水位遥测自动控制系统的设计

孙庆玲 谢剑波

【摘 要】本控制系统以AT89S51单片机为主控单元，通过超声波传感器和液位变送器实现液位实时数据的检测和自动控制。该系统具有有性价比高、操作简便、可视化操作等优点。

【关 键 词】AT89S51单片机， nRF24L01， 超声波传感器，GFSK

【中图分类号】G71【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0259-02

1 前言

由于需要测量的水池或水塔与控制室有相当长的距离，常常需要架设上百到近千米的输电和控制线路，费用大。给测量和控制带来了极大的不方便。本系统利用单片机的无线测量和自动控制系统完成了不需要架设电缆和实现水位的远程自动控制和遥测，对于工业生产和生活有极大的实用价值。

2 原理框图

应用单片机控制的水位遥测自控系统的原理框图如图1所示：

以AT89S51单片机为主要控制核心，构建成两个无线短矩离通信数字电台，利用软件控制水位传感器测量出实时的水位信息。而数据的无线传送应用Nordic公司的高速无线单片无线射频芯片nRF24L01通GFSK调制以最高达1Mbit/s的速度快速发送出去。通过设置主控制站的键盘可以远程设置水位的上下限，主控制站采用易于人机交换的LCD1602作为数据显示。采用单片机设计具有成本低、效益高的优点。另外，单片机控制系统的灵活性和程序的可移植性好。

键盘：采用独立式键盘，AT89S51的I/O口具有位驱动能力，而且所用按键数目不多，可以通过单片机软件利用查询或中断方式简单地实现各种控制。考虑到该控制软件系统和硬件系统都比较复杂，CPU需要驱动较多的电子器件，要利用到单片机内部的资源较多，所以采用独立式键盘显示模块：使用专用的LCD1602显示驱动器和LCD1602显示模块。LCD1602显示模块通过接口接收显示命令和数据，并按指令和数据的要求进行显示。LCD显示模块一般带有内部显示RAM和字符发生器，只要输入ASCII码就可以进行显示而且不用一直扫描显示，可以减轻CPU的工作负担，使其可以去做其它更重要的处理。

液位传感器：使用超声波液位传感器，这种传感器是通过测量超声波在空气中行走时间来计算液位的实时高度。因为超声波测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果，而且超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。而且它的造价也不高，且安装方便，实用性好。本设计属于近距离测量，采用常用的压电式超声波换能器来实现。超声波因其方向性好、测量精度高，已广泛应用于液位、流量、物距等方面的检测。本系统采用单片机输出40KHZ的方波经过74HC04所组成的几个与非门放大发射出去，经过一定时间延时以后再打开外中断。CX20106A接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入。超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差△T，然后求出距离S。在速度V已知的情况下，距离S的计算，公式如下为S=V△T/2

远程测量与控制：采用无线RF射频模组进行数据传输。采用Nordic公司的收发一体的无线RF芯片nRF24L01，通过简单的几个外部连接元件可以实现最高2Mbit/S的速率传输。nRF24L01工作在全球开放2.4～2. 5GHZ波段，只要通过SPI把配置字写到nRF24L01里，就可以把所要传送的数无线传送出去，还以实现自应答和自动重发。其操作简单，成本低，且能够满足本设计要求。

3 总体硬件系统电路设计

主测控站系统设计原理详图如图2 所示：

从测控站系统设计原理详图如图3 所示：

4 系统软件流程图

（1） 测控站主程序流程图如图4所示：

（2） 超声波测距流程图如图5所示：

（3） 主控站流程图如图 6所示：

（4） 无线发射流程图如图7所示：

5 结论

本水位遥测自动控制系统对于小型水泵的控制采用慢速汲水，以确保超声波传感器测量的精度和水位控制的精度，在测量水位时，安装超声波传感器时要离容器正上方一定高度按装，以消除超声波测量的盲区。本系统是安装在容器正上方十厘米处。整套设备结构简洁，操作方便，具有比较好的稳定性，能够精确的测量液位，遇警时能自动调至正常，并且可以在允许范围内任意设定液位。通过按键可以在允许范围内任意设定水位报警的上下限，使得装置更加智能化。

参考文献

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[2]求是科技，单片机通信技术与工程实践，人民邮电出版社，2005.1

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[6]钟启仁. HT46xx单片机原理与实践.北京航空航天大学出版社