AD5) 31二图3.9液晶集电路与单片机连接电路单片机正确连接即可使用。3图3.10温度传感器电路P1.3P1.6P3.7(RO)单片机 P0.7(AD7) P2.7(A15)P2.5(A13)P2.3(A11)P2.2(A10)46918图3.11温度传感器电路与单片机连接电路2K华220uf电源开关图3.10测水位系统总体电路Figure3.8Overallcircu模块以及总体电路实现的过程中对所学的基础理论知识有了更深的了解与掌握，在实际动手制作这些硬件电路的过程中更是锻炼了单独解决问题的能力，更加体会到纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行的意义。第四章软件程序设计在单片机系统的研发中，软件部分的设计和实现与硬件的设计与实现同样重要。目前而言，汇编软件与电子系统均在与日更新，而KEIL自然而然的成为了目前使用最受欢迎的开发工具。因此本系统软件设计部分选择通过C语言在KEIL上进行开发。4.2超声波子程序设计超声波子程序主要是通过发射接收超声波信号来达到测量距离的目的。超声波子程序流程图如图4.2所示。开始超声波模块初始化系统上电之后先进行程序初始化，之后发送一个开始脉冲，同时打开定时器并进入等待；然后当接收到返回的信号时根据定时器所得时间值计算所测水位。显示子程序有实时测水位显示界面和设置界面。实时显示界面为实时显示所测得的距离；设置界面用于用户设置报警距离。显示子程序流程图如图所示。开始示本测水位系统中所采用的LCD1602可以显示两行内容，在实时测量显示界面中分别显示实时测量的距离值和报警距离值。报警子程序主要是为了提醒用户当前与所测目标的距离小于所设置的安全距离，系统初始化所默认的安全距离为10cm,当小于该距离时程序会自动触发蜂鸣器和LED同时警示用户。报警子程序流程图4.5所示。初始化于安全距离是在测水位的过程中，每次计算出测得的距离之后在程序中与设定的安全距离进行比较，当所测水位离小于安全距离的时候会触发蜂鸣器和LED同时对用户进行警示。由于在不同的环境下所需要的报警距离也不太一样，因此按键子程序主要是让用户根据测量环境和目标自主设置报警距离。按键子程序有两个功能独立的按键和一个复用功能的设置按键，独立按键的功能分别是对当前所设定的安全值进行更改(增大或者减小);复用功能的设置按键用来切换实时安全距离设置界面的增大和减小，并对更改后的安全距离进行保存。按键子程序流程图如图4.6所示。开始按键设置模块初始化是否修改安全距离值是进行距离设置系统上电后会先进行初始化设置，并将初始化设置的值10cm保存在RAM中。当重新更改安全距离时，先从RAM中读取当前所设定的值，然后根据增大或减小按键进行更改并即时更新保存到RAM中。此外，为了消除抖动引起的按键异常，该程序中通过延时判断的方式消除该因素引起的误差。4.6主程序设计主程序的设计主要是从各模块子程序的调用考虑。通过合理的调用各模块子程序使得测水位系统按照预期目标进行正常的工作。主程序流程图如图所示。开始开始系统初始化超声波电路测量液面距离温度传感器测量温度显示屏显示实时液面距离判断液面距离中否结束是图4.6主程序流程图Figure4.6Mainprogramflow本章采用C语言以及KEIL开发工具对测水位系统的软件部分进行研发。在各个子模块程序以及主程序的实现的过程中不仅对C语言以及KEIL软件有了更进一步的学习，同时也加深了对测水位系统各个子模块的理解与应用。第五章系统集成与调试前面分别对测水位系统的元器件选型以及软硬件进行设计与实现，接下来主要对已完成的测水位系统进行集成与调试。本系统的研发首先分别对各个子模块进行设计与实现，最后将各个子模块以单片机为处理器进行集成；同时，调试环节也是在各个子模块完成的时候先进行调试，最后对集成后的系统进行整体联调。测水位系统由STC89C52、超声波模块、LCD1602模块、蜂鸣器、LED、按键、继电器以及其它元器件集成，测水位系统实物如图5.1所示：(1)STC89C52为测水位系统核心，负责各模块的合理调用；(3)超声模块配合定时器为距离的测量提供所需要的变量值；(4)LCD1602以及按键模块主要用于测水位结果的显示以及安全距离设置操作过程的显示；(5)电源模块负责供给整个测水位系统的电源；5.2系统调试调试是所有系统研发之后必不可少的一个过程，可以有效地帮助研发人员发现并调整系统中所出现的失误。系统调试有很多种方法，常用的分类有软硬件调试以及模块调试和系统联调。本系统采用单个模块调试和系统联调的方式进行，调试过程中主要使用的工具有以下几种。一是硬件调试类工具，主要有示波器、万用表等常用工具。主要是对各子模块的硬件电路进行调试，确保系统硬件的正确性。二是软件类调试工具，主要是KEIL。主要对各子模块的程序以及最后整个系统程序5.2.1子模块测试子模块测试主要是对超声波子模块、显示子模块、按键子模块以及报警子模块在实现的引脚连接进行检查，接着对按键电路进行有无虚焊、脱焊等的检查，然后就可以配合超完成的各模块进行小于报警距离的测水位调试，主要看当所测水位离小于报警距离时蜂鸣各子模块的调试完成之后对测水位系统进行系统联调。将通过KEIL进行编译并生成.hex文件烧录到测水位系统的STC89C52中。软件编译图见5.2fie里dtMewPojetfluDe日Targt1图STARTUPA51田团esheje田国delayeunsignedchar026日Programsize:data=80.2xdata"csbcj1602"-0Error(s),0warnin图5.2软件编译图接着对测水位系统的测水位功能、按键设置报警距离功能、测水位结果实时显示功能、系统联调结果如图5.3所示。图5.3系统联调结果如上图所示，从上到下是调整高限位，同时移动模拟水位障碍物测水位显示的结果。可对应不同的测水位场合进行调整。本系统设置的测量距离是2-300cm,在该距离范围内可进行任意测试，接下来以报警距离为3.5-20cm对测水位系统分别就报警距离以内、正常测水位范围内以及超出测水位范围分别进行试验。