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1、河池學(xué)院2008屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 水位遙測(cè)自控系統(tǒng) 水位遙測(cè)自控系統(tǒng) [摘 要]本系統(tǒng)以51單片機(jī)系列的STC12C5406AD單片機(jī)為主控單元，通過液壓傳感器和無線通信實(shí)現(xiàn)液位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的檢測(cè)和自動(dòng)控制。系統(tǒng)分主控站與測(cè)控站，通過主控站的鍵盤可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控站的水位上下限的控制和顯示。主控站與測(cè)控站之間的無線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案采用廣泛應(yīng)用于無線通信的SMD 技術(shù)。從測(cè)控站傳送過來的數(shù)據(jù)通過人性化人機(jī)交換界面LED顯示器件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。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)

2、可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫水量的遠(yuǎn)程測(cè)量與自動(dòng)控制，這對(duì)江河水位的實(shí)時(shí)監(jiān)控非常實(shí)用。系統(tǒng)利用功能強(qiáng)大的C語言開發(fā)，并在軟硬件設(shè)計(jì)中分別使用了Protel 99se 、keilC51開發(fā)平臺(tái)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有有性價(jià)比高、操作簡(jiǎn)便、可視化操作等優(yōu)點(diǎn). 關(guān)鍵字：51單片機(jī)，TDL9912，TDL9921， 聲表諧振器 1 緒論 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常需要對(duì)水位進(jìn)行測(cè)量和控制。但是，在一般的情況下 。往往需要測(cè)量的水池或水塔和控制室都有相當(dāng)長(zhǎng)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(fèi)用大。給測(cè)量和控制帶來了極大的不方便。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種利用單片機(jī) 的無線測(cè)量和自動(dòng)控制

3、系統(tǒng) 。不需要架設(shè)電纜 。而且可以實(shí)現(xiàn)水位的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和遙測(cè)，對(duì)于工業(yè)和生產(chǎn)生活非常實(shí)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(cè)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(cè)量與控制是經(jīng)常要測(cè)控的一個(gè)因素。儀器自動(dòng)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(gè)重要分支。應(yīng)此勢(shì)要求，本設(shè)計(jì)就以一水位遙測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)于無線技術(shù)的研究只是作個(gè)拋磚引玉。 2、系統(tǒng)原理框圖 51單片機(jī) 鍵盤 TDL9921無線接收模塊 LED顯示器 圖2-1、主控站（

4、接收機(jī)）原理框圖 51單片機(jī) 液位變送器（傳感器） TDL9912無線發(fā)送模塊 圖2-2、測(cè)控站（測(cè)量發(fā)射機(jī)）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(dòng)遙測(cè)自控制系統(tǒng): 利用PLC為主控制核心,控制水位傳感器實(shí)現(xiàn)水位的測(cè)量與自動(dòng)控制,可以通過按鍵設(shè)置其水位的上下限實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警。利用現(xiàn)有的配電網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)水位遙測(cè)和傳輸，其原理框圖如下3-1所示： PLC LED實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

5、 鍵盤 PLC 水位傳感器 互聯(lián)網(wǎng) 圖3-1、PLC水位自動(dòng)遙測(cè)自控制系統(tǒng)框圖 此方案主要具有以下的優(yōu)點(diǎn)： （1）實(shí)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(cè)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(gè)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(diǎn)是PLC系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)于要實(shí)現(xiàn)精確

6、水位控制的算法實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，不能做得很高的精確度，而且PLC價(jià)格高。 方案二：基于51單片機(jī)的水位遙測(cè)、自動(dòng)控制系統(tǒng): 通過單片機(jī)為主要控制核心，構(gòu)建成兩個(gè)無線短矩離通信數(shù)字電臺(tái)，利用軟件控制水位傳感器測(cè)量出實(shí)時(shí)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LED顯示器作為數(shù)據(jù)顯示。通常對(duì)于配套功能較多的項(xiàng)目，采用單片機(jī)系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點(diǎn)。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

7、測(cè)自控系統(tǒng)的原理框圖如下圖3-2： AT89S51單片機(jī) 鍵盤 TDL9912/TDL9921F無線收發(fā)模塊 LED顯示模塊 51單片機(jī) 液位變送器（傳感器） TDL9912無線發(fā)送模塊 圖3-2、單片機(jī)水位遙測(cè)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(gè)專用的顯示器鍵盤接口，它用硬件完成對(duì)顯示器和鍵盤的掃描，大大方便了用戶，使程序變得簡(jiǎn)潔、易讀和模塊化。但其缺點(diǎn)是8279為并行

