基于單片機的水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李天鷹+張壯

摘要：介紹了以STC12C5A為處理器的水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。首先將變送器WRT～136的水位壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA的電流信號，其次經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為0～5V模擬電壓信號，0～5V的模擬電壓信號再次通過模/數(shù)電路AD0805將模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機可以識別的數(shù)字信號。主控芯片STC12C5A對數(shù)字量讀取和處理后，將水位信息傳送給數(shù)碼管進行顯示。

關(guān)鍵詞：單片機；水位監(jiān)控系統(tǒng)；電流信號；水位變送器

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：16727800（2017）004014203

0引言

在我國社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的過程中，水在人們生活實踐中具有極其重要的作用，隨著人們對水的需求量越來越大，水資源也相對越來越少，我國水資源的人均占有量遠遠少于世界水資源人均占有量。據(jù)統(tǒng)計，我國目前大約有80%以上的大中城市，甚至許多鄉(xiāng)鎮(zhèn)都面臨缺水或嚴重缺水，這嚴重制約了我國工農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，節(jié)約用水勢在必行。 目前我國的水供給方式多種多樣，但水塔供水系統(tǒng)是最基本的供水方式。該供水方式應(yīng)用廣、耗能大、水資源集約化使用程度不高，且水資源浪費嚴重，這與我國提倡建立環(huán)境友好型與資源集約型社會相悖。因此，基于自動控制原理的水位控制系統(tǒng)會根據(jù)水塔供水的水位變化，不斷自動調(diào)節(jié)供水量，既滿足了用戶的日常用水需求，又能提高用水質(zhì)量。水位控制系統(tǒng)優(yōu)點很多，如結(jié)構(gòu)簡單、造價低、安裝簡便，可以遠距離監(jiān)控水位，既方便工作人員遠程監(jiān)控，又能節(jié)約資源。水位控制系統(tǒng)是一種實用性很強的自動控制設(shè)備，它使用STC12C5A單片機作為控制器，非常方便地實現(xiàn)了水位自動控制[1]。以往是由工作人員于低水箱進行操作，無法對水位進行時時監(jiān)控與自動控制。水位控制系統(tǒng)可以對水位進行本地監(jiān)控和遠程監(jiān)控，工作人員可以足不出戶地實時監(jiān)控遠處的供水情況，不僅大大降低了工作人員工作強度，也最大限度地避免了意外發(fā)生，提高了生產(chǎn)效率，極大地減少了資源浪費。

1水位監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

基于單片機的水位監(jiān)控系統(tǒng)必須滿足水位控制精度高、工作安全可靠，并能實時顯示當前水位的要求。因此，基于單片機的水位監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路主要包括信號采集處理電路模塊、主電路模塊、顯示模塊與電源供電模塊等[2]。

1.1信號采集電路設(shè)計

信號采集是水位控制系統(tǒng)的重要組成部分，信息必須進行及時準確的采集，因此水位傳感器的選擇非常關(guān)鍵。在水位監(jiān)控過程中，首先水位傳感器將需測量的水位壓力信號轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號，電流信號通過電流/電壓變送器轉(zhuǎn)換成為0～5V的模擬電壓信號。水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計利用液位傳感器WRT～136進行信號采集工作，WRT～136將水位壓力信息通過傳感器自身的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成4～20mA的標準電流信號并輸出。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路中采用ISO EMS4-P3-04轉(zhuǎn)換模塊芯片，這種轉(zhuǎn)換芯片是磁、電隔離形式的集成混合電路，該隔離形式的混合電路在芯片上集成了多個DC/DC電源和信號隔離磁電耦合放大器。其電路優(yōu)點是抗干擾能力強，且供電電源為常用的5V電源，可以和單片機共用一組電源，而無需另設(shè)電源。由于單片機STC12C5A只能讀取0～5V的電壓數(shù)字信號，故經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的0～5V模擬信號不能被單片機識別，還必須經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可以識別和處理的數(shù)字信號。此水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計使用的A/D轉(zhuǎn)換電路采用8位的ADC0805芯片[3]。

ADC0805是一種常用的逐次逼近的模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換電路，它可以和STC12C5A單片機直接相接。ADC0805對模擬量輸入有一定要求，首先要求輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中保持恒定不變，若模擬量變化過快，則必須在信號輸入之前增加采樣保持電路；其次，要求信號具有單極性，電壓范圍為0～5V，若信號太小，則必須加裝信號放大電路對信號進行放大。ADC0805和STC12C5A單片機接口時，輸入通道的選擇有兩種方法，通過數(shù)據(jù)總線選擇或通過地址總線選擇[4]。具體信號采集電路設(shè)計及硬件之間的接線如圖1所示。

