水位遙測自動控制系統的設計

孫慶玲 謝劍波

【摘 要】本控制系統以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液位實時數據的檢測和自動控制。該系統具有有性價比高、操作簡便、可視化操作等優點。

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

【中圖分類號】G71【文獻標識碼】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長的距離，常常需要架設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。本系統利用單片機的無線測量和自動控制系統完成了不需要架設電纜和實現水位的遠程自動控制和遙測，對于工業生產和生活有極大的實用價值。

2 原理框圖

應用單片機控制的水位遙測自控系統的原理框圖如圖1所示：

以AT89S51單片機為主要控制核心，構建成兩個無線短矩離通信數字電臺，利用軟件控制水位傳感器測量出實時的水位信息。而數據的無線傳送應用Nordic公司的高速無線單片無線射頻芯片nRF24L01通GFSK調制以最高達1Mbit/s的速度快速發送出去。通過設置主控制站的鍵盤可以遠程設置水位的上下限，主控制站采用易于人機交換的LCD1602作為數據顯示。采用單片機設計具有成本低、效益高的優點。另外，單片機控制系統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口具有位驅動能力，而且所用按鍵數目不多，可以通過單片機軟件利用查詢或中斷方式簡單地實現各種控制?？紤]到該控制軟件系統和硬件系統都比較復雜，CPU需要驅動較多的電子器件，要利用到單片機內部的資源較多，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據，并按指令和數據的要求進行顯示。LCD顯示模塊一般帶有內部顯示RAM和字符發生器，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，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，能夠清晰穩定地顯示測量結果，而且超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，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。超聲波因其方向性好、測量精度高，已廣泛應用于液位、流量、物距等方面的檢測。本系統采用單片機輸出40KHZ的方波經過74HC04所組成的幾個與非門放大發射出去，經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射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發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射頻模組進行數據傳輸。采用Nordic公司的收發一體的無線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無線傳送出去，還以實現自應答和自動重發。其操作簡單，成本低，且能夠滿足本設計要求。

3 總體硬件系統電路設計

主測控站系統設計原理詳圖如圖2 所示：

從測控站系統設計原理詳圖如圖3 所示：

4 系統軟件流程圖

（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） 無線發射流程圖如圖7所示：

5 結論

本水位遙測自動控制系統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。本系統是安裝在容器正上方十厘米處。整套設備結構簡潔，操作方便，具有比較好的穩定性，能夠精確的測量液位，遇警時能自動調至正常，并且可以在允許范圍內任意設定液位。通過按鍵可以在允許范圍內任意設定水位報警的上下限，使得裝置更加智能化。

參考文獻

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