為保證水池液位一直處于安全位置以下，下面文章提出設(shè)計(jì)了一種以STC89C52單片機(jī)為控制芯片的超聲波非接觸式液位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用HC-SR04實(shí)現(xiàn)測距功能，溫度采集用于聲速補(bǔ)償，固態(tài)繼電器控制三相電動機(jī)通斷，LCD1602作為顯示界面，按鍵用于參數(shù)設(shè)定。測量距離不在設(shè)定范圍內(nèi)時，系統(tǒng)自動判斷并控制三相電動機(jī)的啟停，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了弱電控制強(qiáng)電，實(shí)現(xiàn)無人值守自動排水。

　　關(guān)鍵詞：STC89C52,超聲波,固態(tài)繼電器,三相電動機(jī),LCD1602

　　在現(xiàn)實(shí)生活中利用超聲波測距的應(yīng)用越來越多，超聲波是一種非接觸式的測距傳感器。超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)。與其它測距方式相比，它不受天氣、光線及被測物體顏色的影響。對于被測物處于煙霧、有灰塵、電磁干擾、黑暗等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力[1]。

　　該系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波傳感器作為距離測量傳感器，測量出與液位之間的距離，把測量數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上面，單片機(jī)通過測量的數(shù)據(jù)間接控制固態(tài)繼電器，實(shí)現(xiàn)對三相電機(jī)的啟停控制。該系統(tǒng)在測量的距離小于上限距離時，系統(tǒng)報警，同時啟動三相電機(jī)自動排水，當(dāng)系統(tǒng)測量的距離大于下限距離時，三相電機(jī)自動停止，系統(tǒng)距離閾值可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了弱電控制強(qiáng)電，實(shí)現(xiàn)無人值守自動排水功能，減少了人工操作環(huán)節(jié)，避免了人工操作的安全隱患并且安裝簡單，成本低，具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。

　　1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

　　1.1系統(tǒng)工作原理

　　采用超聲波測量距離，將距離顯示在LCD1602上，通過按鍵設(shè)置水池水位的上端和下端的安全距離，當(dāng)測量的距離低于上端的安全距離時，系統(tǒng)報警提示，同時單片機(jī)通過P2.0引腳輸出低電平信號，觸發(fā)小型直流繼電器工作，小型直流繼電器導(dǎo)通，從而觸發(fā)固態(tài)繼電器導(dǎo)通，三相電機(jī)將啟動進(jìn)行自動排水;當(dāng)測量的距離低于下端的安全距離時，單片機(jī)通過P2.0引腳輸出高電平信號，小型直流繼電器停止工作，無輸出信號，從而固態(tài)繼電器不導(dǎo)通，三相電機(jī)將自動停止抽水。

　　1.2超聲波測距原理

　　采用超聲波測量傳感器與水池水面之間的距離，當(dāng)超聲波傳感器的發(fā)射端發(fā)出信號后，遇到水面，就會將信號反射回來，利用超聲波的這種特性，采用時間差值檢測法[2]進(jìn)行對水池水面距離的測量。其測量原理是超聲波發(fā)射端向水面方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射聲波的同時開始計(jì)時。聲波在空氣中傳播，碰到水面立即反射回來，超聲波接收端接收到反射信號就立即停止計(jì)時。

　　根據(jù)計(jì)時器記錄的傳播時間及聲波在空氣中傳播的速度，就可以計(jì)算出發(fā)射端距水面的距離，計(jì)算公式為：S=Vt/2，由公式V=331.5+0.607T，可以確定出安裝使用環(huán)境下的聲速V。公式中：S表示測量距離;t表示聲波發(fā)射到聲波返回的時間間隔;V表示聲波在空氣中傳播的速度，其值受到環(huán)境溫度的影響;T表示安裝環(huán)境的溫度(℃)[3]。將測量的距離在LCD1602上面顯示出來。

　　2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖

　　本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要分為：電源模塊、單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)、溫度模塊、超聲波模塊、繼電器模塊、按鍵模塊，1602LCD顯示電路。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1系統(tǒng)程序流程圖

　　該系統(tǒng)采用C語言模塊化程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)程序主要包括溫度采集模塊、超聲波測距模塊程序、繼電器模塊程序、LCD顯示模塊程序、按鍵模塊程序、報警模塊程序等。

　　3.2主程序設(shè)計(jì)

　　程序采用模塊化設(shè)計(jì)，進(jìn)入主程序，首先檢測蜂鳴器狀態(tài)，初始化單片機(jī)IO口，初始化LCD1602和定時器，調(diào)用執(zhí)行一次溫度采集函數(shù)和超聲波測距函數(shù)，LCD顯示用戶設(shè)定初始的上限和下限值。進(jìn)入while循環(huán)，執(zhí)行主程序。voidmain(){speaker=0;delay_1ms(200);P0=P1=P2=P3=0XFF;init_1602();time_init();get_temperature();ultrasouic_dis();write_lcd(2,3,Up);write_lcd(2,11,Down);while(1){get_temperature();ultrasouic_dis();write_lcd(1,8,distance);Relay();key();if(key_can<5){key_with();}}}

