水位遙測自控系統(tǒng)
水位遙測自控系統(tǒng)
[摘 要]本系統(tǒng)以AT89S51單片機(jī)為主控單元，通過超聲波傳感器和液位變送器實現(xiàn)液位實時數(shù)據(jù)的檢測和自動控制。系統(tǒng)分主控站與測控站，通過主控站的鍵盤可以實現(xiàn)對測控站的水位上下限的控制和顯示。主控站與測控站之間的無線實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案采用廣泛應(yīng)用于無線抄表、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和水文氣象監(jiān)控等領(lǐng)域的無線通信芯片nRF24L01組成無線高速數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。系統(tǒng)實現(xiàn)對所監(jiān)控水位的短矩離無線測量與自動控制，利用GFSK實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳送以及較低的功耗。從測控站傳送過來的數(shù)據(jù)通過人性化人機(jī)交換界面LCD1602實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)顯示以及實現(xiàn)相應(yīng)的報警提示。本系統(tǒng)通過單片機(jī)串口與電腦串口的通訊功能和利用互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)水位的遠(yuǎn)程測量與自動控制，這對江河水位的實時監(jiān)控非常實用。本系統(tǒng)可能通過簡單地調(diào)整就可以移植到其它物位系統(tǒng)與無線抄表系統(tǒng)，非常有研究價值。系統(tǒng)利用功能強大的C語言開發(fā)，并在軟硬件設(shè)計中分別使用了Protel 99se 、keilC51開發(fā)平臺。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有有性價比高、操作簡便、可視化操作等優(yōu)點.
關(guān)鍵字：AT89S51單片機(jī), nRF24L01, 超聲波傳感器,GFSK
1 緒論
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常需要對水位進(jìn)行測量和控制。但是，在一般的情況下 。往往需要測量的水池或水塔和控制室都有相當(dāng)長的距離，常常需要架設(shè)上百到近千米的輸電和控制線路，十分麻煩 和費用大。給測量和控制帶來了極大的不方便。本系統(tǒng)設(shè)計了一種利用單片機(jī) 的無線測量和自動控制系統(tǒng) 。不需要架設(shè)電纜 。而且可以實現(xiàn)水位的遠(yuǎn)程自動控制和遙測，對于工業(yè)和生產(chǎn)生活非常實用。
1.1 選題背景與意義隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,遙測及遙控技術(shù)已經(jīng)深入人們的生活與工作當(dāng)中,在工業(yè)與生活中水位的測量與控制是經(jīng)常要測控的一個因素。儀器自動一體化，短距離無線抄表技術(shù)已經(jīng)成為下一代無線技術(shù)發(fā)展的一個重要分支。應(yīng)此勢要求，本設(shè)計就以一水位遙測自動控制系統(tǒng)，對于無線技術(shù)的研究只是作個拋磚引玉。
2、系統(tǒng)原理框圖
圖2-1、主控站原理框圖
圖2-2、測控站原理框圖
3、方案比較
3.1、總體方案論證
水位控制在日常生產(chǎn)、生活中經(jīng)常用到。目前，常用的液位控制方案主要有以下幾種：
方案一：基于PLC的水位自動遙測自控制系統(tǒng):
利用PLC為主控制核心,控制水位傳感器實現(xiàn)水位的測量與自動控制,可以通過按鍵設(shè)置其水位的上下限實現(xiàn)實時報警。利用現(xiàn)有的配電網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)水位遙測和傳輸，其原理框圖如下3-1所示：
圖3-1、PLC水位自動遙測自控制系統(tǒng)框圖
此方案主要具有以下的優(yōu)點：
（1）實現(xiàn)成本低。由于可以直接利用已有的配電網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)作為傳輸線路，所以不用進(jìn)行額外布線，從而大大減少了網(wǎng)絡(luò)的投資，降低了成本，充分利用PLC內(nèi)部資源，就可以利用少量外部擴(kuò)展就可以把所測得數(shù)據(jù)顯示于數(shù)碼管。
（2）范圍廣。電力線是覆蓋范圍最廣的網(wǎng)絡(luò)，它的規(guī)模是其他任何網(wǎng)絡(luò)無法比擬的。PLC可以輕松地滲透到每個家庭，為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展創(chuàng)造極大的空間。
（3）高速率。 PLC能夠提供高速的傳輸。
缺點是PLC系統(tǒng)復(fù)雜，對于要實現(xiàn)精確水位控制的算法實現(xiàn)比較復(fù)雜，不能做得很高的精確度，而且PLC價格高。
方案二：基于AT89C51單片機(jī)的水位遙測、自動控制系統(tǒng):
通過單片機(jī)為主要控制核心，構(gòu)建成兩個無線短矩離通信數(shù)字電臺，利用軟件控制水位傳感器測量出實時的水信息。而數(shù)據(jù)的無線傳送應(yīng)用Nordic公司的高速無線單片無線射頻芯片nRF24L01通GFSK調(diào)制以最高達(dá)1Mbit/s的速度快速發(fā)送出去。通過設(shè)置在主控制站的鍵盤可以遠(yuǎn)程設(shè)置水位的上下限，主控制站采用易于人機(jī)交換的LCD1602作為數(shù)據(jù)顯示。通常對于配套功能較多的項目，采用單片機(jī)系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點。另外，單片機(jī)控制系統(tǒng)在靈活性和程序的可移植性好。應(yīng)用單片機(jī)控制的水位遙測自控系統(tǒng)的原理框圖如下圖3-2：
