霍聰穎，張郡亮

(衡水學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河北 衡水 053000)

0 引言

衡水湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)坐落在河北省衡水、冀州、棗強(qiáng)之間的三角地帶，是華北平原唯一保持沼澤、水域、灘涂、草甸和森林等完整濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然保護(hù)區(qū)，占地面積 283 km2.其生物多樣性十分豐富，以?xún)?nèi)陸淡水濕地生態(tài)系統(tǒng)和國(guó)家 I、II級(jí)鳥(niǎo)類(lèi)為主要保護(hù)對(duì)象[1].衡水湖濕地具有非常明顯的生態(tài)效益，具有涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄洪水、保護(hù)生物多樣性、保護(hù)土壤的重要作用，并且也是重要的旅游資源.目前為止，衡水湖已承辦兩次國(guó)際馬拉松體育賽事，日漸成為衡水的一張重要名片.衡水湖的水位影響著衡水湖的水生植被、生態(tài)環(huán)境及衡水周邊地區(qū)及其下游地區(qū)的水產(chǎn)養(yǎng)殖、工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水等.所以，設(shè)計(jì)衡水湖的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能如下：

1) 采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距儀主控功能；

2) 采用液晶屏顯示當(dāng)前距離等信息；

3) 采用US-100高精度超聲波收發(fā)模塊，提供非接觸式距離測(cè)量功能，測(cè)距精度達(dá)到3 mm；

4) 當(dāng)測(cè)量距離達(dá)到預(yù)警范圍時(shí)，進(jìn)行蜂鳴器聲音和燈光報(bào)警.

系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分由單片機(jī)STC89C52主控模塊、超聲波收發(fā)模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊及其他單片機(jī)外圍電路組成，如圖 1所示.單片機(jī) STC89C52是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)和控制各部分電路的工作.由于選用的US-100超聲波收發(fā)模塊可以產(chǎn)生40 KHz的方波，故不再需要單片機(jī)編程產(chǎn)生40 KHz的方波，直接由超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波.單片機(jī)在超聲波信號(hào)發(fā)射的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波信號(hào)在空氣中傳播遇到障礙物后發(fā)生反射，反射的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)超聲波接收模塊處理后輸入到單片機(jī)的 INT0端產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí).通過(guò)計(jì)數(shù)器測(cè)得的脈沖數(shù)可得到超聲波信號(hào)往返所需要的時(shí)間，從而達(dá)到測(cè)距的目的.然后將測(cè)量結(jié)果通過(guò) LCD顯示電路顯示到液晶屏上，便可直觀地觀察到測(cè)量距離.如果測(cè)量距離不在安全水位范圍，這時(shí)便觸發(fā)報(bào)警電路工作，通過(guò)指示燈和蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)協(xié)調(diào)、配合共同實(shí)現(xiàn)了超聲波測(cè)距的功能[2].

2.1 主控制模塊

主控制模塊采用的是宏晶公司生產(chǎn)的高性能單片機(jī)STC89C52，該芯片是增強(qiáng)型80C51單片機(jī).超聲波模塊與 STC89C52單片機(jī)的接口原理圖分別如圖 2所示.超聲波模塊引腳從上至下分別為 VCC、TRIG(控制端)、ECHO(接收端)、OUT(空腳)、GND，其中TRIG為單片機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)的引腳，ECHO引腳為US-100模塊送回回響信號(hào)的引腳，接至單片機(jī)外部中斷 P3.2腳上，可以利用外部中斷測(cè)量回響信號(hào)寬度.當(dāng)測(cè)量距離小于閾值時(shí)，單片機(jī)通過(guò)管腳P3.6發(fā)出燈光報(bào)警信號(hào)，觸發(fā)LED報(bào)警燈亮，同時(shí)通過(guò)管腳P3.7發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)beep，該信號(hào)用以觸發(fā)蜂鳴器鳴響報(bào)警.