1.2主電路設(shè)計

水位監(jiān)控系統(tǒng)主電路采用性能較好的單片機STC12C5A為電路控制核心，選用11.059 2MHz內(nèi)部晶振，并采用上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種復(fù)位方式，通過4位的撥碼開關(guān)設(shè)置來控制水位本地控制的地址。主電路設(shè)計電路如圖2所示。

1.3水位監(jiān)控系統(tǒng)顯示電路

監(jiān)控系統(tǒng)要求實時顯示當前水位信息，信息顯示可以采用本地顯示或遠程水位信息顯示。其中，水位信息的本地顯示采用常用的驅(qū)動電路MAX7221來驅(qū)動8位數(shù)碼管，并進行動態(tài)顯示，如圖3所示。

2水位監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計流程

程序設(shè)計是水位監(jiān)控系統(tǒng)能否實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵部分，水位監(jiān)控系統(tǒng)的程序設(shè)計采用C程序的模塊化設(shè)計思想，包含：主程序模塊設(shè)計、模/數(shù)轉(zhuǎn)換程序模塊設(shè)計、初始化程序模塊設(shè)計、數(shù)據(jù)處理程序模塊設(shè)計，以及顯示、通信和定時程序等模塊化設(shè)計。模塊化設(shè)計可簡化程序流程，并增強程序的可讀性。

采用定時發(fā)送的方式是水位監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的主要方式之一，通過單片機P1口的撥碼開關(guān)設(shè)定地址字節(jié)，發(fā)送格式如表1所示。通過選擇撥碼開關(guān)的位置，即可選擇遠端或近端的水位顯示[5]。

圖4為發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖，程序按開始字節(jié)、地址數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)、結(jié)束字節(jié)等順序依次從單片機STC12C5A的串行通信接口進行發(fā)送。通過標志位TI來識別數(shù)據(jù)發(fā)送，若未發(fā)送則TI=1，每次重新發(fā)送時，需將TI清零[6]。 定時器T0的中斷服務(wù)程序流程如下：程序開始時要重新給定時器T0賦初值，并判斷是否到1s，未到1s則退出，否則繼續(xù)調(diào)用程序發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)，并恢復(fù)T-n的值[7]。 水位監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。上電后首先對定時器、單片機的串行通信接口和顯示驅(qū)動電路初始化，然后進入循環(huán)程序讀取A/D轉(zhuǎn)換電壓值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，將水位信息通過顯示電路進行實時顯示[8]。

3結(jié)語

基于單片機的水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的信號采集采用了WRT-136，它是一種靜壓液位變送器傳感器，通過檢測液位靜壓力來確定液位高度。測量原理的公式為P=Po+ρgh，其中Po是液面處的大氣壓，ρ為待測液體密度，H為待測液體深度，g為常量，表示重力加速度值。當液面處的大氣壓力為定值時，則壓力值P由液體密度ρ和液位高度H決定。當密度ρ固定時，液位H與壓力P成比例關(guān)系。液位傳感器WRT-136自身的轉(zhuǎn)換電路可以將水位信號放大并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的4～20mA。如果水面以上的大氣壓Po有變化，WRT-136將感受到與水位變化相同效果的影響。水位傳感器WRT-136采用通心透氣電纜的方式設(shè)計，當外部大氣壓進入傳感器感壓面一側(cè)時，WRT～136將水壓力值轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號，并通過電流/電壓變換器將4～20mA的電流信號轉(zhuǎn)換為0～5V的模擬電壓信號，模擬電壓信號再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC0805轉(zhuǎn)換為單片機能接受的數(shù)字電壓信號，利用單片機STC12C5A讀取水位值，并顯示在數(shù)碼管上。在設(shè)計中AD0805輸出0～5V數(shù)字電壓信號與水壓力之間是近似線性關(guān)系，單片機STC12C5A處理過程中需要考慮這種對應(yīng)關(guān)系和相應(yīng)運算關(guān)系。

基于單片機STC12C5A的水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與制作還需要更細化的設(shè)計。例如在程序的優(yōu)化設(shè)計上還需做更多工作，液位測量的算法需要更加完善，以及在如何消減噪聲和干擾、使工作更穩(wěn)定可靠方面也需要有更多創(chuàng)新。

參考文獻：[1]明光，張欣.傳感器電路基本應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：125126.

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[3]薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設(shè)計與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[4]李樹榮.一類非線性系統(tǒng)的全局反饋鎮(zhèn)定[J].石油大學(xué)學(xué)報，1997，21（4）：7477.

[5]盧強，孫元章.計算機程序算法導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，1993.

[6]ANALOG DEVICE.ADuC841_2_3_a data sheet[M].Analog Device，2011：5051.

[7]Oversampling techniques using the TMS320C24x family[M].Literature Number：SPRA461 Texas Instruments Europe，2010：8091.

[8]WILLIAM A ROSS.The impact of next generation test technology on aviation maintenance[C].AUTOCON，2003：202214.

（責任編輯：黃健）