水位遙測自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

孫慶玲 謝劍波

【摘 要】本控制系統(tǒng)以AT89S51單片機為主控單元，通過超聲波傳感器和液位變送器實現(xiàn)液位實時數(shù)據(jù)的檢測和自動控制。該系統(tǒng)具有有性價比高、操作簡便、可視化操作等優(yōu)點。

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

【中圖分類號】G71【文獻標(biāo)識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0259-02

1 前言

由于需要測量的水池或水塔與控制室有相當(dāng)長的距離，常常需要架設(shè)上百到近千米的輸電和控制線路，費用大。給測量和控制帶來了極大的不方便。本系統(tǒng)利用單片機的無線測量和自動控制系統(tǒng)完成了不需要架設(shè)電纜和實現(xiàn)水位的遠程自動控制和遙測，對于工業(yè)生產(chǎn)和生活有極大的實用價值。

2 原理框圖

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

以AT89S51單片機為主要控制核心，構(gòu)建成兩個無線短矩離通信數(shù)字電臺，利用軟件控制水位傳感器測量出實時的水位信息。而數(shù)據(jù)的無線傳送應(yīng)用Nordic公司的高速無線單片無線射頻芯片nRF24L01通GFSK調(diào)制以最高達1Mbit/s的速度快速發(fā)送出去。通過設(shè)置主控制站的鍵盤可以遠程設(shè)置水位的上下限，主控制站采用易于人機交換的LCD1602作為數(shù)據(jù)顯示。采用單片機設(shè)計具有成本低、效益高的優(yōu)點。另外，單片機控制系統(tǒng)的靈活性和程序的可移植性好。

鍵盤：采用獨立式鍵盤，AT89S51的I/O口具有位驅(qū)動能力，而且所用按鍵數(shù)目不多，可以通過單片機軟件利用查詢或中斷方式簡單地實現(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)動較多的電子器件，要利用到單片機內(nèi)部的資源較多，所以采用獨立式鍵盤顯示模塊：使用專用的LCD1602顯示驅(qū)動器和LCD1602顯示模塊。LCD1602顯示模塊通過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碼就可以進行顯示而且不用一直掃描顯示，可以減輕CPU的工作負擔(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，這種傳感器是通過測量超聲波在空氣中行走時間來計算液位的實時高度。因為超聲波測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果，而且超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。而且它的造價也不高，且安裝方便，實用性好。本設(shè)計屬于近距離測量，采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。超聲波因其方向性好、測量精度高，已廣泛應(yīng)用于液位、流量、物距等方面的檢測。本系統(tǒng)采用單片機輸出40KHZ的方波經(jīng)過74HC04所組成的幾個與非門放大發(fā)射出去，經(jīng)過一定時間延時以后再打開外中斷。CX20106A接收到40KHz的信號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差△T，然后求出距離S。在速度V已知的情況下，距離S的計算，公式如下為S=V△T/2

遠程測量與控制：采用無線RF射頻模組進行數(shù)據(jù)傳輸。采用Nordic公司的收發(fā)一體的無線RF芯片nRF24L01，通過簡單的幾個外部連接元件可以實現(xiàn)最高2Mbit/S的速率傳輸。nRF24L01工作在全球開放2.4～2. 5GHZ波段，只要通過SPI把配置字寫到nRF24L01里，就可以把所要傳送的數(shù)無線傳送出去，還以實現(xiàn)自應(yīng)答和自動重發(fā)。其操作簡單，成本低，且能夠滿足本設(shè)計要求。

3 總體硬件系統(tǒng)電路設(shè)計

主測控站系統(tǒng)設(shè)計原理詳圖如圖2 所示：

從測控站系統(tǒng)設(shè)計原理詳圖如圖3 所示：

4 系統(tǒng)軟件流程圖

（1） 測控站主程序流程圖如圖4所示：

（2） 超聲波測距流程圖如圖5所示：

（3） 主控站流程圖如圖 6所示：

（4） 無線發(fā)射流程圖如圖7所示：

5 結(jié)論

本水位遙測自動控制系統(tǒng)對于小型水泵的控制采用慢速汲水，以確保超聲波傳感器測量的精度和水位控制的精度，在測量水位時，安裝超聲波傳感器時要離容器正上方一定高度按裝，以消除超聲波測量的盲區(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)簡潔，操作方便，具有比較好的穩(wěn)定性，能夠精確的測量液位，遇警時能自動調(diào)至正常，并且可以在允許范圍內(nèi)任意設(shè)定液位。通過按鍵可以在允許范圍內(nèi)任意設(shè)定水位報警的上下限，使得裝置更加智能化。

參考文獻

[1]朱愛紅、朱寧文等，基于 AT89C51的超聲波測距系統(tǒng)

[2]求是科技，單片機通信技術(shù)與工程實踐，人民郵電出版社，2005.1

[3]徐晉、趙俊逸、黃勇，《ET13X210/221射頻收發(fā)芯片原理及應(yīng)用》

[4]趙亮 侯國銳編著，單片機C語言編程與實例，人民郵電出版社，2003

[5]康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)：數(shù)字部分.高等教育出版社

[6]鐘啟仁. HT46xx單片機原理與實踐.北京航空航天大學(xué)出版社