衡水湖的水位监测系统的软硬件研发

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衡水湖的水位监测系统的软硬件研发

引言

衡水湖国家级自然保护区坐落在河北省衡水、冀州、枣强之间的三角地带，是华北平原唯一保

持沼泽、水域、滩涂、草甸和森林等完整湿地生态系统的自然保护区，占地面积 283 km2．其

生物多样性十分丰富，以内陆淡水湿地生态系统和国家 I、II 级鸟类为主要保护对象．衡水湖

湿地具有非常明显的生态效益，具有涵养水源、调蓄洪水、保护生物多样性、保护土壤的重要

作用，并且也是重要的旅游资源．目前为止，衡水湖已承办两次国际马拉松体育赛事，日渐成

为衡水的一张重要名片．衡水湖的水位影响着衡水湖的水生植被、生态环境及衡水周边地区及

其下游地区的水产养殖、工业和农业生产用水等．所以，设计衡水湖的水位监测系统是非常必

要的．

1 系统总体设计

水位监测系统的功能如下：

1) 采用 STC89C52 单片机作为主控芯片，实现超声波测距仪主控功能；2) 采用液晶屏显示当前

距离等信息；3) 采用 US-100 高精度超声波收发模块，提供非接触式距离测量功能，测距精度

达到 3 mm；4) 当测量距离达到预警范围时，进行蜂鸣器声音和灯光报警．系统主要包括硬件

设计和软件设计两大部分．2 系统硬件设计。。

本系统硬件部分由单片机 STC89C52 主控模块、超声波收发模块、显示模块、报警模块及其他

单片机外围电路组成，如图 1 所示．单片机 STC89C52 是整个系统的核心部件，协调和控制各

部分电路的工作．由于选用的 US-100 超声波收发模块可以产生 40 KHz 的方波，故不再需要单

片机编程产生 40 KHz 的方波，直接由超声波发射探头发射超声波．单片机在超声波信号发射

的同时开始计时，超声波信号在空气中传播遇到障碍物后发生反射，反射的回波信号经过超声

波接收模块处理后输入到单片机的 INT0 端产生中断，计数器停止计时．通过计数器测得的脉

冲数可得到超声波信号往返所需要的时间，从而达到测距的目的．然后将测量结果通过 LCD

显示电路显示到液晶屏上，便可直观地观察到测量距离．如果测量距离不在安全水位范围，这

时便触发报警电路工作，通过指示灯和蜂鸣器进行声光报警，整个系统通过协调、配合共同实

现了超声波测距的功能．【图1】

1 主控制模块

主控制模块采用的是宏晶公司生产的高性能单片机 STC89C52 ，该芯片是增强型80C51 单片

机．超声波模块与STC89C52 单片机的接口原理图分别如图 2 所示．超声波模块引脚从上至下

分别为VCC、TRIG(控制端)、ECHO(接收端)、OUT(空脚)、GND ，其中 TRIG 为单片机发送

触发信号的引脚，ECHO 引脚为US-100 模块送回回响信号的引脚，接至单片机外部中断P3.2

脚上，可以利用外部中断测量回响信号宽度．当测量距离小于阈值时，单片机通过管脚 P3.6

发出灯光报警信号，触发 LED 报警灯亮，同时通过管脚 P3.7 发出声音报警信号 beep，该信号

用以触发蜂鸣器鸣响报警．【图2】

2.2 US-100 超声波收发模块

超声波测距的原理一般采用回波探测法．该超声波收发模块可产生 40 KHz 的方波，并经放大

电路驱动超声波发射探头发射超声波，发射出去的超声波经障碍物反射后由超声波接收探头接

收．经接收电路的检波放大，积分整形，在 ECHO 引脚上产生方波脉冲，该脉冲宽度与被测距

离成线性关系．只需要在 Trig/TX 管脚输入一个 10 us 以上的高电平，系统便可发出8 个40

KHz 的超声波脉冲，然后检测回波信号，当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，

然后根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后的结果通过 ECHO/RX 管脚输出．在此模式

下，模块将距离值转化为340 m/s 时的时间值的2 倍，通过 ECHO 端输出一个高电平，可根据

此高电平的持续时间来计算距离值．即距离值= ( 高电平时间 × 340 m/s)/2 ．使用US-100 超声

波收发模块进行距离测量时，单片机只需要输出触发信号，并监视回响引脚，通过定时器计算

回响信号宽度，并换算成距离即可．该模块简化了发送和接收的模拟电路，工作稳定可靠．需

要注意是测量周期必须在60 ms 以上，防止发射信号对回响信号的影响．模块共有两个接口，

即模式选择跳线和5pin 接口．模式选择跳线接口设置为当安装上短路帽时为 UART(串口)模

式，拔掉时为电平触发模式．

2.3 蜂鸣器报警模块

单片机管脚的灌电流比拉电流容量大，所以电路设计为低电平输出时蜂鸣器响，高电平关闭．

当单片机 P3.7 脚输出低电平时，PNP 型三极管 8550 导通，有集电极电流通过，蜂鸣器鸣响．

当P3.7 脚输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器关闭．

2.4 显示模块

显示模块部分采用 LCD1602 液晶屏进行数据显示，LCD 显示器是利用液晶处理后，便能改变

光线的传输方向特性来实现信息显示的．LCD1602 液晶屏与单片机接口电路如图 3 所示．【图

3】

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摘要：

衡水湖的水位监测系统的软硬件研发引言衡水湖国家级自然保护区坐落在河北省衡水、冀州、枣强之间的三角地带，是华北平原唯一保持沼泽、水域、滩涂、草甸和森林等完整湿地生态系统的自然保护区，占地面积283km2．其生物多样性十分丰富，以内陆淡水湿地生态系统和国家I、II级鸟类为主要保护对象．衡水湖湿地具有非常明显的生态效益，具有涵养水源、调蓄洪水、保护生物多样性、保护土壤的重要作用，并且也是重要的旅游资源．目前为止，衡水湖已承办两次国际马拉松体育赛事，日渐成为衡水的一张重要名片．衡水湖的水位影响着衡水湖的水生植被、生态环境及衡水周边地区及其下游地区的水产养殖、工业和农业生产用水等．所以，设计衡水湖的水位...

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