引言
衡水湖國家級自然保護區坐落在河北省衡水、冀州、棗強之間的三角地帶，是華北平原唯一保持沼澤、水域、灘涂、草甸和森林等完整濕地生態系統的自然保護區，占地面積 283 km2．其生物多樣性十分豐富，以內陸淡水濕地生態系統和國家 I、II 級鳥類為主要保護對象．衡水湖濕地具有非常明顯的生態效益，具有涵養水源、調蓄洪水、保護生物多樣性、保護土壤的重要作用，并且也是重要的旅游資源．目前為止，衡水湖已承辦兩次國際馬拉松體育賽事，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、生態環境及衡水周邊地區及其下游地區的水產養殖、工業和農業生產用水等．所以，設計衡水湖的水位監測系統是非常必要的．
1 系統總體設計
水位監測系統的功能如下：
1\\) 采用 STC89C52 單片機作為主控芯片，實現超聲波測距儀主控功能；2\\) 采用液晶屏顯示當前距離等信息；3\\) 采用 US-100 高精度超聲波收發模塊，提供非接觸式距離測量功能，測距精度達到 3 mm；4\\) 當測量距離達到預警范圍時，進行蜂鳴器聲音和燈光報警．系統主要包括硬件設計和軟件設計兩大部分．2 系統硬件設計。。
本系統硬件部分由單片機 STC89C52 主控模塊、超聲波收發模塊、顯示模塊、報警模塊及其他單片機外圍電路組成，如圖 1 所示．單片機 STC89C52 是整個系統的核心部件，協調和控制各部分電路的工作．由于選用的US-100 超聲波收發模塊可以產生 40 KHz 的方波，故不再需要單片機編程產生 40 KHz 的方波，直接由超聲波發射探頭發射超聲波．單片機在超聲波信號發射的同時開始計時，超聲波信號在空氣中傳播遇到障礙物后發生反射，反射的回波信號經過超聲波接收模塊處理后輸入到單片機的 INT0 端產生中斷，計數器停止計時．通過計數器測得的脈沖數可得到超聲波信號往返所需要的時間，從而達到測距的目的．然后將測量結果通過 LCD 顯示電路顯示到液晶屏上，便可直觀地觀察到測量距離．如果測量距離不在安全水位范圍，這時便觸發報警電路工作，通過指示燈和蜂鳴器進行聲光報警，整個系統通過協調、配合共同實現了超聲波測距的功能．【圖1】
1 主控制模塊
主控制模塊采用的是宏晶公司生產的高性能單片機 STC89C52，該芯片是增強型 80C51 單片機．超聲波模塊與 STC89C52 單片機的接口原理圖分別如圖 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，其中 TRIG 為單片機發送觸發信號的引腳，ECHO 引腳為 US-100 模塊送回回響信號的引腳，接至單片機外部中斷 P3.2 腳上，可以利用外部中斷測量回響信號寬度．當測量距離小于閾值時，單片機通過管腳 P3.6 發出燈光報警信號，觸發 LED 報警燈亮，同時通過管腳 P3.7 發出聲音報警信號 beep，該信號用以觸發蜂鳴器鳴響報警．【圖2】
2.2 US-100 超聲波收發模塊
超聲波測距的原理一般采用回波探測法．該超聲波收發模塊可產生 40 KHz 的方波，并經放大電路驅動超聲波發射探頭發射超聲波，發射出去的超聲波經障礙物反射后由超聲波接收探頭接收．經接收電路的檢波放大，積分整形，在 ECHO 引腳上產生方波脈沖，該脈沖寬度與被測距離成線性關系．只需要在 Trig/TX 管腳輸入一個 10 us 以上的高電平，系統便可發出 8 個 40 KHz 的超聲波脈沖，然后檢測回波信號，當檢測到回波信號后，模塊還要進行溫度值的測量，然后根據當前溫度對測距結果進行校正，將校正后的結果通過 ECHO/RX管腳輸出．在此模式下，模塊將距離值轉化為 340 m/s 時的時間值的 2 倍，通過 ECHO 端輸出一個高電平，可根據此高電平的持續時間來計算距離值．即距離值 = \\(高電平時間 × 340 m/s\\)/2．使用 US-100 超聲波收發模塊進行距離測量時，單片機只需要輸出觸發信號，并監視回響引腳，通過定時器計算回響信號寬度，并換算成距離即可．該模塊簡化了發送和接收的模擬電路，工作穩定可靠．需要注意是測量周期必須在 60 ms 以上，防止發射信號對回響信號的影響．模塊共有兩個接口，即模式選擇跳線和 5pin接口．模式選擇跳線接口設置為當安裝上短路帽時為 UART\\(串口\\)模式，拔掉時為電平觸發模式．
2.3 蜂鳴器報警模塊
單片機管腳的灌電流比拉電流容量大，所以電路設計為低電平輸出時蜂鳴器響，高電平關閉．當單片機P3.7 腳輸出低電平時，PNP 型三極管 8550 導通，有集電極電流通過，蜂鳴器鳴響．當 P3.7 腳輸出高電平時，三極管截止，蜂鳴器關閉．
2.4 顯示模塊
顯示模塊部分采用 LCD1602 液晶屏進行數據顯示，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現信息顯示的．LCD1602 液晶屏與單片機接口電路如圖 3 所示．【圖3】
3 系統軟件設計
3.1 主程序流程圖
圖 4 為主程序流程圖．開機后亮燈并發聲約 0.5 s 表示開始工作．T0 用于記錄發射至接收的時間間隔 t\\(單位是ms\\)．初始化后，程序控制發射 40 KHZ 的超聲波信號，發射開始立即啟動定時器 0 開始計時．發射時間為1 ms．CPU 接收回波信號后，立即產生 INT0 中斷同時 T0 立即停止計數．定時器 T0 專門用于記錄 CPU 發射脈沖信號前沿至回波脈沖信號前沿之問的距離 t，由此時間可換算出水面的距離，并決定“嘟”聲間隙．可設定 T1 的定時值，用來控制“嘟”聲間隙時間和閃爍顯示時間．水位計算公式為d = \\(t × 34 cm/ms\\)/2 = t × 17 cm/ms．【圖4】
3.2 中斷服務程序流程圖
一旦 CPU 接收到回波信號，外部中斷服務程序立即啟動，進入外部中斷入口，首先讀取定時器的當前值，讀取完畢，便可以置測量成功標志，此程序便完成進行．具體流程如圖 5 所示．【圖5】
4 結束語
利用超聲波傳輸距離與時間的關系，并采用 STC89C52 單片機進行控制及數據處理，設計出了能精確測量兩點間距離的超聲波水位監測儀，可以省去人工測量的成本，具有一定的現實意義．
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