【基于单片机的水库水位监测报警器的结构设计9800字（论文）】

基于单片机的水库水位监测报警器的结构设计摘要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。因此本文基于单片机设计了一款水库水位监测系统，不仅能满足恶劣的测量环境、还能达到较高的测量精度，实际意义较大。该测水位系统主要从以下三个方面进行研发。一是硬件部分的设计与实现：主要包括主控处理器STC89C52以及HC-SR04、LCD602、DS18B20等子模块的硬件电路的设计与实现。二是软件部分：主要是采用C语言以及KEIL开发工具对测水位系统软件程序的设计与实现。三是测水位系统实物的制作：主要通过实际的元器件、焊接工具以及程序烧录等实现测水位系统，并达到预期的实际测水位要求。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距离，更具有实用意义。经过全面的实际应用测试，该系统可以准确高效的进行测水位。关键词：单片机；显示屏；超声模块；报警模块目录20671摘要 114524目录 326056第一章绪论 562921.1背景和意义 5207531.2国内外研究现状 530955第二章系统设计原理 74162.1设计思路 7189852.2单片机的选型 7241282.3超声波模块的选型 8224832.4显示屏的选型 832682.5温度传感器的选型 9326092.6测水位原理 9204602.7本章小结 103861第三章硬件电路设计 113623.1最小系统电路 1152303.2超声波模块电路 11289423.3设置电路 12243443.4报警电路 13313373.5显示模块电路 13257503.6继电器电路 14277473.7测水位系统总体电路 15209773.8本章小结 1631379第四章软件程序设计 17174624.1系统软件设计 17282614.2超声波子程序设计 1796074.3温度测量子程序设计 18159424.4显示子程序设计 18235594.5报警子程序设计 1990814.6按键子程序设计 1984364.7主程序设计 20192624.8本章小结 2118848第五章系统集成与调试 22262185.1系统构成及功能介绍 22228305.2系统调试 23129735.3遇到问题及解决思路 2510556第六章总结和展望 26130786.1总结 26104706.2展望 2627838参考文献 28第一章绪论1.1背景和意义超声波一般为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。传感技术作为一个正在快速发展技术领域，拥有着明亮的发展前景，超声波传感器的未来发展也是如此。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。目前普遍使用的水库水位监测系统成本较高，而且设备整体体积过于庞大，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。激光测水位又称为红外测水位，主要是根据红外线在介质中传递时不会扩散性质进行测水位。一般光线在穿过介质时均会发生不同程度的折射，而红外线的折射率相对较小，因此距离较远时一般都会采用红外线进行测水位。通过发出红外线开始计时，截止到接收到反射回来的红外线为止，最后根据时间的红外线在介质中的传播速度进行计算便可以得到想要测量的距离。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，然后根据超声波在检测目标所处环境下的传播速度和时间来计算与目标之间的距离，在生产安全等科技发展史上留下了色彩浓厚的一笔。超声波在不同物体中的传递形式主要有横波、纵波以及表面波三种。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声波区别名称特点传播介质横波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、气体表面波震动方向处于横波和纵波之间、沿物体表面传播物体表面此外，无论是激光测水位还是超声波测水位，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行工作。就目前而言，超声波测水位的应用已经不仅仅局限在功能单一的测水位系统中，在泊车系统、地形测量、目标测水位、移动机器人等场景中都有广泛的应用。

第二章系统设计原理2.1设计思路本文采用STC89C52进行程序控制，结合超声波模块、DS18B20、1602显示屏、蜂鸣器等研发水库水位监测系统。其中显示屏可以实时显示当前检测到的距离，DS18B20测量温度并进行调整传播速度进而增大精度，而蜂鸣器则起到警示的作用，当检测到的距离小于等于设定值的时候将会自动触发蜂鸣器进行报警。水库水位监测系统框图如图2.1所示。图2.1系统框图2.2单片机的选型通过对比分析各类功能单一系统所采用的单片机型号的优缺点，并结合水库水位监测系统要求所选单片机处理器处理速度高、运行功耗低以及抗干扰能力强等特点，本系统采用STC89C52型号单片机，该芯片不仅具有以上特点，更具有优势。STC89C52在许多工业、医学、煤矿等控制系统中应用甚广，尤其是在功能简单或者功能单一的控制系统中的应用更是数不胜数。STC89C52主要参数如下表2.1所示：表2.1STC89C52主要参数参数名称STC89C52单片机工作电压3.3-5.5V工作频率范围0-40MHZ，实际可达48MHZFlash程序存储器8KSRAM静态存储器512B可编程定时器/计数器3个（T0、T1、T2）EEPROM功能4K兼容性指令代码向下完全兼容传统8051通用I/O口32个工作温度范围-40～+85℃（工业级）两种可选择节电模式空闲模式：CPU停止工作、其余的模块如定时器/计数器、RAM、中断、串口等可以保持工作状态。掉电模式：RAM数据被保存，振荡器停止工作，其余各模块也均停止工作，当遇到中断或者复位指令时恢复正常。