(1.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院 貴州 貴陽(yáng) 550000)(2.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

基于單片機(jī)的多功能的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)

江子龍1李曉穎2朱明想1邢洋洋1

(1.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院貴州貴陽(yáng)550000)(2.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院廣東廣州510006)

本文介紹了一種具有無(wú)線傳輸功能的家用水箱水質(zhì)監(jiān)測(cè)水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)檢測(cè)、水位自動(dòng)控制、信息無(wú)線傳輸擺脫對(duì)安裝環(huán)境的限制、實(shí)時(shí)信息顯示的功能。其水質(zhì)檢測(cè)部分采用傳感器分別對(duì)水溫度、水渾濁度、水PH值等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集檢測(cè)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳輸至控制端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和對(duì)水箱水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

單片機(jī)；水質(zhì)監(jiān)測(cè)；水位自動(dòng)控制；無(wú)線傳輸

一、引言

在我國(guó)農(nóng)村很多的小城鎮(zhèn)，因?yàn)榫用竦男钏涮^(guò)于陳舊，嚴(yán)重造成了儲(chǔ)水環(huán)境比較惡劣并且沒有專業(yè)人員定期地進(jìn)行檢測(cè)。居民在不知情的情況下飲用了這些水質(zhì)被污染的水體，嚴(yán)重影響了自己身體的健康。因此，對(duì)老式水箱的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的存在性是十分重要的。

本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)水位自動(dòng)啟動(dòng)與停止蓄水控制；針對(duì)目前常見的單一指標(biāo)檢測(cè)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，采用傳感器探頭分別對(duì)水溫度、水渾濁度、水PH值等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集檢測(cè)，可以分別實(shí)現(xiàn)水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的顯示、報(bào)警功能。本設(shè)計(jì)主要利用到單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)等。達(dá)到村鎮(zhèn)居民蓄水和用水的自動(dòng)化水的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)端與顯示執(zhí)行端兩部分組成，均使用AT89C52單片機(jī)為主控模塊，該系列主控芯片具有成本低，穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，其性能足以滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。檢測(cè)端系統(tǒng)的硬件接口電路包括水箱液位、溫度、PH值、濁度傳感器，AD轉(zhuǎn)換電路接口電路，無(wú)線傳輸模塊接口電路。顯示執(zhí)行端的硬件接口電路包括無(wú)線接收模塊接口電路，顯示控制模塊接口電路，執(zhí)行模塊接口電路。

圖1 系統(tǒng)整體框架

水箱內(nèi)系統(tǒng)采集端加入一個(gè)液位傳感器，位于水箱底部(根據(jù)用戶需求設(shè)定不同的水位下限放置)，對(duì)實(shí)時(shí)水箱水位的監(jiān)控。在水箱中先在高度范圍內(nèi)設(shè)置一個(gè)0—9的水位值(數(shù)值越大，深度越大)。水箱中的水位下降到設(shè)置的水位下限時(shí)，執(zhí)行端無(wú)線接收模塊接收到水位信息并傳遞到單片機(jī)，同時(shí)繼電器拉高，給抽水機(jī)進(jìn)行了供電，抽水機(jī)工作，開始往水箱中注水；當(dāng)水箱中的水處于設(shè)置水位上限時(shí)，繼電器停止工作，抽水機(jī)斷電閥門關(guān)閉，水箱內(nèi)停止注水。

三、各種傳感器選擇

(一)溫度傳感器(DC)

本設(shè)計(jì)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集水溫信息，此傳感器具有體積小，電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，精度高等特點(diǎn)。在應(yīng)用中不需要額外的外圍電路，只需一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)傳感器與控制器之間的通信。檢測(cè)溫度范圍為-55℃～+125℃，完全滿足系統(tǒng)的需求。

(二)濁度傳感器(AC)

濁度即是指水中含有不可溶物質(zhì)，通過(guò)肉眼能觀察到其變化程度。是常用來(lái)作為判斷水質(zhì)好壞的指標(biāo)之一。本系統(tǒng)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(dǎo)致水的透光量不同，傳感器將透過(guò)水體的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行輸出，透光量越大信號(hào)越強(qiáng)，透光量越小信號(hào)越弱。

(三)PH值傳感器(AC)

PH值傳感器即是將檢測(cè)對(duì)象的PH值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，其原理是通過(guò)檢測(cè)液體中游離氫離子的含量，通過(guò)換算得出PH值。

