水塔智能水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒林浩　賈昊鵬　李穎　張靜怡

摘 要：水塔是人們?nèi)粘Ｉ钪泻凸I(yè)應(yīng)用中經(jīng)常用到的儲水裝置。在一般的情況下，水塔都建設(shè)在較為偏遠(yuǎn)的郊區(qū)或無人區(qū)，由人力來實(shí)現(xiàn)看管和檢測水位就有些不現(xiàn)實(shí)，基于以上原因，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程控制水塔水位的操作系統(tǒng)。系統(tǒng)包括無線傳輸模塊，超聲波傳感器，繼電器，以及按鍵等。超聲波傳感器將水位信息送入單片機(jī)進(jìn)行處理，通過軟件設(shè)定水位的上限和下限值，保持水位在一定的范圍內(nèi)，若水位位于上限和下限之間，則啟動報警裝置同時傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)過調(diào)試證明，該系統(tǒng)能過直觀的顯示水位高度，而且方便控制水位。

關(guān)鍵詞：智能 水位監(jiān)測 傳感器 無線通信

1、研究背景及意義

當(dāng)今社會，科技飛速的發(fā)展，水在人們的日常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用，一旦離開水，輕則給人們的生活帶愛極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及經(jīng)濟(jì)上的損失，因此供水工程就成為了高層建筑或工礦企業(yè)中必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，工程中對給水系統(tǒng)提出的基本要求是任何時候都能提供足夠的水量，良好的水質(zhì)，平穩(wěn)的水壓。目前而言，大多數(shù)工業(yè)，生活供水系統(tǒng)都采用水塔，層頂水箱等作為基本蓄水設(shè)備。由一級或二級水泵從地下市政水管供給，傳統(tǒng)的控制方式存在著控制精度低，能耗大，可靠性差等不足。單片機(jī)的發(fā)展給供水系統(tǒng)提供了極大的便利，單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、資源豐富、控制功能強(qiáng)、可靠性高、體積小等特點(diǎn)，鑒于其種種優(yōu)點(diǎn)，目前水位控制的方式被單片機(jī)取代。因此，如何建立一個基于單片機(jī)的可靠安全又易于維護(hù)的供水系統(tǒng)是值得我們研究的論文。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

水位監(jiān)測系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)部件由以下幾個部分組成，如圖1所示?；趩纹瑱C(jī)遠(yuǎn)程水位控制系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)芯片為核心，該系統(tǒng)主要有由無線通信電路，水位測量電路，數(shù)碼管顯示電路、報警電路等構(gòu)成。其工作過程如下：

超聲波傳感器監(jiān)測到水位高度，并通過溫度校正水位高度后，超聲波傳感器將水位的高度轉(zhuǎn)化成電壓信號； 該信號經(jīng)過運(yùn)算放大電路送入A /D轉(zhuǎn)換后送入到單片機(jī)進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)定要求控制輸出同時數(shù)碼管液位高度。通過軟件設(shè)置水位報警值，使水位穩(wěn)定在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)。若水位高度超出液位的上下限閾值則及時發(fā)出報警信號并經(jīng)通信電路模塊進(jìn)行無線傳輸，輸送數(shù)據(jù)到pc上位機(jī)端進(jìn)行處理。該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是能夠直觀地顯示水位高度，并且任意控制水位高度。

3、水位傳感器的選擇

在當(dāng)代科技領(lǐng)域中，傳感器技術(shù)具有十分重要的地位。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息處理技術(shù)也不斷的發(fā)展和完善。但作為提供信息的傳感器，它的發(fā)展相對于計(jì)算機(jī)的信息處理功能來說就有些落后了。這使得自動監(jiān)測技術(shù)受到一定的影響，也直接影響到很多技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展?；谏鲜鲈颍?為了適應(yīng)信息處理技術(shù)的發(fā)展，目前越來越多的科技人員對傳感器技術(shù)給予了高度的重視。對于智能水塔水位監(jiān)測系統(tǒng)，需要傳感器來測量水位高度，所以傳感器的選擇是及其重要的。

4、無線通信電路選擇與設(shè)計(jì)

nRF905芯片是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9～3.6V，32引腳QFN封裝（5×5mm），工作于433/868/915MHz三個ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650us。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表濾波器，ShockBurstTM工作模式，自動處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)），使用SPI接口與微控制器通信，而且配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測、家庭自動化和玩具等諸多領(lǐng)域。

nRF905芯片內(nèi)集成了電源管理、低噪聲放大器、晶體振蕩器、頻率合成器功率放大器等模塊，曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。紅外遙控LED燈系統(tǒng)選用單片機(jī)為主控芯片，需要控制不同LED點(diǎn)亮方式，所以更傾心于選擇市場通用紅外遙控，所以最便捷簡單的處理方案是用STC89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行，紅外發(fā)射接收模塊也不用再獨(dú)立集成，選擇通用紅外遙控配套編解碼器件直接用單片機(jī)接收控制，這里使用VS1838B紅外接收頭搭配通用紅外遙控，支持遠(yuǎn)距離接收，完全滿足本系統(tǒng)對LED的控制范圍，接收角度+/-45度能夠最大程度靈敏接收且抗干擾，2.7～5.5V的工作電壓適合在單片機(jī)上控制，不需要外接電源。

5、無線通訊子程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過控制p1口以及p3.2口的狀態(tài)來控制nrf905芯片的工作。通過設(shè)置單片機(jī)的I/O口來設(shè)置它的工作方式。數(shù)據(jù)發(fā)送程序：采集端上電后，需要進(jìn)行初始化工作。初始化工作包括設(shè)置各個引腳以及寄存器。主 MCU 的 A/D 初始化，以便于水位等信息發(fā)送給控制端。收集端收到讀取水位的命令后，會將水位數(shù)據(jù)加入到應(yīng)答數(shù)據(jù)包中，發(fā)送給控制端。如果接收到的是同步命令，采集端會先發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)包，再從命令中提取相關(guān)的變量，做出相應(yīng)的處理。

6、結(jié)束語

供水系統(tǒng)對于人們的日常生活和工作需要都是必不可少的，因此保證供水系統(tǒng)的正常工作是十分重要的工作。傳統(tǒng)的方法通常都是由人工來監(jiān)測水位以及水塔的情況，目前這種方法很不實(shí)際。本文來發(fā)了一種基于單片機(jī)的水位設(shè)計(jì)系統(tǒng)，本系統(tǒng)應(yīng)用無線通訊實(shí)現(xiàn)水位的無人看管，本論文的開發(fā)對于人們的工作和生活具有極為現(xiàn)實(shí)的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 龔建偉，熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實(shí)踐.電子工業(yè)出版社，2004：1-229.

[2] 劉艷玲.采用MAX232實(shí)現(xiàn)MCS-51單片機(jī)與PC機(jī)的通信閉.天津理工學(xué)院學(xué)報，1999， 15（2）： 57-61.

[3] 閏通海，周到.利用MSComm控件實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)串口通訊的研究叨。應(yīng)用科技，2004，31（1）：1-9.