基于單片機(jī)的智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)設(shè)計

甘新泉

（廣西城市職業(yè)大學(xué)，廣西 崇左 532200）

0 引言

現(xiàn)階段我國較多地區(qū)的生活用水以及工業(yè)用水使用的供水方式為水箱供水，而對于水箱供水方式中出現(xiàn)的水箱水位過高而溢出水或水箱水位較低而供給水不及時的情況，水箱的管理人員應(yīng)時時對水箱的水位進(jìn)行監(jiān)督，并將水箱的水位控制在一定范圍內(nèi)，以此達(dá)到合理供水的目的。當(dāng)下使用的水箱水位監(jiān)控方式種類較多，一種是成本較高、工作效率較低、實(shí)施不方便的人工監(jiān)控，即監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)水箱內(nèi)水位較低或較高時，使用水泵進(jìn)行水箱水位的調(diào)節(jié)；一種是控制精度較低、無法實(shí)時控制和查看水箱水位狀態(tài)的浮子液位計監(jiān)控；還有一種為使用單片機(jī)進(jìn)行水箱水位顯示和控制的智能化監(jiān)控，由于其發(fā)展時間較短，部分地方使用的智能化監(jiān)控方式存在一定問題，且成本較高，推廣實(shí)施難度較大。因此，本文針對單片機(jī)智能水位監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)的問題進(jìn)行解決，希望對我國水利行業(yè)的發(fā)展提供幫助。

1 單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)的設(shè)計概述

智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)中以單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制芯片，并由水位檢測電路、水泵控制電路、按鍵電路、顯示電路以及報警電路等元件共同組成。單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)通過超聲波傳感器對水箱內(nèi)的水位進(jìn)行檢測，將數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)處進(jìn)行分析和處理，并由顯示電路對水箱的實(shí)時水位值進(jìn)行顯示，由系統(tǒng)對控制信號進(jìn)行輸出，即控制系統(tǒng)的報警電路狀態(tài)以及水泵工作狀態(tài)，以此達(dá)到對水箱內(nèi)水位進(jìn)行智能監(jiān)控的目的。由于水箱內(nèi)水位的控制需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計，因此單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)中水箱水位的預(yù)設(shè)上下限應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更改，之后由系統(tǒng)對水箱水位進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測，并由系統(tǒng)判斷及控制水泵的工作狀態(tài)。在水箱水位達(dá)到報警范圍時，系統(tǒng)控制報警電路進(jìn)行示警[1]。

2 單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)的具體設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)使用的硬件設(shè)備在設(shè)計時基本分為以下四類：水位的檢測電路設(shè)計、水泵的控制電路設(shè)計、按鍵的電路設(shè)計、顯示的電路設(shè)計以及報警的電路設(shè)計。

單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)的水位檢測電路在設(shè)計時采用超聲波傳感器對水位的信息進(jìn)行檢測，通過傳感器的發(fā)射器探頭和接收器探頭以及控制電路，對水箱內(nèi)水位采取超聲波發(fā)射和接收，通過計算超聲波的來回時間差算出超聲傳感器的發(fā)射器探頭和被測物體之間的距離，進(jìn)而確定水箱內(nèi)的水位情況[2]。

圖1 超聲波傳感器

測試距離公式為：L=[高電平時間*聲速（340m/s）]/2；通過單片機(jī)內(nèi)部數(shù)學(xué)公式的運(yùn)算，達(dá)到水位液面監(jiān)控。

單片機(jī)智能水位監(jiān)控系統(tǒng)的水泵控制電路設(shè)計是由內(nèi)部電機(jī)驅(qū)動電路和水泵泵體構(gòu)成。在水箱主要通過水泵泵體進(jìn)行注水功能，排水功能主要通過電子閥門安裝于水箱底部。水泵的控制電路由大功率繼電器控制，繼電器通過PNP三極管驅(qū)動，并由單片機(jī)的P1.0 IO口進(jìn)行控制。在水位監(jiān)測的過程中，單片機(jī)對水泵的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，當(dāng)P1.0輸出高電平時，由于PNP三極管具有放大電流能力，從而驅(qū)動大功率繼電器閉合，使得水泵工作，對水箱進(jìn)行注水。當(dāng)P1.0輸出低電平時，繼電器斷開，水泵停止工作[3]。

