衡水湖的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件研發(fā),防洪工程論文

衡水湖的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件研發(fā),防洪工程論文衡水湖國(guó)家級(jí)自然保衛(wèi)區(qū)坐落在河北省衡水、冀州、棗強(qiáng)之間的三角地帶，是華北平原唯一保持沼澤、水域、灘涂、草甸和森林等完好濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然保衛(wèi)區(qū)，占地面積283km2．其生物多樣性特別豐富，以內(nèi)陸淡水濕地生態(tài)系統(tǒng)和國(guó)家I、II級(jí)鳥類為主要保衛(wèi)對(duì)象．衡水湖濕地具有非常明顯的生態(tài)效益，具有內(nèi)涵修養(yǎng)水源、調(diào)蓄洪水、保衛(wèi)生物多樣性、保衛(wèi)土壤的重要作用，并且也是重要的旅游資源．當(dāng)前為止，衡水湖已承辦兩次國(guó)際馬拉松體育賽事，日漸成為衡水的一張重要名片．衡水湖的水位影響著衡水湖的水生植被、生態(tài)環(huán)境及衡水周邊地區(qū)及其下游地區(qū)的水產(chǎn)養(yǎng)殖、工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水等．所以，設(shè)計(jì)衡水湖的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的．1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能如下：1)采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距儀主控功能；2)采用液晶屏顯示當(dāng)下距離等信息；3)采用US-100高精度超聲波收發(fā)模塊，提供非接觸式距離測(cè)量功能，測(cè)距精度到達(dá)3mm；4)當(dāng)測(cè)量距離到達(dá)預(yù)警范圍時(shí)，進(jìn)行蜂鳴器聲音和燈光報(bào)警．系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分．2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。。本系統(tǒng)硬件部分由單片機(jī)STC89C52主控模塊、超聲波收發(fā)模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊及其他單片機(jī)外圍電路組成，如此圖1所示．單片機(jī)STC89C52是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)和控制各部分電路的工作．由于選用的US-100超聲波收發(fā)模塊能夠產(chǎn)生40KHz的方波，故不再需要單片機(jī)編程產(chǎn)生40KHz的方波，直接由超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波．單片機(jī)在超聲波信號(hào)發(fā)射的同時(shí)開場(chǎng)計(jì)時(shí)，超聲波信號(hào)在空氣中傳播碰到障礙物后發(fā)生反射，反射的回波信號(hào)經(jīng)過超聲波接收模塊處理后輸入到單片機(jī)的INT0端產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)．通過計(jì)數(shù)器測(cè)得的脈沖數(shù)可得到超聲波信號(hào)往返所需要的時(shí)間，進(jìn)而到達(dá)測(cè)距的目的．然后將測(cè)量結(jié)果通過LCD顯示電路顯示到液晶屏上，便可直觀地觀察到測(cè)量距離．假如測(cè)量距離不在安全水位范圍，這時(shí)便觸發(fā)報(bào)警電路工作，通過指示燈和蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警，整個(gè)系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)、配合共同實(shí)現(xiàn)了超聲波測(cè)距的功能．【圖1】1主控制模塊主控制模塊采用的是宏晶公司生產(chǎn)的高性能單片機(jī)STC89C52，該芯片是加強(qiáng)型80C51單片機(jī)．超聲波模塊與STC89C52單片機(jī)的接口原理圖分別如此圖2所示．超聲波模塊引腳從上至下分別為VCC、TRIG(控制端)、ECHO(接收端)、OUT(空腳)、GND，華而不實(shí)TRIG為單片機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)的引腳，ECHO引腳為US-100模塊送回回響信號(hào)的引腳，接至單片機(jī)外部中斷P3.2腳上，能夠利用外部中斷測(cè)量回響信號(hào)寬度．當(dāng)測(cè)量距離小于閾值時(shí)，單片機(jī)通過管腳P3.6發(fā)出燈光報(bào)警信號(hào)，觸發(fā)LED報(bào)警燈亮，同時(shí)通過管腳P3.7發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)beep，該信號(hào)用以觸發(fā)蜂鳴器鳴響報(bào)警．