遠(yuǎn)程液位檢測及控制系統(tǒng)摘要超聲波一種運(yùn)用聲波在介質(zhì)中傳播，遇到障礙物時，會自動反射的特性，設(shè)計的一種仿生傳感器，這類傳感器原理簡單，使用價值高，被大量運(yùn)用于測距和避障方面。本設(shè)計將從分析超聲波測距的原理和遠(yuǎn)程液位檢測功能后，通過模塊分立的方式進(jìn)行實驗性研究，運(yùn)用了基于單片機(jī)的硬件電路系統(tǒng)和C語言程序,設(shè)計出了一套能夠?qū)崿F(xiàn)水位自動監(jiān)控、遠(yuǎn)程實時通訊、抽水電機(jī)自動通斷以實現(xiàn)控制自動補(bǔ)水等功能的控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)由液位的檢測傳感器模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)無線傳輸通信模塊、數(shù)字顯示屏、電機(jī)控制器等構(gòu)成。運(yùn)用檢測模塊控制超聲波對液面的測量，將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控模塊端，實現(xiàn)液面高度的監(jiān)控和對進(jìn)出水口的控制。這是一套簡單而靈敏的雙機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)，具有安裝方便、操作簡單、實時通訊的特點。因為大部分電路采用數(shù)字電路，所以本液位檢測及控制系統(tǒng)還具有耗能低、準(zhǔn)確性高的特點。通過設(shè)計過程中的不斷修改和簡化，該系統(tǒng)設(shè)計新穎、簡易，靈敏度高，工作穩(wěn)定的特點，能夠自動檢測與顯示當(dāng)前水位、自動控制當(dāng)前液位高度，保證對用水的供應(yīng)。在智能化的時代的今天，這套非接觸式的測量液位的系統(tǒng)，有很大可能性取代市面上絕大部分接觸式的液位傳感系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：超聲波測距；液位監(jiān)控；實時通訊AbstractUltrasonicwaveisakindofbionicsensordesignedbyusingthecharacteristicsofacousticwavepropagationinthemediumandautomaticreflectionwhenencounteringobstacles.Thiskindofsensorhassimpleprincipleandhighusevalue,andiswidelyusedinrangingandobstacleavoidance.Afteranalyzingtheprincipleofultrasonicdistancemeasurementandthefunctionofremoteliquidleveldetection,thisdesigncarriesouttheexperimentalresearchthroughthewayofmoduleseparation.UsingthehardwarecircuitsystemandClanguageprogrambasedonsinglechipmicrocomputer,asetofcontrolsystemisdesignedwhichcanrealizethefunctionsofautomaticwaterlevelmonitoring,remotereal-timecommunication,automaticon-offofpumpmotor,etc.Thecontrolsystemiscomposedofliquidlevelsensormodule,single-chipmicrocomputercontrolsystemmodule,datawirelesstransmissioncommunicationmodule,digitaldisplayscreen,motorcontroller,etc.Thedetectionmoduleisusedtocontroltheultrasonicmeasurementoftheliquidlevel,andthedataissenttothemonitoringmoduleendtorealizethemonitoringoftheliquidlevelheightandthecontrolofthewaterinletandoutlet.Thisisasimpleandsensitivedualcomputermonitoringandcontrolsystem,whichhasthecharacteristicsofconvenientinstallation,simpleoperationandreal-timecommunication.Becausemostofthecircuitsaredigitalcircuits,theliquidleveldetectionandcontrolsystemhasthecharacteristicsoflowenergyconsumptionandhighaccuracy.Throughthecontinuousmodificationandsimplificationinthedesignprocess,thesystemhasthecharacteristicsofnovelandsimpledesign,highsensitivityandstableoperation.Itcanautomaticallydetectanddisplaythecurrentwaterlevel,automaticallycontrolthecurrentlevelandensurethesupplyofwater.Intheeraofintelligence,thissetofnon-contactliquidlevelmeasurementsystemislikelytoreplacemostofthecontactliquidlevelsensorsystemsonthemarket.Keywords：Ultrasonicranging；monitoringofliquidlevel；realtimecommunication目錄TOC\o"1-3"\h\u第一章緒論 61.1問題的提出 61.2國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的現(xiàn)狀 61.3本系統(tǒng)的組成及優(yōu)點 7第二章設(shè)計相關(guān)知識介紹 92.1超聲波測距的原理及其設(shè)計 92.2無線通訊及其協(xié)議 11第三章硬件系統(tǒng)的選型分析 133.1單片機(jī)的選型 133.2超聲波模塊的選取 143.3通訊模塊的應(yīng)用 163.4其他硬件的選取與設(shè)計 17第四章硬件電路的設(shè)計 204.1顯示模塊 204.2通訊模塊 214.3測距模塊 224.4單片機(jī)最小系統(tǒng) 244.5硬件電路總電路圖 25第五章軟件系統(tǒng)設(shè)計 275.1藍(lán)牙模塊的程序設(shè)計 275.2顯示模塊的程序設(shè)計 295.3測距模塊及補(bǔ)償 315.4軟件系統(tǒng)的程序設(shè)計思路 32第六章系統(tǒng)調(diào)試 346.1實驗調(diào)試 346.2總結(jié) 35參考文獻(xiàn) 36第一章緒論問題的提出世界人民的經(jīng)濟(jì)在發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在不斷地進(jìn)步，人民的物質(zhì)生活生活水平也在不斷的提高，人們對于生活的方式越來越趨向于智能化、自動化和高效化，在液位的檢測上，新時代的人們也對此提出了更高的要求。