基于单片机的超声波自动泥浆回收系统

基于单片机的超声波自动泥浆回收系统设计

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1. 系统功能概述

本设计以单片机为核心控制单元，构建了一套用于泥浆池自动检测与回收的智能控制系统。系统主要通过超声波传感器实时检测沉淀池中泥浆的液位高度，配合按键、显示模块、继电器驱动电路以及电机执行机构，实现泥浆的自动回收控制。系统能够在泥浆高度达到设定阈值时进行报警提示，提醒工作人员执行回收操作，同时还支持手动控制模式，使得操作更加灵活可靠。

整个系统具备自动检测、报警提示、手动控制、自动回收、安全保护等功能模块，能有效减少人工干预，提高泥浆回收的自动化与安全性，适用于工业污水处理、建筑施工泥浆回收、矿业泥浆分离等场景。

系统的主要功能包括：

1. 泥浆高度测量功能：利用超声波测距原理实时监测泥浆液位，并在显示屏上直观显示。
2. 高度报警功能：当泥浆高度超过设定值时，通过蜂鸣器发出声光报警。
3. 手动回收控制：按键操作可控制系统启动泥浆回收电机。
4. 自动回收执行：系统控制电磁阀和电机协调工作，实现泥浆回收动作。
5. 安全与状态显示：通过液晶显示器显示当前泥浆高度与工作状态，保障系统运行安全。

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2. 系统电路设计

系统电路主要由单片机最小系统、超声波测距模块、显示模块、继电器驱动模块、蜂鸣器报警电路、按键输入电路和电源模块等部分组成。以下将对各部分进行详细说明。

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2.1 单片机最小系统设计

本系统采用 STC89C52 单片机 作为主控核心。其内部包含 8KB Flash 程序存储器、512B RAM、3 个定时器/计数器、全双工串口和 32 条通用 I/O 口，完全能够满足系统对信号采集、逻辑判断和控制输出的要求。

单片机的最小系统包括晶振电路、复位电路和电源滤波部分。晶振采用 12MHz 晶体振荡器，通过两个 30pF 电容接地，保证系统时钟稳定。复位电路通过电阻与电容延时上电复位，使系统在上电瞬间能正确进入初始状态。电源部分采用 7805 稳压芯片，将外部电源转换为单片机工作所需的 +5V 电压。

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2.2 超声波测距模块电路设计

超声波传感器选用 HC-SR04 模块，该模块包含发射和接收两部分，能通过超声波的传播时间计算与泥浆表面的距离。模块的工作原理如下：

1. 单片机向超声波模块的 Trig 引脚 发送一个 10μs 的高电平信号；
2. 模块自动发射 8 个 40kHz 的超声波脉冲；
3. 若超声波遇到泥浆表面反射回来，模块的 Echo 引脚 会输出一个高电平信号；
4. 单片机测量高电平持续时间，即可计算距离：

   距离(cm) = (高电平时间 \\times 声速)/2

5. 通过测得的距离与池深度计算出当前泥浆高度。

为防止测距误差，程序中加入了多次取样平均与限幅滤波算法，以提高测量稳定性。

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2.3 显示模块电路设计

本系统选用 LCD1602 液晶显示模块，用于实时显示泥浆高度、报警状态及工作模式。LCD1602 采用 4 位总线方式与单片机连接，节约 I/O 资源。显示内容包括：

• 第一行显示："高度：XX cm"
• 第二行显示："状态：正常/报警/回收中"

液晶背光由电阻限流供电，便于夜间查看。显示模块与单片机的数据口通过 4 根数据线（D4~D7）连接，控制口使用 RS、RW、EN 三根信号线实现命令与数据的切换。

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2.4 继电器驱动电路设计

系统通过 继电器 控制泥浆回收电机与电磁阀的通断。由于单片机 I/O 口输出电流较小，无法直接驱动继电器，因此需要使用 NPN 三极管（如 9013 或 8050） 作为开关放大器。电路结构为：

• I/O 口输出高电平时，三极管导通，继电器线圈得电吸合；
• 常开触点闭合，外部电机或电磁阀获得电源；
• 继电器线圈两端并联续流二极管 1N4148，用于抑制反电动势。