本設(shè)計(jì)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(duì)也較穩(wěn)定，價(jià)格便宜，密封性好，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。Ph-1110依靠被測(cè)液體中氫離子的濃度，在玻璃探頭的玻璃膜兩端因?yàn)殡姾呻S氫離子的擴(kuò)散而轉(zhuǎn)移形成電位差，同時(shí)在溶液中加入一個(gè)外參比電極，就可形成一個(gè)原電池類模型，通過(guò)測(cè)量反應(yīng)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(shè)計(jì)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(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，液體高為H。液位傳感器的具體工作就是通過(guò)將液體的壓力轉(zhuǎn)換為代表水深的電信號(hào)該產(chǎn)品經(jīng)常用于檢測(cè)水池、水箱、水塔、水庫(kù)等液位。

四、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

一些傳感器輸出的為模擬信號(hào)，由于單片機(jī)本身無(wú)A/D采集功能，故本設(shè)計(jì)需要外加A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)傳感器輸出信號(hào)盡心個(gè)數(shù)字化處理以便單片機(jī)識(shí)別。本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換模塊采用的ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換芯。ADC0809為常用的8位A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

由于ADC0809內(nèi)部沒有時(shí)鐘，需外部提供時(shí)鐘信號(hào)。本系統(tǒng)由SUN7474對(duì)單片機(jī)提供的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，得到能滿足ADC0809使用的500kHz時(shí)鐘信號(hào)。在此頻率下，ADC0809的轉(zhuǎn)換速度為128us。

五、無(wú)線傳輸模塊

本設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)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?cè)O(shè)置在樓頂水箱處。為此我們?yōu)橄到y(tǒng)增加了無(wú)線通信模塊，擺脫了對(duì)設(shè)備安裝地點(diǎn)的限制。系統(tǒng)采用NRF24L01無(wú)線收發(fā)芯片為無(wú)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(fā)芯片。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接收功能。該模塊具有體積小、低成本、低功耗、便于開發(fā)等特點(diǎn)。NRF24L01與單片機(jī)之間的連接拓?fù)淙鐖D所示，各個(gè)接口及定義如下：CE為使能發(fā)射接收信號(hào)，CSN為片選信號(hào)控制數(shù)據(jù)讀寫，SCK為串行時(shí)鐘信號(hào)，MOSI為芯片數(shù)據(jù)接收接口、MISO為芯片數(shù)據(jù)發(fā)送接口，IRQ為中斷標(biāo)志位。

該模塊與單片機(jī)之間采用SPI接口進(jìn)行通訊。SPI全稱為串行外設(shè)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(jiǎn)單，它以主從方式工作，這種工作方式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，實(shí)現(xiàn)完整的收發(fā)功能需要至少4根線，在單向傳輸時(shí)只需要3跟線即可。SPI通訊方式需要以下四路信號(hào)來(lái)完成，它們分別是SDI(數(shù)據(jù)輸入)、SDO(數(shù)據(jù)輸出)、SCLK(時(shí)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(yè)中字符型液晶的顯示屏，其可以顯示的最大字符數(shù)為32個(gè)，一般情況下它有16個(gè)引腳接口，并且它由不同的點(diǎn)陣組成，在它正常工作時(shí)期，不同的點(diǎn)陣顯示不同的字符同時(shí)保證了每個(gè)點(diǎn)陣只顯示一個(gè)字符，因此1602能顯示16×2個(gè)字符。

七、控制模塊

本設(shè)計(jì)水位閾值采用手動(dòng)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(shù)值曾減按鍵。通過(guò)此設(shè)計(jì)，用戶可方便直接的對(duì)水箱水位進(jìn)行控制。

八、執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊電路如下圖所示，當(dāng)光耦的1管腳為高電平時(shí)，光耦的3、4管腳導(dǎo)通從而令Q1導(dǎo)通繼電器處于開啟狀態(tài)水泵電路接通啟動(dòng)上水。當(dāng)光耦的1管腳為低電平時(shí)，光耦的3、4管腳斷開Q1截至。繼電器處于關(guān)斷狀態(tài)，水泵電路斷開停止上水。二極管D1的作用是在Q1突然截至?xí)r為繼電器電路提供一個(gè)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(duì)控制端與執(zhí)行端之間進(jìn)行電氣隔離，用以防止水泵的起?？赡軐?duì)單片機(jī)存在的干擾，同時(shí)排除了因水泵端電源短路而損壞整個(gè)系統(tǒng)的可能，保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。

圖3 執(zhí)行端電路簡(jiǎn)介

九、結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了一種運(yùn)用嵌入式技術(shù)，使用多種傳感器對(duì)水箱數(shù)據(jù)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的采集并結(jié)合無(wú)線通訊技術(shù)相實(shí)現(xiàn)了一種智能化村鎮(zhèn)居民家用水箱管理系統(tǒng)。完成了對(duì)居民水箱水體水質(zhì)的監(jiān)測(cè)、水位調(diào)節(jié)功能。此技術(shù)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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