在液位的檢測方面，在很早的時候，是通過人力實現(xiàn)的，需要一個人通過觀察液位的高度才能得出判斷，在監(jiān)控時要一直盯著液位的高度。在18世紀(jì)時，人們發(fā)現(xiàn)在在正常的大氣壓下，同一高度或者同一個深度時大氣壓的壓力值都是均等的原理制造出了連通器，運(yùn)用連通器的原理，人們不再需要觀察容器內(nèi)部的情況才能知道液位的高度。但是，以連通器為原理觀察的方法，需要特殊的容器結(jié)構(gòu)，在很多場合不再適用。如何能夠在不需要認(rèn)為的監(jiān)控下，了解密閉容器內(nèi)液體的情況？如何在不接觸液體的情況下了解液位的情況？如何在沒有人力的干預(yù)下保持液體的量？隨著傳感器技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器和通訊模塊越來越集成化、微型化、智能化，測量和控制液位的方法有了新的選擇，通過處理器的數(shù)據(jù)處理能力，運(yùn)用傳感器和無線通訊技術(shù)進(jìn)行液位的監(jiān)控和控制，為解決以上問題提供了真實的條件。國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的現(xiàn)狀在現(xiàn)在的電子類大市場上，用來測量液位的的儀器儀表有很多，大體上可以分為以下幾大類：浮力式、壓力式、激光式和超聲波式幾大類。浮力式的液位測量儀器，運(yùn)用的是漂浮物在不同液位高度上下浮動時，另外一端對電阻的改變，通過變送器轉(zhuǎn)化為電流信號后，實現(xiàn)在表盤或者顯示器上液位的顯示.這種純物理結(jié)構(gòu)的方法，結(jié)構(gòu)簡單，適用廣泛，但是維護(hù)和精度不足，對于一些化學(xué)性強(qiáng)的液體也不適用。壓力式的液位儀，運(yùn)用的是壓力片在不同的液位下，液體的壓力對壓力片造成的形變程度的不同而引起的電流變化為原理，設(shè)計出的一款液位傳感器，但是這種方法大多用來檢測液位，若想檢測液面高度，則需要一堆的傳感器并聯(lián)，在每個深度都必須有這類傳感器才能辦到，實用性大大降低。激光式的傳感器，運(yùn)用光的反射原理，運(yùn)用光的收、發(fā)裝置，在極小的時間內(nèi)，對液位進(jìn)行測量，這類傳感器精度高操作簡便，但是由于造價成本高，必須在黑暗或者密閉的環(huán)境下，也不適合大量的推廣使用。另外，還有其他一些測量的傳感器，各有各的優(yōu)點，但是也只能在不同的情況下，選擇不同原理和類型的傳感器，在液位檢測和監(jiān)控方面，幾乎很少有一款能夠在各種容器場合都適用的測量傳感器，下文將要介紹的這套系統(tǒng)，將在很大程度上解決這方面的問題。本系統(tǒng)的組成及優(yōu)點本系統(tǒng)是由分為上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分，下位機(jī)的部分主要由傳感器模塊，通訊模塊、電機(jī)及繼電器開關(guān)和單片機(jī)組成，超聲波傳感器負(fù)責(zé)采集液位的信息并傳送到單片機(jī)處理，單片機(jī)將處理好的數(shù)據(jù)通過通訊模塊發(fā)送到空中并接收來自上位機(jī)的信號后，控制水位的進(jìn)出水口電機(jī)的通斷，完成整個下位機(jī)對液位的采集和對液位的控制的動作。上位機(jī)是由通訊部分，手控部分，顯示模塊和單片機(jī)構(gòu)成，通訊模塊接收來自空中的信號，單片機(jī)接收到傳輸過來的數(shù)據(jù)信號后，經(jīng)過程序處理，在顯示模塊上顯示需要的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)數(shù)據(jù)超過預(yù)定的設(shè)置值后，向下位機(jī)發(fā)送控制信號或者通過按鍵發(fā)送特定的信號給下位機(jī)，控制液位的高度。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下：圖1-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可以看出，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，運(yùn)用的傳感器也只有兩個，在一定的技術(shù)條件下，兩個單獨(dú)的傳感器甚至可以集成一塊模塊，大大減少了外設(shè)的數(shù)量，精簡了下位機(jī)的結(jié)構(gòu)和對程序控制的難度。對于液位的控制，在液位的實時監(jiān)控下，也只需要控制繼電器對抽水電機(jī)電源的通斷進(jìn)行控制。但是，系統(tǒng)的多處結(jié)構(gòu)的設(shè)計涉及到雙向的信息傳輸問題，不僅僅是需要保持單片機(jī)內(nèi)部的信息交流，還需要保持雙機(jī)間的實時通訊。因此，這次設(shè)計的重點在于如何解決超聲波的精度和補(bǔ)償問題以及上下機(jī)的實時通訊。第二章設(shè)計相關(guān)知識介紹本設(shè)計從分析超聲波測距的原理和結(jié)合了大學(xué)階段的課程設(shè)計的設(shè)計方法入手，在基于單片機(jī)的硬件電路和使用的基礎(chǔ)上，再結(jié)合了C語言程序設(shè)計的程序的書寫能力,實現(xiàn)一種能夠?qū)崿F(xiàn)水位在不需要人為的干涉時能夠自動顯示液位的高度、具有能夠?qū)崿F(xiàn)自動的保護(hù)、抽水電機(jī)能夠進(jìn)行自動通斷功能，信息能夠再無線連接的情況下進(jìn)行實時無線傳輸?shù)目刂葡到y(tǒng)。本控制系統(tǒng)由液位的檢測傳感器模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)無線傳輸通信模塊、數(shù)字顯示屏、電機(jī)控制器等構(gòu)成。2.1超聲波測距的原理及其設(shè)計2.11測距原理聲波，是在日常生活和生產(chǎn)過程中我們了解過的最多的一種物理現(xiàn)象，也是一種對大多數(shù)人來說沒有真正意義上了解的一種現(xiàn)象。在世界誕生以來，產(chǎn)生聲波的現(xiàn)象無時無刻都在發(fā)生著，充斥在地球的每一個角落，因此，我們習(xí)慣了這種現(xiàn)象的存在。聲波是如何產(chǎn)生的？經(jīng)過人類上千年的探索，人們終于解開了聲波產(chǎn)生的原因：聲波是由物體再不斷地反復(fù)運(yùn)動時產(chǎn)生的，并且聲波的傳播和電的傳播需要導(dǎo)線的情況一樣一樣，聲波的傳導(dǎo)也都需要“導(dǎo)體”的存在，而聲波傳播的導(dǎo)體是介質(zhì)。當(dāng)物體振動時，就是外部對物體做功，振動產(chǎn)生的能量向外部擴(kuò)散引起介質(zhì)中的粒子一同振動，就產(chǎn)生了聲波。