基于單片機的多功能的水位自動控制系統

(1.貴州大學大數據與信息工程學院 貴州 貴陽 550000)(2.華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

基于單片機的多功能的水位自動控制系統

江子龍1李曉穎2朱明想1邢洋洋1

(1.貴州大學大數據與信息工程學院貴州貴陽550000)(2.華南師范大學物理與電信工程學院廣東廣州510006)

本文介紹了一種具有無線傳輸功能的家用水箱水質監測水位自動控制系統。系統能夠實現水質檢測、水位自動控制、信息無線傳輸擺脫對安裝環境的限制、實時信息顯示的功能。其水質檢測部分采用傳感器分別對水溫度、水渾濁度、水PH值等水質參數進行數據采集檢測，數據經過單片機處理后通過無線傳輸模塊傳輸至控制端，進而實現數據的顯示和對水箱水位的自動調節。

單片機；水質監測；水位自動控制；無線傳輸

一、引言

在我國農村很多的小城鎮，因為居民的蓄水水箱太過于陳舊，嚴重造成了儲水環境比較惡劣并且沒有專業人員定期地進行檢測。居民在不知情的情況下飲用了這些水質被污染的水體，嚴重影響了自己身體的健康。因此，對老式水箱的水質監測系統的存在性是十分重要的。

本設計可以實現水位自動啟動與停止蓄水控制；針對目前常見的單一指標檢測控制系統進行改進，采用傳感器探頭分別對水溫度、水渾濁度、水PH值等水質參數進行數據采集檢測，可以分別實現水質檢測數據的顯示、報警功能。本設計主要利用到單片機技術、傳感器技術、無線通訊技術等。達到村鎮居民蓄水和用水的自動化水的同時實現對水質進行實時的監控。

二、系統總體設計

本系統由監測端與顯示執行端兩部分組成，均使用AT89C52單片機為主控模塊，該系列主控芯片具有成本低，穩定性高等特點，其性能足以滿足本系統的設計需求。檢測端系統的硬件接口電路包括水箱液位、溫度、PH值、濁度傳感器，AD轉換電路接口電路，無線傳輸模塊接口電路。顯示執行端的硬件接口電路包括無線接收模塊接口電路，顯示控制模塊接口電路，執行模塊接口電路。

圖1 系統整體框架

水箱內系統采集端加入一個液位傳感器，位于水箱底部(根據用戶需求設定不同的水位下限放置)，對實時水箱水位的監控。在水箱中先在高度范圍內設置一個0—9的水位值(數值越大，深度越大)。水箱中的水位下降到設置的水位下限時，執行端無線接收模塊接收到水位信息并傳遞到單片機，同時繼電器拉高，給抽水機進行了供電，抽水機工作，開始往水箱中注水；當水箱中的水處于設置水位上限時，繼電器停止工作，抽水機斷電閥門關閉，水箱內停止注水。

三、各種傳感器選擇

(一)溫度傳感器(DC)

本設計采用DS18B20數字溫度傳感器采集水溫信息，此傳感器具有體積小，電路簡單，抗干擾能力強，精度高等特點。在應用中不需要額外的外圍電路，只需一個端口即可實現傳感器與控制器之間的通信。檢測溫度范圍為-55℃～+125℃，完全滿足系統的需求。

(二)濁度傳感器(AC)

濁度即是指水中含有不可溶物質，通過肉眼能觀察到其變化程度。是常用來作為判斷水質好壞的指標之一。本系統采用的TS濁度傳感器模塊,TS濁度傳感器是一種常用的家用型濁度傳感器。濁度傳感器原理：水的渾濁程度不同導致水的透光量不同，傳感器將透過水體的光照強度轉換為電信號進行輸出，透光量越大信號越強，透光量越小信號越弱。

(三)PH值傳感器(AC)

PH值傳感器即是將檢測對象的PH值轉換為電信號輸出，其原理是通過檢測液體中游離氫離子的含量，通過換算得出PH值。

本設計采用ph-1110型傳感器，其具有不易被雜物堵塞，清理方便，性能相對也較穩定，價格便宜，密封性好，壽命長等特點。Ph-1110依靠被測液體中氫離子的濃度，在玻璃探頭的玻璃膜兩端因為電荷隨氫離子的擴散而轉移形成電位差，同時在溶液中加入一個外參比電極，就可形成一個原電池類模型，通過測量反應中氫離子的濃度即可換算出溶液的PH值。

(四)液位傳感器(DC)

本設計選擇采用PY201型液位傳感器工作原理：液體中壓力公式為：P=P0+ρgh,傳感器所處液體位置的壓力為P，大氣壓用P0表示，液體密度為ρ，當地重力加速度為g，液體高為H。液位傳感器的具體工作就是通過將液體的壓力轉換為代表水深的電信號該產品經常用于檢測水池、水箱、水塔、水庫等液位。

