基于單片機的水量監控系統設計

劉德康 劉進 湯莉莉 譚德勇

摘 要：我國屬于人均水資源量特別靠后的國家，作為高等院校，更應該節約用水。通過實際考察，學校水資源浪費的主要原因是水龍頭閥門的損壞。傳統人工檢查效率低、成本高、不及時。該系統針對上述問題，以51單片機為核心，采用超聲波傳感器HC-SR04采集信號，通過水量監控算法控制電動閥門28BYJ-48，實時監測以及控制用水量，為節水以及后勤維護提供一整套方案切實可行的方案，此套方案的實施能為學校節省大量的人力物力，且此套系統具有良好的可移植性，可在公共用水場合進行推廣。

關鍵詞：實時監測 智能控制 單片機 推廣

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0053-02

Design Water Monitoring System Based on Single Chip Microcomputer

Liu Dekang，Liu Jin，Tang Lili，Tan Deyong

（Department of Computer & Information Engineering，Zhixing College of Hubei University，Wuhan 430011， china）

Abstract：Our country belongs to the per capita water resources especially after leaning state，as institutions of higher learning，should save water.Through the actual inspection，the main reason for the school to the waste of water resources is the damage to the faucet valve. The traditional manual inspection of low efficiency and high cost，not timely.This system in view of the above question， MCS-51 single-chip microcomputer as the core，and HC-SR04 sensors for monitoring algorithm， through the water，water used in real-time monitoring，provides a scheme for water saving and feasible scheme of logistics and maintenance，saving a lot of manpower and material resources for the school.

Key Word：Water saving；Intelligence；Single chip microcomputer

我國有2.8萬億m3的水資源總量，全世界排第6位，但人均水資源不足世界水資源的1/4，排在世界人均占有水資源量的第109位，是世界上人均占有水資源最貧乏的13個國家之一。在學校，如何節水，也成為了學校師生共同關注的問題。因此，有學生提出，洗手間一些水龍頭壞了之后，如果不及時處理，就會浪費大量的水資源，如果能第一時間通知后勤，則能把節約出來的水量用于學校的其他領域。如果能大力推廣，則共同節約的水資源就能用于城市生活、工業生產和生態用水，以水資源的可持續利用促進經濟社會的可持續發展，響應習總書記的號召。

在盡可能節約成本的基礎上，解決洗手間水龍頭損壞后造成的水資源浪費，本水量控制系統通過51系列單片機為核心，對水流量進行監控系統，提供一整套方案，擬達到以下目標：（1）自動監控，及時通知。充分考慮系統安全性、可靠性、穩定性、數據準確性、實現性。減輕相關人員的工作量；（2）在特殊的情況下，例如在特定情況下需要大量用水，系統可以合理的進行反應；（3）結合各種實際情況，對系統的功能進行擴展。

1 控制系統工作原理及硬件設計方案

系統的工作原理是流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉化為電信號[1]，AD轉換器將模擬電信號轉化為離散信號，傳給單片機。單片機軟件系統根據事先的設定值對采集的信息進行處理，輸出離散的控制信號。DA轉換器將離散的控制信號轉化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動作，從而調節流量，實現流量的精確控制。

硬件系統主要由超聲波傳感器HC-SR04、電動閥門28BYJ-48和STC-89C51單片機控制系統以及控制線、監視線，LED燈和蜂鳴器等組成。硬件系統的結構框圖1所示。

通過放置在洗手間水管里的流量傳感器，來監控水流的多少，如果超過了控制系統所設定的最大值，則控制系統自動控制閥門電機，讓安裝在水管上的電動閥門關閉，也就是及時讓水流停止，防止因水龍頭無法閉合造成的水流不止，對于本系統還可以通過擴展，讓由51單片機組成的控制系統及時將洗手間的位置和設備故障及時傳到后勤管理辦公室，為維修工作帶來方便。

實際方案中，以HC-SR04超聲波傳感器作為液面監控傳感，當監測液面高度超過警戒值，則蜂鳴器鳴響，并由STC-89C51單片機對信號進行處理后，控制電動閥門對水管進行關閉。

2 監控系統主要電路介紹

2.1 時鐘電路

STC-89C51單片機自帶振蕩器，高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端[2]，由于采用內部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩定，實際使用中常采用這種方式，如下圖2中外接晶體以及電容C2和C3構成并聯諧振電路，它們起穩定振蕩頻率、快速起振的作用，其值均為30PF左右，晶振頻率選12MHz。

2.2 復位電路

為了初始化單片機內部的某些特殊功能寄存器，必須采用復位的方式，復位后可使CPU及系統各部件處于確定的初始狀態，并從初始狀態開始正常工作。單片機的復位是靠外電路來實現的，在正常運行情況下，只要RST引腳上出現兩個機器周期時間以上的高電平，即可引起系統復位[3]。該系統采用上電復位方式。

2.3 流量監控報警系統

當HC-SR04監測水池中水量超過超過設定值后，蜂鳴器報警，然后由STC89C51發出信號，讓28BYJ-48關閉水閥，以免水量過多而引起浪費。在某些緊急狀態或反常狀態下，及時通知后勤人員，以便處理，因此在系統中加入了報警信號產生。

報警設備選用壓電式蜂鳴器，它約需要10mA的驅動電流，只需在其兩條引線上加3一15v的直流電壓，即可產生3KHz左右的蜂鳴聲音，圖中蜂鳴器的一端接在高電平+5V，另一端接P1.7，在初態P1.7始終輸出高電平1，當需要報警時，程序對其端口清零即可，聲音的長短可用延時程序控制實現[4]。

3 系統軟件設計

本控制系統的軟件設計可以分為三部分：

（1）主程序部分：該部分完成存儲器分區、數據定義和系統的初始化等，以及調用各個子程序，完成主要的控制功能。

（2）流量控制程序：通過水流時間算法，編寫出相應的流量控制子程序，實現對流量的控制，達到預期的控制要求。

（3）各子程序：各個子程序完成具體的實現方法，主要包括：設定值輸入、數碼管顯示、步進電機控制、AD轉換中斷、T0定時器中斷、采樣中斷等。

程序流程圖如圖3。

4 結論

通過本次的設計，使學生對單片機有了更加深刻的認識，懂得了如何理論聯系實際來完成各種相關任務，提高了學生的思維能力和實際動手能力，并且整套系統以MCS-51單片機為核心，來進行流量監控系統，實現了以下功能：（1）自動監控，及時通知。充分考慮系統安全性、可靠性、穩定性、數據準確性、實現性，減輕相關人員的工作量；（2）在特殊情況下，例如在特定情況下需要大量用水，系統可以合理的進行反應。該系統還可以進行無線通信等功能的擴展，以及通過更換傳感器獲得更好的實時性、精度等。

參考文獻

[1] 徐愛鈞. Keil Cx51V7.0 單片機高級語言編程與?Vision2應用實踐[M].北京：電子工業出版社，2008.

[2] 寧鐸.電子工藝實訓教程2版.[M].西安：西安電子科技大學出版社，2010.

[3] 陳粵初.單片機應用系統設計與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，1991.

[4] 覃韋玲.利用單片機進行紅外線編解碼遙控[J].電子世界，2002（2）：27-29.