聲波也可以理解為介質(zhì)中微小的粒子再外部能量的干擾下，進(jìn)行非平衡態(tài)的運(yùn)動，從而和空氣或者其他物質(zhì)發(fā)生摩擦而產(chǎn)生的。這個傳播過程只是能量通過介質(zhì)的存在對外傳遞的過程，而不發(fā)生質(zhì)量的傳遞。有也只有在介質(zhì)存在的情況下，振動才會就會發(fā)出聲響，這也是真空中聽不到聲音的原因，不同的是，振動的頻率的大小決定著我們聽到的聲音的音調(diào)，振動的幅度大小決定著我們是否能夠感覺到聲波的存在。人類的耳朵對聲音的敏感程度是有限的，頻率太低太高的聲波都是無法察覺的，實驗表明，每個人類的耳朵能夠感知的的聲音雖然有些許差異，但是頻率的范圍是有限的，一般在20Hz（赫茲）至20kHz之間。因此，高于人耳可以接收到的聲波的頻率，我們一般都可以把它們稱為是超聲波。超聲波測距原理是利用一些金屬或者半導(dǎo)體的高頻振動，發(fā)出一定頻率的超聲波，只要根據(jù)發(fā)送和接收時的時間差就可以得到距離的信息，這點與與雷達(dá)測距原理相似。能量轉(zhuǎn)換器向某一方向發(fā)射超聲波，超聲波呈扇形向該方向擴(kuò)散，在換能器產(chǎn)生信號的時候定時器啟動開始計時，超聲波在空氣中傳播，在聲波的能量耗盡之前，如果在中途中能夠碰到障礙物的情況下，接觸到障礙物的部分聲波就會被反彈回來，超聲波的信息采集端收到反彈回來的波就馬上停止計時器的計時工作。其工作示意圖如下：圖2-1超聲波工作示意圖由示意圖可以看出，在超聲波模塊中，超聲波的發(fā)生器和接收器需要保持一定的距離，這是因為收發(fā)裝置過近時，兩個探頭間的能量會互相干擾，同時由于發(fā)射超聲波的發(fā)射角過大，整個超聲波模塊的測量盲區(qū)會很大，影響測量的精度，過遠(yuǎn)時發(fā)射器的發(fā)射角度過大，接收器端不容易接收到返回的超聲波，也就無法測取被測距離的間距。對于被測距離的間距，超聲波測距是有測距的盲區(qū)的，并且盲區(qū)的大小取決于超聲波發(fā)生器的發(fā)射角度和接收角度，一般超聲波傳感器的盲區(qū)都約等于發(fā)生器和接收器之間的距離，并且，當(dāng)測量的距離在幾厘米的時候，在要求精度很高的情況下，必須考慮兩個發(fā)射角和接收角以及兩者之間的間距的影響，通過三角函數(shù)關(guān)系，減小測量的誤差。2.12超聲波測距的結(jié)構(gòu)設(shè)計超聲波測距模塊，顧名思義，就是一塊利用超聲波的特性進(jìn)行兩點之間距離的測量的高度集成的模塊。根據(jù)上文的工作原理和超聲波的特性，超聲波測距傳感器的結(jié)構(gòu)也就能呼之欲出了。超聲波模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：圖2-2結(jié)構(gòu)設(shè)計圖結(jié)合上文的測距原理，由圖可知，測距模塊的核心器件是超聲波的發(fā)射裝置和接收裝置，外部的控制芯片通過通訊串口給模塊發(fā)送指令，要求內(nèi)部的單片機(jī)控制超聲波發(fā)射器發(fā)射一定頻率的超聲波，一定時間后，接收器接收到反射回來的超聲波信號，由于接收器是對電流很敏感的器件，因此接收到信號后所產(chǎn)生的電流的值是很小的，在這種情況下，只能通過運(yùn)算放大器將電流放大后才能輸送到單內(nèi)部的單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理。內(nèi)部的單片機(jī)通過計時器的值，得出整個超聲波測距的流程的時間，再通過通訊串口輸出到外部的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算。2.2無線通訊及其協(xié)議2.21無線通訊及相關(guān)概念無線通訊是指兩個或者兩個以上的節(jié)點設(shè)備之間傳輸信息時不需要通過導(dǎo)體或纜線傳播進(jìn)行的遠(yuǎn)距離傳輸通訊，收音機(jī)、無線電臺等都是不需要導(dǎo)體通訊的最初的案例。無線通訊包括各種安裝固定在某個位置式、可移動式和方便攜帶式的應(yīng)用，例如雙向無線電、便攜式電話、個人數(shù)碼助理及WIFI。其他能夠應(yīng)用到非接線式的無線傳輸?shù)睦舆€有全球定位系統(tǒng)、車庫門遙控器、無線鼠標(biāo)等。大多數(shù)的無線電通信技術(shù)都能采用到無線電的技術(shù)，其中包括只有幾米十幾米連接距離的無線網(wǎng)絡(luò)，還包括和航海家一號通信，在數(shù)以百萬計公里以外的深空網(wǎng)絡(luò)。然而，一些無線通信技術(shù)不使用廣播，而是使用無線技術(shù)的其他電磁波，如光，磁，電，和類似的信號。無線通信是在無線通訊領(lǐng)域上使用最多的，應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛的一種通訊方式。無線通信是利用高頻的電流磁場產(chǎn)生的電磁波信號可以在宇宙空間中無需戒指進(jìn)行傳播的特性進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換的一種通信方式，在信息行業(yè)興起和不斷發(fā)展的過程中，發(fā)展的速度最為迅猛、應(yīng)用領(lǐng)域的范圍最為寬廣的就是無線通信技術(shù)。微波的頻帶很寬，通信容量很大。在使用微波進(jìn)行通訊的時候微波通信每隔幾十千米要建一個微波中繼站。但微波頻帶較寬，通信容量很大很大。衛(wèi)星通信是利用衛(wèi)星為在地面上的兩個或者多個地面移動體提供通訊服務(wù)中繼數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。2.22通訊模塊及藍(lán)牙協(xié)議藍(lán)牙是一種可以免費(fèi)使用的無線通信協(xié)議，因為藍(lán)牙的覆蓋范圍比WiFi和Zigbee等其它無線通信協(xié)議要小很多。藍(lán)牙的工作頻率是2.41GHz，因此它在許多小范圍覆蓋的應(yīng)用中使用的頻率是很高的。藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)和語音通信開放的全球規(guī)范，它的基礎(chǔ)在于經(jīng)濟(jì)開銷低，在間距不是很遠(yuǎn)的范圍內(nèi)進(jìn)行無線連接，可以為固定式的設(shè)備和可移動的電子設(shè)備建立一種近距離的，具有特殊的無線連接控制的技術(shù)。其實質(zhì)內(nèi)容是為固定不可移動設(shè)備或移動智能設(shè)備之間在需要通訊交流時，建立起一條通用的無線電空中接口，將通信工程技術(shù)與計算機(jī)專業(yè)技術(shù)的進(jìn)一步研究分析結(jié)合起來，使各種3C設(shè)備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，在近距離范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間相互影響的通信或操作。與藍(lán)牙類似的無線傳輸?shù)木钟蚓W(wǎng)技術(shù)相比，運(yùn)用藍(lán)牙協(xié)議進(jìn)行通訊的技術(shù)應(yīng)用于各種設(shè)備上，有在節(jié)能、數(shù)據(jù)穩(wěn)定發(fā)送、易于嵌入、安全可靠方面等優(yōu)勢。