Abstract: With the advancement of modern life intelligence, it has been more widely used in remote detection of liquid level. In practical applications, there are many monitoring points and the complex environment. It can be hard to monitoring by means of manual. Wireless communication technology, ultrasonic monitoring technology and so on has combined in a wireless liquid level monitoring alarm system based on MCU. The system has two monitoring points. Each monitoring point consists of a micro-controller module, an ultrasound module, and a wireless transmitter and receiver module. Sending the data of the monitoring point to the receiving end through wireless transmitting module; the receiving end realizes the wireless reception of data and displays it on 1602. At the same time, the alarm threshold of the liquid level can be set via the keyboard. When the monitored water level exceeds the setting value, the system will automatically alarm. In addition, the system also has a liquid level recording function, capable of recording multiple sets of liquid level data, and browsing through the keyboard.

Key words: Liquid level monitoring   Wireless communication   NRF2401

【中图分类号】TN92【文献标识码】B  文章编号1606-5123（2018）08-0000-00

1 引言

随着传感技术的发展，监测任务已经逐步由仪器替代[1-2]，基于单片机的远程测距技术已经渗透到生活的方方面面[3-4]。由于超声波指向性强，抗干扰能力强，能量消耗缓慢，因而超声波无线测距常被应用到水库、矿井、地下河等水位监测系统中[5-6]。本文选择水位为监测对象，要求实现两个检测点的水位远程监视，能通过无线信号传输技术将实时水位数据传输给接收端，再由接收端进行数据的储存与分析，当水位高于阈值时能发出警报提醒相关人员，及时作出应对，尽可能少的减少水资源的流失[7]。

2 技术方案

本文以STC89C52单片机为核心，结合无线通信技术、超声波液位监测技术等设计出了一款基于单片机的远程液位监测报警系统[8]。该系统由无线发送系统和无线接收系统组成。无线检测发送系统由单片机模块、超声波模块和无线发射模块构成基本单元，主要通过超声波模块探测实时液位高度。

2.1 无线发射系统

主要实现水位数据的检测，并由单片机将数据处理好后发送给接收端。结构如图1所示。

2.2 无线接收系统

无线接收端电路主要完成无线数据的接收、数据显示、键盘参数设置、报警功能。主要由STC89C52单片机、NRF2401接收模块、时钟电路、复位电路、液晶显示模块等组成。

3 STC89C52硬件实现

本次设计使用的控制芯片是STC89C52单片机[9]，采用LCD1602液晶屏来显示2个不同监测点的实时水位高度的数据，无线检测发送系统采用电池组供电，无线接收系统采用工控机USB供电；超声波测距模块来测量每个水渠实时水位高度；选择NRF2401模块作为无线数据传输模块[10]。

3.1 超声波液位检测电路设计

(1)超声波测距原理：超声波传感器向水面发射超声波，声波在遇到水面后会犹如光折射一般返回，此时返回的超声波会被超声波接收器所感应。通过计算超声波检测模块发送与接收的时差，由测距的公式L=C×T可计算出水位的实时高度。其中L为所测量的水位高度；C为超声波在空气中的传播速度；T为自发射超声波起至接收端接收到返回的超声波为止所用的时间的二分之一。

(2)超声波收发一体化模块：如图2所示为超声波传感器外形图，该模块可自行产生40kHz的方波，为了使超声波信号便于接收，此超声波模块中加设有放大电路，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水面反射后由超声波接收模块接收。

(3)超声波模块与单片机接口：本系统设计中，使用两个I/O口，一个与超声波模块上的TRIG连接，它用来负责发出用来检测水位高度的超声波信号；一个和声波模块上的ECHO接口相接，用来负责接收检测返回的水位高度信号。硬件接口如图3所示：1号引脚接地；2号引脚连接单片机的P2.6端口；3号引脚连接单片机的P2.7端口；4号引脚连接2.4V-5.5V的电源。

