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基于51单片机超声波测液位测距仪水位监测报警设计

news 2025/10/7 15:57:09

基于51单片机超声波测液位测距仪水位监测报警设计

1. 系统功能介绍

本设计是一款基于 STC89C52 单片机的智能水位监测与报警系统。系统主要利用 超声波测距原理 对水箱或储水池中的液位进行实时监测，通过 LCD1602 液晶显示屏 显示测得的水位高度。当水位超过设定阈值（50cm）时，系统自动点亮红色指示灯并启动蜂鸣器报警；当水位低于阈值时，系统点亮绿色指示灯并停止报警。

该系统结构简单、测量精确、响应迅速，具有较强的实用性与稳定性，可广泛应用于家庭水箱、农业灌溉、工业液位监测等场景。

系统的主要功能如下：

实时液位检测：通过 HC-SR04 超声波模块测量水位高度。
数值显示：LCD1602 实时显示水位值（以厘米为单位）。
状态指示：当水位低于50cm时，绿色LED点亮；当水位高于50cm时，红色LED点亮并蜂鸣器报警。
报警功能：超过阈值时自动报警，低于阈值时自动解除报警。
系统自复位：单片机具有上电复位与按键复位功能，确保系统运行可靠。

整个设计以低成本的硬件为基础，通过软硬件结合实现自动水位监测、显示与报警的智能控制系统。

2. 系统电路设计

系统整体电路以 STC89C52 单片机 为核心，外围电路包括超声波测距模块、LCD1602 显示模块、LED 指示灯电路、蜂鸣器报警电路以及电源稳压电路。各模块之间相互配合，实现液位检测、数据处理、显示与报警等功能。

2.1 单片机主控电路

本系统采用 STC89C52RC 单片机作为核心控制器，它是 8051 系列的增强型芯片，内部集成 8K Flash 程序存储器和 512B RAM，具备较强的运算与控制能力。

其主要功能如下：

负责超声波模块的触发与回波时间测量；
计算距离并换算为水位高度；
控制 LCD1602 显示数值；
控制 LED 指示灯和蜂鸣器工作状态。

复位与时钟电路设计说明：

上电复位电路：通过电容与电阻组成 RC 延时复位电路，在系统上电时自动产生复位信号，使单片机进入初始状态。
按键复位电路：外接复位按键，当按下时可人工复位系统。
晶振电路：使用 12MHz 晶体振荡器及两个 30pF 电容提供稳定时钟信号，保证单片机的工作频率。

2.2 超声波测距模块电路

系统采用常见的 HC-SR04 超声波模块 进行水位检测。模块内部包括超声波发射器、接收器及信号处理电路。工作原理是：

当单片机给模块的 Trig 引脚 发送一个 10μs 的高电平脉冲时，模块发出 8 个 40kHz 的超声波脉冲；
声波遇到液面反射回来后，由 Echo 引脚 输出一个与距离成正比的高电平脉冲；
单片机通过测量此高电平的持续时间计算出距离值。

