自动蓄水系统设计.docx
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自动蓄水系统设计
毕业论文
题目自动蓄水系统设计
姓名肖平安
学号********
系部理工系
专业年级电子信息工程一班
指导教师彭沛夫
2016年5月1日
中南林业科技大学涉外学院本科毕业论文诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业论文，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除论文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本科毕业论文作者签名：
年月日
摘要
蓄水装置在日常生活和工业应用中发挥这重要作用。
该设计是针对水位检测和控制的实际问题开发的一种基于单片机的超声波水位控制器，深入讨论了用超声波作为信号源进行液位检测的可行性以及优越性，同时实现了水位的自动控制这一功能。
基于传统的测量距离必须要碰触到物体这个不便之处。
比如，距离液面高度测量，以前都是使用采用差位分布电极，通电来检测液面，但是检测器长期放在液体介质里面，容易受到破坏，无法保持良好性能，要进行非接触性的测距，因此想到运用超声波。
结合单片机STC89C52，使得超声波测距系统更加智能自动化。
系统的显示模块则是采用LCD1602液晶显示屏，显示水位信息以及设定的水位数值。
该系统使用超声波水位传感器对水位进行检测然后将检测到的信号传给单片机STC89C52进行处理，从而实现对水位的监测、超限报警等功能。
最后，使用LCD1602液晶显示屏显示当前水位高度，并且可以通过使用手动按键来调整目标水位的深度。
本系统适用在不同的用水场合下的需要，能节省工作时间，提高系统整体的工作效率，实现对蓄水池水位的自动控制。
关键词：
单片机STC89C52；超声波；模块；水位；检测
TitleDesignofautomaticwaterstoragesystem
Abstract:
Waterstoragedeviceinourdailylifeandplaytheimportantroleinindustrialapplication.Thisdesignisaimedatwaterleveldetectionandcontrolofthepracticalproblemsofthedevelopmentofaultrasonicwaterlevelcontrollerbasedonsinglechipmicrocomputer,discussedhowtouseultrasoundasasourceforthefeasibilityandtheadvantagesoftheliquidleveldetection,realizedtheautomaticcontrolofwaterlevelatthesametimethisfeature.Basedonthetraditionalmeasuringdistancemusttouchtheobjectofthisinconvenience.Distanceliquidlevelheightmeasurement,forinstance,isusingthedifferencebeforeelectrodes,electricitytodetectliquidlevel,butthedetectorinaliquidmediumforalongtime,easytodamage,unabletokeepgoodperformance,mustcarryonthenon-contactranging,sothinkofusingultrasound.CombiningmicrocontrollerSTC89C52,makeultrasonicrangingsystemmoreintelligentautomation.SystemisadoptLCD1602LCDscreendisplaymodule,displaywaterlevelinformationandsetthewaterlevelvalue.ThesystemUSESultrasonicwaterlevelsensortotestthewaterandthendetectthesignalstosinglechipmicrocomputerSTC89C52processing,soastorealizethefunctionsuchaswatermonitoring,overrunalarm.Finally,usingtheLCD1602LCDdisplayshowsthecurrentwaterlevel,andcanbethroughtheuseofmanualbuttonstoadjustthedepthofthetargetlevel.Thissystemistheneedofwaterindifferentoccasions,cansavetheworkingtime,improvetheworkingefficiencyofthesystemasawhole,realizetheautomaticcontrolofthereservoirwaterlevel.
