液位远程监控系统的研究

【摘 要】本文主要介绍了液位远程监控系统的设计原理和过程，并进行了系统测试，结果表明系统可以实现对液位高度传感器的稳定控制，反应快速准确、智能化程度高、运行稳定、结构小巧美观，具有很好的实用性。

【关键词】单片机；液位高度处理；LCD；实时显示

1 系统硬件电路设计

本系统的设计根据单片机的控制，通过无线传输来远距离来测试液位高度并实时显示出来，我们根据单片机的控制原理，来控制相关器件的相关工作，控制液位高度的采集，数据的发射和接受，并利用51单片机把数据发送到液晶上实时显示出来，具体工作过程：

利用单片机控制无线模块，发出采集液位高度命令，等待自动应答，在测量液位高度系统收到命令后，开始采集液位高度，转化完毕以后，由单片机控制无线模块把液位高度发出去，等待自动应答。控制系统收到数据后，自动应答。收到的液位高度首先经过处理，在液晶上实时显示出来，并且发送到LCD12864上面实时显示出来，同时判读液位高度是否超过设置的告警液位高度，若是超过报警液位高度，则发送报警命令，使测试系统做出反应，例如，蜂鸣器报警，继电器断开，同时红色指示灯亮，为超过报警液位高度。若是没有超过报警液位高度，则发送正常命令，使测试系统正常工作，继电器吸合，蜂鸣器关闭，绿色指示灯亮。

另外在我们增加相应的按键控制单片机，设置报警液位高度，调节时间，可以实时观测液位高度。增加液晶处理，通过计算机来实时观测液位高度变化。

在此系统中，测试系统主要是负责采集多路数据将其送至液晶，与此同时单片机也会进行将数据转换为对应的液位高度示数在液晶上显示。测试系统主要由单片机，超声波传感器，无线模块，继电器控制系统，蜂鸣器报警系统，液晶显示电路等组成。

1.1 单片机最小系统电路设计

AT89S52单片机是现在最常用的单片机之一。它带4K字节闪烁，是高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

1.2.1 液晶显示模块

液晶显示模块是128x64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（16X16），128个字符（8X16点阵）及64X254点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8—位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示，画面移位，睡眠模式等。

采用P0口来给控制数据及命令传输，因为PO口没有接上拉，我们在电路上接4.7千欧的上拉电阻，提高推拉电流的能力。

1.2.2 超声波传感器电路设计

超声波测距模块，拥有超宽的电压输入范围，功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，内带看门狗，工作稳定可靠。

1.2.3 按键控制电路

根据需要，数据需要进行相关的设置和控制，设置了这款电路，因为该电路比较简单，运用了独立键盘，来扫描每个IO口的状态，进行判断，同时我们在软件进行了消抖处理。

1.2.4 无线模块电路

NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型 ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9 MA；接收时，工作电流只有12.3 MA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。

针对其电路要求比较高，设计难度比较大，直接选用了无线模块，该模块电路如图2所示。

1.3 测试系统电路设计

对于测量液位高度系统我们需要接受控制系统的命令，根据命令做出判断，然后让继电器有相应的动作，蜂鸣器是否报警，显示不同的指示灯代表不同的状态，

1.3.1 超声波传感器测量液位高度模块

测距工作原理：

（1）模块接收到触发信号后，自动发送8个40khz的方波，然后检测是否有信号返回。

（2）有信号返回，计算超声波发送和返回的时间间隔，最后综合计算得出当前的测试距离。

（3）当为电平触发模式时，模块将距离值转化为 340m/s时的时间值的 2倍，通过 Echo端输出一高电平，可根据此高电平的持续时间来计算距离值。即距离值为：（高电平时间*340m/s）/2。

1.3.2 继电器控制系统

根据不同液位高度，做出相应的判断，我们用继电器控制相应的电路来工作，继电器结构比较简单，如图3所示。

1.3.3 蜂鸣器报警及LED指示系统

为了更加直观，我们填加了蜂鸣器报警和LED灯来指示电路的工作。

1.3.4 无线控制模块

测量液位高度系统的无线传输电路与控制系统的一样，这里也不再叙述。

1.4 电源模块电路

在系统中需要5V的单片机供电，和3.3V的无线模块供电我们之间用了稳压模块LM7805和ASM1117分别用来提供相应的电压5V和3.3V电压，电路图如图4、5所示。

图4 LM7805提供5V电压电路

图5 ASM1117提供3.3V电压电路

2 系统测试

我们对成品进行了相关的测试，打开开发板，开发板显示当前时间，按下测试键，控制系统就向测试系统发射测试信号，测试系统收到信号后，开始进行液位高度转换，转化完毕以后然后发送红液位高度给控制系统。如此反复循环，不断发送命令和测试液位高度。我们通过加水，使液位高度升高，达到测试报警液位高度，查看反应状态。

测试结果表明，液位远程监控系统可以实现对液位高度传感器的稳定控制，测量液位高度对功能进行了扩展与创新；而且功能上分别设置了预置固定液位高度报警、手动设置液位高度报警功能和智能自动调控液位高度等，并且通过无线控制在屏幕上和液晶上实时显示出来。实现了液位高度的准确报警、实时液位高度显示及液位高度的智能控制等。

3 总结

本系统的设计方案有多种，上述方案是从多种方案中选出的最优方案，其具有功能强、成本低、元件少、精度高、可靠性好、稳定性高、抗干扰性强、执行速度快、简单易行、具有实效性、使用范围广等特点，故具有推广价值。液位远程监控系统可以实现对液位高度传感器的稳定控制，测量液位高度对功能进行了扩展与创新；而且功能上设置了预置固定液位高度报警，并且实时显示出来。该系统的设计已基本完成，各部分功能已实现。考虑到具体应用，本系统还存在诸多需要多改进之处，以后将进一步完善。

参考文献：

[1]吴戈，李玉峰.案例学单片机C语言开发[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[2]江志红.51单片机技术与应用系统开发案例精选[M].北京：清华大学出版社，2008.

作者简介：

姚晓冬，男，1983年11月出生，现工作于国投新集能源股份有限公司板集煤矿自动化工作站，机电助理工程师。