顏浩 周林 欒文洲 逄增棟 嚴俊

摘要：為保證水池液位一直處于安全位置以下，設計了一款以STC89C52單片機為控制芯片的超聲波非接觸式液位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用HC-SR04實現(xiàn)測距功能，溫度采集用于聲速補償，固態(tài)繼電器控制三相電動機通斷，LCD1602作為顯示界面，按鍵用于參數(shù)設定。測量距離不在設定范圍內(nèi)時，系統(tǒng)自動判斷并控制三相電動機的啟停，該系統(tǒng)實現(xiàn)了弱電控制強電，實現(xiàn)無人值守自動排水。通過實際安裝應用表明，系統(tǒng)滿足設計要求，具有操作簡單性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

Abstract： In order to ensure that the liquid level of the pool is always below the safe position， an ultrasonic non-contact liquid level control system based on STC89C52 single-chip microcomputer is designed. The system uses HC-SR04 to achieve ranging function， temperature acquisition for sound speed compensation， solid state relay control three-phase motor on and off， LCD1602 as a display interface， keys for parameter settings. When the measurement distance is not within the setting range， the system automatically judges and controls the start and stop of the three-phase motor. This system realizes weak current control and strong power， and realizes unattended automatic drainage. The actual installation and application show that the system meets the design requirements and has the advantages of simple operation and stable performance.

關(guān)鍵詞：STC89C52;超聲波;固態(tài)繼電器;三相電動機;LCD1602

Key words： STC89C52;ultrasounic;solid state relay;three-phase motor;LCD1602

中圖分類號：TP212.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）34-0117-03

0? 引言

在現(xiàn)實生活中利用超聲波測距的應用越來越多，超聲波是一種非接觸式的測距傳感器。超聲波指向性強，能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠。與其它測距方式相比，它不受天氣、光線及被測物體顏色的影響。對于被測物處于煙霧、有灰塵、電磁干擾、黑暗等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力[1]。該系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波傳感器作為距離測量傳感器，測量出與液位之間的距離，把測量數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上面，單片機通過測量的數(shù)據(jù)間接控制固態(tài)繼電器，實現(xiàn)對三相電機的啟停控制。該系統(tǒng)在測量的距離小于上限距離時，系統(tǒng)報警，同時啟動三相電機自動排水，當系統(tǒng)測量的距離大于下限距離時，三相電機自動停止，系統(tǒng)距離閾值可根據(jù)實際情況設置。該系統(tǒng)實現(xiàn)了弱電控制強電，實現(xiàn)無人值守自動排水功能，減少了人工操作環(huán)節(jié)，避免了人工操作的安全隱患并且安裝簡單，成本低，具有很強的實用價值。

1? 系統(tǒng)設計原理

1.1 系統(tǒng)工作原理

采用超聲波測量距離，將距離顯示在LCD1602上，通過按鍵設置水池水位的上端和下端的安全距離，當測量的距離低于上端的安全距離時，系統(tǒng)報警提示，同時單片機通過P2.0引腳輸出低電平信號，觸發(fā)小型直流繼電器工作，小型直流繼電器導通，從而觸發(fā)固態(tài)繼電器導通，三相電機將啟動進行自動排水;當測量的距離低于下端的安全距離時，單片機通過P2.0引腳輸出高電平信號，小型直流繼電器停止工作，無輸出信號，從而固態(tài)繼電器不導通，三相電機將自動停止抽水。自動排水控制系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

1.2 超聲波測距原理

采用超聲波測量傳感器與水池水面之間的距離，當超聲波傳感器的發(fā)射端發(fā)出信號后，遇到水面，就會將信號反射回來，利用超聲波的這種特性，采用時間差值檢測法[2]進行對水池水面距離的測量。其測量原理是超聲波發(fā)射端向水面方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射聲波的同時開始計時。聲波在空氣中傳播，碰到水面立即反射回來，超聲波接收端接收到反射信號就立即停止計時。根據(jù)計時器記錄的傳播時間及聲波在空氣中傳播的速度，就可以計算出發(fā)射端距水面的距離，計算公式為：S=Vt/2，由公式V=331.5+0.607T，可以確定出安裝使用環(huán)境下的聲速V。公式中：S 表示測量距離;t表示聲波發(fā)射到聲波返回的時間間隔;V 表示聲波在空氣中傳播的速度，其值受到環(huán)境溫度的影響;T表示安裝環(huán)境的溫度（℃）[3]。將測量的距離在LCD1602上面顯示出來。

2? 系統(tǒng)硬件電路設計圖

本系統(tǒng)硬件電路設計主要分為：電源模塊、單片機最小應用系統(tǒng)、溫度模塊、超聲波模塊、繼電器模塊、按鍵模塊，1602LCD顯示電路。系統(tǒng)硬件電路設計圖，如圖2所示。

3? 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)程序流程圖

該系統(tǒng)采用C語言模塊化程序設計。系統(tǒng)程序主要包括溫度采集模塊、超聲波測距模塊程序、繼電器模塊程序、LCD顯示模塊程序、按鍵模塊程序、報警模塊程序等。主程序流程圖如圖 3所示。

3.2 主程序設計

程序采用模塊化設計，進入主程序，首先檢測蜂鳴器狀態(tài)，初始化單片機IO口，初始化LCD1602和定時器，調(diào)用執(zhí)行一次溫度采集函數(shù)和超聲波測距函數(shù)，LCD顯示用戶設定初始的上限和下限值。進入while循環(huán)，執(zhí)行主程序。

void main（）

{

speaker = 0;

delay_1ms（200）;