在對智能家居設(shè)備的改造過程中，一些不夠智能的家居電氣設(shè)備都是可以連入局部的個人網(wǎng)絡(luò)方便同時進(jìn)行信息的交換和控制，然而在很多的智能設(shè)備上并不適合通訊頻率范圍很寬的技術(shù)、相比較于功耗高的WiFi通訊技術(shù)接入方式，智能的發(fā)光二極管燈、智能的電氣開關(guān)、等家用設(shè)備，這些設(shè)備就更適合使用藍(lán)牙傳輸。只要在每個家居上嵌入藍(lán)牙和相關(guān)的控制模塊，就能遙控所有裝上通訊模塊的智能家居，全部的智能家居系統(tǒng)內(nèi)的家居就可以放棄操作繁瑣的的無線局域網(wǎng)連接，使用更為連接簡單，耗能低的藍(lán)牙通訊協(xié)議傳輸。第三章硬件系統(tǒng)的選型分析3.1單片機(jī)的選型我們學(xué)習(xí)生活中常說的單片機(jī)，它的全稱為單片微型計算機(jī)，這是一類典型的嵌入式微控制器，即MCU也表示單片機(jī)，另外的名字也叫做單片微控制器，它不是一塊邏輯判斷的芯片，而是把一個微型控制系統(tǒng)集成到一個相對來說很小的芯片上。單片機(jī)由運(yùn)算器，控制器，存儲器，輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一個微型的計算機(jī)（最小系統(tǒng)），和電腦進(jìn)行比較的話，單片機(jī)就只是外設(shè)。單片機(jī)構(gòu)成的一套完整的控制系統(tǒng)，由于是為了實現(xiàn)一些微小簡單的邏輯控制，因而常常被嵌入到一些需要控制系統(tǒng)設(shè)備當(dāng)中，因此這樣的系統(tǒng)被稱為嵌入式系統(tǒng)。概括的講：單片機(jī)的就是用一塊小小的處理器就替代了電腦的某一部分能力。它的外觀小巧、輕便、在學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)上很有優(yōu)勢。同時，認(rèn)識計算機(jī)的世界，單片機(jī)是最好的叩門磚。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。常見的單片機(jī)系統(tǒng)主要有七種：51系列單片機(jī)、PIC系列單片機(jī)、AVR系列單片機(jī)、DSP、ARM、MIPS和PPC。51單片機(jī)時ATMEL公司的AT89系列產(chǎn)品，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中，很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出。是基礎(chǔ)入門的一款單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。PIC是由美國Microchip公司推出的PIC單片機(jī)系列產(chǎn)品，在全球都可以看到PIC單片機(jī)，廣泛應(yīng)用于中高等電子產(chǎn)品的各個領(lǐng)域，商業(yè)化使用的性價比較強(qiáng)。AVR系列的微處理器是ATMEL公司在上世紀(jì)七十年代就研發(fā)的一款強(qiáng)大的增強(qiáng)型擁有內(nèi)置閃存的RISC精簡指令集高速8位單片機(jī)。AVR的單片機(jī)適用于大規(guī)模，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)實時控制和儀器儀表控制。DSP是一類專門設(shè)計出來的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。ARM不僅是一類微處理器的通稱，同時還是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，擁有著大量先進(jìn)的行業(yè)技術(shù)。這款芯片具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種需要處理數(shù)字信號的各種場景。除了以上五種常用的，還有MIPS和PPC兩種單片機(jī)，這兩種單片機(jī)可以算是CPU的精簡版，常用于信號的處理和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)方面，因此就不再一一加以闡述。以上就是市面上的七種單片機(jī)類型，它們的類型不同，卻都是應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的芯片系統(tǒng)，但彼此的側(cè)重點又不盡相同。相比于PIC系列側(cè)重于性價比和產(chǎn)生工業(yè)化的用途、AVR系列抗干擾側(cè)重于工業(yè)控制的抗干擾性能、DSP側(cè)重于數(shù)字信號的處理，51系列的單片機(jī)和ARM系列單片機(jī)擁有著良好的兼容性和通用性能，相比于單純的數(shù)字單片機(jī)，還能模擬和接收模擬信號，相對于綜合性能而言，更適合在試驗階段或者學(xué)習(xí)教學(xué)階段使用。在本科的教育當(dāng)中，大多數(shù)的教學(xué)課程都是以51系列單片機(jī)和ARM系列單片機(jī)為例的，其中最具有代表性的當(dāng)屬于51系列的STC89C52單片機(jī)和ARM系列的STM32F1系列的單片機(jī)。在本設(shè)計當(dāng)中，從上文的結(jié)構(gòu)可以看出，整個設(shè)計的流程和數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，ARM系列的單片機(jī)，在單片機(jī)設(shè)計的架構(gòu)上比51系列的復(fù)雜繁瑣很多，為了支持更多的功能，在時鐘通訊等IO口的方面，添加了更多的功能設(shè)計，也因為如此，在使用ARM系列單片機(jī)作為主控芯片時，必須花費(fèi)大量的流程和時間去配置各個功能引腳和內(nèi)部晶振電平等，才能讓這些功能正常使用。相比于51系列的，無論是開發(fā)的難度還是單片機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)方面都比ARM系列更具優(yōu)勢，在功能上雖然精簡了很多，但是在一些并不是很復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計中，依舊很受青睞。因此，本設(shè)計的主控芯片采用的是51系列的STM89C52RC芯片。圖3-1STC89C52RCSTC89C52RC是晶弘公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的8位微處理控制芯片，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使是做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能:8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看版門狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)(兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu))，全雙工串行口。