圖3-2、單片機(jī)水位遙測自控系統(tǒng)原理框圖
3. 2、 鍵盤模塊
方案一： 采用Intel8279可編程鍵盤/顯示接口芯片。
Intel8279是一個專用的顯示器鍵盤接口，它用硬件完成對顯示器和鍵盤的掃描，大大方便了用戶，使程序變得簡潔、易讀和模塊化。但其缺點是8279為并行接口芯片，占用CPU端口多，需要CPU有比較強的負(fù)載攜帶能力。
方案二： 采用了HD7279A數(shù)碼管/鍵盤串行接口芯片。
HD7279A可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管，同時還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，單片機(jī)可完成顯示鍵盤接口的全部功能。其優(yōu)點是采用串口通訊，占用CPU端口少，對CPU負(fù)載攜帶能力要求低。
方案三： 采用獨立式鍵盤。
因為AT89C51的IO口具有位驅(qū)動能力，而且所用按鍵數(shù)目不多，可以通過單片機(jī)軟件利用查詢或中斷方式簡單地實現(xiàn)各種控制。
考慮到該控制軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)都比較復(fù)雜，CPU需要驅(qū)動較多的電子器件，要利用到單片機(jī)內(nèi)部的資源較多，故本系統(tǒng)采用了方案三。
3.3、顯示模塊
方案一：多路LED數(shù)碼管顯示系統(tǒng)具有硬件設(shè)備簡單，可移植性好，成本低廉的特點。74LS164是8位并行輸出門控串行輸入移位寄存器，利用74LS164和單片機(jī)IO口可以方便地實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的顯示。但是這將增加系統(tǒng)硬件的復(fù)雜度和程序編寫的難度。
方案二：使用使用專用的LCD1602顯示驅(qū)動器和LCD1602顯示模塊。其中，LCD顯示模塊LCM（Liquid Crystal Display Module）是把LCD顯示器、背景光源、線路板和驅(qū)動集成電路等部件構(gòu)成一個整體，作為一個獨立的部件使用，具有功能較強、易于控制、接口簡單等優(yōu)點，在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用較多。LCD1602顯示模塊通過這個接口接收顯示命令和數(shù)據(jù)，并按指令和數(shù)據(jù)的要求進(jìn)行顯示。外部電路通過這個接口讀出顯示模塊的工作狀態(tài)和顯示數(shù)據(jù)。LCD顯示模塊一般帶有內(nèi)部顯示RAM和字符發(fā)生器，只要輸入ASCII碼就可以進(jìn)行顯示而且不用一直掃描顯示,可以減輕CPU的工作負(fù)擔(dān)，使其可以去做其它更重要的處理。
考慮到題目要求及實際應(yīng)用價值，我們選擇方案二。
3.4、液位傳感器
方案一 ：使用電容傳感器測量測位，利用容器中的水為介質(zhì)再用容器組成一個電容器，經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換，把要測量的電容量轉(zhuǎn)換頻率使單片機(jī)可以通過對頻率計數(shù)方式實現(xiàn)對頻率測量，電容水位傳感器可以做到測量純凈水精確度較高液位器?？墒钱?dāng)水中含有大量礦物質(zhì)時候測量就有比較在的誤差，而且所用的容器一般都固定，不方便儀器移植，靈活性小，一般只適用于實驗性用，對實際生產(chǎn)不適用。
方案二：使用浮球式液位變送器，這種變送器桿內(nèi)設(shè)有多點磁簧開關(guān)，當(dāng)浮球處在磁簧開關(guān)相關(guān)位置時，開關(guān)依次閉合，輸出信號發(fā)生相應(yīng)變化。由于相鄰磁簧開關(guān)的距離最小為1厘米，即這種變送器測量液位的精度是1厘米。雖然這種液位傳感器的造價較低，但精度達(dá)不到題目要求，而且它測量的盲區(qū)比較大，低于2厘米時無法檢測。
方案三：使用超聲波液位傳感器，這種傳感器是通過測量超聲波在空氣中行走時間來計算液位的實時高度。因為超聲波測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果，而且超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求。而且它的造價也不高，且安裝方便，實用性好。
因此，結(jié)合題目的要求本測量系統(tǒng)選擇了的方案三。
3.5、遠(yuǎn)程測量與控制
有關(guān)遠(yuǎn)程測量控制的選擇，一般有以下三種方案：
方案一：采用GSM模組進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在GSM中，唯一不需建立端到端通道的業(yè)務(wù)就是端消息業(yè)務(wù)（SMS），在移動設(shè)備處于點與點通信狀態(tài)下，還能同時實現(xiàn)短消息業(yè)務(wù)。短消息只能傳送一句話，這種通信是異步進(jìn)行的。作為GSM系統(tǒng)，每條短消息都是作為單獨的時間來處理的，短消息的傳送都是經(jīng)過短消息服務(wù)中心進(jìn)行周轉(zhuǎn)的。利用已建成的GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸，可靠性高，但是設(shè)備價格昂貴。