Keywords:
MCUSTC89C52,Ultrasonic,module,waterlevel,testing
结论18
致谢19
参考文献20
1引言
1.1选题背景及意义
超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。
但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。
距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。
而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。
超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。
因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。
比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。
将超声波测距应用于自动蓄水池设计也是近年来非常重要的研究课题。
超声波测距水位是一种极有潜力的方法，本文结合超声波的特性设计了一个简单实用的超声测距系统。
1.2国内外研究状况及发展趋势
我们国家早在建国初期就已经对超声波以及其特性做过了较多的研究与探测，并取得了举世瞩目的成就。
进入21世纪后在电子科学技术的飞跃发展前提之下，尤其是嵌入式和微处理器技术的高速发展，使得之前相对来说复杂的超声波测距系统设计变为可能并且迅速得到发展，如采用zilog公司的z86E08单片机控制的超声波测距数显装置，以8098单片机为核心的智能物位测量仪等。
随着工业生产的不断提高，对于科技的要求也越来越高，而距离的测量在许多工业生产中都有着重要作用，并且人们对于距离和长度的测量环境和精度的要求越来越高，国内科研人员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。
本设计所研究的超声波测距是一种典型的非接触测量，它与红外测距，激光测距等相比较，超声波测距对外界的色彩，光线和电磁影响的抗干扰能力更强，并且在有毒、灰尘、以及烟雾等恶劣的环境下仍然能工作，由于声波在空气中的传播速度要远远小于光波和无线电波在空气中的传播速度，所以其适用于测量精度不要求太高的场合，超声波测距的系统更容易实现，结构也相对简单，耗费更低，且超声波在传输过程中不受烟雾等能见度的影响，所以其在众多的领域都有广泛的应用，如测量海洋深度，建筑高度的测量，机器人智能识别，汽车倒车防撞系统等。
1.3设计思路与结构
本设计采用STC89C52型号单片机作为主控器件，HC-SR04是专门用于超声波发射和接收的模块，虽然其内部电路较为复杂，但是作为一个模块，其外设接口简单，可以很方便地与单片机连接构成超声波测距系统，因此只需要根据超声波发射遇到障碍物反射回来的特性，就可以较为方便地设计出测距系统。
只要用单片机给超声波发射和接收模块一个发射信号，模块就发射超声波并且在发射的同时开启定时器计时，超声波在遇到障碍物后就会反射回来被模块接收到超声波，此时此刻停止计时，然后就可以很快地将时间换算成为我们所测得距离。
由于超声波在空气中的传播速度受温度影响较大，因此该设计还增加了测量当前环境温度的模块，主要是用于温度补偿。
2系统硬件设计
HC-SR04
超声波测距模块
单片机STC89C52系统
DS18B20测温模块
按键模块
LCD1602
显示模块
蜂鸣器报警模块
系统由单片机主控部分和超声波测距模块部分组成。
主控部分包括单片机STC89C52系统、LCD1602显示模块、DS18B20测温模块模块、串口通信模块和蜂鸣器报警模块。
超声波测距部分包括HC-SR04超声波测距模块：
超声波发射模块和接收模块。
图2.1总体设计框图
总体设计框图如图2.1所示。
本设计采用单片机STC89C52作为中央处理器，用于控制HC-SR04超声波测距模块发射和接收声音，同时利用其内部的定时器得到超声波发射和接收所用的时间，并且根据DS18B20测出温度参数通过一定算法换算成测距系统与被测物之间的距离，最后通过LCD1602显示其距离，并且该系统还具备自行设置测距范围，测距范围的设置由薄膜键盘按键实现，然后再加上蜂鸣器报警模块，当所测距离超出范围时，单片机STC89C52将控制蜂鸣器发声，以实现报警功能。