3.2 无线数据收发模块电路设计

如图4所示，NRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM频段，可通过对程序进行配置来改变通信频道。同时它的体积较小便于安装与后期维护更换。其具有宽工作电压范围特性，为1.9V-3.6V。工作温度范围-40℃-+80℃，具有多通道工作模式，通道切换时间在200us以内，反应迅速，满足了设计中两个监测点传输数据的需要。此无线收发模块的SPI通讯端口，适合与各种MCU连接，编程简单易于操作，实用性非常强，能满足一般民用的要求。

4 系统软件设计

在硬件设计的基础上，需要对无线发送模块和接收模块分别进行软件程序设计，使系统完成相应的控制功能。

4.1 无线发送系统程序设计

无线发送系统主要的任务是当系统上电后，由超声波检测模块检测到数据进行处理从而得到所在检测点的实时水位高度，再由无线发射模块将数据发送给远处的无线接收模块。在连接好各个模块后需要判断SPI接口的定义和协议是否正确。系统流程图如图5所示。

4.2 无线接收系统程序设计

无线接收系统主要是用来接收由无线发射系统所传回的水渠水位的实时高度信息。当接收到信息后将由单片机将数据显示在液晶屏幕上和储存在上位机中。此外单片机还会将接收到水位高度信息与预先设定好的阈值相比较，当水位高度高于阈值时单片机将控制报警电路发出警报。系统流程图如图6所示。

5 工程调试

将各模块组合后进行系统调试，观察系统是否可以实现远程水位监测、液晶屏上实时显示水位数据、可以进行数据的存储与查询、水位超出阈值时报警系统能发出警报等相应的控制功能。在调试过程中，超声波模块经常受一定环境因素(比如温度)的干扰，为了提高模块的抗干扰能力，在使用前必须对超声波收发模块进行温度矫正，也可以根据实际需求，通过改变滤波电容C16的大小来提高抗干扰能力。经过反复调试后，工程样机如图7所示，实现了远程水位监测功能。

6 结束语

本设计传感器选择超声波测距模块，传输选用NRF2401无线模块，通过单片机控制超声波模块实时检测水渠液位数据并转换，上位机实时接收液位数据，将其显示到液晶屏幕上，系统能够每隔30S从两个下位机处读取水位值，存储并显示。所设计的远程水位监测系统实现了自动监测水位数据，水位的量化，且实时数据传输速度快，使相关人员在短的时间内做出反应以减少不必要的损失。

参考文献

[1]杨少峰.基于CAN总线的嵌入式水位监测系统设计[D]. 太原：太原理工大学,2010.

[2]王昆,陈昕志.基于GPRS的地下水动态水位监测系统研究[J]. 计算机测量与控制,2011,19(2):263-265.

[3]彭元松,彭端.基于ZigBee无线通信技术的河流水位监测系统[J]. 仪表技术与传感器,2012,7:68-70.

[4]徐尧铮.基于嵌入式技术的地下水位监测智能终端设计与实现[D]. 北京：北方工业大学,2012.

[5]李卫华,车灿辉.城市深基坑工程地下水位监测问题的研究[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程) ,2013,(6):70-72,76.

[6]王豹,龙俊,李守成.自动监测系统在三河闸测压管中的研究与应用[J]. 江苏水利,2017,02:38-40,44.

[7]刘永河,苗壮,张晓红,等.乌梁素海生态修复中自动水位监测系统的应用[J]. 内蒙古水利,2016(12):62-63.

[8]刘文,杨欣,张铠麟.基于AT89C2051单片机的指脉检测系统的研究[J]. 医疗装备,2011(9)：2-14.

[9]李林功,吴飞青,王兵,等.单片机原理及应用[M]. 北京：机械工业出版社, 2016.

[10]张福学.传感器应用及其电路精选(下册) [M]. 北京：机械工业出版社, 1992.

作者简介

冯佩云 （1990-） 女 硕士研究生 研究方向：工业自动化方向