基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，為了有效檢測水位，并提高水位控制[1]系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，本文設(shè)計了一種以單片機(jī)為核心的水位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由水位檢測模塊、單片機(jī)控制模塊和執(zhí)行控制模塊組成。文章根據(jù)水位檢測控制的實際需求，對常用的水位檢測控制方法的對比分析和研究，介紹了水位控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計，其中包括硬件和軟件兩部分，在硬件設(shè)計中重點闡述了電路圖設(shè)計。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；超聲波測距；水位監(jiān)測控制

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）22-0092-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

本課題主要研究基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)STM32F103C8T6為核心，由硬件和軟件兩部分內(nèi)容構(gòu)成。其中，硬件部分主要包括信號發(fā)送和接收模塊、電源模塊、測量模塊和顯示模塊；軟件部分是在Keil4開發(fā)運(yùn)行環(huán)境下使用高級匯編C++語言編程實現(xiàn)，利用超聲波測距技術(shù)來測量水位高度。該系統(tǒng)適用于水位控制、防洪、自動灌溉等多種場景。通過本研究，能夠有效地監(jiān)測水位高度，提高水位控制與測量的精度和可靠性，為人們的生活與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來便利。此外，基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、成本、操作方便等優(yōu)點，使得該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣泛，能夠更好地滿足社會需求。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)，由多個部件組成，其中傳感器部件實時采集水位的信號，并將信號傳輸給單片機(jī)進(jìn)行存貯、分析、運(yùn)算和處理。

除超聲波傳感器元件外，系統(tǒng)還包括單片機(jī)、繼電器、水泵、顯示屏等部件。單片機(jī)負(fù)責(zé)接收和處理傳感器測得的水位和溫度數(shù)據(jù)。水泵控制水的進(jìn)出，以維持水池水位穩(wěn)定。顯示屏實時顯示水位高度和系統(tǒng)狀態(tài)。系統(tǒng)總體方案框架圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

這個基于超聲波技術(shù)的測距系統(tǒng)主要包括發(fā)射、接收、單片機(jī)接口和顯示報警等相關(guān)電路。主要設(shè)計圍繞單片機(jī)功能實現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)超聲波傳遞和接收方面的優(yōu)化，以達(dá)到更高的測量準(zhǔn)確度和分辨率。對于超聲波發(fā)射器UCM40T和接收器UCM40R所接受到的超聲回波電壓值只有幾十毫伏，同時伴隨著強(qiáng)烈的噪聲信號。因此，在放大電路的設(shè)計中，需要同時處理信號和噪聲，并使信號得到合適的放大。為此，決定使用CX20106A集成電路來實現(xiàn)這兩個任務(wù)，并將其傳遞到MCU中通過P2.7端口進(jìn)行處理。隨后，使用動態(tài)掃描方式將處理后的數(shù)據(jù)展示，并利用單片機(jī)編程將時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的距離信息，并在OLED顯示器上展示。

2.1 最小系統(tǒng)

基于STM32F103C8T6單片機(jī)的相關(guān)電路如下介紹。單片機(jī)晶振電路如圖2所示。

單片機(jī)RTC晶振電路如圖3所示。

這是表示復(fù)位的輸出，一旦晶體振蕩器開始運(yùn)轉(zhuǎn)，RST引腳將連續(xù)產(chǎn)生兩個機(jī)械循環(huán)的波形，并使用其高電平執(zhí)行對微處理器的重置。當(dāng)看門狗定時器被關(guān)閉后，RST的管腳將被調(diào)到高水平，具體細(xì)節(jié)可以在圖4中看到。

從圖4 可以看出，當(dāng)RST管腳被按下時，它通過電阻器R24與系統(tǒng)+5V電源相連，只要這個時間保持在至少2個機(jī)械周期，單片機(jī)就會完成重置操作。