测距公式为：

距离(cm) = （高电平时间 × 声速） / 2

由于声速约为340m/s，若使用定时器测得时间为 t 微秒，则：

距离(cm) = t / 58

系统通过测得超声波到液面的距离，再结合容器总高度即可换算出液位值。

2.3 LCD1602 液晶显示模块

LCD1602 是一款常用的字符型液晶显示器，可显示两行共32个字符。
其接口简单，显示稳定，非常适合单片机数据输出。

在本系统中，LCD1602 的主要作用为：

实时显示测得的液位高度（单位：cm）；
显示状态提示信息（如“水位正常”“水位过高”等）。

LCD 的 RS、RW、E 三个控制引脚与单片机相连，数据端口接 P0 口。显示信息通过程序控制实现动态刷新。

2.4 LED 指示灯电路

LED 指示灯电路用于直观显示当前水位状态。系统设计两个LED灯：

绿色LED：水位低于50cm时点亮；
红色LED：水位高于50cm时点亮。

LED 通过限流电阻与单片机 I/O 口连接，当输出高电平时点亮对应指示灯。

2.5 蜂鸣器报警电路

蜂鸣器模块采用有源蜂鸣器，由单片机 I/O 控制。当检测到液位超过阈值时，单片机输出高电平驱动蜂鸣器发声，起到警示作用。

该电路具有结构简单、响应快速的特点，可有效提醒用户及时关闭进水或排水。

2.6 电源电路

系统供电采用 DC 5V 稳压电源，可由 USB 接口、电池或外部适配器供电。电源电路使用 AMS1117-5.0 稳压芯片，将输入电压稳定为 5V，为单片机、LCD、HC-SR04 等模块供电。

同时在电源输入端增加电解电容（100μF）与瓷片电容（104）进行滤波，确保系统工作稳定。

3. 程序设计

系统的软件部分以 C 语言编写，主要包括 主程序模块、超声波测距模块、LCD 显示模块、报警控制模块 四部分。
程序结构清晰，采用模块化设计思想，便于阅读与维护。

3.1 主程序设计

主程序是整个系统的控制核心，负责协调各模块工作。主要流程如下：

系统初始化（端口、LCD、定时器、超声波模块等）；
启动超声波测距模块测量距离；
计算当前水位；
判断水位是否超过阈值；
控制LED与蜂鸣器状态；
刷新LCD显示内容。

主程序示例如下：

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "hcsr04.h"
#include "delay.h"sbit RedLed = P2^0;
sbit GreenLed = P2^1;
sbit Buzzer = P2^2;float distance;void main()
{LCD_Init();LCD_ShowString(0,0,"Water Level Sys");while(1){distance = HCSR04_GetDistance();   // 获取距离值LCD_ShowString(0,1,"Level:");LCD_ShowNum(6,1,(unsigned int)distance,3);if(distance > 50)   // 超过阈值报警{RedLed = 0;GreenLed = 1;Buzzer = 0;LCD_ShowString(11,1,"HIGH ");}else{RedLed = 1;GreenLed = 0;Buzzer = 1;LCD_ShowString(11,1,"LOW  ");}Delay_ms(500);}
}

3.2 超声波测距程序设计

超声波模块通过 Trig 触发信号与 Echo 回波信号测距。程序利用单片机定时器精确测量高电平持续时间，从而计算距离。

测距函数如下：

#include <reg52.h>
#include "delay.h"sbit Trig = P1^0;
sbit Echo = P1^1;unsigned int HCSR04_GetDistance()
{unsigned int time = 0;float distance = 0;Trig = 1;                // 发送触发信号Delay_us(10);Trig = 0;while(!Echo);            // 等待回波开始TR0 = 1;while(Echo);             // 等待回波结束TR0 = 0;time = (TH0<<8) | TL0;TH0 = 0; TL0 = 0;distance = (float)time * 0.017;   // 换算为厘米return (unsigned int)distance;
}

程序逻辑说明：

向 Trig 口发送 10 微秒高电平；
等待 Echo 口返回高电平，并测量持续时间；
根据时间计算距离值。

3.3 LCD 显示程序设计

LCD 模块用于显示系统状态与实时水位。
采用标准 4 位或 8 位接口驱动，显示函数如下：

#include "lcd1602.h"void LCD_Display(float distance)
{LCD_ShowString(0,0,"Water Level:");LCD_ShowNum(13,0,(unsigned int)distance,3);LCD_ShowString(0,1,"cm");
}

通过循环刷新实现实时更新显示，使用户直观了解当前水位高度。

3.4 报警与指示控制程序设计

系统通过判断测量值控制 LED 与蜂鸣器状态，核心逻辑如下：

void Alarm_Control(float distance)
{if(distance > 50){RedLed = 0;     // 红灯亮GreenLed = 1;   // 绿灯灭Buzzer = 0;     // 蜂鸣器响}else{RedLed = 1;GreenLed = 0;Buzzer = 1;}
}