單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)的按鍵電路設(shè)計指的是整個系統(tǒng)模式中控制選擇情況以及水位上下限數(shù)值的設(shè)計。在單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)中按鍵的設(shè)計為四種：S1為設(shè)置或保存；S2為加數(shù)值或模式的切換；S3為減數(shù)值；S4為排水或注水。在系統(tǒng)默認(rèn)中，系統(tǒng)為自動對水箱水位進(jìn)行檢測并進(jìn)行注水或排水操作的模式，當(dāng)水箱內(nèi)水位在設(shè)計范圍內(nèi)，LED燈呈綠色，此時可通過S2按鍵進(jìn)行手動模式的啟動，當(dāng)手動模式啟動后，LED燈呈黃色，此時可以通過手動按鍵進(jìn)行水箱內(nèi)水位的調(diào)節(jié)，即按S4接1/4進(jìn)行排水操作，S4接2/5進(jìn)行注水操作，在完成注水或排水操作后，可以通過再次按S2鍵退出手動模式，系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)換為自動模式。系統(tǒng)對水箱內(nèi)水位的測量范圍由S1鍵進(jìn)行設(shè)置，即通過按鍵S1進(jìn)行修改對象的定位，之后通過按鍵S2或S3進(jìn)行水位數(shù)值的增加或減小，在設(shè)置完成后通過再次按鍵S1退出并保存設(shè)置水位值[4]。

單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)中顯示電路的設(shè)計是為了將水箱內(nèi)的實(shí)時信息傳遞給系統(tǒng)，方便系統(tǒng)的工作人員直觀清晰的對水箱水位的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察。顯示方面采用LCD12864液晶顯示器，并且系統(tǒng)附帶串口輸出功能，技術(shù)人員還可通過串口通信讀出近期系統(tǒng)的工作日志，以此將系統(tǒng)對水箱內(nèi)水位的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示，方便工作人員進(jìn)行水位調(diào)整[5]。

單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)中報警電路的設(shè)計組成為LED彩燈以及蜂鳴器報警電路。報警器和LED彩燈分三種情況進(jìn)行警示操作：第一種水箱內(nèi)水位大于預(yù)設(shè)水位時，蜂鳴器鳴響示警，且LED燈呈紅色，提示監(jiān)測人員水箱水位過高系統(tǒng)控制水泵進(jìn)行排水操作；第二種水箱內(nèi)水位處于預(yù)設(shè)水位區(qū)間時，LED燈呈綠色，表示水箱水位正常；第三種水箱內(nèi)水位小于預(yù)設(shè)水位時，LED燈呈黃色，提示監(jiān)測人員水箱水位過低，系統(tǒng)控制水泵進(jìn)行注水操作。

2.2 軟件設(shè)計

在單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)中使用的系統(tǒng)軟件大致分為以下幾種子程序，第一種為水箱內(nèi)初始化以及水位檢測子程序；第二種為單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)中按鍵操作用到的子程序；第三種為顯示水箱內(nèi)預(yù)設(shè)水位上下限以及實(shí)時水位的液晶顯示子程序；第四種為水箱內(nèi)水位示警以及水泵控制子程序。這幾種程序的結(jié)合使用，使單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)可以科學(xué)良好的運(yùn)行，極大程度的提高了我國水利行業(yè)的工作效率，為其發(fā)展提供了最基礎(chǔ)的保障。

軟件設(shè)計思路，單片機(jī)啟動在main函數(shù)中進(jìn)行超聲波傳感器、電子閥門、繼電器、抽水泵以及按鈕和顯示模塊的初始化；通過超聲波傳感器采集回來的模擬信號經(jīng)過傅里葉級數(shù)的展開公式：

可知，該信號除了基波分量是直流分量外，剩下的都是高頻信號，并且多項式越往后高頻分量頻率越高，能量級數(shù)越低。所以設(shè)計過程中經(jīng)過模塊濾波可以濾除更多無用的信號，使得系統(tǒng)魯棒特性增強(qiáng)[6]。

LM393比較器去調(diào)節(jié)水位的測量靈敏度，CPU處理采集換來的信號，計算出水面的位置，當(dāng)水面高度達(dá)到預(yù)設(shè)值時，停止水泵工作。當(dāng)然也可以該系統(tǒng)也可用于灌溉行業(yè)使用，當(dāng)檢測到外界土地濕度較低時，打開電子閥進(jìn)行灌溉。

圖2 程序流程圖

2.3 設(shè)計總方案圖

圖3 設(shè)計方案圖

3 結(jié)論

綜上所述，將單片機(jī)作為控制核心芯片的智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)了在水位監(jiān)控系統(tǒng)中智能化的設(shè)計工作。單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)在使用階段可以良好的對水箱內(nèi)水位情況進(jìn)行信息的采集和處理，同時在發(fā)現(xiàn)水箱內(nèi)水位超出預(yù)設(shè)水位上下限時，自動控制水泵進(jìn)行相應(yīng)的排水或注水操作，降低了水箱水位監(jiān)控人員的工作強(qiáng)度，提高了工作效率。并且單片機(jī)智能水位監(jiān)控識別系統(tǒng)可以通過設(shè)計按鍵模式的方式，控制水泵的注水和排水模式，在實(shí)際使用中靈活性較高。且系統(tǒng)可以通過對水箱內(nèi)預(yù)設(shè)水位上下限進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對水箱內(nèi)水位的實(shí)時靈活控制，系統(tǒng)的設(shè)計成本較低，實(shí)驗(yàn)室測試效果良好，在提高我國水利行業(yè)發(fā)展方面作用十分明顯。