2.2 超聲波水位傳感器[3]電路

本課題選用超聲波傳感器HC-SR04，經(jīng)發(fā)射端發(fā)出的超聲波波長為6毫米左右，頻率為40千赫茲。這個信號會被液面反射，然后被接收器接受。其在收到信號時，會發(fā)出毫伏量級的弱電壓訊號。超聲波傳感器模塊的電路如圖5所示。

超聲波傳感器一般由電聲換能器、接收器和控制電路組成。電聲換能器將電能轉(zhuǎn)換成聲能，發(fā)射超聲波到液面，接收器接收反射回來的聲波并轉(zhuǎn)換成電信號，送至控制電路計算和處理。

2.3 OLED顯示電路

水位高度等有關(guān)的定制文字以點陣方式儲存于OLED熒光屏的隨機(jī)存取存儲器內(nèi)，即可完成定制文字的顯示。其中，定制文字的點陣信息必須轉(zhuǎn)換成二元信息，然后以O(shè)LED顯示屏尋址的形式存入內(nèi)存，最后再根據(jù)一一對應(yīng)的指示，在畫面上顯示出定制的文字。OLED顯示電路如圖6所示。

2.4 蜂鳴器

在本課題中需要使用蜂鳴器，以實現(xiàn)對P1.2相關(guān)頻率信號的推導(dǎo)。此舉可達(dá)到一定的放大效果，提高信號傳輸?shù)男省Ｗ⒁膺B接時須謹(jǐn)慎，確保連接正確無誤。具體細(xì)節(jié)可以在圖7中看到。

2.5 電源電路

為了確保水位控制系統(tǒng)[4]在供電方面的穩(wěn)定性，本課題設(shè)計了USB供電和電源電路。

1） USB供電。整個系統(tǒng)的電源輸入采用USB接口。由于USB接口提供的電壓是5V，我們需要將這個電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的工作電壓。對于較小的系統(tǒng)，可以使用超小型線性穩(wěn)壓器或切換穩(wěn)壓器將5V直接轉(zhuǎn)換為所需工作電壓。

2） 電源電路。選擇使用電源穩(wěn)壓芯片來保證穩(wěn)定的電源，并與USB供電形成雙重電源保護(hù)。在電源穩(wěn)壓芯片的電路中，我們還加入了輸入和輸出的濾波電容，濾除高頻噪聲和干擾信號，降低對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。其電路圖如8所示。

2.6 按鍵電路

鍵盤在單片機(jī)的應(yīng)用和管理中是必不缺少的部件，鍵盤中的按鍵相當(dāng)于一個獨立的按鈕，與單片機(jī)的輸入輸出接口對應(yīng)連接，通過程序掃描的查詢方式，完成單片機(jī)系統(tǒng)中信號交互任務(wù)。在程序掃描的方式下，通過輸入輸出端口讀取鍵盤按下與松開的狀態(tài)，在按鍵被按下時輸入輸出端與地面間的短接就會使得輸入輸出端變?yōu)榈碗妷海鄳?yīng)的接口就會置“0”，松開時，在MCU中有一個上拉電阻器，使輸入輸出處于一個高電壓的狀態(tài)，相應(yīng)的接口就會置“1”這樣根據(jù)電壓高低狀態(tài)就能判斷是否按下按鍵。硬件電路如圖9所示。

2.7 水泵控制電路

在水泵控制電路中，我們使用單刀雙擲型（SPDT） 繼電器[7]，利用繼電器的COM引腳為公共端，NO和NC兩個引腳來控制水泵的啟停。具體實現(xiàn)方式是，當(dāng)水箱內(nèi)的水位低于最低水位線時，單片機(jī)控制繼電器[2]進(jìn)行觸點切換，接通NO和COM兩個引腳，使得水泵啟動開始進(jìn)水；當(dāng)水箱內(nèi)的水位高于最高水位線時，單片機(jī)控制繼電器進(jìn)行一次觸點切換，接通NO和COM兩個引腳，使得水泵停止工作；這樣就實現(xiàn)了一種簡單、可靠的水泵控制電路。