【圖2】2.2US-100超聲波收發(fā)模塊超聲波測(cè)距的原理一般采用回波探測(cè)法．該超聲波收發(fā)模塊可產(chǎn)生40KHz的方波，并經(jīng)放大電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射后由超聲波接收探頭接收．經(jīng)接收電路的檢波放大，積分整形，在ECHO引腳上產(chǎn)生方波脈沖，該脈沖寬度與被測(cè)距離成線性關(guān)系．只需要在Trig/TX管腳輸入一個(gè)10us以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個(gè)40KHz的超聲波脈沖，然后檢測(cè)回波信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)后，模塊還要進(jìn)行溫度值的測(cè)量，然后根據(jù)當(dāng)下溫度對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，將校正后的結(jié)果通過ECHO/RX管腳輸出．在這里形式下，模塊將距離值轉(zhuǎn)化為340m/s時(shí)的時(shí)間值的2倍，通過ECHO端輸出一個(gè)高電平，可根據(jù)此高電平的持續(xù)時(shí)間來計(jì)算距離值．即距離值=(高電平常間340m/s)/2．使用US-100超聲波收發(fā)模塊進(jìn)行距離測(cè)量時(shí)，單片機(jī)只需要輸出觸發(fā)信號(hào)，并監(jiān)視回響引腳，通過定時(shí)器計(jì)算回響信號(hào)寬度，并換算成距離即可．該模塊簡(jiǎn)化了發(fā)送和接收的模擬電路，工作穩(wěn)定可靠．需要注意是測(cè)量周期必須在60ms以上，防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響．模塊共有兩個(gè)接口，即形式選擇跳線和5pin接口．形式選擇跳線接口設(shè)置為當(dāng)安裝上短路帽時(shí)為UART(串口)形式，拔掉時(shí)為電平觸發(fā)形式．2.3蜂鳴器報(bào)警模塊單片機(jī)管腳的灌電流比拉電流容量大，所以電路設(shè)計(jì)為低電平輸出時(shí)蜂鳴器響，高電平關(guān)閉．當(dāng)單片機(jī)P3.7腳輸出低電平常，PNP型三極管8550導(dǎo)通，有集電極電流通過，蜂鳴器鳴響．當(dāng)P3.7腳輸出高電平常，三極管截止，蜂鳴器關(guān)閉．2.4顯示模塊顯示模塊部分采用LCD1602液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，LCD顯示器是利用液晶處理后，便能改變光線的傳輸方向特性來實(shí)現(xiàn)信息顯示的．LCD1602液晶屏與單片機(jī)接口電路如此圖3所示．【圖3】3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1主程序流程圖圖4為主程序流程圖．開機(jī)后亮燈并發(fā)聲約0.5s表示開場(chǎng)工作．T0用于記錄發(fā)射至接收的時(shí)間間隔t(單位是ms)．初始化后，程序控制發(fā)射40KHZ的超聲波信號(hào)，發(fā)射開場(chǎng)立即啟動(dòng)定時(shí)器0開場(chǎng)計(jì)時(shí)．發(fā)射時(shí)間為1ms．CPU接收回波信號(hào)后，立即產(chǎn)生INT0中斷同時(shí)T0立即停止計(jì)數(shù)．定時(shí)器T0專門用于記錄CPU發(fā)射脈沖信號(hào)前沿至回波脈沖信號(hào)前沿之問的距離t，由此時(shí)間可換算出水面的距離，并決定嘟聲間隙．可設(shè)定T1的定時(shí)值，用來控制嘟聲間隙時(shí)間和閃爍顯示時(shí)間．水位計(jì)算公式為d=(t34cm/ms)/2=t17cm/ms．【圖4】3.2中斷服務(wù)程序流程圖一旦CPU接收到回波信號(hào)，外部中斷服務(wù)程序立即啟動(dòng)，進(jìn)入外部中斷入口，首先讀取定時(shí)器的當(dāng)下值，讀取完畢，便能夠置測(cè)量成功標(biāo)志，此程序便完成進(jìn)行．詳細(xì)流程如此圖5所示．【圖5】4結(jié)束語利用超聲波傳輸距離與時(shí)間的關(guān)系，并采用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)出了能精到準(zhǔn)確測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離的超聲波水位監(jiān)測(cè)儀，能夠省去人工測(cè)量的成本，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義．以下為參考文獻(xiàn)：[1]韓伏彬,石寶軍.衡水湖濕地生態(tài)建設(shè)四護(hù)策略設(shè)想[J].濕地科學(xué)與管理,2020,8(2):57-59.[2]戴曰章,吳志勇.基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距