2.3超声波模块的选型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，综合考虑决定采用HC-SR04作为本设计中的超声波传感器。该模块具有性能稳定，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、机器人避障等领域均有广泛应用。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，同时开始等待接收返回的信号；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。HC-SR04主要参数如下表2.2所示：表2.2HC-SR04主要参数参数名称HC-SR04工作电压DC-5.5V静态电流小于2mA电平输出高5V电平输出低0V感应角度小于等于15°探测水位离0.02m-4m测量精度2mm2.4显示屏的选型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、控制驱动电路、扩展驱动电路以及其他元器件在PCB板上集成。LCD1602与STC89C52的连接方式分为直接控制方式和间接控制方式。这两种连接方式的主要不同是所用于连接的数据线的根数不一样，间接控制方式所使用的数据线比直接控制方式少一半，因此在读写数据时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直接将其进行显示即可。LCD1602主要参数如下表2.3所示：表2.3LCD1602主要参数参数名称LCD1602显示容量16*2byte工作电压4.5-5V工作电流2mA(5V)最佳工作电压5V字符尺寸2.95*4.35mm(W*H)2.5温度传感器的选型DS18B20可以将测量的温度值直接以数字化的形式进行输出，不仅体积小，而且抗干扰能力强，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，普遍适用于在环境较差的场景中进行测温。主要有以下特点：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，即使因为未知原因导致系统断电，它也可以将当前所设置的参数保存下来，因此本文选择DS18B20作为测温传感器。2.6测水位原理目前常用的实现超声波测水位的方式有往返测水位、相位测水位以及声波的幅值测水位等。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接收固定频率的超声波，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间，进而实现测水位的目的。测水位原理如图2.2所示。图2.2测水位原理 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。 (2-1) 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介质中传播速度的变化。通过对V进行调整来达到增大精度的目的。如公式2-2所示。 (2-2) 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。表2.4声速温度变化温度（℃）-30-20-100102030100声速（m/s）313319325323338344349386对于一般的测水位应用，一般默认声速是固定值，取340m/s。而本文通过DS18B20检测测量环境的温度，进而通过程序改进计算方法的方式实现对声速的补偿作用。2.7本章小结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、显示屏以及温度传感器的选型进行介绍，最后对超声波的测水位原理进行详解。第三章硬件电路设计3.1最小系统电路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保证平稳工作的重要前提条件，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；复位电路的实现较为简单，但也却是不可或缺一个模块，复位的目的是将该系统恢复到原始设置的状态。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，主要用于解决系统卡死之类的情况。最小系统电路如图3.1所示。图3.1最小系统电路3.2超声波模块电路测水位模块是由单片机所控制的，当接到单片机开始测水位的命令时HC-SR04便进行测水位，发射超声波信号的同时等待接收反射回来的信号，与此同时计算从发射信号到接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：图3.2超声波模块与单片机连接电路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。3.3设置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。图3.3报警距离设置电路在设置报警距离的时候，需要先按下K1（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K2（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K3（增大按键）至想要设置的值（注：每按一下K2或者K3代表当前值减小或者增大1cm）。3.4报警电路当水位超过所设范围时，报警电路将发出警报。报警电路主要是通过受单片机控制的蜂鸣器构成。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示。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三极管、蜂鸣器以及电源即可构成。遇到当前所测水位离小于危险警示距离的时候，STC89C52通过P20引脚为BUZZER提供低电平，BEEP1回路被导通并发出警报声音。图3.4报警提示电路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。