方案二：采用以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，通過專用調(diào)制解調(diào)芯片,以單片機(jī)為控制核心,利用單片機(jī)的串口可以方便地實現(xiàn)與上位PC機(jī)的通信,從而利用現(xiàn)成的、衰減量小的光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)水位的遙測和自動控制。但是此種方法設(shè)備復(fù)雜，在實驗設(shè)計階段是不適用的。
方案三：采用無線RF射頻模組進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用Nordic公司的收發(fā)一體的無線RF芯片nRF24L01，通過簡單的幾個外部連接元件可以實現(xiàn)最高2Mbit/S的速率傳輸。nRF24L01工作在全球開放2.4~2.5GHZ波段，只要通過SPI把配置字寫到nRF24L01里，就可以把所要傳送的數(shù)無線傳送出去，還以實現(xiàn)自應(yīng)答和自動重發(fā)。其操作簡單，成本低，且能夠滿足本設(shè)計要求。
綜上所述，采用RF射頻技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)代價小且能滿足本設(shè)計要求，故在此選用方案三。
4、方案設(shè)計論證
4.1 總體硬件系統(tǒng)電路設(shè)計[5]
主測控站系統(tǒng)設(shè)計原理詳圖如圖4-1所示：
圖4-1、主測控站系統(tǒng)設(shè)計原理
從測控站系統(tǒng)設(shè)計原理詳圖如圖4-2所示：
圖4-2、從測控站系統(tǒng)設(shè)計原理詳圖
4.2 各模塊的實現(xiàn)
4.2.1 單片機(jī)系統(tǒng)[6]
單片機(jī)最小系統(tǒng)是整個硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機(jī)工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。我們采用了ATMEL公司的AT89C52單片機(jī)。它是一款低功耗、高性能的CMOS型 8位單片機(jī)，其內(nèi)含256個字節(jié)的RAM，8KB FLASH ROM，2個16位定時器/計數(shù)器。
4.2.2鍵盤顯示模塊
本系統(tǒng)用采用獨立式鍵盤。因為AT89C51的IO口具有位驅(qū)動能力，而且所用按鍵數(shù)目不多，可以通過單片機(jī)軟件利用查詢或中斷方式簡單地實現(xiàn)各種控制。LCD顯示器采用LCD1602A點陣式液晶顯示屏。該液晶模塊可以顯示字母、數(shù)字符號，具穩(wěn)定顯示和反應(yīng)快功能。LCD1602顯示模塊通過這個接口接收顯示命令和數(shù)據(jù)，并按指令和數(shù)據(jù)的要求進(jìn)行顯示。外部電路通過這個接口讀出顯示模塊的工作狀態(tài)和顯示數(shù)據(jù)。LCD顯示模塊一般帶有內(nèi)部顯示RAM和字符發(fā)生器，只要輸入ASCII碼就可以進(jìn)行顯示而且不用一直掃描顯示,可以減輕CPU的工作負(fù)擔(dān)，使其可以去做其它更重要的處理。采用8位并行接口與AT89S52單片機(jī)口和三個控制線就可以通過并行方式把所要數(shù)據(jù)和指令寫入LCD1602A的存儲器，使用非常方便，連線連線較為方便。LCD1602的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平） 指令1：清顯示，指令碼01H,光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置 指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H 指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效指令4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍指令5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符 指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置指令8：DDRAM地址設(shè)置 指令9：讀忙信號和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數(shù)據(jù) 指令11：讀數(shù)據(jù)DM-162液晶顯示模塊可以和單片機(jī)AT89C51直接接口，電路如圖1所示。 液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。采用LCD顯示，可以避免光線較弱時使用不便。鍵盤和顯示電路如下圖4-3所示[7]：
圖4-3 鍵盤顯示電路
4.2.3水位測量傳感器
超聲波傳感器及其測距原理:
超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計時，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到要求。
超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。
超聲波因其方向性好、測量精度高，已廣泛應(yīng)用于液位、流量、物距等方面的檢測。本系統(tǒng)采用單片機(jī)輸出40KHZ的方波經(jīng)過74HC04所組成的幾個與非門放大發(fā)射出去，經(jīng)過一定時間延時以后再打開外中斷。CX20106A 接收到40KHz的信號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號輸入。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 △T，然后求出距離S。在速度V已知的情況下 ，距離 S的計算，公式如下3-1：
S=V△T／2 (3-1)