另外STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。在功能和結(jié)構(gòu)上，完全可以滿足本設(shè)計的要求。3.2超聲波模塊的選取超聲波傳感器是指利用超聲波的特性進(jìn)行工作的傳感器，它是通過將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另外一種通過振動產(chǎn)生的聲波能，或者能夠把聲波能轉(zhuǎn)換回我們可測或可觀的能量形式，常用的電氣式的超聲波傳感器的類型主要有兩大類：即壓電式和機(jī)械式也就是致磁伸縮式。壓電式超聲波感知測距模塊是通過壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的（壓電效應(yīng)：具有壓電效應(yīng)的半導(dǎo)體材料，在受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部的電能粒子也會被極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場。當(dāng)外力去掉時，又再次回復(fù)到原來內(nèi)部電荷穩(wěn)定的的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在導(dǎo)體內(nèi)部流動的電荷的方向上施加電場，這些電荷也會產(chǎn)生變形的現(xiàn)象，電場去掉后，電荷的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)），壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料將高頻電流的振動轉(zhuǎn)換成高頻的機(jī)械能振動，從而產(chǎn)生超聲波。壓電式超聲波傳感器可以產(chǎn)生KHZ到MHZ單位級別的的頻率很高的超聲波，而聲音的輕度可達(dá)W/CM2的級別。壓電晶體組成的超聲波換能器和接收器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將高頻的電流轉(zhuǎn)變成不斷振蕩的物理振動，而發(fā)出超聲波，同時它感知到到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能。因此，可以根據(jù)正、逆壓電效應(yīng)的不同，壓電式超聲波傳感器分為發(fā)生器(發(fā)射探頭)和接收器(接收探頭)兩種。發(fā)射探頭利用逆壓電效應(yīng)的原理，晶振產(chǎn)生的電流脈沖被施加到壓電材料上時，壓電材料發(fā)生形變，當(dāng)電流消失時，材料又能恢復(fù)原狀，材料在恢復(fù)與形變的振蕩過程中，推動空氣中的粒子振動，通過產(chǎn)生的一定周期一定頻率的高頻電流，就能產(chǎn)生需要頻率的超聲波。接收探頭利用的是正壓電效應(yīng)，當(dāng)材料接收到外部的超聲振動波的干擾時，這也會讓材料發(fā)生形變，這種形變和超聲波的機(jī)械形變是一致的，往材料上施加穩(wěn)定電流后，通過檢測電流的變化，形變可以產(chǎn)生電流的變化，通過檢測電流的變化，可以計算出被測的距離。機(jī)械式超聲波傳感器又稱磁致伸縮式超聲波傳感器，能產(chǎn)生磁場的金屬材料在電流不斷變化的磁場中沿著磁場方向產(chǎn)生拉伸的現(xiàn)象，稱為磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)的強(qiáng)弱即材料伸長縮短的程度，因鐵磁材料的不同而各異。鎳在磁場的作用下，變形的程度是最大的，它是用幾塊很薄的的鎳片疊加在一起，片間絕緣以減少渦流損失，如果在先加一定的直流磁場，再通以交變電流時，它可以工作在特性最好的區(qū)域。運(yùn)用磁致伸縮效應(yīng)制成的超聲波測量的的原理是：當(dāng)超聲波作用在通電的鐵磁材料上時，引起材料伸展變形，擾亂了導(dǎo)體內(nèi)部的電磁場。簡而言之，就是把能產(chǎn)生磁場的金屬置于電流不斷改變的磁場中，使它產(chǎn)生機(jī)械振動，從而產(chǎn)生出超聲波。根據(jù)電磁感應(yīng)，環(huán)繞在材料表面的線圈在電流變化所產(chǎn)生的磁場里獲得感應(yīng)電動勢。將電勢變化引起的電流的變化送到測量電路，最后記錄或顯示出來。通過對兩種類型的超聲波傳感器的原理的了解，可以得出結(jié)論：超聲波傳感器都是通過將高頻電流最終轉(zhuǎn)換為機(jī)械能對空氣做功的過程，機(jī)械式超聲波傳感器比壓電式多了一個把電能轉(zhuǎn)換為磁場能的中間過程，而壓電式傳感器只需要滿足壓電材料這一點。一般的壓電式超聲波是采用雙層的壓電陶瓷晶片制成的，所需的材料較少，原料卻很充足且價格低廉，適合大范圍的推廣使用，因此，本設(shè)計中采用的是壓電式超聲波傳感器HC-SR04模塊。圖3-2超聲波模塊HC-SR04超聲波測距模塊可提供0.02-4m內(nèi)的測距服務(wù)，測距精度可達(dá)高到3mm；模塊包括聲波的換能發(fā)射器、接收器與控制電路。該模塊測距精度高，盲區(qū)小，可應(yīng)用于大多數(shù)的場景。在本設(shè)計中，超聲波測距傳感器被用來測區(qū)模塊與水面的距離。3.3通訊模塊的應(yīng)用本設(shè)計中，通訊模塊采取的是HC-05藍(lán)牙串口模塊。HC-05是藍(lán)牙模塊的一種，在串接到單片機(jī)的通訊串口后，就可以通過藍(lán)牙連接與其他設(shè)備通信。是基于藍(lán)牙2.0協(xié)議的數(shù)傳模塊。無線工作頻段為2.4GHzISM，調(diào)制方式是GFSK。模塊最大發(fā)射功率為4dBm，接收靈敏度-85dBm，板載PCB天線，可以實現(xiàn)10米距離通信。模塊可以單獨(dú)使用，與其他有藍(lán)牙功能的設(shè)備連接，也可以兩兩連接，因此用途廣泛，可以在各種應(yīng)用上使用，例如，智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用，機(jī)器人，監(jiān)控系統(tǒng)等。如上所述，HC-05的主要工作是為所需要進(jìn)行通訊的系統(tǒng)間數(shù)據(jù)可以互相交換的無線通訊功能。它不但可用于兩個具有串行功能的微控制器（如兩個51單片機(jī)）之間的通信，而且也可用于帶藍(lán)牙功能的智能設(shè)備控制藍(lán)牙設(shè)備上。圖3-3HC-05模塊HC-05通過TX和RX引腳，支持使用標(biāo)準(zhǔn)AT命令，用戶可根據(jù)需要更改角色（主、從模式）以及串口波特率、設(shè)備名稱等參數(shù)，使用靈活。為此，使用者必須在設(shè)備通電之前時進(jìn)入AT命令模式。若是EN腳，每次進(jìn)入AT模式需要按住板上的按鈕后再給電，擁有KEY腳的模塊就不需要，直接將KEY接VCC再模塊給電即可完成的進(jìn)入AT特殊命令模式。否則，設(shè)備將啟動進(jìn)入數(shù)據(jù)模式，這樣它就可以與其他設(shè)備進(jìn)行無線通信。模塊啟動后，只需要設(shè)備帶有藍(lán)牙搜索功能都可以發(fā)現(xiàn)它。然后，可以使用標(biāo)準(zhǔn)密碼連接到設(shè)備。兩個設(shè)備相互連接后，數(shù)據(jù)通過HC-05傳輸并轉(zhuǎn)換為串行流。