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)接口原理圖

2.2 US-100超聲波收發(fā)模塊

超聲波測(cè)距的原理一般采用回波探測(cè)法[3].該超聲波收發(fā)模塊可產(chǎn)生 40 KHz的方波，并經(jīng)放大電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射后由超聲波接收探頭接收.經(jīng)接收電路的檢波放大，積分整形，在ECHO引腳上產(chǎn)生方波脈沖，該脈沖寬度與被測(cè)距離成線性關(guān)系.只需要在Trig/TX管腳輸入一個(gè)10 us以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個(gè)40 KHz的超聲波脈沖，然后檢測(cè)回波信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)后，模塊還要進(jìn)行溫度值的測(cè)量，然后根據(jù)當(dāng)前溫度對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，將校正后的結(jié)果通過(guò) ECHO/RX管腳輸出.在此模式下，模塊將距離值轉(zhuǎn)化為340 m/s時(shí)的時(shí)間值的2倍，通過(guò)ECHO端輸出一個(gè)高電平，可根據(jù)此高電平的持續(xù)時(shí)間來(lái)計(jì)算距離值.即距離值 = (高電平時(shí)間 × 340 m/s)/2[4].

使用 US-100超聲波收發(fā)模塊進(jìn)行距離測(cè)量時(shí)，單片機(jī)只需要輸出觸發(fā)信號(hào)，并監(jiān)視回響引腳，通過(guò)定時(shí)器計(jì)算回響信號(hào)寬度，并換算成距離即可.該模塊簡(jiǎn)化了發(fā)送和接收的模擬電路，工作穩(wěn)定可靠.需要注意是測(cè)量周期必須在 60 ms以上，防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響.模塊共有兩個(gè)接口，即模式選擇跳線和 5pin接口.模式選擇跳線接口設(shè)置為當(dāng)安裝上短路帽時(shí)為UART(串口)模式，拔掉時(shí)為電平觸發(fā)模式.

2.3 蜂鳴器報(bào)警模塊

單片機(jī)管腳的灌電流比拉電流容量大，所以電路設(shè)計(jì)為低電平輸出時(shí)蜂鳴器響，高電平關(guān)閉.當(dāng)單片機(jī)P3.7腳輸出低電平時(shí)，PNP型三極管8550導(dǎo)通，有集電極電流通過(guò)，蜂鳴器鳴響.當(dāng)P3.7腳輸出高電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器關(guān)閉.

2.4 顯示模塊

顯示模塊部分采用 LCD1602液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，LCD顯示器是利用液晶處理后，便能改變光線的傳輸方向特性來(lái)實(shí)現(xiàn)信息顯示的.LCD1602液晶屏與單片機(jī)接口電路如圖3所示.

圖3 LCD與單片機(jī)接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程圖

圖4為主程序流程圖.開(kāi)機(jī)后亮燈并發(fā)聲約0.5 s表示開(kāi)始工作.T0用于記錄發(fā)射至接收的時(shí)間間隔t(單位是ms).初始化后，程序控制發(fā)射 40 KHZ的超聲波信號(hào)，發(fā)射開(kāi)始立即啟動(dòng)定時(shí)器 0開(kāi)始計(jì)時(shí).發(fā)射時(shí)間為1 ms.CPU接收回波信號(hào)后，立即產(chǎn)生INT0中斷同時(shí)T0立即停止計(jì)數(shù).定時(shí)器T0專(zhuān)門(mén)用于記錄CPU發(fā)射脈沖信號(hào)前沿至回波脈沖信號(hào)前沿之問(wèn)的距離t，由此時(shí)間可換算出水面的距離，并決定“嘟”聲間隙.可設(shè)定T1的定時(shí)值，用來(lái)控制“嘟”聲間隙時(shí)間和閃爍顯示時(shí)間.水位計(jì)算公式為d = (t × 34 cm/ms)/2 = t × 17 cm/ms.

圖4 主程序流程圖

3.2 中斷服務(wù)程序流程圖

一旦CPU接收到回波信號(hào)，外部中斷服務(wù)程序立即啟動(dòng)，進(jìn)入外部中斷入口，首先讀取定時(shí)器的當(dāng)前值，讀取完畢，便可以置測(cè)量成功標(biāo)志，此程序便完成進(jìn)行.具體流程如圖5所示.

圖5 中斷服務(wù)程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

利用超聲波傳輸距離與時(shí)間的關(guān)系，并采用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)出了能精確測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離的超聲波水位監(jiān)測(cè)儀，可以省去人工測(cè)量的成本，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

[1] 韓伏彬,石寶軍.衡水湖濕地生態(tài)建設(shè)“四護(hù)”策略構(gòu)想[J].濕地科學(xué)與管理,2012,8(2):57-59.

[2] 戴曰章,吳志勇.基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2005(2):17-18.

[3] 吳勉.超聲波駐車(chē)暨倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007(17):182-183.

[4] 張春光.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化,2008(9):16-19.