该模块能够实现对回收电机和阀门的可靠控制，并具有良好的电气隔离性能。

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2.5 按键输入电路设计

为实现手动控制与参数设置，系统设计了 4 个独立按键：

1. 模式键：切换手动/自动模式；
2. 上调键：增加报警阈值；
3. 下调键：减小报警阈值；
4. 回收键：在手动模式下启动泥浆回收。

按键采用独立式接法，使用下拉电阻接地，按下时输入高电平信号。程序中通过软件消抖算法检测按键状态，确保操作准确。

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2.6 蜂鸣器报警与LED指示模块

系统报警与状态显示由 蜂鸣器 和 LED 指示灯 共同完成：

• 当泥浆高度超过设定值时，蜂鸣器发出断续声；
• 当系统处于"回收中"状态时，LED 持续点亮；
• 在待机状态下，LED 闪烁表示系统运行正常。

蜂鸣器采用有源蜂鸣器，由单片机 I/O 口直接驱动。LED 通过限流电阻连接至地，工作电流控制在 10mA 左右。

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2.7 电源电路设计

系统电源采用外部 DC 12V 输入，经由 LM7805 稳压芯片 转换为 5V 直流电供单片机及外围电路使用。为保证电机驱动部分电源稳定，电机电源与控制电源分离设计，防止电磁干扰影响主控系统。电源输入端加装滤波电容和二极管，防止瞬时电压波动与反接。

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3. 程序设计

程序是系统的核心逻辑部分，主要负责数据采集、显示控制、报警判断与回收执行控制。整体程序采用模块化结构，便于调试与扩展。主要程序模块包括主控程序、超声波测距程序、LCD 显示程序、按键检测程序、报警控制程序与回收执行程序。

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3.1 主程序设计

主程序实现系统的整体逻辑控制，包括模式判断、数据更新、报警检测与回收操作等任务。其基本流程如下：

1. 系统初始化；
2. 调用超声波测距函数获取泥浆高度；
3. 判断是否超过报警阈值；
4. 更新 LCD 显示；
5. 判断按键输入；
6. 若处于手动模式且检测到回收键，则执行回收程序；
7. 若为自动模式，当泥浆高度超限自动触发报警并启动回收。

主程序示例：

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "ultrasonic.h"
#include "key.h"

unsigned int height = 0;
unsigned int limit = 30; // 报警阈值
bit auto_mode = 1;

void main()
{
    LCD_Init();
    Ultra_Init();
    Key_Init();
    while(1)
    {
        height = Get_Distance();
        LCD_Show(height, limit, auto_mode);
        Key_Scan();
        if(height > limit)
        {
            Alarm_On();
            if(auto_mode)
                Start_Recycle();
        }
        else
        {
            Alarm_Off();
            Stop_Recycle();
        }
        delay_ms(200);
    }
}

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3.2 超声波测距程序

超声波模块通过测量回波时间计算泥浆表面距离，程序需利用单片机定时器实现高精度计时。测距函数如下：

unsigned int Get_Distance()
{
    unsigned int distance;
    unsigned long time;
    TRIG = 1;
    delay_us(10);
    TRIG = 0;
    while(!ECHO);
    TR0 = 1;
    while(ECHO);
    TR0 = 0;
    time = (TH0 << 8) | TL0;
    distance = time * 0.017; // 声速换算
    return distance;
}

通过多次取样平均并剔除异常值，可显著提高测距准确性。

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3.3 LCD 显示程序

LCD1602 用于显示泥浆高度与工作状态。程序示例如下：

void LCD_Show(unsigned int height, unsigned int limit, bit mode)
{
    LCD_SetCursor(0,0);
    LCD_WriteString("Height:");
    LCD_WriteInt(height);
    LCD_WriteString("cm");

    LCD_SetCursor(1,0);
    if(height > limit)
        LCD_WriteString("State: Alarm!");
    else if(mode)
        LCD_WriteString("State: Auto ");
    else
        LCD_WriteString("State: Manual ");
}

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3.4 按键检测程序

按键检测程序实现模式切换与阈值调整。通过消抖与状态判断确保操作准确：

void Key_Scan()
{
    if(KEY1 == 0){ delay_ms(10); if(KEY1 == 0) auto_mode = ~auto_mode; }
    if(KEY2 == 0){ delay_ms(10); if(KEY2 == 0) limit += 2; }
    if(KEY3 == 0){ delay_ms(10); if(KEY3 == 0) limit -= 2; }
    if(KEY4 == 0){ delay_ms(10); if(KEY4 == 0) Start_Recycle(); }
}

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3.5 报警与回收控制程序

该部分控制蜂鸣器与继电器的工作，实现报警提示与电机启停控制：

void Alarm_On() { BEEP = 1; LED = 1; }
void Alarm_Off(){ BEEP = 0; LED = 0; }

void Start_Recycle()
{
    RELAY1 = 1; // 启动电机
    RELAY2 = 1; // 打开阀门
}

void Stop_Recycle()
{
    RELAY1 = 0;
    RELAY2 = 0;
}

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4. 系统运行与功能实现

系统上电后自动进入初始化状态，LCD 显示当前泥浆高度及系统模式。超声波模块实时测距并更新显示，当检测值超过预设阈值时蜂鸣器报警提示，并在自动模式下自动启动回收电机与阀门，实现泥浆自动排放。工作人员亦可在手动模式下通过按键启动或停止回收操作。

该系统结构简单、功能稳定、自动化程度高，能有效提升泥浆处理效率，降低人工操作风险，适用于多种工业现场泥浆回收与管理场景。