然后由模塊連接的微控制器讀取該串行流。從另外一塊設(shè)備上發(fā)送數(shù)據(jù)的方法和這個是反過來了的。3.4其他硬件的選取與設(shè)計3.41顯示模塊顯示模塊分為很多類型，我們在平常的學(xué)習(xí)和生活中，主要用到的顯示模塊有數(shù)碼管、LCD和OLED這三大類。在這三類顯示模塊中，數(shù)碼管顯示只能進(jìn)行最基礎(chǔ)的ASCAII碼類的數(shù)字和字母的字符顯示，LCD顯示模塊也只能進(jìn)行基礎(chǔ)的數(shù)字、字母和少部分的漢字，而且顯示時根據(jù)電阻值的不同，要對屏幕的亮度和清晰度進(jìn)行調(diào)節(jié)，黑白的顯示才能變得清晰，同時也還很容易偏光，不容易看清。OLED顯示裝置，由于自身具備自發(fā)光的能力，不需要背光源，擁有著高對比度，厚度薄，視角寬，響應(yīng)速度快等優(yōu)點的有機(jī)電激發(fā)光二極管，可在柔性面板下使用，適用范圍廣泛，制造工藝和外觀上教為美觀，被認(rèn)為是下一代的新興顯示應(yīng)用技術(shù)。OLED顯示模塊是新型的顯示模塊，由OLED顯示液晶屏+PCB+金屬邊框組成，有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)由非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板構(gòu)成。當(dāng)有電荷通過時這些有機(jī)材料就會發(fā)光。OLED發(fā)光的顏色取決于有機(jī)發(fā)光層的材料，在顯示方面它優(yōu)于前代LED屏的被動式發(fā)光，為主動發(fā)光即不需要帶背光板、視角范圍可達(dá)到一百六十度；圖像顯示穩(wěn)定；屏幕的亮度高、色彩真、分辨率高。在工作的條件上需要的驅(qū)動電壓低、能耗低，可與太陽能電池、集成電路等相匹配。采用玻璃襯底可實現(xiàn)大面積平板顯示；如用柔性材料做襯底，能制成可折疊的顯示器。由于OLED是全固態(tài)、非真空器件，具有抗震蕩、耐低溫等特性，在軍事方面也有十分重要的應(yīng)用，圖3-41.3寸OLED模塊本設(shè)計中選擇的這款1.3寸的橫屏4Pin的OLED顯示模塊，分辨率為128*64，每個像素點都是RGB三原色的點陣顯示，可以顯示多種色彩，通過建模后，也可以顯示文字和圖片。采用的輸入控制接口協(xié)議為IIC，通過命令的方式，可以調(diào)節(jié)屏幕的亮度、對比度、開關(guān)升壓電路等。3.42繼電器與電壓轉(zhuǎn)換模塊繼電器是一種電控器件，是一種花費(fèi)很小電流就可以控制大電流大功率器件的運(yùn)作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于遙控、遙測、通訊、自動控制、機(jī)電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一。圖3-5繼電器模塊在本設(shè)計中，因為用到的抽水電機(jī)為12V，而常用的單片機(jī)和模塊電路的驅(qū)動電源為5V，因此需要選擇繼電器模塊，利用繼電器的通斷的能力控制電機(jī)的通斷，通過小電流來控制大電流的電路。因為電機(jī)的緣故，我們的所以系統(tǒng)采用的是12V的電源進(jìn)行供電，12V的大電壓對于大部分的模塊電路都不適用，因此必須用到電壓轉(zhuǎn)換模塊，將12V的電壓轉(zhuǎn)換為5V或者3.3V的電壓，才能供給其他模塊使用。圖3-6電壓轉(zhuǎn)換模塊第四章硬件電路的設(shè)計4.1顯示模塊顯示模塊在本設(shè)計中采用的是1.3寸的OLED顯示模塊，這款顯示模塊與LCD12864一樣，都擁有著128*64的分辨路，但是這款顯示屏單位面積內(nèi)擁有著比LCD多3倍的像素點，分辨率高，大于一百六十度的超大可視角度，有助于顯示更復(fù)雜的文字圖樣，顯示的功能更加強(qiáng)大。由于采用的是冷光發(fā)光的技術(shù)，在正常工作時，使用的是直流3.3V-5V的寬電壓電源，模塊的正常功耗只有0.06W。其內(nèi)部電路原理圖如下：圖4-1OLED內(nèi)部原理圖通過電路原理圖可以看出，模塊的內(nèi)部高度集成，在主控芯片的外部還有一系列的電容電阻作為保護(hù)電路，防止在模塊工作在電壓電流不穩(wěn)定的情況下，內(nèi)部的電路會出現(xiàn)過流過載或者電壓一時不足的情況下，損壞模塊的電路。由上文對模塊的介紹可知，模塊使用的是IIC的傳輸協(xié)議，大大節(jié)約了引腳和外部的配置，節(jié)約了大量的開發(fā)時間。高度集成的模塊只余下四個引腳的接口，供模塊的開發(fā)使用。圖4-2OLED模塊接線圖外接的四個引腳如圖，分別為兩個電源的供電接口：正極VCC、負(fù)極GND和兩個IIC傳輸?shù)慕涌冢篠CL、SDA，由于單片機(jī)的供電電源也是3.3V-5V之間，因此模塊的正負(fù)電源接口直接并聯(lián)連接在單片機(jī)的供電電源上。IIC總線在物理連接上非常簡單，分別由SDA(串行數(shù)據(jù)線)和SCL(串行時鐘線)及上拉電阻組成。IIC協(xié)議通信原理是通過對SCL和SDA線高低電平時序的控制，來產(chǎn)生I2C總線協(xié)議所需要的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。在總線空閑狀態(tài)時，這兩根線一般被上面所接的上拉電阻拉高，保持著高電平。也就是說，使用IIC通信時，IIC串口中的SCL串行時鐘線必須要連接在單片機(jī)的內(nèi)部時鐘上，因為在模塊的內(nèi)部，接口段直接串聯(lián)了上拉電阻，在使用時串行時鐘線可以直接連接在單片機(jī)的P1.0口，而串行數(shù)據(jù)線則連接在與之相近的P1.1口，方便使用。4.2通訊模塊通訊模塊使用的是HC-05藍(lán)牙串口模塊，HC-05模塊用于代替全雙工通信時的物理連線。左邊的設(shè)備可以向模塊發(fā)送串口數(shù)據(jù)，模塊的RXD端口收到串口數(shù)據(jù)后，自動將數(shù)據(jù)以無線電波的方式發(fā)送到空中。右邊的模塊能自動接收到，并從TXD還原最初左邊設(shè)備所發(fā)的串口數(shù)據(jù)，從右到左也是一樣的。替代全雙工通信的原理示意圖如下圖所示：圖4-3模塊工作方式在本設(shè)計中，兩個模塊分別被設(shè)置為主機(jī)和從機(jī)，但是在電路的設(shè)計上并沒有其他的不同，模塊與單片機(jī)連接的方式采取的也是全雙工的通訊方式。因此數(shù)據(jù)的傳輸必須要通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)串行口，采取全雙工的交叉接線的方式，使得單片機(jī)與模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)互通的功能。圖4-4HC-05引腳接線圖藍(lán)牙串口模塊的的焊接好的外部引腳有六個，當(dāng)藍(lán)牙在連接單片機(jī)前配置好后，在連接時，只需要給串口模塊進(jìn)行供電，再連接數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD和數(shù)據(jù)接收端RXD即可。