超声波测距模块主要用于根据单片机STC89C52控制信号发射声音，并且单片机此时会将接受回来的声波用于编码，然后解码，从而实现单片机发射和接收功能。
DS18B20主要是测试环境温度，并且把测试到的环境温度输入单片机处理。
LCD1602用于显示测距系统与被测物间的距离和实时环境温度。
薄膜键盘用于设置测量范围值，蜂鸣器则是用作报警。
2.1主控部分
2.1.1单片机STC89C52系统
单片机控制模块为系统的核心控制单元。
单片机STC89C52的INT1/P3.3端口用于输出发射器所需的40kHz方波信号，INT0/P3.2端口用于检测接收器输出的返回信号。
液晶显示电路采用LCD1602，使用单片机的P0口和P2口完成显示功能。
RXD/P3.0和TXD/P3.1端口用于串口数据的接收与发送。
P1.2和P1.3分别为超声波的接收与发送使能端口。
P3.4端口用于接收从温度传感器DS18B20获取的温度信息。
2.1.2LCD1602液晶显示模块
液晶显示模块用于显示当前的环境温度和测得的距离值。
显示器件LCD1602的优点是微功耗、体积小、显示内容丰富。
它识别的是ASCII码，可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值。
单片机的P0口和P2口与液晶模块相连，其中P0.0～P0.7端口用于LCD1602的数据输出，P2.0～P2.2端口分别用于显示模块的数据命令选择，读写选择和使能控制。
R6和R7分别用于调节LCD1602的亮度和对比度。
2.1.3蜂鸣器报警模块
本测距系统带有超出手动设置量程报警的功能，报警装置采用压电式蜂鸣器发声来报警。
蜂鸣器是目前使用较多的一种小型发声类器件。
通常采用直流电源供电，广泛被用在小型嵌入式装置，声控系统，实验开发箱，报警装置，打印装置中。
蜂鸣器按照其工作方式来分类可分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器。
压电式蜂鸣器主要由压电发声片、阻抗匹配电路及共鸣器、多谐振荡器、塑料外壳等组成。
多谐振荡器由三极管或者CMOS管组成，也可由专门IC组成。
当接通1.5V-15V电源后，多谐振荡器起振，输出1.5-2.5kHz的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由特殊的化学压电陶瓷材料制成。
在陶瓷片的两面镀有一层电极，在经过极化处理后，再与另外一种金属片粘贴在一起来构成。
在嵌入式应用的设计上，很多设计都需要用到蜂鸣器，由于蜂鸣器的发声稳定特性，经常将蜂鸣器用作报警和提示的作用，还有也可用作按键、步骤提示或是故障停止等方面作用。
由于自激蜂鸣器大部分是采用直流电压来驱动，而很少使用交流电，只需对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音。
蜂鸣器报警模块如图2.2所示。
图2.2蜂鸣器报警模块原理图
2.2超声波测距部分
超声波测距单元的框图如图2.3所示。
系统中采用的换能器是中心频率为40.0kHz±0.1Hz的发射器255-400ST16和接收器255-400SR16。
该换能器具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。
安装时应保持2个换能器中心轴线平行并相距4~8cm，若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，可提高抗干扰能力。
图2.3超声波测距单元
2.2.1超声波发射电路
只要使用40kHz的方波激励换能器就可以产生超声波。
超声波发射电路如图2.4所示。
电路中使用MOSFET管ZXM61P03F进行电源管理，当单片机的P1.3端口为低电平时，电路通电。
MAX864为电压转换芯片，它将输入的5V电源进行加倍，转换为正电源+10V和负电源-10V两路输出，提供给其后的LM8261使用。
FC1和FC0为MAX864内部晶振频率选择位，当FC1和FC0均为高电平时，晶振频率为最大值，高频率可以保证MAX864不会对其它电路造成干扰，此时所需的外围电容值（C9,C11,C12,C13）为1μF。
LM8261是一个具有高输出电流的运算放大器，较高的输出电流可以使产生的超声波有足够的能量传播较远的距离。