在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是 334米／秒，但其傳播速度V易受空氣中溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中受溫度的影響較大 ，如溫度每升高 1 oC，聲速增加約 0．6 秒。因此在測距精度要求很高的情況下，應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒▽鞑ニ俣燃右孕Ｕ?。已知現(xiàn)場環(huán)境溫度 T時，超聲波傳播速度V的計算公式可近似如下：
V =331．5+0．607T (3-2)
這樣，只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差 △t,以及現(xiàn)場環(huán)境溫度T，就可以精確計算出發(fā)射點到障礙物之間的距離[1]。超聲波收發(fā)原理圖如下圖4-4所示：
圖4-4 掉電存儲模塊
4.2.4遙測自控收發(fā)模塊
nRF24L01主要特性如下：
GFSK調(diào)制：
硬件集成OSI鏈路層;
具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能;
片內(nèi)自動生成報頭和CRC校驗碼;
數(shù)據(jù)傳輸率為l Mb/s或2Mb/s;
SPI速率為0 Mb/s～10 Mb/s;
125個頻道：
與其他nRF24系列射頻器件相兼容;
QFN20引腳4 mm×4 mm封裝;
供電電壓為1.9 V～3.6 V。
4.2.4.1引腳功能及描述
nRF24L01的封裝及引腳排列如圖4-5所示。各引腳功能如下：
圖4-5nRF24L01引腳圖
CE：使能發(fā)射或接收;
CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置nRF24L01：
IRQ：中斷標(biāo)志位;
VDD：電源輸入端;
VSS：電源地：
XC2，XC1：晶體振蕩器引腳;
VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為1.8 V;
ANT1,ANT2：天線接口;
IREF：參考電流輸入。
nRF24L01概述：nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合了增強型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9 mA;接收時，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計更方便。寄存器配置：通過配置寄存器可將nRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表1所示。
表4.2.4.1-1nRF24L01模式配置
空閑模式1主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的;空閑模式2則是在當(dāng)發(fā)射堆棧為空且CE=1時發(fā)生(用在PTX設(shè)備);在空閑模式下，配置字仍然保留。在掉電模式下電流損耗最小，同時nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。工作原理：本系統(tǒng)選用了nRF24.L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHZ~2.5GHZ ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合了增強型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9 mA;接收時，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計更方便。工作原理：
發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把地址TX_ADDR和數(shù)據(jù)TX_PLD按照時序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù);若自動應(yīng)答開啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時TX_PLD從發(fā)送堆棧中清除;若未收到應(yīng)答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動重發(fā)已開啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC_CNT)達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX_PLD不會被清除;MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，以便通知MCU。最后發(fā)射成功時,若CE為低則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入空閑模式2。接收數(shù)據(jù)時,首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收方檢測到有效的地址和CRC時，就將數(shù)據(jù)包存儲在接收堆棧中，同時中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，以便通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時自動應(yīng)答開啟，接收方則同時進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號。最后接收成功時，若CE變低，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1[2]。
圖4-6 nRF24L01寫數(shù)據(jù)時序