表5.1测试结果蜂鸣器响、LED亮5无0无0超过限制!蜂鸣器响、LED亮5.3遇到问题及解决思路调试的过程中不可避免的会遇到各种各样的问题，而这些实际问题难以使用以往学习的理论知识所解决，但正是这些问题锻炼了实践能力。在测水位系统调试时所出现的两个仍会不可避免的遇到一些程序逻辑等出错的问题。因此在软件程序设计与实现的过程中采用先实现各个子模块的功能、然后对整个系统的程序进行融合。通过该方式不但可以清晰地知道具体哪个子模块的程序有问题，还可以快速找到出问题的地方在哪，有效的提高的二是如何对测水位系统进行调试的问题。调试时依每个情景所侧重的测试功能有所不同，所有情景的功能测试覆盖整个测水位系统所有的功第六章总结和展望本文进行了基于单片机的水库水位监测系统的研发。根据设计内容可分为硬件部分的设计与实现、软件部分的设计与实现以及测水位系统实物的制作。最后经过全面的测试，该测水位系统在2-30cm(可调整范围)中可以实现高效测水位，达到了预期设计目的。模块电路、危险警示电路以及显示模块电路等的设计与实现。软件部分主要是采用C语言以及KEIL开发工具对超声波子程序、显示子程序、按键子程序、计算子程序以及主程序等的设计与实现。实物制作主要通过实际的元器件、焊接工具以及程通过上面所述三方面的主要内容，本测水位系统在实际测水位使可根据使用者设置的安全距离通过蜂鸣器和LED及时进行警示。6.2展望本文所研发的测水位系统虽然达到了预期的设想，但是仍一是该测水位系统的人机交互不够完善，下一步可二是信息管理方面，该测水位系统对所测水位离不的研发中可以为测水位系统增加无线通信对所测水位离值进行采集并发送至上位机信息三是实际应用方面，本次做到的仅仅是一个内部进行安装后才能投入使用。由于安装位置可以做到无接触测量，相对的需求条件也可以做[1]张安东，基于STM32单片机的水库水位监测系统设计与实现[J].铜陵职业技术学院学[3]霍海波.基于单片机的水库水位监测系统设计[J].电子技术与软件工程，2019(14):246-247.[8]姚存治，王大文.基于AT89S52单片机的水库水位监测系统设计[J].郑州铁路职业技术学院学[12]邓胡滨，陈梅，周洁，黄德昌.单片机原理及应用技术[M].人民邮电出版社，201412.[13]吴恩仪，陈凌君.基于STC89C52单片机的超声波测距系统设计[J]:南方农机，2020-03-28.[14]胡林林，付龙.基于STC89C52单片机的超声波测距设计[J].仪表技术，2018-02-15.[16]TianhuWang,TianyuChen,YueHu,XiaoyongZhou,NaipisystemsbasedonSTC89C[17]ShanchaoJiang,JiangShanchao,WangLiming,YangBengong.Designofmulti-parameterauto-dinstrumentsystemforhydrologicalholepumpingtestbasedonsingle-cConferenceseries,2020-09-01.[18]RaaziaSyeedah,DarAbdulQayoom..InsightsintothehydrogeologicalframeworkoftheNWHimaKarewas(India)[J].EnvironmentalChallenges,2021(prepublish).[19]KangSanggoo,DavidDafnikSarilUltrasonicWaterLevelDetectionSystemwithDual-TargetMonitoring[J].Sensors,2021,21(6).[20]Dao-bing,Zhang,Jin,Jiang,Jia-huaZhang.TheStabilityofUpperBoundFacesUnderDifferentUndergroundWaterLevels[J].GeotechnicalandEngineering.2021(prepublish).附录附录1实际程序#include<reg52.h>//调用单片机头文件#defineucharunsignedchar//无符号字符型宏定义变量范围0~255#defineuintunsignedint//无符号整型宏定义变量范围0~65535#include<intrins//这三个引脚参考资料sbitrs=P1^0;//1602数据/命令选择引脚H:数据L:命令sbitrw=P1^1;//1602读写引脚H:数据寄存器L:指令寄存器sbite=P1^2;//1602使能引脚下降沿触发ucharcodetable_num[]="0123456789abcdefg";sbitbeep=P1^6;//蜂鸣器IO□定义//用来保存定时器0的时候的/1按键的IO变量的定义ucharkey_can;//按键值的变量bitflag_lj_3_en;/按键连3次连加后使能加的数就越大了bitkey_500ms;uintsw_jz;//基准水位voidwrite_string(ucharhang,uchawrite_com(0x80+0x40+avoidwrite_sfm3(ucharhang,ucharadd,uintwrite_data(0x30+date/100write_data(0x30+date/10write_data(0x30+datevoidinit_1602()//1602初始化write_string(1,0,"Gaodu:.m");write_string(2,0,"H:00.0mL:00.0附录1.3按键设置程序ucharkey_can;voidkey()//{if((P3&0xf0)!=0xf0)if(P3&0xf0)!=0xf0)&&(caseOx70:key_can=1caseOxd0:k