LM8261的同相输入端与单片机的INT1/P3.3端口相连，在这个端口连续发出高低电平时，LM8261的输出端就会产生方波。
当方波的频率为40kHz时，就会激励超声波发射器发出超声波。
图2.4超声波发射电路
2.2.2超声波接收电路
接收电路主要负责将超声波信号转变为电信号。
换能器在接收到超声波信号时，由于压电效应会在两个接头上产生微弱的电压信号，一般为毫伏级。
微弱的电压信号需通过放大电路进行放大、整形，进一步设计比较器电路将模拟信号转变成为数字信号。
因此，接收电路包括接收换能器，放大电路以及比较整形电路3部分。
电路如图2.5所示。
回波放大电路使用的是具有两级放大功能的LMV822MM，R15和R16组成分压电路，为同相输入端提供基准电压。
其中可以通过调节第二级中的电位器R22来改变放大器的增益，从而调节放大电路的电压放大倍数，以适应接收信号变化范围大的需要。
回波放大电路和稳压电路输出的是模拟信号，电路中利用运算放大器LMC7215组成的比较器将模拟信号转变为数字信号，以便单片机进行处理。
R20和R21为比较器提供基准电压。
当反向输入端电压超过基准电压时，输出低电平，否则输出为高电平。
这样，若有超声波信号被接收，比较器电路输出端会有由高到低的电平跳变。
单片机的INT0/P3.2端口连接到比较器的输出，以捕捉电平的跳变，从而判断超声波是否被接收。
同时，比较器还解决了发射换能器发出的超声波脉冲没有经过反射物直接被接收器所接收的问题。
图2.5超声波接收电路
2.2.3超声波控制蓄水
首先设定目标水位值，如设定目标水位为N，根据超声波探测到的数值M反馈到单片机STC89C52，如果M小于N，灯光显示为绿色，则可以继续蓄水，如果M大于或等于N，灯光显示为红色，报警器发出警报，系统将停止蓄水，并且开始启动排水系统，将多余的水排出蓄水池知道M数值等于N。
目标值和实际测量值均可在LCD1602显示器上显示。
3系统软件设计
3.1软件设计总流程
Step1:
系统的初始化工作。
主要包括在液晶显示屏LCD1602上显示两行预设字符，“Temp：
”和“Dist：
”，分别为环境温度和测量距离的提示字符；设置定时器、外部中断的触发方式；打开发送使能端P1.3和接收使能端P1.2；清零测量成功标志succeedFlag。
Step2:
利用温度传感器DS18B20测量环境温度，并将温度值显示在液晶显示屏第一行“Temp：
”的后面；根据公式
（2）计算出超声波的传播速度。
Step3:
启动定时器T1开始计时，同时连续发送8个频率为40kHz的超声波信号（对P3.3口的高、低电平分别进行12μs、13μs的延时，实现从P3.3口输出频率为40kHz的方波信号）；延时10μs后，打开外部中断EX0和总中断EA，等待IT0/P3.2处电平的跳变。
10μs的延时也可以有效地避免发射换能器发出的超声波脉冲没有经过反射物直接被接收器所接收的问题。
Step4:
超声波在传播过程中，遇障碍物后反射回波。
当接收探头接收到回波时，外部中断0被触发，此时执行中断服务程序。
即取出定时器的高低位TH1和TL1，置位测量成功标志succeedFlag，并关闭中断。
定时器所计的数据即为超声波所经历的时间。
tep5:
由以上步骤中所得定时器的值和超声波速度，根据式
（1）计算测量距离。
Step6:
重复步骤2～5五次后，获得5次测距值。
去除其中的最大值和最小值，取中间3值的平均值为当前的测距结果，并将测距结果显示在液晶显示屏第二行“Dist：
”之后。
Step7:
重复步骤2～6，当有连续三次的预备显示测距结果与当前的显示结果不同时，将预备显示测距结果显示在液晶显示屏上。
这样设计是为了避免显示频繁导致的液晶显示抖动。
Step8:
重复步骤2～7进行连续地测量。
程序中显示一次测距结果的流程图如图3.1所示。
图3.1程序一次测距流程图
3.2单片机驱动HC-SR04模块程序设计
等待LCD初始化与DS18B20测温完毕后，单片机将I0口P2.6电平拉高并且维持10us以上，之后HC-SR04将自动产生8个40kHz的方波驱动发射头发射超声波，并且使得P2.7口位高电平，当HC-SR04模块接收到发射回来的超声波后，将P2.7端口电平拉低，其时序逻辑图如图3.2所示。
输出回响
信号回响电平输出
与检测距离成正比
图3.2HC-SR04时序逻辑图