四、模數轉換模塊

一些傳感器輸出的為模擬信號，由于單片機本身無A/D采集功能，故本設計需要外加A/D轉換電路對傳感器輸出信號盡心個數字化處理以便單片機識別。本系統A/D轉換模塊采用的ADC0809數模轉換芯。ADC0809為常用的8位A/D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態輸鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。

由于ADC0809內部沒有時鐘，需外部提供時鐘信號。本系統由SUN7474對單片機提供的時鐘信號進行分頻，得到能滿足ADC0809使用的500kHz時鐘信號。在此頻率下，ADC0809的轉換速度為128us。

五、無線傳輸模塊

本設計由數據采集端與顯示控制端兩部分組成。一般情況下顯示控制端的放置位置需要考慮到便于用戶查看，古不變設置在樓頂水箱處。為此我們為系統增加了無線通信模塊，擺脫了對設備安裝地點的限制。系統采用NRF24L01無線收發芯片為無線通信模塊的主控芯片。

NRF24L01是一款2.4GHz通用ISM頻段的射頻收發芯片。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，數據傳輸率為lMb/s或2Mb/s，SPI速率為0Mb/s～10Mb/s，供電電壓1.9V～3.6V。支持六路通道的數據接收功能。該模塊具有體積小、低成本、低功耗、便于開發等特點。NRF24L01與單片機之間的連接拓撲如圖所示，各個接口及定義如下：CE為使能發射接收信號，CSN為片選信號控制數據讀寫，SCK為串行時鐘信號，MOSI為芯片數據接收接口、MISO為芯片數據發送接口，IRQ為中斷標志位。

該模塊與單片機之間采用SPI接口進行通訊。SPI全稱為串行外設接口，是一種高速全雙工同步通迅總線。只占用了4根芯片管腳。SPI總線的工作方式十分簡單，它以主從方式工作，這種工作方式通常有一個主設備和一個或多個從設備，實現完整的收發功能需要至少4根線，在單向傳輸時只需要3跟線即可。SPI通訊方式需要以下四路信號來完成，它們分別是SDI(數據輸入)、SDO(數據輸出)、SCLK(時鐘)、CS(片選)。

圖2 NRF24L01與微處理器通信接口

六、顯示模塊

Lcd1602作為一種工業中字符型液晶的顯示屏，其可以顯示的最大字符數為32個，一般情況下它有16個引腳接口，并且它由不同的點陣組成，在它正常工作時期，不同的點陣顯示不同的字符同時保證了每個點陣只顯示一個字符，因此1602能顯示16×2個字符。

七、控制模塊

本設計水位閾值采用手動按鍵控制。KEY1與KEY2分別為水位上限與水位下限選擇按鍵，KEY3與KEY4分別為數值曾減按鍵。通過此設計，用戶可方便直接的對水箱水位進行控制。

八、執行模塊

執行模塊電路如下圖所示，當光耦的1管腳為高電平時，光耦的3、4管腳導通從而令Q1導通繼電器處于開啟狀態水泵電路接通啟動上水。當光耦的1管腳為低電平時，光耦的3、4管腳斷開Q1截至。繼電器處于關斷狀態，水泵電路斷開停止上水。二極管D1的作用是在Q1突然截至時為繼電器電路提供一個放電的回路以防電路燒毀損壞。采用光耦與DCDC電源隔離模塊對控制端與執行端之間進行電氣隔離，用以防止水泵的起停可能對單片機存在的干擾，同時排除了因水泵端電源短路而損壞整個系統的可能，保證系統安全可靠的運行。

圖3 執行端電路簡介

九、結語

本文主要介紹了一種運用嵌入式技術，使用多種傳感器對水箱數據進行采集數據的采集并結合無線通訊技術相實現了一種智能化村鎮居民家用水箱管理系統。完成了對居民水箱水體水質的監測、水位調節功能。此技術極大的方便了人們的生活，并在一定程度上保障了居民的健康用水，具有實際應用價值。

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江子龍，男，河南平頂山人，貴州大學大數據與信息工程學院在讀碩士，研究方向：嵌入式技術；李曉穎，女，廣東廣州人，華南師范大學物理與電信工程學院在讀碩士，研究方向：圖像處理技術；朱明想，男，河南信陽人，貴州大學大數據與信息工程學院在讀碩士，主要研究方向：嵌入式技術；邢洋洋，男，湖北黃石人，貴州大學大數據與信息工程學院在讀碩士，研究方向：嵌入式技術。