8、接口芯片，占用CPU端口多，需要CPU有比較強(qiáng)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(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管，同時(shí)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(diǎn)是采用串口通訊，占用CPU端口少，對(duì)CPU負(fù)載攜帶能力要求低。 方案三： 采用獨(dú)立式鍵盤。 因?yàn)锳T89C51的IO口具有位驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單地實(shí)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(dòng)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

9、、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(jiǎn)單，可移植性好，成本低廉的特點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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LED顯示器顯示驅(qū)動(dòng)器和LED顯示器顯示模塊。其中，LCD顯示模塊LCM（LiquidCrystalDisplayModule）是把LCD顯示器、背景光源、線路板和驅(qū)動(dòng)集成電路等部件構(gòu)成一個(gè)整體，作為一個(gè)獨(dú)立的部件使用，具有功能較強(qiáng)、易于控制、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用較多。LED顯示器顯示模塊通過這個(gè)接口接收顯

10、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(gè)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(shí)際應(yīng)用價(jià)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(cè)量測(cè)位，利用容器中的水為介質(zhì)再用容器組成一個(gè)電容器，經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換，把要測(cè)量的電容量轉(zhuǎn)換頻率使單片機(jī)可以通過對(duì)頻率計(jì)數(shù)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率測(cè)量，電容水位傳感器可以做到測(cè)量純凈水精確度較高液位器。可是當(dāng)水中含有大量礦物質(zhì)時(shí)候測(cè)量就有比較在的誤差，

11、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(shí)驗(yàn)性用，對(duì)實(shí)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(diǎn)磁簧開關(guān)，當(dāng)浮球處在磁簧開關(guān)相關(guān)位置時(shí)，開關(guān)依次閉合，輸出信號(hào)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(cè)量液位的精度是1厘米。雖然這種液位傳感器的造價(jià)較低，但精度達(dá)不到題目要求，而且它測(cè)量的盲區(qū)比較大，低于2厘米時(shí)無法檢測(cè)。 方案三：使用超聲波液位傳感器，這種傳感器是通過測(cè)量超聲波在空氣中行走時(shí)間來計(jì)算液位的實(shí)時(shí)高度。因?yàn)槌暡y(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果，而且超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)

12、中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。而且它的造價(jià)也不高，且安裝方便，實(shí)用性好。 因此，結(jié)合題目的要求本測(cè)量系統(tǒng)選擇了的方案三。 3.5、遠(yuǎn)程測(cè)量與控制 有關(guān)遠(yuǎn)程測(cè)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(dòng)設(shè)備處于點(diǎn)與點(diǎn)通信狀態(tài)下，還能同時(shí)實(shí)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

13、為單獨(dú)的時(shí)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(jià)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(shí)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(shí)現(xiàn)水位的遙測(cè)和自動(dòng)控制。但是此種方法設(shè)備復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jiǎn)單的幾個(gè)外部連接元件可以實(shí)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SP

14、I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(shí)現(xiàn)自應(yīng)答和自動(dòng)重發(fā)。其操作簡(jiǎn)單，成本低，且能夠滿足本設(shè)計(jì)要求。 綜上所述，采用RF射頻技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)代價(jià)小且能滿足本設(shè)計(jì)要求，故在此選用方案三。 4、方案設(shè)計(jì)論證 4.1 總體硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)[5] 主測(cè)控站系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理詳圖如圖4-1所示： 圖4-1、主測(cè)控站系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 從測(cè)控站系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理詳圖如圖4-2所示： 圖4-2、從測(cè)控站系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理詳圖 4.2 各模塊的實(shí)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(gè)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

15、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(gè)字節(jié)的RAM，8KB FLASH ROM，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。 4.2.2鍵盤顯示模塊 本系統(tǒng)用采用獨(dú)立式鍵盤。因?yàn)锳T89C51的IO口具有位驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)各種控制。LCD顯示器采用LED顯示器A點(diǎn)陣式液晶顯示屏。該液晶模塊可以顯示字母、數(shù)字符號(hào)，具穩(wěn)定顯示和反應(yīng)快功能。LED顯示器顯示模塊通過這個(gè)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(gè)接口讀出顯示模塊的工作狀態(tài)和顯示

