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基于51单片机的超声波液位检测OLED显示设计

news 2025/8/23 8:05:48

1 系统功能介绍

本设计是一个 基于 51 单片机的超声波液位检测与控制系统。其核心思想是利用超声波传感器来测量水面的高度，从而计算出实际水深，再结合设定的低水位和高水位阈值，智能地控制水泵与排水阀（舵机），并通过 OLED 显示屏实时显示相关信息。

该系统具有 自动水位调节、声光报警、参数可调、掉电保存、无线扩展 等多重功能，适用于水箱、储水池、工业液位控制等场合，保证了用水的安全性和便捷性。

主要功能如下：

实时测量与显示
- OLED 显示屏实时显示：超声波到水底距离、到水面的距离、计算后的水深、低水位阈值、高水位阈值以及水位状态提示。
自动控制逻辑
- 当水位低于低水位阈值时：蜂鸣器报警，水泵启动加水，舵机关闭排水；
- 当水位高于高水位阈值时：蜂鸣器报警，舵机打开排水阀，水泵关闭；
- 当水位在正常范围时：所有执行机构保持关闭状态，OLED 提示“水位正常”。
参数设置与掉电保存
- 通过按键设置水箱总深度（超声波到水底距离）、低水位阈值、高水位阈值；
- 阈值数据保存在 EEPROM 中，掉电不丢失。
无线扩展功能（选配蓝牙/WIFI 模块）
- 手机 APP 可以实时查看水位数据；
- APP 能够下发指令设置参数，例如：
  - *SA138# → 设置总深度 1.38m；
  - *SL085# → 设置低水位阈值 0.85m；
  - *SH100# → 设置高水位阈值 1.0m。
- 数据显示与 OLED 保持一致。

2 系统电路设计

2.1 单片机最小系统

采用 STC89C52 单片机作为核心控制器。其具备丰富的 I/O 资源，可同时处理超声波测距、OLED 显示、按键输入、EEPROM 存储和外设控制。最小系统包括：

晶振电路：11.0592MHz 晶振+电容；
复位电路：上电复位保证程序运行可靠；
电源电路：提供 5V 稳定电压。

2.2 超声波测量模块

超声波传感器采用 HC-SR04，主要通过发射和接收超声波计算水面高度：

Trig 脚由单片机输出高电平触发，发射 8 个 40kHz 声波脉冲；
Echo 脚返回高电平，持续时间与距离成正比；
单片机通过计时计算出超声波到达水面的距离：

$\frac{时间 × 声速}{2}$
系统安装时，传感器固定在水箱上方，测得的“水面距离”与“水底距离”相减，得到实时水深。

2.3 显示模块（OLED）

采用 0.96 寸 OLED 屏（I2C 接口），具有分辨率高、功耗低的特点。显示内容包括：

总深度（超声波到水底距离）；
当前水面距离；
实际水深；
低水位和高水位阈值；
当前水位状态（加水中、排水中、水位正常）。

2.4 蜂鸣器驱动电路

使用有源蜂鸣器，单片机通过 GPIO 控制：

水位异常时开启蜂鸣器报警；
水位正常时关闭蜂鸣器。

2.5 水泵与舵机驱动电路

水泵驱动：通过继电器控制水泵电源，当水位低于下限时开启加水；
舵机驱动：用于模拟排水阀控制，当水位高于上限时，舵机转动打开阀门排水。

2.6 按键电路

设计了 3 个按键：

K1：进入设置模式；
K2：数值加 1；
K3：数值减 1。

配合 OLED 界面上的“<<”或“>>”提示，用户可方便地设置总深度、低水位、高水位阈值。

2.7 无线模块（可选）

可选用 HC-05 蓝牙模块或 ESP8266 WiFi 模块：

通过串口与单片机通信；
支持 APP 查看数据和发送控制命令；
实现远程液位管理。

3 程序设计

3.1 主程序框架

#include <reg52.h>
#include "oled.h"
#include "ultrasonic.h"
#include "eeprom.h"
#include "key.h"
#include "relay.h"
#include "servo.h"
#include "beep.h"
#include "uart.h"unsigned int depth_set = 100;   // 总深度 (cm)
unsigned int low_set = 30;      // 低水位阈值 (cm)
unsigned int high_set = 80;     // 高水位阈值 (cm)unsigned int water_surface;     // 水面距离
unsigned int water_depth;       // 实际水深void main()
{System_Init();EEPROM_ReadConfig(&depth_set,&low_set,&high_set);while(1){water_surface = Ultrasonic_Measure();water_depth = depth_set - water_surface;Display_Info(water_surface, water_depth, low_set, high_set);Key_Scan();Auto_Control();Uart_Process(); // 无线模块命令处理}
}

3.2 超声波测距程序

unsigned int Ultrasonic_Measure(void)
{unsigned int time;unsigned int distance;Trig = 1;Delay10us();Trig = 0;while(!Echo);TR0 = 1;while(Echo);TR0 = 0;time = TH0*256 + TL0;distance = (time * 0.017); // cmreturn distance;
}

3.3 自动控制逻辑

void Auto_Control(void)
{if(water_depth < low_set){Relay_On();      // 开启水泵加水Servo_Close();   // 关闭排水阀Beep_On();OLED_ShowString(0,6,"加水中..");}else if(water_depth > high_set){Relay_Off();     // 关闭水泵Servo_Open();    // 打开排水阀Beep_On();OLED_ShowString(0,6,"排水中..");}else{Relay_Off();Servo_Close();Beep_Off();OLED_ShowString(0,6,"水位正常 ");}
}

3.4 按键设置程序

void Key_Scan(void)
{if(K1 == 0){DelayMs(20);if(K1 == 0){Enter_SettingMode();}}
}

设置模式下，OLED 上会显示 << 光标，用户通过 K2 加、K3 减 修改参数，修改完成后自动写入 EEPROM。

3.5 EEPROM 数据存储

void EEPROM_SaveConfig(unsigned int depth, unsigned int low, unsigned int high)
{IapWriteByte(0x0000, depth);IapWriteByte(0x0002, low);IapWriteByte(0x0004, high);
}

该部分保证用户设置掉电不丢失。

3.6 无线模块命令解析

void Uart_Process(void)
{if(RxFlag){if(strncmp(rx_buf,"*SA",3)==0){depth_set = atoi(rx_buf+3);}else if(strncmp(rx_buf,"*SL",3)==0){low_set = atoi(rx_buf+3);}else if(strncmp(rx_buf,"*SH",3)==0){high_set = atoi(rx_buf+3);}RxFlag=0;}
}