基于單片機(jī)的智能水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230088)

0 引 言

目前，我國(guó)許多地方的生活和工業(yè)用水多采用水箱供水，為了防止水箱水位過高而溢水,或水過低而出現(xiàn)用水供給不及時(shí)的情況,應(yīng)當(dāng)適時(shí)監(jiān)控水位，并控制水位始終保持在一定范圍內(nèi)，已有的水位監(jiān)控方式多樣[1～4]。一類是人工監(jiān)控，以重力牽引的方式上水，即當(dāng)水箱內(nèi)水位過低或用完時(shí)，人工啟動(dòng)水泵向水箱內(nèi)注水，這種方法的效率低、成本高、使用不便。一類是通過浮子液位計(jì)監(jiān)控，利用杠桿基礎(chǔ)原理，通過液體對(duì)浮子產(chǎn)生的浮力，來改變水泵的工作狀態(tài)，但這種系統(tǒng)控制精度低，能耗大，而且很難實(shí)時(shí)查看水位狀態(tài)和調(diào)整控制水位的上下限。還有一類是單片機(jī)控制，并利用超聲波傳感器檢測(cè)水位，但未考慮到使用者的主觀作用，無法進(jìn)行手動(dòng)控制排水或注水，或不具備水位狀態(tài)報(bào)警功能，或適用于遠(yuǎn)距離監(jiān)控，需要無線通訊，成本較高。因此，文中設(shè)計(jì)了一種成本低、操作便捷的智能水位監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)作為核心控制芯片，由水位檢測(cè)電路、水泵控制電路、按鍵電路、顯示電路、報(bào)警電路等組成。具體如圖1所示。

圖1 智能水位監(jiān)控系統(tǒng)框圖

圖2 水位檢測(cè)電路圖

系統(tǒng)利用超聲波傳感器來檢測(cè)水位，由單片機(jī)采集并進(jìn)行分析和處理，通過顯示電路實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)的水位值，并輸出控制信號(hào)，控制報(bào)警電路報(bào)警狀態(tài)與水泵工作與否，從而達(dá)到水位智能監(jiān)控的目的。

由于不同監(jiān)控對(duì)象所需水位不同，因此，水位監(jiān)控需智能可調(diào)。首先，超聲波傳感器采集水位信息，由單片機(jī)進(jìn)行分析與處理，并通過比較設(shè)定的水位上下限值來控制水泵是否需要排水或注水，并判斷報(bào)警電路警示狀態(tài)，利用蜂鳴器在水位超出或低于設(shè)置范圍時(shí)報(bào)警，利用不同顏色LED提示水位狀態(tài)。其次，將檢測(cè)到的水位信息通過顯示電路及時(shí)顯示在液晶顯示屏上，可以及時(shí)跟蹤水位信息。最后，充分考慮到應(yīng)用場(chǎng)合的不同，設(shè)置按鍵來調(diào)整設(shè)定水位上下限值，并選擇使用手動(dòng)排/注水模式和自動(dòng)排/注水模式，當(dāng)選擇手動(dòng)排/注水模式時(shí)，可以根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)控制水泵排/注水時(shí)間和水量。

圖3 水泵控制電路圖

圖4 按鍵電路圖

圖5 顯示電路圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 水位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)水位檢測(cè)電路采用HC-SR04型超聲波傳感器采集水位信息，HC-SR04測(cè)距精度高達(dá)3mm，測(cè)距范圍大，達(dá)到2.0cm-400.0cm的范圍非接觸式檢測(cè)距離長(zhǎng)度。HC-SR04包含發(fā)射器、接收器兩個(gè)探頭以及控制電路，通過記錄一個(gè)方波的來回時(shí)間差，計(jì)算出超聲波傳感器探頭到被測(cè)物體之間的距離。該傳感器有4個(gè)引腳：分別為1腳(VCC)，接5V電源即可；2腳(Trig)，超聲波發(fā)送腳，高電平時(shí)發(fā)送出40kHz的超聲波。3腳(Echo)，超聲波接收檢測(cè)腳，當(dāng)接收到返回的超聲波時(shí)，輸出高電平。4腳(GND)，超聲波模塊GND。利用超聲波傳感器HC-SR04構(gòu)成的水位檢測(cè)電路如圖2所示。