除了繼電器，水泵控制[8]電路中還需要加入一些保護(hù)電路來防止水泵短路、過載等情況對單片機(jī)和繼電器造成損害。具體保護(hù)電路的設(shè)計可以根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇。其電路如圖10所示。

2.8 PCB板

該系統(tǒng)的硬件部分采用了PCB技術(shù)，即將電路圖設(shè)計成實體化的電路板。PCB的設(shè)計包括電路原理圖轉(zhuǎn)換、布線、走線、光繪、鉆孔和貼裝等步驟。在硬件設(shè)計方面，采用了雙層PCB的設(shè)計形式，其中一層用于電源線和信號線的布線，另一層則用于對細(xì)節(jié)部分進(jìn)行布線和走線，以確保電路的精細(xì)和穩(wěn)定性。通過PCB的制作，可以將電路板制作成固定的形式，提高系統(tǒng)的整體可靠性和穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本次軟件設(shè)計是在Keil 4開發(fā)環(huán)境下利用高級編程語言C++進(jìn)行程序編寫，在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)程序控制和系統(tǒng)管理。主要內(nèi)容包括如下：

系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如下：

1） 引入頭文件：包含所需的庫文件和宏定義。

2） 全局變量定義：定義需要用到的全局變量，包括超聲波傳感器數(shù)據(jù)、參考水位、當(dāng)前水位、泵狀態(tài)、OLED顯示屏對象等。

3） 初始化函數(shù)：對各個模塊進(jìn)行初始化，包括超聲波傳感器、OLED顯示屏、繼電器以及定時器等。

4） 主函數(shù)：程序的入口，包括以下5種功能：

a. 超聲波傳感器數(shù)據(jù)讀?。和ㄟ^超聲波傳感器獲取當(dāng)前水位數(shù)據(jù)；該系統(tǒng)最小可以是112毫米左右的測量范圍。

b. 水位判斷：根據(jù)當(dāng)前水位和參考水位，判斷是否需要啟動或關(guān)閉水泵；

c. OLED顯示屏刷新：根據(jù)當(dāng)前水位和泵狀態(tài)，實時更新OLED顯示屏的內(nèi)容；

d. 繼電器控制水泵：根據(jù)水泵狀態(tài)控制繼電器的開關(guān)；

e. 定時器中斷：設(shè)置定時器，定時讀取當(dāng)前水位并更新系統(tǒng)狀態(tài)；

5） 子函數(shù)：包括水泵啟動和關(guān)閉、OLED顯示屏更新、定時器中斷函數(shù)等，用于輔助實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

綜上所述，該水位控制系統(tǒng)基于STM32F103C8T6單片機(jī)，通過超聲波傳感器測量水位，利用OLED顯示屏實時顯示水位狀態(tài)，根據(jù)參考水位判斷是否需要啟動或關(guān)閉水泵，借助繼電器實現(xiàn)水泵的開關(guān)控制，同時通過定時器定時更新系統(tǒng)狀態(tài)，實現(xiàn)全自動[6]的水位控制功能。本系統(tǒng)的流程控制嚴(yán)密，功能齊全，可以有效地保障水位控制的穩(wěn)定性和安全性。系統(tǒng)的主流程如圖11所示。

4 結(jié)束語

本文旨在探討基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)。選用了STM32F103C8T6作為控制中心，利用超聲波水位傳感器實時監(jiān)測水位[5]并根據(jù)預(yù)設(shè)的水位閾值控制水泵的開關(guān)。同時，該系統(tǒng)還加入了OLED顯示屏用于展示實時水位信息，蜂鳴器和繼電器用于實現(xiàn)異常報警和電路保護(hù)等功能。該系統(tǒng)經(jīng)過實驗驗證，能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制水位，對于異常情況也可以及時響應(yīng)，具有很好的實用價值。

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【通聯(lián)編輯：梁書】