水塔水位水溫監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

王成

【摘 要】論文借助超聲波模塊與溫度傳感器模塊，采用單片機(jī)微處理控制器，設(shè)計了一套水塔水位水溫檢測系統(tǒng)，并給出了詳細(xì)的設(shè)計過程。該方案識別精度高、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維護(hù)方便、擴(kuò)展性強(qiáng)，在實際生產(chǎn)生活中具有一定的實用意義和市場應(yīng)用價值。

【Abstract】In this paper， with the aid of the ultrasonic module ， the temperature sensor module and MCU microprocessor controller， it designed a set of water level and temperature detection system for the water tower ， and gives the design process in detail.The scheme has the advantages of high accuracy， low cost， simple structure， high reliability， convenient maintenance and strong expansibility. It has certain practical significance and market application value in practical production and life.

【關(guān)鍵詞】超聲波；單片機(jī)控制；水塔監(jiān)測

【Keywords】ultrasound；SCM control；water tower monitoring

【中圖分類號】TN216 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）04-0129-02

1 引言

在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要對水塔水位和水溫進(jìn)行監(jiān)控。傳統(tǒng)的水塔水位大部分采用浮球水位控制器，一般分為管式浮球與纜浮球。管式浮球適合清水及粘度不大的液體；纜浮球適合污水。浮球水位控制器優(yōu)點是價格適中，缺點是屬于開關(guān)量控制，無法給出實際水位。并且管式浮球容易卡滯，纜浮球容易纏繞，所有浮球都有觸點接觸不良現(xiàn)象，其后果是容易造成系統(tǒng)失控，調(diào)整控制點很不方便。另外，水塔的水溫檢測系統(tǒng)也一般是獨立的系統(tǒng)，并不能與水位系統(tǒng)整合在一起，實際使用中比較不方便[1]。

基于這一現(xiàn)狀，筆者設(shè)計了一款基于超聲波和溫度傳感器的水塔水位水溫監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠超聲波的回聲來測量水塔液位高度，其最大檢測高度可達(dá)6m；溫度傳感器采用DS18B20，測溫范圍-55℃～+125℃。該傳感器參數(shù)足以應(yīng)用于水塔的水位水溫監(jiān)控。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

整個系統(tǒng)由HC-SR04超聲波模塊、DS18B20溫度模塊、顯示模塊、報警模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源管理模塊、RS485總線模塊等組成。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，讀取DS18B20溫度模塊溫度數(shù)據(jù)和超聲波模塊數(shù)據(jù)，通過RS485總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

在此次設(shè)計中，由于系統(tǒng)的處理任務(wù)比較少，因此采用傳統(tǒng)的51單片機(jī)作為核心微控制器。單片機(jī)不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機(jī)的使用領(lǐng)域十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等[2]。

3.2 電源管理模塊

電源管理模塊是這個系統(tǒng)的能量來源，在此次設(shè)計中，采用5V直流電為超聲波模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度檢測模塊、RS485總線模塊、顯示模塊、報警模塊等供電。

3.3 超聲波模塊

利用超聲波指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)的特點，廣泛應(yīng)用于物體距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求[3]。超聲波測量水位的原理是：超聲波模塊放置在水塔頂端，通過超聲波發(fā)射裝置向水塔水面間隔一定的時間發(fā)射超聲波，同時單片機(jī)打開定時器，超聲波在空氣中傳播，途中碰到水面就立即返回來，一旦接收到返回的超聲波，單片機(jī)馬上關(guān)閉定時器，并讀取定時器寄存器的數(shù)據(jù)，通過簡單的運(yùn)算計算出超聲波發(fā)射到接收的時間差t，超聲波在空氣中的傳播速度340m/s，就可以知道計算出超聲波發(fā)射點距水面的距離s，即s=340×t/2，然后在設(shè)計之初先設(shè)置好超聲波到水塔底的距離h1，通過單片機(jī)減法運(yùn)算后即可以得出水位高度h2=h1-s。

3.4 溫度檢測模塊

DS18B20是常用的溫度傳感器，單總線通信方式，具有成本低、體積小、硬件電路簡單、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、測溫范圍廣、誤差小的特點，廣泛應(yīng)用于生活和工業(yè)測溫領(lǐng)域[4]。

3.5 RS485總線模塊

RS485采用差分信號負(fù)邏輯，最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbps，傳輸速率與傳輸距離成反比，是目前工業(yè)應(yīng)用的比較常用的一種串行總線。RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般是兩線制，多采用屏蔽雙絞線傳輸。這種接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接32個結(jié)點。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個主機(jī)帶多個從機(jī)。在此次設(shè)計中，該系統(tǒng)為從機(jī)模式，可以與上位機(jī)（主機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.6 顯示與報警模塊

系統(tǒng)采用OLED顯示屏，與單片機(jī)使用SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以方便顯示水溫、水位的數(shù)據(jù)，并且在異常情況下顯示異常信息。報警采用有源蜂鳴器加發(fā)光二極管，當(dāng)水位和水溫異常時，單片機(jī)IO口輸出低電平，驅(qū)動PNP三極管，進(jìn)而驅(qū)動蜂鳴器與發(fā)光二極管，對用戶進(jìn)行聲光提醒[6]。

4 軟件設(shè)計

水塔水位水溫監(jiān)測系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)由超聲波模塊、溫度檢測模塊、RS485總線模塊、顯示與報警模塊等程序組成。程序使用C語言在Keil4中進(jìn)行編寫調(diào)試，采用模塊化程序設(shè)計思路，以使得程序結(jié)構(gòu)清晰、修改方便、可移植性強(qiáng)、便于調(diào)試。裝置上電開機(jī)后，先初始化各函數(shù)變量和各個模塊，然后與主機(jī)通過RS485總線進(jìn)行通信，識別主機(jī)有無指令以及指令內(nèi)容。接著超聲波模塊發(fā)射超聲波，單片機(jī)等待超聲波回波，計算水位高度，判斷液位高度是否正常，如果正常，在顯示屏上顯示當(dāng)前液位高度，如果異常，顯示異常信息并進(jìn)行報警。然后進(jìn)行水溫的檢測，同水位檢測一樣，水溫正常顯示當(dāng)前水溫，異常顯示異常信息并報警。

5 結(jié)語

水塔水位水溫監(jiān)測系統(tǒng)在實際的測試與使用過程中體現(xiàn)出較好的實用性，基本滿足了設(shè)計需求。該系統(tǒng)維護(hù)、檢修比較方便，允許通過RS485總線組網(wǎng)，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性與靈活性。但該裝置的不足也比較明顯，比如水位測量受限于超聲波模塊的測距最遠(yuǎn)距離，在超過6米的水塔基本無法使用，并且超聲波模塊的安裝也需要盡量垂直于液面，否則容易出現(xiàn)無法接收到超聲波回波的情況，進(jìn)而對水位檢測失敗。

【參考文獻(xiàn)】

【1】袁新娣.基于單片機(jī)的智能水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計[J].贛南師范學(xué)院學(xué)報，2010（6）：52-54.

【2】蘇家健，曹柏榮，汪志鋒.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2004：1-3.

【3】李永鑒，劉國安.簡易超聲波測距儀的制作[J].福建電腦， 2006（7）： 131-132.

【4】張宇寧，周 穎.DS18B20 數(shù)字式溫度測量裝置的研究[J].機(jī)械工程與自動化，2012（4）：149 -151.