圖4-7nRF24L01讀數(shù)據(jù)時序
4-8圖SPI讀寫時序
遙測自控收發(fā)模塊電路原理圖如下圖3-5：
圖4-9無線傳送模塊
5、系統(tǒng)軟件流程圖
5.1 軟件流程圖[4]
(1) 測控站主程序流程圖如圖4-1所示：
(2) 超聲波測距流程圖如圖4-2所示：
(3) 主控站流程圖如圖 4-3所示：
(4) 無線發(fā)射流程圖如圖4-4所示：
圖4-2超聲波測距流程圖
圖4-1測控站主程序流程圖
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圖4-5、無線發(fā)射流程圖
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圖4-3主控站流程圖 圖4-4按鍵流程圖
5.2 系統(tǒng)操作說明
鍵盤示意圖如表一所示
表5.2-1：鍵盤示意圖
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各鍵解釋：
“+，-”：執(zhí)行加一或減一操作。
設(shè)置鍵：進(jìn)入設(shè)定界面。
確認(rèn)鍵：確認(rèn)設(shè)置。
6、系統(tǒng)設(shè)計原理圖（見附圖）
7、功能測試
7.1測試儀器
PROTEUS軟件 PC機(jī)
帶盛水容器 直尺
7.2測試方法
根據(jù)方案設(shè)計的要求，電路按模塊測試，各模塊逐個測試通過后再聯(lián)調(diào)。
7.2.1主站
2 數(shù)值設(shè)定、顯示模塊：
在PROTEUS軟件里按原理圖接好線，再把主控制站的程序加到里面測試按鍵和顯示；LCD1602顯示正確，按鍵功能也能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置水位上、下限警的高度。
鍵盤與仿真器聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，在鍵盤中斷子程序中設(shè)定斷點。運行程序，按鍵測試，程序正常運行到斷點處產(chǎn)生中斷。讀入鍵值正確。將程序改為讀鍵值然后送到LCD上顯示，繼續(xù)測試鍵盤。當(dāng)程序運行時所按鍵的鍵值都能正確的顯示到液晶屏上。繼而進(jìn)行脫機(jī)測試，測試結(jié)果正常。鍵盤顯示測試完成。
2 無線通訊模塊：
將單片機(jī)控制模塊與無線模塊連接起來，設(shè)置上下限報警水位，測量水位實時水位，看與主站上LCD顯示，能否實時顯示從站上測量的水位，不能通信測再排除問題。
2 報警提示模塊：在主控制站上先把上限水位設(shè)低于實際水位，若主站上的上限水位報警指示燈亮則報警提示模塊功能實現(xiàn)。
7.2.2從站
從站的測試方法雷同主站的測試方法。
系統(tǒng)聯(lián)調(diào):
將系統(tǒng)的主站與從站連接，脫機(jī)運行，系統(tǒng)穩(wěn)定工作，測試完畢。
8、數(shù)據(jù)測試
測試數(shù)據(jù)如下表8-1：
表8-1、數(shù)據(jù)測試
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設(shè)定液位值 (mm) |
實測液位值 (mm) |
誤差 (cm) |
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0.0 |
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10 |
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20 |
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30 |
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40 |
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60 |
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80 |
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100 |
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140 |
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180 |
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200 |
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220 |
從測試數(shù)據(jù)可以看出精度達(dá)到了題目要求，液位測量誤差主要是1、超聲波傳感器安裝是測得與容器頂部距離與實際有誤差使得計算出來的結(jié)果有偏差。2、超聲波在空氣中的傳播速度與環(huán)境溫度有關(guān)，在不同的環(huán)境下速度不一樣，使得測量出來的水位與實際水位產(chǎn)生一定的偏差。
9、總結(jié)
本水位遙測自動控制系統(tǒng)完成了題目要求的基本功能和發(fā)揮功能，對于小型水泵的控制采慢速汲水，以確保超聲波傳感器測量的精度和水位控制的精度，在測量水位時，安裝超聲波傳感器時要離容器正上方一定高度再按裝，以消除超聲波測量的盲區(qū)。本系統(tǒng)是安裝在容器正上方十厘米處。
整套設(shè)備結(jié)構(gòu)簡潔，操作方便，具有比較好的穩(wěn)定性，能夠精確的測量液位，遇警時能自動調(diào)至正常，并且可以在允許范圍內(nèi)任意設(shè)定液位。通過按鍵可以在允許范圍內(nèi)任意設(shè)定水位報警的上下限，使得這套裝置更加智能化。