圖6 報(bào)警電路圖

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

2.2 水泵控制電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)使用的水泵由內(nèi)部驅(qū)動(dòng)和泵體組成，泵體上有一進(jìn)一出兩個(gè)接口，水從進(jìn)水口注水，出水口排水。水泵控制電路如圖3所示，利用三極管與單片機(jī)的P34口相連，控制水泵工作，當(dāng)被置高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)水泵從進(jìn)水口注水,當(dāng)被置低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)水泵從出水口排水。

2.3 按鍵電路設(shè)計(jì)

按鍵電路控制整個(gè)系統(tǒng)模式的選擇和水位上下限閾值的設(shè)置。一共有四個(gè)按鍵，具體為：S1:設(shè)置/保存，S2:加數(shù)值/模式切換，S3:減數(shù)值，S4：排水/注水。按鍵電路如圖4所示。

系統(tǒng)默認(rèn)為自動(dòng)檢測(cè)與排注水模式，當(dāng)水位處于設(shè)置范圍之間時(shí)，LED綠燈亮，這時(shí)可以啟動(dòng)手動(dòng)模式，按一下S2鍵進(jìn)入手動(dòng)模式，這時(shí)黃色的LED燈亮預(yù)示著手動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換成功。可以通過按按鍵的方式調(diào)節(jié)水位的高低，按鍵S4接1、4表示排水功能，按鍵S4接2、5表示注水功能，當(dāng)排水或注水完成后，再按S2按鍵，退出手動(dòng)模式，轉(zhuǎn)換成自動(dòng)模式。

S1鍵用來設(shè)置系統(tǒng)設(shè)置的測(cè)量范圍，按鍵S1定位修改對(duì)象，按鍵S2、S3是用來增大和減小數(shù)值的，設(shè)置完成后，再按一次S1退出設(shè)置。

2.4 顯示電路設(shè)計(jì)

為了測(cè)量的實(shí)時(shí)信息傳遞給系統(tǒng)，清晰直觀的觀察檢測(cè)數(shù)據(jù)，采用SMC1602A型液晶顯示器，該顯示器是標(biāo)準(zhǔn)字符點(diǎn)陣型，采用點(diǎn)陣型顯示，可顯示16×2字符，將系統(tǒng)檢測(cè)處理的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在液晶顯示器顯示。電路如圖5所示。

2.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的報(bào)警電路由蜂鳴器報(bào)警電路和LED彩燈報(bào)警電路組成。分三種情況，當(dāng)被檢測(cè)的水位大于系統(tǒng)預(yù)設(shè)置的最大值時(shí)，系統(tǒng)控制器驅(qū)動(dòng)硬件蜂鳴器鳴響示警，同時(shí)紅色LED燈亮，提示水位過高，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)水泵排水。當(dāng)水位處于設(shè)置水位值范圍之間時(shí)，LED綠燈亮，提示水位正常。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)水位過低時(shí)，這時(shí)黃色LED燈亮，提示水位過低，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)水泵注水。報(bào)警電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含初始化、水位檢測(cè)子程序、按鍵子程序、液晶顯示子程序、報(bào)警與水泵控制子程序等，主程序流程圖如圖7所示[5]。

4 結(jié) 語

以AT89C52單片機(jī)為核心控制芯片，實(shí)現(xiàn)了智能水位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。可以對(duì)水位狀態(tài)進(jìn)行采集、處理、顯示、警示，并控制水泵是否排/注水。設(shè)置按鍵對(duì)土壤用手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式排/注水，并調(diào)整設(shè)定水位上下限值，靈活性、適用性強(qiáng)，成本相對(duì)較低，制作和使用的過程較簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，該設(shè)計(jì)已制作完畢，在實(shí)驗(yàn)室水盆、水桶實(shí)際測(cè)試，效果良好。該系統(tǒng)也可以拓展到樓房水箱、河流堤壩等場(chǎng)合使用。