孫慶玲 謝劍波

【摘 要】本控制系統(tǒng)以AT89S51單片機(jī)為主控單元，通過(guò)超聲波傳感器和液位變送器實(shí)現(xiàn)液位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的檢測(cè)和自動(dòng)控制。該系統(tǒng)具有有性?xún)r(jià)比高、操作簡(jiǎn)便、可視化操作等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān) 鍵 詞】AT89S51單片機(jī)， nRF24L01， 超聲波傳感器，GFSK

【中圖分類(lèi)號(hào)】G71【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0259-02

1 前言

由于需要測(cè)量的水池或水塔與控制室有相當(dāng)長(zhǎng)的距離，常常需要架設(shè)上百到近千米的輸電和控制線(xiàn)路，費(fèi)用大。給測(cè)量和控制帶來(lái)了極大的不方便。本系統(tǒng)利用單片機(jī)的無(wú)線(xiàn)測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)完成了不需要架設(shè)電纜和實(shí)現(xiàn)水位的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和遙測(cè)，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和生活有極大的實(shí)用價(jià)值。

2 原理框圖

應(yīng)用單片機(jī)控制的水位遙測(cè)自控系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示：

以AT89S51單片機(jī)為主要控制核心，構(gòu)建成兩個(gè)無(wú)線(xiàn)短矩離通信數(shù)字電臺(tái)，利用軟件控制水位傳感器測(cè)量出實(shí)時(shí)的水位信息。而數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳送應(yīng)用Nordic公司的高速無(wú)線(xiàn)單片無(wú)線(xiàn)射頻芯片nRF24L01通GFSK調(diào)制以最高達(dá)1Mbit/s的速度快速發(fā)送出去。通過(guò)設(shè)置主控制站的鍵盤(pán)可以遠(yuǎn)程設(shè)置水位的上下限，主控制站采用易于人機(jī)交換的LCD1602作為數(shù)據(jù)顯示。采用單片機(jī)設(shè)計(jì)具有成本低、效益高的優(yōu)點(diǎn)。另外，單片機(jī)控制系統(tǒng)的靈活性和程序的可移植性好。

鍵盤(pán)：采用獨(dú)立式鍵盤(pán)，AT89S51的I/O口具有位驅(qū)動(dòng)能力，而且所用按鍵數(shù)目不多，可以通過(guò)單片機(jī)軟件利用查詢(xún)或中斷方式簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)各種控制?？紤]到該控制軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)都比較復(fù)雜，CPU需要驅(qū)動(dòng)較多的電子器件，要利用到單片機(jī)內(nèi)部的資源較多，所以采用獨(dú)立式鍵盤(pán)顯示模塊：使用專(zhuān)用的LCD1602顯示驅(qū)動(dòng)器和LCD1602顯示模塊。LCD1602顯示模塊通過(guò)接口接收顯示命令和數(shù)據(jù)，并按指令和數(shù)據(jù)的要求進(jìn)行顯示。LCD顯示模塊一般帶有內(nèi)部顯示RAM和字符發(fā)生器，只要輸入ASCII碼就可以進(jìn)行顯示而且不用一直掃描顯示，可以減輕CPU的工作負(fù)擔(dān)，使其可以去做其它更重要的處理。

液位傳感器：使用超聲波液位傳感器，這種傳感器是通過(guò)測(cè)量超聲波在空氣中行走時(shí)間來(lái)計(jì)算液位的實(shí)時(shí)高度。因?yàn)槌暡y(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果，而且超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。而且它的造價(jià)也不高，且安裝方便，實(shí)用性好。本設(shè)計(jì)屬于近距離測(cè)量，采用常用的壓電式超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波因其方向性好、測(cè)量精度高，已廣泛應(yīng)用于液位、流量、物距等方面的檢測(cè)。本系統(tǒng)采用單片機(jī)輸出40KHZ的方波經(jīng)過(guò)74HC04所組成的幾個(gè)與非門(mén)放大發(fā)射出去，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延時(shí)以后再打開(kāi)外中斷。CX20106A接收到40KHz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入。超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差△T，然后求出距離S。在速度V已知的情況下，距離S的計(jì)算，公式如下為S=V△T/2

遠(yuǎn)程測(cè)量與控制：采用無(wú)線(xiàn)RF射頻模組進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用Nordic公司的收發(fā)一體的無(wú)線(xiàn)RF芯片nRF24L01，通過(guò)簡(jiǎn)單的幾個(gè)外部連接元件可以實(shí)現(xiàn)最高2Mbit/S的速率傳輸。nRF24L01工作在全球開(kāi)放2.4～2. 5GHZ波段，只要通過(guò)SPI把配置字寫(xiě)到nRF24L01里，就可以把所要傳送的數(shù)無(wú)線(xiàn)傳送出去，還以實(shí)現(xiàn)自應(yīng)答和自動(dòng)重發(fā)。其操作簡(jiǎn)單，成本低，且能夠滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)要求。

3 總體硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

主測(cè)控站系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理詳圖如圖2 所示：

從測(cè)控站系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理詳圖如圖3 所示：

4 系統(tǒng)軟件流程圖

（1） 測(cè)控站主程序流程圖如圖4所示：

（2） 超聲波測(cè)距流程圖如圖5所示：

（3） 主控站流程圖如圖 6所示：

（4） 無(wú)線(xiàn)發(fā)射流程圖如圖7所示：

5 結(jié)論

本水位遙測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)于小型水泵的控制采用慢速汲水，以確保超聲波傳感器測(cè)量的精度和水位控制的精度，在測(cè)量水位時(shí)，安裝超聲波傳感器時(shí)要離容器正上方一定高度按裝，以消除超聲波測(cè)量的盲區(qū)。本系統(tǒng)是安裝在容器正上方十厘米處。整套設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，操作方便，具有比較好的穩(wěn)定性，能夠精確的測(cè)量液位，遇警時(shí)能自動(dòng)調(diào)至正常，并且可以在允許范圍內(nèi)任意設(shè)定液位。通過(guò)按鍵可以在允許范圍內(nèi)任意設(shè)定水位報(bào)警的上下限，使得裝置更加智能化。

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