　　3.3溫度采集程序設(shè)計(jì)

　　在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用DS18B20溫度傳感器采集環(huán)境溫度，將采集的溫度用于計(jì)算超聲波測距的聲速，補(bǔ)償聲速受環(huán)境溫度的影響，提高測量距離的精確性。uintget_temperature(){floattemperature;uchara,b;delay_1ms(2);write_lcd_byte(0xcc);write_lcd_byte(0xbe);a=write_lcd_byte();b=write_lcd_byte();temp=b;temp<<=8;temp=temp|a;temperature=temp*0.0625;temp=temperature*100+0.5;returntemp;}

　　3.4超聲波測距程序設(shè)計(jì)

　　首先超聲波的發(fā)射端發(fā)射出一個超聲波脈沖信號，延時10ms關(guān)閉脈沖信號，等待接收端接收返回的信號，開啟定時器T0計(jì)時，當(dāng)接收到信號后立即執(zhí)行while(ultrasouic_recive)函數(shù)，利用計(jì)數(shù)器T0中的計(jì)數(shù)計(jì)算出被測液面與超聲波測距儀之間的距離[4]。voidultrasouic_dis(){TH0=0;TL0=0;TR0=0;ultrasouic_send=1;delay();ultrasouic_send=0;while(!ultrasouic_recive);TR0=1;while(ultrasouic_recive){flag_time0=TH0*256+TL0;if((flag_time0>23530)){TR0=0;distance=888;break;}else{flag_ultrasouic_utility=1;}}if(flag_ultrasouic_utility==1){TR0=0;V=331.5+0.607*temp;distance=flag_time0/2*V;if((distance>400)){distance=888;}}}

　　3.5繼電器程序設(shè)計(jì)

　　對測量的距離與用戶設(shè)定的上限和下限距離相比較，當(dāng)測量的距離小于用戶設(shè)定的上限距離時，固態(tài)繼電器吸合，此時啟動三相異步電機(jī);水位不斷下降，當(dāng)測量的距離大于用戶設(shè)定的下限距離時，固態(tài)繼電器斷開，三相異步電機(jī)停止工作。voidRelay(){if(distanceDown)Relay1=1;}

　　4安裝調(diào)試與應(yīng)用

　　將制作好的超聲波測距儀安裝在應(yīng)急排水池上方60cm處固定好，通過實(shí)驗(yàn)得到以下數(shù)據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在有效數(shù)據(jù)測量范圍內(nèi)，測量距離與實(shí)際距離的誤差均小于1.5%，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。當(dāng)系統(tǒng)測量的距離小于設(shè)定的安全距離上限時，電機(jī)自動啟動進(jìn)行排水，當(dāng)系統(tǒng)測量的距離大于設(shè)定的安全距離下限時，電機(jī)自動停止排水。經(jīng)過一段時間實(shí)際安裝測試應(yīng)用，該系統(tǒng)滿足廠內(nèi)自動排水要求，能夠保證液面一直處于安全位置，避免了因積液而造成的安全隱患。

　　5結(jié)束語

　　通過超聲波測量距離，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急排水池的自動排水，保證液面一直處于安全位置，減少了人工操作環(huán)節(jié)，避免了人工操作的安全風(fēng)險，避免了夜間水池液面超過安全距離而造成的危險。該測距自動排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，安裝方便，實(shí)現(xiàn)無人值守自動排水的功能，在實(shí)際安裝應(yīng)用中取得很好的效果。

　　在硬件制作中充分考慮了三相交流固態(tài)繼電器扇熱性能，采用鋁排安裝固定并在接觸面涂有散熱硅膠，避免雨季因頻繁啟動過熱而損壞繼電器;考慮了環(huán)境溫度對超聲波聲速的影響，采用DS18B20測量安裝環(huán)境的溫度，用于補(bǔ)償超聲波傳感器聲速受溫度的影響，提高測量距離的精確性。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了弱電控制強(qiáng)電，具有抗干擾能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)簡單，安全可靠，精確度高、成本低和操作簡單等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于排水、防洪坑的自動排水。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]劉玉芹，劉敬文.超聲波測距儀在移動機(jī)器人避障中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報，2006(S2)：541-542.

　　[2]李航，王可人.基于STC89C52RC的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測試，2010(1)：55-58.

　　[3]唐萬偉，張銀蒲，申彥春.基于AT89S52單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].唐山學(xué)院學(xué)報，2012(25)：17-18，21.

　　[4]郭清.基于STC89C52的超聲波測距防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(6)：74-77.

　　相關(guān)期刊推薦：儀器儀表學(xué)報(月刊)創(chuàng)刊于1980年，是中國科協(xié)主管、中國儀器儀表學(xué)會主辦，中國儀器儀表學(xué)科最具影響力的學(xué)術(shù)性刊物。