衡水湖水位监测系统的设计

霍聪颖，张郡亮

(衡水学院 电子信息工程学院，河北 衡水 053000)

0 引言

衡水湖国家级自然保护区坐落在河北省衡水、冀州、枣强之间的三角地带，是华北平原唯一保持沼泽、水域、滩涂、草甸和森林等完整湿地生态系统的自然保护区，占地面积 283 km2.其生物多样性十分丰富，以内陆淡水湿地生态系统和国家 I、II级鸟类为主要保护对象[1].衡水湖湿地具有非常明显的生态效益，具有涵养水源、调蓄洪水、保护生物多样性、保护土壤的重要作用，并且也是重要的旅游资源.目前为止，衡水湖已承办两次国际马拉松体育赛事，日渐成为衡水的一张重要名片.衡水湖的水位影响着衡水湖的水生植被、生态环境及衡水周边地区及其下游地区的水产养殖、工业和农业生产用水等.所以，设计衡水湖的水位监测系统是非常必要的.

1 系统总体设计

水位监测系统的功能如下：

1) 采用STC89C52单片机作为主控芯片，实现超声波测距仪主控功能；

2) 采用液晶屏显示当前距离等信息；

3) 采用US-100高精度超声波收发模块，提供非接触式距离测量功能，测距精度达到3 mm；

4) 当测量距离达到预警范围时，进行蜂鸣器声音和灯光报警.

系统主要包括硬件设计和软件设计两大部分.

2 系统硬件设计

本系统硬件部分由单片机STC89C52主控模块、超声波收发模块、显示模块、报警模块及其他单片机外围电路组成，如图 1所示.单片机 STC89C52是整个系统的核心部件，协调和控制各部分电路的工作.由于选用的US-100超声波收发模块可以产生40 KHz的方波，故不再需要单片机编程产生40 KHz的方波，直接由超声波发射探头发射超声波.单片机在超声波信号发射的同时开始计时，超声波信号在空气中传播遇到障碍物后发生反射，反射的回波信号经过超声波接收模块处理后输入到单片机的 INT0端产生中断，计数器停止计时.通过计数器测得的脉冲数可得到超声波信号往返所需要的时间，从而达到测距的目的.然后将测量结果通过 LCD显示电路显示到液晶屏上，便可直观地观察到测量距离.如果测量距离不在安全水位范围，这时便触发报警电路工作，通过指示灯和蜂鸣器进行声光报警，整个系统通过协调、配合共同实现了超声波测距的功能[2].

2.1 主控制模块

主控制模块采用的是宏晶公司生产的高性能单片机STC89C52，该芯片是增强型80C51单片机.超声波模块与 STC89C52单片机的接口原理图分别如图 2所示.超声波模块引脚从上至下分别为 VCC、TRIG(控制端)、ECHO(接收端)、OUT(空脚)、GND，其中TRIG为单片机发送触发信号的引脚，ECHO引脚为US-100模块送回回响信号的引脚，接至单片机外部中断 P3.2脚上，可以利用外部中断测量回响信号宽度.当测量距离小于阈值时，单片机通过管脚P3.6发出灯光报警信号，触发LED报警灯亮，同时通过管脚P3.7发出声音报警信号beep，该信号用以触发蜂鸣器鸣响报警.

图1 系统原理框图

图2 单片机系统接口原理图

2.2 US-100超声波收发模块

超声波测距的原理一般采用回波探测法[3].该超声波收发模块可产生 40 KHz的方波，并经放大电路驱动超声波发射探头发射超声波，发射出去的超声波经障碍物反射后由超声波接收探头接收.经接收电路的检波放大，积分整形，在ECHO引脚上产生方波脉冲，该脉冲宽度与被测距离成线性关系.只需要在Trig/TX管脚输入一个10 us以上的高电平，系统便可发出8个40 KHz的超声波脉冲，然后检测回波信号，当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后的结果通过 ECHO/RX管脚输出.在此模式下，模块将距离值转化为340 m/s时的时间值的2倍，通过ECHO端输出一个高电平，可根据此高电平的持续时间来计算距离值.即距离值 = (高电平时间 × 340 m/s)/2[4].

使用 US-100超声波收发模块进行距离测量时，单片机只需要输出触发信号，并监视回响引脚，通过定时器计算回响信号宽度，并换算成距离即可.该模块简化了发送和接收的模拟电路，工作稳定可靠.需要注意是测量周期必须在 60 ms以上，防止发射信号对回响信号的影响.模块共有两个接口，即模式选择跳线和 5pin接口.模式选择跳线接口设置为当安装上短路帽时为UART(串口)模式，拔掉时为电平触发模式.

2.3 蜂鸣器报警模块

单片机管脚的灌电流比拉电流容量大，所以电路设计为低电平输出时蜂鸣器响，高电平关闭.当单片机P3.7脚输出低电平时，PNP型三极管8550导通，有集电极电流通过，蜂鸣器鸣响.当P3.7脚输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器关闭.

2.4 显示模块

显示模块部分采用 LCD1602液晶屏进行数据显示，LCD显示器是利用液晶处理后，便能改变光线的传输方向特性来实现信息显示的.LCD1602液晶屏与单片机接口电路如图3所示.

图3 LCD与单片机接口电路

3 系统软件设计

3.1 主程序流程图

图4为主程序流程图.开机后亮灯并发声约0.5 s表示开始工作.T0用于记录发射至接收的时间间隔t(单位是ms).初始化后，程序控制发射 40 KHZ的超声波信号，发射开始立即启动定时器 0开始计时.发射时间为1 ms.CPU接收回波信号后，立即产生INT0中断同时T0立即停止计数.定时器T0专门用于记录CPU发射脉冲信号前沿至回波脉冲信号前沿之问的距离t，由此时间可换算出水面的距离，并决定“嘟”声间隙.可设定T1的定时值，用来控制“嘟”声间隙时间和闪烁显示时间.水位计算公式为d = (t × 34 cm/ms)/2 = t × 17 cm/ms.

图4 主程序流程图

3.2 中断服务程序流程图

一旦CPU接收到回波信号，外部中断服务程序立即启动，进入外部中断入口，首先读取定时器的当前值，读取完毕，便可以置测量成功标志，此程序便完成进行.具体流程如图5所示.

图5 中断服务程序流程图

4 结束语

利用超声波传输距离与时间的关系，并采用STC89C52单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波水位监测仪，可以省去人工测量的成本，具有一定的现实意义.

[1] 韩伏彬,石宝军.衡水湖湿地生态建设“四护”策略构想[J].湿地科学与管理,2012,8(2):57-59.

[2] 戴曰章,吴志勇.基于AT89C51单片机的超声波测距系统设计[J].计量与测试技术,2005(2):17-18.

[3] 吴勉.超声波驻车暨倒车雷达系统研制[J].现代电子技术,2007(17):182-183.

[4] 张春光.基于单片机的超声波测距系统的设计[J].可编程控制器与工厂自动化,2008(9):16-19.