图3.5液晶集电路LCD1602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P0口进行。3.6继电器电路本设计中继电器用于开关水泵，当水位超过所设范围时，打开对应水泵使其完成抽水或蓄水工作。继电器简单来说就是一种电控制元件，可以将其理解为一个接入电的开关，当电信号达到一定强度时，其内部的开闭控制部分即发生响应；但它所需的电信号其实非常微弱，可以将整个过程称之为用小电流来控制大电流。所以继电器通常可以在电路中实现自动开关、电路转换、过流保护等功能，目前被广泛应用于工业生产自动化、通讯、检测、安全、控制等领域。本设计采用HK4100F-DC5V-SHG继电器，其引脚图如图所示，共有六个引脚，其中2、5两端为线圈，通常一端接芯片电源，一端与单片机经驱动电路连接；3脚为常开点，4脚为常闭点；1、6两端为公共点；本设计中继电器使用5V直流电源，机械负载与常开点连接。继电器硬件电路如图所示。图3.6HK4100F-DC5V-SHG实物图图3.7HK4100F-DC5V-SHG引脚图图3.8继电器驱动电路3.7测水位系统总体电路测水位系统的总体电路由各个子模块的电路所集成。测水位系统总体电路如图3.9所示。图3.9测水位系统总体电路3.8本章小结 本章主要利用单片机、模电等基础知识以及AltiumDesigner工具进行研发。在各个子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4.1系统软件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。图4.2超声波子程序流程图 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。4.3温度测量子程序设计温度测量子程序是为了获取测水位现场的环境温度，当温度差别较大时为了提高测水位精度需要对所测得的距离值进行一定的调整；当温差较小时则可以忽略不计。温度测量子程序流程图如图4.3所示。图4.3温度测量子程序流程图4.4显示子程序设计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。图4.4显示子程序流程图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“HC-SR04Interface”和实时测量的距离值；在设置界面分别显示“SETInterface”和报警距离值。4.5报警子程序设计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。图4.5报警子程序流程图在测水位的过程中，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。4.6按键子程序设计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测水位显示界面和安全距离设置界面，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。图4.6按键子程序流程图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。4.7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。图4.7主程序流程图4.8本章小结本章采用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。5.1系统构成及功能介绍测水位系统由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：图5.1测水位系统实物图(1)STC89C52为测水位系统核心，负责各模块的合理调用；(2)蜂鸣器和LED用于危险报警提示；(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一下几种。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进行调试，KEIL还可直接生成.hex文件烧录进STC89C52配合硬件进行各个模块功能的调试。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过程中分别进行调试。 (1)超声波子模块的调试：超声波子模块实现之后首先对HC-SR04与STC89C52的引脚连接进行检查。 (2)显示子模块和按键子模块的调试：显示模块实现首先对LCD1602、按键与STC89C52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，然后就可以配合超声波子模块将设计的程序通过KEIL生成.hex文件烧录进STC89C52进行调试，看是否能正常显示测水位值以及按下相应的按键时显示内容是否随之发生相应的改变。 (3)报警子模块的调试：报警子模块实现后首先对蜂鸣器、LED与STC89C52的引脚连接进行检查，接着对蜂鸣器电路和LED电路进行有无虚焊、脱焊等的检查。然后配合以上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器和LED是否正常警示。5.2.2系统联调各子模块的调试完成之后对测水位系统进行系统联调。将各模块子程序整合到一起，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5.2所示：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、显示屏亮度调节功能，危险警示功能等分别进行调试。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，从上到下分别为LCD1602对比度较低、对比度适中以及对比度较高时实时测水位显示的结果。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20cm对测水位系统分别