基于單片機教學(xué)和實訓(xùn)應(yīng)用的水情監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

黃俊梅 馬強 陳德興

摘要：介紹了一種基于單片機的集教學(xué)、實訓(xùn)、科研為一體的水情監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)快速、穩(wěn)定的液位及pH值檢測，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作快捷、功能穩(wěn)定等優(yōu)勢。該檢測系統(tǒng)采用超聲波傳感器實現(xiàn)液位測量，通過電極之間的電位差，測量氫離子濃度，獲得待測液體的pH值，采用LCD12864液晶顯示模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，并可通過藍牙模塊實時發(fā)送液位及pH數(shù)據(jù)至手機顯示屏實現(xiàn)移動數(shù)據(jù)監(jiān)測。通過測試表明，本自制水情監(jiān)測系統(tǒng)水位誤差精度可控制在0.08 mm左右、pH誤差精度可控制在0.004左右，檢測系統(tǒng)整體運行狀況穩(wěn)定精確，各項技術(shù)指標(biāo)可達到設(shè)計要求。本自制水情監(jiān)測系統(tǒng)是一個典型教學(xué)樣板可服務(wù)于廣大單片機愛好者和學(xué)生的教學(xué)、實驗、實訓(xùn)等環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：單片機；pH值；水位傳感器；顯示

0 前言

水情監(jiān)測系統(tǒng)是一種實時采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)水位、pH酸堿度等信息的數(shù)據(jù)采集及顯示預(yù)警系統(tǒng)，以便于相關(guān)部門根據(jù)監(jiān)測信息及時做出預(yù)防措施，從而減少水害損失、提高水資源利用率[1]。本文將介紹一款服務(wù)于單片機教學(xué)和實訓(xùn)應(yīng)用的自制水情監(jiān)測系統(tǒng)。

1 水情監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 設(shè)計要求

水情監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分主要包括水情檢測單元、水情顯示單元和供電單元三部分，如圖1所示。

圖1中a為容器，b為pH傳感器，c為液位傳感器，水情監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求如下：

1）要求自制水情監(jiān)測系統(tǒng)：

2）多次向容器中注入若干毫升的純凈水，要求每次在1分鐘內(nèi)完成水位的測量并穩(wěn)定顯示，測量偏差不大于2mm。

3）保持水位不變，多次向塑料容器注入若干白醋，測量每次的PH值。要求在2分鐘內(nèi)穩(wěn)定顯示，測量偏差不大于0.1。

4）通過液晶屏和手機APP顯示兩種方法進行數(shù)據(jù)顯示、要求分四行顯示“水情檢測系統(tǒng)”和水情測量結(jié)果。第一行顯示“水情檢測系統(tǒng)”；第二行顯示水位測量高度值及單位“mm”；第三行顯示PH測量值，保留1位小數(shù)；第四行顯示電池輸出電壓值及單位“V”，保留2位小數(shù)。

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本設(shè)計將實現(xiàn)pH（酸堿度）值、液位高度值、溫度值的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示等功能[2]，系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖2所示。

1.3 器件選型

1.3.1 單片機選型

本設(shè)計中將選取STC12C5A60S2單片機作為主控制核心。STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍，可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供有效的解決方案。STC12C5A60S2內(nèi)置8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 K/S），轉(zhuǎn)換速度高，功耗低，可為水情監(jiān)測液位及pH值等模擬量的數(shù)據(jù)采集和處理提供便捷，減少電路的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的可靠性。

1.3.2 液位傳感器選型

液位的檢測，本設(shè)計中將選用被廣泛應(yīng)用的超聲波液位傳感器。超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測，具有測量精準(zhǔn)、性能穩(wěn)定、維護簡便、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，是液體高度測量的理想手段。超聲波傳感器工作原理如圖3所示。

超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出高頻脈沖聲波（40kHz），當(dāng)遇到液位表面將被反射折回，經(jīng)過時間t被超聲波接收器R接收到轉(zhuǎn)換成電信號[3]。已知，不同溫度下超聲波環(huán)境聲速V會變化V= 331.5+0.6×溫度，則傳感器探頭到液位表面的距離S與聲波的傳播時間t成正比，S=V×t/2。若傳感器到池底的總高度H是一定的，則液面高度H=H-S。