16、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(gè)控制線就可以通過并行方式把所要數(shù)據(jù)和指令寫入LED顯示器A的存儲(chǔ)器，使用非常方便，連線連線較為方便。LED顯示器的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)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(dòng)方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文

17、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(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo) 指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線 N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示 F: 低電平時(shí)顯示5x7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5x10的點(diǎn)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(hào)和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位

18、，高電平表示忙，此時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(cè)量傳感器 液壓傳感器及其測(cè)距原理: 　　超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波

19、。為了以超聲波作為檢測(cè)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液壓傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。液壓傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)液壓傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。液壓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(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time offlight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)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?yàn)槌暡ㄔ跇?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(jì)時(shí)，單

20、片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。 由于超聲波指向性強(qiáng)，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(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)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(cè)量，采用常用的壓電式超聲波換能器來實(shí)現(xiàn)。 超聲波因其方向性好、測(cè)量精度高，已廣泛應(yīng)用于液位、流量、物距等方面的檢測(cè)。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(gè)與非門放大發(fā)射出去，經(jīng)過一定時(shí)間延時(shí)以后再打開外中斷。CX20106A 接收到

21、40KHz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入。超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)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(jì)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(qiáng)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(cè)距精度要求很高的情況下，應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度加以校正。已知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度

22、T時(shí)，超聲波傳播速度V的計(jì)算公式可近似如下： V =331．5+0．607T (3-2) 這樣，只要測(cè)得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 △t,以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度T，就可以精確計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)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(chǔ)模塊 4.2.4遙測(cè)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(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能; 　　片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼; 　　數(shù)據(jù)傳輸率為l Mb/

23、s或2Mb/s; 　　SPI速率為0 Mb/s～10 Mb/s; 　　125個(gè)頻道： 　　與其他nRF24系列射頻器件相兼容; 　　QFN20引腳4 mm4 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，

24、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(qiáng)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(shí)，工作電流也只有9 mA;接收時(shí)，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(jì)更方便。寄存器配置

25、：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(shí)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(shí)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(qiáng)型ShockBu

26、rst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(shí)，工作電流也只有9 mA;接收時(shí)，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(jì)更方便。工作原理： 發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)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(dòng)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(hào)。

27、如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從發(fā)送堆棧中清除;若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動(dòng)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(huì)被清除;MAX_RT或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，以便通知MCU。最后發(fā)射成功時(shí),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(shí),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(cè)到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在接收堆棧中，同時(shí)

28、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(shí)自動(dòng)應(yīng)答開啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。最后接收成功時(shí)，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(shí)序 圖4-7nRF24L01讀數(shù)據(jù)時(shí)序 4-8圖SPI讀寫時(shí)序 遙測(cè)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(cè)控站主程序流程圖如圖4-1所示： (2) 超聲波測(cè)距流程圖如圖4-2所示： (3) 主控站流程

29、圖如圖 4-3所示： (4) 無線發(fā)射流程圖如圖4-4所示： 開始 從P3.1發(fā)出40KHZ方波15個(gè) 取三次測(cè)量平均值 計(jì)算水位高度 延時(shí)消除佘振 等待中斷 測(cè)量三次？ 返回 開始 初始化IO口與中斷 設(shè)置水位上下限 調(diào)用水位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)發(fā)射子程序 配置nRF24L01為 Enhenced ShurtburstTM 調(diào)用超聲波測(cè)距子程序 配置nRF24L01為接收模式接收子程序 延時(shí)2S鐘 結(jié)束 發(fā)射成功?

