基于單片機(jī)的水量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉德康 劉進(jìn) 湯莉莉 譚德勇

摘 要：我國(guó)屬于人均水資源量特別靠后的國(guó)家，作為高等院校，更應(yīng)該節(jié)約用水。通過實(shí)際考察，學(xué)校水資源浪費(fèi)的主要原因是水龍頭閥門的損壞。傳統(tǒng)人工檢查效率低、成本高、不及時(shí)。該系統(tǒng)針對(duì)上述問題，以51單片機(jī)為核心，采用超聲波傳感器HC-SR04采集信號(hào)，通過水量監(jiān)控算法控制電動(dòng)閥門28BYJ-48，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及控制用水量，為節(jié)水以及后勤維護(hù)提供一整套方案切實(shí)可行的方案，此套方案的實(shí)施能為學(xué)校節(jié)省大量的人力物力，且此套系統(tǒng)具有良好的可移植性，可在公共用水場(chǎng)合進(jìn)行推廣。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 智能控制 單片機(jī) 推廣

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)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(gè)國(guó)家之一。在學(xué)校，如何節(jié)水，也成為了學(xué)校師生共同關(guān)注的問題。因此，有學(xué)生提出，洗手間一些水龍頭壞了之后，如果不及時(shí)處理，就會(huì)浪費(fèi)大量的水資源，如果能第一時(shí)間通知后勤，則能把節(jié)約出來的水量用于學(xué)校的其他領(lǐng)域。如果能大力推廣，則共同節(jié)約的水資源就能用于城市生活、工業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)用水，以水資源的可持續(xù)利用促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，響應(yīng)習(xí)總書記的號(hào)召。

在盡可能節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，解決洗手間水龍頭損壞后造成的水資源浪費(fèi)，本水量控制系統(tǒng)通過51系列單片機(jī)為核心，對(duì)水流量進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)，提供一整套方案，擬達(dá)到以下目標(biāo)：（1）自動(dòng)監(jiān)控，及時(shí)通知。充分考慮系統(tǒng)安全性、可靠性、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、實(shí)現(xiàn)性。減輕相關(guān)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(tǒng)可以合理的進(jìn)行反應(yīng)；（3）結(jié)合各種實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展。

1 控制系統(tǒng)工作原理及硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的工作原理是流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[1]，AD轉(zhuǎn)換器將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)，傳給單片機(jī)。單片機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設(shè)定值對(duì)采集的信息進(jìn)行處理，輸出離散的控制信號(hào)。DA轉(zhuǎn)換器將離散的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動(dòng)作，從而調(diào)節(jié)流量，實(shí)現(xiàn)流量的精確控制。

硬件系統(tǒng)主要由超聲波傳感器HC-SR04、電動(dòng)閥門28BYJ-48和STC-89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)以及控制線、監(jiān)視線，LED燈和蜂鳴器等組成。硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖1所示。

通過放置在洗手間水管里的流量傳感器，來監(jiān)控水流的多少，如果超過了控制系統(tǒng)所設(shè)定的最大值，則控制系統(tǒng)自動(dòng)控制閥門電機(jī)，讓安裝在水管上的電動(dòng)閥門關(guān)閉，也就是及時(shí)讓水流停止，防止因水龍頭無法閉合造成的水流不止，對(duì)于本系統(tǒng)還可以通過擴(kuò)展，讓由51單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)及時(shí)將洗手間的位置和設(shè)備故障及時(shí)傳到后勤管理辦公室，為維修工作帶來方便。

實(shí)際方案中，以HC-SR04超聲波傳感器作為液面監(jiān)控傳感，當(dāng)監(jiān)測(cè)液面高度超過警戒值，則蜂鳴器鳴響，并由STC-89C51單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，控制電動(dòng)閥門對(duì)水管進(jìn)行關(guān)閉。

2 監(jiān)控系統(tǒng)主要電路介紹

2.1 時(shí)鐘電路

STC-89C51單片機(jī)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(nèi)部方式時(shí)，電路簡(jiǎn)單，所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)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(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)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(fù)位電路

為了初始化單片機(jī)內(nèi)部的某些特殊功能寄存器，必須采用復(fù)位的方式，復(fù)位后可使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始正常工作。單片機(jī)的復(fù)位是靠外電路來實(shí)現(xiàn)的，在正常運(yùn)行情況下，只要RST引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)位[3]。該系統(tǒng)采用上電復(fù)位方式。

2.3 流量監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

當(dāng)HC-SR04監(jiān)測(cè)水池中水量超過超過設(shè)定值后，蜂鳴器報(bào)警，然后由STC89C51發(fā)出信號(hào)，讓28BYJ-48關(guān)閉水閥，以免水量過多而引起浪費(fèi)。在某些緊急狀態(tài)或反常狀態(tài)下，及時(shí)通知后勤人員，以便處理，因此在系統(tǒng)中加入了報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生。

報(bào)警設(shè)備選用壓電式蜂鳴器，它約需要10mA的驅(qū)動(dòng)電流，只需在其兩條引線上加3一15v的直流電壓，即可產(chǎn)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(tài)P1.7始終輸出高電平1，當(dāng)需要報(bào)警時(shí)，程序?qū)ζ涠丝谇辶慵纯桑曇舻拈L(zhǎng)短可用延時(shí)程序控制實(shí)現(xiàn)[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為三部分：

（1）主程序部分：該部分完成存儲(chǔ)器分區(qū)、數(shù)據(jù)定義和系統(tǒng)的初始化等，以及調(diào)用各個(gè)子程序，完成主要的控制功能。

（2）流量控制程序：通過水流時(shí)間算法，編寫出相應(yīng)的流量控制子程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制，達(dá)到預(yù)期的控制要求。

（3）各子程序：各個(gè)子程序完成具體的實(shí)現(xiàn)方法，主要包括：設(shè)定值輸入、數(shù)碼管顯示、步進(jìn)電機(jī)控制、AD轉(zhuǎn)換中斷、T0定時(shí)器中斷、采樣中斷等。

程序流程圖如圖3。

4 結(jié)論

通過本次的設(shè)計(jì)，使學(xué)生對(duì)單片機(jī)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，懂得了如何理論聯(lián)系實(shí)際來完成各種相關(guān)任務(wù)，提高了學(xué)生的思維能力和實(shí)際動(dòng)手能力，并且整套系統(tǒng)以MCS-51單片機(jī)為核心，來進(jìn)行流量監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了以下功能：（1）自動(dòng)監(jiān)控，及時(shí)通知。充分考慮系統(tǒng)安全性、可靠性、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、實(shí)現(xiàn)性，減輕相關(guān)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(tǒng)可以合理的進(jìn)行反應(yīng)。該系統(tǒng)還可以進(jìn)行無線通信等功能的擴(kuò)展，以及通過更換傳感器獲得更好的實(shí)時(shí)性、精度等。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐愛鈞. Keil Cx51V7.0 單片機(jī)高級(jí)語言編程與?Vision2應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2] 寧鐸.電子工藝實(shí)訓(xùn)教程2版.[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

[3] 陳粵初.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991.

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