因此，利用以上關(guān)系式，通過單片機編程的方法最終可計算出超聲波傳感器到液面的距離S和液面深度h。

1.3.3 PH傳感器選型

pH值也稱氫離子濃度指數(shù)、酸堿值，是溶液中氫離子活度的一種標(biāo)度，是環(huán)保、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、實驗室等場所水溶液重要的理化參數(shù)之一。最常用的pH傳感器是pH復(fù)合電極傳感器，它是將pH指示電極（指示待測溶液中離子活度變化的電極）與參比電極（在測量電極電位時用來提供電位標(biāo)準(zhǔn)的電極）組合在一起的電極[4]。根據(jù)指示電極外殼材料可分為塑殼和玻璃電極兩種。本文將選用上海雷磁231-01型pH玻璃電極進行pH值得測定，如圖4所示。

pH玻璃電極其外部是由特殊玻璃膜制成的玻璃電極，其內(nèi)部為參考電極，二者組成復(fù)合電極。從pH復(fù)合電極的玻璃電極和參考電極兩端輸出的信號為電壓。在一定的溫度下，通過測量電極之間的電位差，來反映溶液中的氫離子濃度，從而測得被測液體的pH值。

電極輸出電動勢與被測溶液pH值的關(guān)系，可用能斯特方程表示為[5]

由上式可知：復(fù)合電極兩電極之間的電位差與pH值呈線性關(guān)系，通過單片機編程實現(xiàn)pH值的測定。

1.3.4 顯示器選型

本設(shè)計采用LCD12864和手機顯示兩種方案進行水情監(jiān)測與顯示。

1.3.4.1 LCD12864液晶顯示

LCD12864是一種低電壓低功耗、帶中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊，其顯示分辨率為128×64，可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，可完成圖形顯示。該模塊具有靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。本設(shè)計將選用LCD12864進行水情顯示。

1.3.4.2 手機顯示

移動終端已經(jīng)成為21世紀(jì)信息生活中人們必不可少的重要組成，尤其是手機的應(yīng)用。對于本設(shè)計中的水情顯示除了可用液晶屏顯示外，也可通過手機屏幕進行移動顯示。通過單片機的串口連接藍牙模塊發(fā)送液位及pH數(shù)據(jù)，然后在手機端通過手機藍牙收取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示出來，實現(xiàn)水情的實時與移動監(jiān)測。單片機與手機終端的無線通訊還可為后期的功能拓展提供基礎(chǔ)，用戶通過上位機編程可實現(xiàn)切換手機顯示界面進行功能切換。

2 水情監(jiān)測系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

水情監(jiān)測系統(tǒng)軟件程序設(shè)計主要包括：系統(tǒng)初始化、按鍵處理、數(shù)據(jù)的采集與處理、輸出顯示等幾個部分，主程序流程圖如圖5所示[2]。

當(dāng)系統(tǒng)上電后首先完成各個組件的初始化；判斷是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，則進行相應(yīng)的按鍵處理，例如pH校準(zhǔn)、復(fù)位等命令；STC12C5A60S2單片機進行液位、pH值和溫度的模擬量數(shù)據(jù)采集：單片機內(nèi)部進行數(shù)據(jù)濾波與計算得出PH值與液位；LCD12864液晶上分四行行顯示文字“水情監(jiān)測系統(tǒng)”、液位高度值、PH測量值和電池輸出電壓值。與此同時，單片機通過藍牙串口通信，將相同的水情信息在手機終端上進行實時顯示。

3 設(shè)計實物及測試結(jié)果

3.1設(shè)計實物

水情監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計實物如圖6所示。

3.2 測試結(jié)果

3.2.1 液位測試結(jié)果

液位測試結(jié)果如表1所示。

3.2.2 pH測試結(jié)果

pH測試結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)論

通過一系列驗證測試，本自制單片機水情監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)pH校準(zhǔn)，液位和pH的實時檢測與顯示。經(jīng)測試水位誤差精度可控制在0.08左右，pH誤差精度可控制在0.004左右，具有測量精度高、響應(yīng)速度快、操作簡單快捷等優(yōu)點，可作為一個典型教學(xué)樣板服務(wù)于廣大單片機愛好者和學(xué)生群體的教學(xué)和實訓(xùn)等環(huán)節(jié)。

參考文獻：

[1]林雨水庫水情數(shù)據(jù)采集與閘門自動控制系統(tǒng)的研究[D].昆明理工大學(xué)2014

[2]張桂紅簡易水情檢測系統(tǒng)設(shè)計[J]信息與電腦（理論版），2017，（19）：131-133

[3]付存謂，費美芬一種新型的水位檢測系統(tǒng)[J]微型機與應(yīng)用，2016，35（21）：94-97

[4]祁建廣，李寶營超低功耗水質(zhì)pH檢測儀設(shè)計[J]儀表技術(shù)與傳感器，2017，（03）：118-120

[5]楊燎原用玻璃電極法準(zhǔn)確測定溶液中pH值的分析路徑[J]環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2010，29（S1）：94-95