3.3单片机STC89C52计算测试模块与障碍物距离算法设计
单片机控制模块通过控制发射换能器发射超声波到固定端面，同时启动定时器开始计时。
超声波经反射后由接收换能器接收，当单片机控制模块接收到第一个反射波信号即停止计时。
单片机根据计时器值计算出时间间隔t。
由于此系统是利用超声波的传输时间来测量距离，就需要考虑声音传输媒介的弹性模量和密度对声速的影响。
在空气中，气体的温度，湿度，压强等因素会引起空气密度和弹性模量的变化，气体声速主要受密度的影响，超声波在气、液、固三者中传播速度关系是固体>液体>气体。
气体中声速受温度影响较大，温度补偿模块采集数字温度，根据公式
（1）计算出超声波速度v。
其中T是空气介质的温度（℃）。
在测量精度要求较高的场合，需要采用温度补偿的方式对超声波的速度校正。
最后利用公式
（2）计算出换能器到障碍物之间的距离d。
液晶显示模块显示当前的温度值T和计算所得的距离d。
薄膜键盘按键模块可以通过按键在线下载单片机程序。
3.4单片机STC89C52定时器计时程序设计
单片机STC89C52内部有两个16位可编程的定时器/计数器，它们均是二进制加计数器，当计数器计时后溢出时，CPU自行产生溢出中断并且置位标志位，用于标示计时时间达到或计数已经终止。
两个定时器/计数器均可编程设置为定时模式和计数模式两种，在这两种模式下又均可设定4种工作方式。
其各类控制字节和状态标示位都存储在特定存储器中，人为设定存储器的初始值，就可改变工作方式和状态。
定时模式下的定时时间和计数模式下的计数值在程序运行之处就可装载相应存储器中。
定时器和计数器主要由16位加法计数器，工作方式寄存器TMOD和控制寄存器TCON组成，定时器/计数器的工作方式，TCON用于控制T0,T1的启动/停止计数。
TCON寄存器的格式如表3.1所示。
TCON的高四位用于定时器/计数器控制，并且可以进行位寻址。
TR0与TR1用于控制定时器/计数器的启动和停止，1为启动，0为停止。
TF0和TF1分别为T0与T1的溢出标志位，当定时或者计数溢出时，由单片机自动置位为1。
表3.1控制寄存器TCON的格式
位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
地址
8FH
8EH
8DH
8CH
8BH
8AH
89H
88H
TCON
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
TMOD的格式如表3.2所示，TMOD寄存器不支持位寻址，高四位为T1方式字段，低四位为T0方式字段，GATE用于控制定时器逻辑输入，C/T控制为定时模式还是计数模式，1为计数，0为定时，M1，M0用于选择定时器的工作方式，其工作方式如表3.3所示。
表3.2方式控制寄存器TMOD格式
位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
TMOD
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
表3.3定时器工作方式
M1
M0
工作方式
0
0
方式0，为13位定时器/计数器
0
1
方式1，为16位定时器/计数器
1
0
方式2，8位初始值自动重载8位定时器/计数器
1
1
方式3，仅适用于T0，分成两个8位计数器，T1停止计数
由定时器的工作原理，我们发射超声波之前配置好定时器工作方式，在单片机发出控制超声波发射的同时开启定时器，一直等到接收到反射回来的超声波时再关闭定时器，就可得到超声波的传播时间。
3.5LCD1602液晶驱动程序设计
VDD与VSS分别为电源正极和电源负极，VL为液晶显示器的对比度调节端口，接VCC时对比度最弱，其对比度取决于VCC电压值与VL接口电压的差值，对比度过高会产生影子。
通常情况下VL端口外接一个电位器，用户可根据需要调节电位器就可以调节对比度。
RS为数据/命令选择端，当RS为高电平时，选择为数据端口，当RS为低电平，选择为命令端口。
RW为读/写选择端，当RW为高电平时写，低电平时读。
E为使能信号，LCD1602正常工作时，E为高电平，当E为低电平时，LCD1602停止工作。
D0-D7为并行数据端口，一般情况下接单片机的
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