P0 = P1 = P2 = P3 = 0XFF;

init_1602（）;

time_init（）;

get_temperature（）;

ultrasouic_ dis（）;

write_lcd（2，3，Up）;

write_lcd（2，11，Down）;

while（1）

{

get_temperature（）;

ultrasouic_ dis（）;

write_lcd（1，8，distance）;

Relay（）;

key（）;

if（key_can < 5）

{

key_with（）;

}

}

}

3.3 溫度采集程序設計

在本系統(tǒng)設計中采用DS18B20溫度傳感器采集環(huán)境溫度，將采集的溫度用于計算超聲波測距的聲速，補償聲速受環(huán)境溫度的影響，提高測量距離的精確性。

uint get_temperature（）

{

float temperature;

uchar a，b;

delay_1ms（2）;

write_lcd_byte（0xcc）;

write_lcd_byte （0xbe）;

a= write_lcd_byte （）;

b= write_lcd_byte （）;

temp=b;

temp<<=8;

temp=temp|a;

temperature=temp*0.0625;

temp=temperature*100+0.5;

return temp;

}

3.4 超聲波測距程序設計

首先超聲波的發(fā)射端發(fā)射出一個超聲波脈沖信號，延時10ms關(guān)閉脈沖信號，等待接收端接收返回的信號，開啟定時器T0計時，當接收到信號后立即執(zhí)行while（ultrasouic_recive）函數(shù)，利用計數(shù)器 T0中的計數(shù)計算出被測液面與超聲波測距儀之間的距離[4]。

void ultrasouic_dis （）

{

TH0 = 0;

TL0 = 0;

TR0 = 0;

ultrasouic_send = 1;

delay（）;

ultrasouic_send = 0;

while（！ultrasouic_recive）;

TR0=1;

while（ultrasouic_recive）

{

flag_time0 = TH0 * 256 + TL0;

if（（flag_time0 > 23530））

{

TR0 = 0;

distance = 888;

break ;

}

else

{

flag_ultrasouic_utility = 1;

}

}

if（flag_ultrasouic_utility==1）

{

TR0=0;

V =331.5+0.607* temp;

distance = flag_time0/2* V;

if（（distance > 400））

{

distance = 888;

}

}

}

3.5 繼電器程序設計

對測量的距離與用戶設定的上限和下限距離相比較，當測量的距離小于用戶設定的上限距離時，固態(tài)繼電器吸合，此時啟動三相異步電機;水位不斷下降，當測量的距離大于用戶設定的下限距離時，固態(tài)繼電器斷開，三相異步電機停止工作。

void Relay（）

{

if（distance<Up）

{

Relay1 = 0;

}

else if（distance>Down）? ?Relay1 = 1;

}

4? 安裝調(diào)試與應用

表1為同一環(huán)境高度下不同液面測量的距離與實際距離。將制作好的超聲波測距儀安裝在應急排水池上方60cm處固定好，通過實驗得到以下數(shù)據(jù)。

通過實驗數(shù)據(jù)表明，在有效數(shù)據(jù)測量范圍內(nèi)，測量距離與實際距離的誤差均小于1.5%，滿足系統(tǒng)設計要求。

表2為實際安裝應用時系統(tǒng)測試結(jié)果，當系統(tǒng)測量的距離小于設定的安全距離上限時，電機自動啟動進行排水，當系統(tǒng)測量的距離大于設定的安全距離下限時，電機自動停止排水。經(jīng)過一段時間實際安裝測試應用，該系統(tǒng)滿足廠內(nèi)自動排水要求，能夠保證液面一直處于安全位置，避免了因積液而造成的安全隱患。

5? 結(jié)束語

通過超聲波測量距離，實現(xiàn)了應急排水池的自動排水，保證液面一直處于安全位置，減少了人工操作環(huán)節(jié)，避免了人工操作的安全風險，避免了夜間水池液面超過安全距離而造成的危險。該測距自動排水系統(tǒng)設計簡單，安裝方便，實現(xiàn)無人值守自動排水的功能，在實際安裝應用中取得很好的效果。在硬件制作中充分考慮了三相交流固態(tài)繼電器扇熱性能，采用鋁排安裝固定并在接觸面涂有散熱硅膠，避免雨季因頻繁啟動過熱而損壞繼電器;考慮了環(huán)境溫度對超聲波聲速的影響，采用DS18B20測量安裝環(huán)境的溫度，用于補償超聲波傳感器聲速受溫度的影響，提高測量距離的精確性。該系統(tǒng)實現(xiàn)了弱電控制強電，具有抗干擾能力強，設計簡單，安全可靠，精確度高、成本低和操作簡單等特點，可以廣泛應用于排水、防洪坑的自動排水。

參考文獻：

[1]劉玉芹，劉敬文.超聲波測距儀在移動機器人避障中的應用[J].儀器儀表學報，2006（S2）：541-542.

[2]李航，王可人.基于STC89C52RC的超聲波測距系統(tǒng)設計[J].電子測試，2010（1）：55-58.

[3]唐萬偉，張銀蒲，申彥春.基于AT89S52單片機的超聲波測距系統(tǒng)設計[J].唐山學院學報，2012（25）：17-18，21.

[4]郭清.基于STC89C52的超聲波測距防撞系統(tǒng)設計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（6）：74-77.

[5]周衛(wèi)兵.固態(tài)繼電器的特點及應用[J].山西電子技術(shù)，2010.