30、 圖4-2超聲波測(cè)距流程圖 圖4-1測(cè)控站主程序流程圖 開始 水位上下限有變? 調(diào)用寫入上下限水位數(shù)據(jù) 寫實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)到nRF24L01等待發(fā)射 返回 開始 初始化IO口與各中斷 配置Nrf2401為Enhenced shurtburstTM 初始化液晶LCD1602顯示子程序 調(diào)用按鈕檢測(cè)子程序

31、配置nRF24L01為PRX模式 調(diào)用液晶顯示子程序 調(diào)用延時(shí)2S鐘子程序 結(jié)束 配置nRF24L01為PTX模式 圖4-5、無線發(fā)射流程圖 開始 有鍵按下? 調(diào)用按鍵處理子程序 返回 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 L+- H+ 確定 L-- H- 各鍵解釋：

32、 “+，-”：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(jì)原理圖（見附圖） 7、功能測(cè)試 7.1測(cè)試儀器 PROTEUS軟件 PC機(jī) 帶盛水容器 直尺 7.2測(cè)試方法 根據(jù)方案設(shè)計(jì)的要求，電路按模塊測(cè)試，各模塊逐個(gè)測(cè)試通過后再聯(lián)調(diào)。 7.2.1主站 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(cè)試按鍵和顯示；LED顯示器顯示正確，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

33、斷子程序中設(shè)定斷點(diǎn)。運(yùn)行程序，按鍵測(cè)試，程序正常運(yùn)行到斷點(diǎn)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(cè)試鍵盤。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)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(cè)試，測(cè)試結(jié)果正常。鍵盤顯示測(cè)試完成。 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(bào)警水位，測(cè)量水位實(shí)時(shí)水位，看與主站上LCD顯示，能否實(shí)時(shí)顯示從站上測(cè)量的水位，不能通信測(cè)再排除問題。 報(bào)警提示模塊：在主控制站上先把上限水位設(shè)低于實(shí)際水位，若主站上的上限水位報(bào)警指示燈亮則報(bào)警提示模塊功能實(shí)現(xiàn)。 7.2.2從站 從站的測(cè)試方法雷同主站的測(cè)試方法。 系統(tǒng)聯(lián)調(diào):

34、 將系統(tǒng)的主站與從站連接，脫機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定工作，測(cè)試完畢。 8、數(shù)據(jù)測(cè)試 測(cè)試數(shù)據(jù)如下表8-1： 表8-1、數(shù)據(jù)測(cè)試 設(shè)定液位值 　 (mm) 　實(shí)測(cè)液位值 (mm) 　 誤差 (cm) 0.0 10 20 30 40 60 80 100 140 180 200 220 從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出精度達(dá)到了題目要求，液位測(cè)量誤差主要是1、液壓傳感器安裝是測(cè)得與容器頂部距離與實(shí)際有誤差使得計(jì)算出來的結(jié)果有偏差。2、超聲波在空氣中的傳播速

35、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(cè)量出來的水位與實(shí)際水位產(chǎn)生一定的偏差。 9、總結(jié) 本水位遙測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)完成了題目要求的基本功能和發(fā)揮功能，對(duì)于小型水泵的控制采慢速汲水，以確保液壓傳感器測(cè)量的精度和水位控制的精度，在測(cè)量水位時(shí)，安裝液壓傳感器時(shí)要離容器正上方一定高度再按裝，以消除超聲波測(cè)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(jiǎn)潔，操作方便，具有比較好的穩(wěn)定性，能夠精確的測(cè)量液位，遇警時(shí)能自動(dòng)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(bào)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

36、黃際樂老師制定的定時(shí)任務(wù),和隨時(shí)抽查我的畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度,使我感到了時(shí)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(gè)課題能愉快并順利完成的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，尤其感謝黃老師經(jīng)常抽出他寶貴的時(shí)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?cè)谖覇纹瑱C(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(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(diǎn)點(diǎn)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(jìng)賽實(shí)驗(yàn)室的伙伴們，他們?cè)谖业膶W(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

37、人二十多年來對(duì)我精神和物質(zhì)上的鼓勵(lì)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(cè)距系統(tǒng)》 [2]. 求是科技，《單片機(jī)通信技術(shù)與工程實(shí)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(shí)例》，人民郵電出版社，2003 [5].房小翠 王金鳳編著，《單片機(jī)實(shí)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)》，國防工業(yè)出版社，1999 [6].孫育才等，《ATMEL新型AT89C52系列

38、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(jì)》，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 51單片機(jī)系列的STC12C5406AD SCM through ultrasonic sensors and liquid level transmitter to achieve re

39、al-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

40、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. Syste

41、m 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 LED顯示器 human-computer interface for

42、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

43、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: 51單片機(jī)系列的STC12C5406AD SCM, nRF24L01, ultrasonic sensors, GFSK 24