致謝首先，我要感謝我的指導(dǎo)教師黃際樂老師制定的定時任務(wù),和隨時抽查我的畢業(yè)設(shè)計進(jìn)度,使我感到了時間的緊迫,也激起了我的熱情，黃老師給我們提供的軟以及人文氛圍也是我們這個課題能愉快并順利完成的堅實基礎(chǔ)，尤其感謝黃老師經(jīng)常抽出他寶貴的時間與我們共同討論交流，使我們受益匪淺！其次，我要感謝我們系的老師：彭建盛老師、宋華寧老師、鄒清平老師，他們在我單片機(jī)的入門階段給予了很多指導(dǎo)并在理論上給了我很多幫助，沒有他們的幫助，我也無法完成這個畢業(yè)設(shè)計題目。四年本科生活即將結(jié)束，回顧學(xué)習(xí)和生活上的點點滴滴，我感覺到是河池學(xué)院造就了我，感謝我的母校！還有電子競賽實驗室的伙伴們，他們在我的學(xué)習(xí)過程中給予了很大的幫助和啟發(fā)，最后我感謝我的父母和家人二十多年來對我精神和物質(zhì)上的鼓勵和支持。
參考文獻(xiàn)
[1]. 朱愛紅 朱寧文 等，《基于 AT89 C205 1的超聲波測距系統(tǒng)》
[2]. 求是科技，《單片機(jī)通信技術(shù)與工程實踐》，361頁,人民郵電出版社,2005.1
[3].徐晉 趙俊逸 黃勇，《ET13X210/221射頻收發(fā)芯片原理及應(yīng)用》
[4]. 趙亮 侯國銳編著，《單片機(jī)C語言編程與實例》，人民郵電出版社，2003
[5].房小翠 王金鳳編著，《單片機(jī)實用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)》，國防工業(yè)出版社，1999
[6].孫育才等，《ATMEL新型AT89C52系列單片機(jī)及其應(yīng)用》，清華大學(xué)出版社，2003
[7].王建校 楊建國等編著，《51系統(tǒng)單片機(jī)及C51程序設(shè)計》，科學(xué)出版社，2002
THE WATER LEVEL AUTO-CONTROLLED SYSTEM
STUDENT:chen qi fei
Abstract: The system for the main control unit AT89S51 SCM through ultrasonic sensors and liquid level transmitter to achieve real-time data level of detection and control. Sub-stations and control system monitoring and control station, the main control station through the keyboard can be achieved on the monitoring and control station on the lower level of control and display. The main control station and the monitoring and control station between the real-time wireless data transmission solutions used widely used in wireless meter reading, industrial data acquisition system and hydro-meteorological monitoring in areas such as wireless communications chips nRF24L01 of wireless high-speed data transceiver modules. System to monitor the water level by the short moments from the wireless measurement and automatic control, using GFSK achieve high-speed data transmission and lower power consumption. From monitoring and control station over the transmission of data through the human LCD1602 human-computer interface for data exchange of real-time data and the realization of the corresponding report tips. The system through the serial port and the SCM computer serial communication functions and the use of the Internet can achieve the long-range water level measurement and automatic control, this realtime monitoring of the river water level is very practical. This system may be a simple adjustment can be transplanted to other system of digital and wireless meter reading system, very valuable. Systems using the powerful C-language development and design of hardware and software were used Protel 99se, keilC51 development platform. The results show that the system is a cost-effective, simple, visual operational advantages.
Key word: AT89S51 SCM, nRF24L01, ultrasonic sensors, GFSK