通過對51單片機(jī)的了解，本設(shè)計中使用的這款主控芯片，著有一對這樣的串行通訊接口，因此，串行模塊的RXD接口只能連接在單片機(jī)的TXD口P3.1，而模塊的TXD接收端只能連接在單片機(jī)的發(fā)送端RXD口P3.0上實現(xiàn)模塊與單片機(jī)的互聯(lián)互通的功能。4.3測距模塊本設(shè)計中，系統(tǒng)的核心主件之一就是用于測量液位高度的傳感器模塊HC-SR04超聲波模塊。圖4-5超聲波模塊原理圖由超聲波模塊的原理圖可知，超聲波模塊主要有五大模塊構(gòu)成的：控制電路，發(fā)射電路，接收電路，放大電路和通訊電路組成的。當(dāng)模塊接收到外部輸入的請求信號時，控制電路通過晶振產(chǎn)生的高頻電流輸出給發(fā)射模塊，發(fā)射模塊朝一定的方向發(fā)出特定頻率的超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時，反射回來唄接收模塊接收后轉(zhuǎn)換為電流，經(jīng)放大電路放大后，匯入控制模塊中進(jìn)行波形的處理后經(jīng)通訊模塊發(fā)送到外部。在模塊引出的四個引腳上，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬蓚€引腳在內(nèi)部已經(jīng)并聯(lián)了上拉電阻，使用模塊時，可以直接連接引腳而不用串聯(lián)電阻。圖4-6超聲波接線圖由圖可知，模塊共有四個接口，分別為電源接口的正負(fù)極和Trig（控制端）、Echo（接收端）。模塊的工作原理為：采用IO觸發(fā)測距，單片機(jī)至少要產(chǎn)生10us的高電平信號供給模塊，模塊才會自動發(fā)送8個40khz的方波，單片機(jī)自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，通過對時間的計算可以得出距離。因此，可以知道模塊時采用的時電平觸發(fā)的方式，單片機(jī)要產(chǎn)生一個10us的高電平觸發(fā)模塊工作，因此，模塊的Trig控制端連接在單片機(jī)的P2.1口，通過端口產(chǎn)生20us的高電平供給模塊觸發(fā)，Echo接收端連接在單片機(jī)的P2.0口，通過時鐘接口檢測返回的時間信號。眾所周知，聲波的傳輸受到溫度的影響，溫度越低，聲速就越慢。因此，在測距模塊中，除了用來檢測液位的超聲波傳感器，還有一個用來補(bǔ)償測量精度的溫度傳感器。圖4-7溫度傳感器溫度傳感器DS18B20是一款數(shù)字式的溫度傳感器，由圖可知，傳感器的外部引腳有三個，除了正常的供電電源接口外，還有一個數(shù)據(jù)口被連接在單片機(jī)的P2.2口上。在傳感器工作時，為了不影響電流的變化對溫度采集的影響，在供電時并聯(lián)了一個電容來穩(wěn)定電流的供電，采用的是一線的半雙工的數(shù)據(jù)傳輸模式，必須要在數(shù)據(jù)端并聯(lián)一個上拉電阻。4.4單片機(jī)最小系統(tǒng)STC8C52RC是一塊很基礎(chǔ)的51系列主控芯片，由它組成的單片機(jī)的最小系統(tǒng)，也稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對51系列的單片機(jī)來講，單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括四個部分：微控制單元MCU，也就是主控芯片、電源、晶振電路和復(fù)位電路。51單片機(jī)的最小系統(tǒng)原理圖如下：圖4-851單片機(jī)最小系統(tǒng)我們所選用的STC89C52，它需要5V的供電系統(tǒng)，本設(shè)計中使用的51單片機(jī)最小模塊是使用USB口輸出的5V直流直接供電的。如圖所示，供電電路正負(fù)極的引腳接口在40腳和20腳的IO口上。石英晶體振蕩器，又叫晶體振蕩器，，他起到的作用是為單片機(jī)系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時鐘信號，單片機(jī)內(nèi)部所有的工作都是以這個時鐘信號為步調(diào)基準(zhǔn)來進(jìn)行工作的。STC89C52單片機(jī)的十八號引腳和十九號引腳是晶振的兩個引腳，這兩個引腳可以不分正負(fù)，在這上面我們接了一個11.0592M的晶振，外加兩個20pF的電容，電容的作用是幫助晶振起振，并維持振蕩信號的穩(wěn)定。復(fù)位電路接到了單片機(jī)的9腳RST(Reset)復(fù)位引腳上，當(dāng)我們的程序運(yùn)行時，如果遭受到意外干擾而導(dǎo)致程序死機(jī)，或者程序跑飛的時候，我們就可以按下一個復(fù)位按鍵，讓程序重新初始化重新運(yùn)行，這個過程就叫做手動復(fù)位。4.5硬件電路總電路圖圖4-9硬件電路總電路圖硬件系統(tǒng)的總電路原理圖如上圖所示，上位機(jī)部分主要有單片機(jī)系統(tǒng)、HC-05藍(lán)牙串口模塊、按鍵開關(guān)和OLED顯示屏組成。上位機(jī)工作時，藍(lán)牙串口模塊接收來自空中的數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)的處理，轉(zhuǎn)化為在顯示屏中的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)數(shù)據(jù)的值超過預(yù)設(shè)或者警戒液位時，可以手動按動按鍵開關(guān)，或者單片機(jī)系統(tǒng)自動判斷，輸出開關(guān)信號，通過藍(lán)牙串口模塊發(fā)送一個開關(guān)的命令。下位機(jī)系統(tǒng)主要由兩個數(shù)據(jù)采集傳感器模塊、通訊模塊、主控系統(tǒng)和繼電器控制開關(guān)組成，通過數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)采集，輸送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過藍(lán)牙串口模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)顯示，同時接收來自上位機(jī)的開關(guān)信號，控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)。第五章軟件系統(tǒng)設(shè)計5.1藍(lán)牙模塊的程序設(shè)計HC-05藍(lán)牙串口模塊在這個設(shè)計中，相當(dāng)于兩塊主控系統(tǒng)之間連接的橋梁，起到兩個模塊間進(jìn)行信息通信的作用，在進(jìn)行雙機(jī)之間的數(shù)據(jù)的交換時，要預(yù)先進(jìn)行兩個通訊模塊的連接配置。進(jìn)行配置時，可以采用單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸接口，通過AT命令的格式進(jìn)行配置，也可以使用專用的調(diào)試工具進(jìn)行模塊的連接配置。圖5-1藍(lán)牙串口工具如圖所示是所使用的官方串口工具窗口，在使用時，分別把兩個模塊設(shè)置成主機(jī)和從機(jī)模式后，每一個模塊的波特率、和配對密碼也需要設(shè)置為同一個數(shù)值，在本設(shè)計中，我們的通訊模塊使用到的波特率為9600，因此兩個模塊都把波特率設(shè)置為9600，再設(shè)置好相同的密碼后，模塊重啟，主機(jī)模塊就會自動進(jìn)入對周邊藍(lán)牙的掃描，當(dāng)搜索到相同波特率和密碼設(shè)置的從模塊時，主機(jī)就會和從機(jī)進(jìn)行配對，這時候，兩個模塊之間的連接就完成了。同時，當(dāng)模塊斷電或者重啟時，模塊有自動記憶的功能，兩個模塊間會自動連接。模塊之間的連接建立好之后，連接到單片機(jī)上使用，這時，還需要對單片機(jī)的端口進(jìn)行配置。配置過程如下：圖5-2藍(lán)牙配置程序從圖上的程序可以看出，要先對單片機(jī)的串口進(jìn)行初始化的操作，啟動單片機(jī)的定時器1，并讓其工作在工作模式2下，系統(tǒng)會進(jìn)行八位的自動重裝，通過對兩個串口時鐘的配置，把串口的波特率設(shè)置為9600，同時啟動定時器1，打開中斷控制總開關(guān)EA和啟動串口的中斷控制ES。到這里，單片機(jī)端口的初始化就完成了。接下來要對串口的數(shù)據(jù)收發(fā)進(jìn)行配置，讓單片機(jī)啟動中斷1，對數(shù)據(jù)端口進(jìn)行比特率的設(shè)置后，設(shè)置一個自加函數(shù)，其初始值為0，通過自加的方式，判斷每次中斷接收到的數(shù)據(jù)的位數(shù)，由于本實驗當(dāng)中，需要把數(shù)據(jù)精確到毫米，因此我們選擇三位數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)自動加一的函數(shù)等于3是，自加函數(shù)歸0，并產(chǎn)生一個翻轉(zhuǎn)信號，中斷數(shù)據(jù)的傳輸。圖5-3藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)位圖5-4藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)位上圖為數(shù)據(jù)的發(fā)送賦值程序和接收程序，無論數(shù)據(jù)的發(fā)送還是接收，我們都是啟動兩個單片機(jī)的同一個中斷服務(wù)，在數(shù)據(jù)發(fā)送時，先關(guān)閉串行口中斷和清除串行口的接受標(biāo)志位，不再接收其他數(shù)據(jù)，以免造成數(shù)據(jù)的混亂和丟失，然后把需要的值賦給發(fā)送端的函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，在數(shù)據(jù)發(fā)送時，同時計算發(fā)送了多少位數(shù)據(jù)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收時，只需要在中斷服務(wù)中清除串行接收的標(biāo)志，就可以讀取緩存的數(shù)據(jù)。5.2顯示模塊的程序設(shè)計顯示模塊OLED作為數(shù)據(jù)的顯示模塊，是本次設(shè)計中作為監(jiān)視界面的重要模塊，由上文我們知道，OLED模塊是通過像素點的發(fā)光進(jìn)行數(shù)據(jù)和團(tuán)的顯示，因此在控制的配置上較為復(fù)雜，生產(chǎn)模塊的廠家考慮到這一因素，直接將本模塊的配置寫成一個可以修改的文件，方便用戶對本模塊的使用頭文件名為"oled.h"的文件就是這個模塊的配置文件。圖5-5模塊引腳配置用模塊時，需要給模塊的引腳IO口進(jìn)行定義，因為模塊必須用到時鐘，因此將之中接口定義到單片機(jī)的P1.0端，有一點需要注意的是，由于模塊傳輸協(xié)議的原因，只有端口接線正常，顯示程序無錯誤液晶的屏幕才會亮。連接好模塊后，就可以進(jìn)行顯示程序的書寫。在模塊的文件包里面，包含了很多平常所用到了英文、符號、數(shù)字等的模型，在使用這一類的字符顯示時，可以直接使用字符就可以，但是由于漢字的多樣性和復(fù)雜性，在需要用到文字類的顯示時，必須重新建模，把每個漢字的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成一個一個的像素點顯示。如下圖是建立的漢字模型，漢字采用的是宋體，字體的大小為16*16個像素點。模型的建模需要用到專業(yè)的字符取模工具。圖5-6漢字取模函數(shù)圖5-7顯示主程序模型建立好之后，就可以進(jìn)行顯示模塊主程序的書寫了，如圖，執(zhí)行程序的顯示之前，需要先進(jìn)行OLED模塊的初始化，在進(jìn)行串口的初始化，接著進(jìn)行清屏的函數(shù)。這三步操作的函數(shù)全部包含在OLED模塊專用的頭函數(shù)文件里面，因此可以直接引用函數(shù)進(jìn)行操作。因為數(shù)據(jù)類型的不同需要用到不同的顯示函數(shù)，在本設(shè)計中用到的顯示函數(shù)又用于文字字符顯示的函數(shù)OLED_ShowCHinese(u8x,u8y,u8no);括號里的的格式為（X軸坐標(biāo)，Y軸坐標(biāo)，文字字符在矩陣中的序列號）。OLED_ShowString(u8x,u8y,u8*p,u8Char_Size)，此函數(shù)用于字符串的顯示，格式為（X,Y，內(nèi)容，字體大?。LED_ShowNum(u8x,u8y,u32num,u8len,u8size)函數(shù)中，格式為（X,Y,數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度，字體大?。?.3測距模塊及補(bǔ)償超聲波傳感器測距模塊是使用超聲波進(jìn)行液位測量的傳感器，模塊有兩種工作方式，我們采用的是運(yùn)用ttl電平觸發(fā)的方式，根據(jù)模塊的使用手冊可以知道，使用TTL電平觸發(fā)模式觸發(fā)傳感器模塊工作時，只需要給模塊一個10us以上的高電平，模塊通過對比接收到的電平的時間，將產(chǎn)生一個頻率為40K赫茲的方波，方波向外部擴(kuò)散，當(dāng)遇到阻擋時，部分超聲波原路返回，通過讀取聲波從發(fā)射到的時間，就可以計算出要測量的距離。圖5-8超聲波模塊串口配置如圖，在超聲波觸發(fā)之前，要先對接收數(shù)據(jù)的串口先進(jìn)行配置，配置的方法和藍(lán)牙串口模塊的配置方法大體相似，就不再一一闡述。圖5-9超聲波觸發(fā)電平程序上圖是超聲波傳感器的觸發(fā)時所要書寫的程序，首先產(chǎn)生一個ms級別的延時程序，具體的產(chǎn)生配置如上，運(yùn)用程序的自減，使程序在運(yùn)行的過程中進(jìn)入循環(huán)，到達(dá)1ms時，自動跳出循環(huán)，計時結(jié)束。在進(jìn)行模塊的觸發(fā)時，由于單片機(jī)的接口被置于低電平，，因此只要將傳感器的引腳直接置于1，然后開始計時，20m后，將引腳的電平再次置0，傳感器開始工作。圖5-10測距函數(shù)上圖是傳感器接收到信號后，開始計時和計算的程序流程。超聲波發(fā)送時，控制端口的電平為0，這是啟動計時器進(jìn)行計時，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時，關(guān)閉計時器，并將所有串行口都關(guān)閉，這時，接收到的數(shù)據(jù)就可以通過計算得出。通過查閱聲速、溫度和時間的關(guān)系后，得出一個這樣的函數(shù)關(guān)系：331.5+0.6t。反映在程序中計算時，為(tim