劉嘉慧

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)，110023）

1 系統(tǒng)方案

水情檢測(cè)系統(tǒng)采用現(xiàn)代科技對(duì)水文信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)膶ｉT技術(shù)，有效解決江河流域及水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度及水資源合理利用的先進(jìn)手段，是水文現(xiàn)代化的發(fā)展方向。水情檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一些人無(wú)法靠近的區(qū)域或者無(wú)需人力來(lái)監(jiān)控的現(xiàn)場(chǎng)?；诖嗽O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種多功能、可靠性高、維護(hù)方便，可適用于水文、水庫(kù)、雨量監(jiān)測(cè)的檢測(cè)系統(tǒng)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖1 簡(jiǎn)易水情檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

上圖中，a為容積不小于1升、高度不小于200mm的透明塑料容器，b為pH值傳感器，c為水位傳感器。整個(gè)系統(tǒng)僅由電壓不大于6V的電池組供電，不允許另接電源。檢測(cè)結(jié)果用顯示屏顯示。

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)單片機(jī)采用STC89C52RC為主控芯片，水情顯示的硬件為128*64位的LCD液晶顯示器件，pH值的測(cè)量選用pH傳感器，水位的測(cè)量選用超聲波傳感器，電源采用可充電的4節(jié)充電電池供電。傳感器和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705來(lái)完成，AD7705可直接接收來(lái)自傳感器的低電平輸入信號(hào)，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出，發(fā)送給單片機(jī)，通過(guò)顯示屏顯示出來(lái)。按鍵部分具有復(fù)位清零功能。本系統(tǒng)還設(shè)置了上下限報(bào)警功能，當(dāng)數(shù)值超出范圍時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 設(shè)計(jì)與論證

2.1 水情信號(hào)處理方法

（1）液位測(cè)量方法

超聲波水位儀的基本檢測(cè)原理是：將超聲波傳感器安裝在距水底高H處并發(fā)射出一連串的超聲波，超聲波在傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到被障礙物的時(shí)候，反射回接收電路。反射的超聲波在空氣中傳播，接收傳感器將接收到的反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)做算法處理，計(jì)算出超聲波從發(fā)射至接收的延遲時(shí)間t，根據(jù)超聲波在空氣中的聲速c=340m/s，可計(jì)算出傳感器與液面間的距離s=ct/2，進(jìn)而可計(jì)算出液位值h=H-s。示意圖如圖2所示。

圖2 液位計(jì)算示意圖

（2）pH值測(cè)量方法

pH值是最常用的水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)之一,天然水的pH值多在6-9范圍內(nèi);飲用水pH值要求在6.5-8.5之間;某些工業(yè)用水的pH值應(yīng)保證在7.0-8.5之間,否則將對(duì)金屬設(shè)備和管道有腐蝕作用。pH值和酸度、堿度既有區(qū)別又有聯(lián)系。pH值表示的水的酸堿性的強(qiáng)弱,而酸度或堿度是水中所含酸或堿物質(zhì)的含量。水質(zhì)中的pH值的變化預(yù)示了水污染的程度。pH值的測(cè)量方法很多，主要有化學(xué)分析法、試紙法、電位法。本文采用電位法。電位法比較直觀，它通過(guò)pH選擇電極來(lái)測(cè)量出溶液的pH值。其工作原理是用氫離子玻璃電極與參比電極組成原電池，在玻璃膜與被測(cè)溶液的氫離子進(jìn)行離子交換過(guò)程時(shí)，通過(guò)測(cè)量電極之間的電位差，來(lái)檢測(cè)溶液中的氫離子濃度，從而測(cè)得被測(cè)液體的pH值。

2.2 電壓檢測(cè)方法

電壓檢測(cè)只需將電壓傳感器并接在待測(cè)電壓線端即可。共有兩種方法。一種是互感檢測(cè)法，一般用在高電壓大電流場(chǎng)合。另一種是電阻檢測(cè)法，一般用于低電壓小電流場(chǎng)合。利用電流流過(guò)電阻時(shí)，在電阻兩端會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，將這個(gè)電壓數(shù)值讀出即可。本系統(tǒng)采用電阻檢測(cè)法。AD7705可直接接收來(lái)自傳感器的低電平輸入信號(hào)，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出，發(fā)送給單片機(jī)。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

對(duì)題目進(jìn)行深入的分析和思考，可以將整個(gè)系統(tǒng)分為以下幾部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤電路、顯示模塊、超聲模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊。

圖3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中單片機(jī)采用STC89C52RC為主控芯片，ADC轉(zhuǎn)化芯片選用16位2通道AD7705采集pH傳感器將檢測(cè)出的pH值和電壓值，顯示模塊采用液晶LCD12864。超聲模塊選用US-100超聲波測(cè)距傳感器，電源采用4節(jié)1.2v鋰電池供電。

3.2 原理框圖與各部分電路圖

（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)就是使單片機(jī)正常運(yùn)行的最低配置：它由一系列模塊組成，如電源模塊、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊、下載模塊等，其中電源模塊通常采用三端集成穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)，但本題目要求整個(gè)系統(tǒng)僅由電壓不大于 6V 的電池組供電，不允許另接電源因此采用采用可充電的4節(jié)1.2v鋰電池實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘模塊為單片機(jī)工作提供基本時(shí)鐘。復(fù)位電路是一種用來(lái)使電路恢復(fù)到起始狀態(tài)的電路設(shè)備。下載電路使用單片機(jī)的ISP功能，通過(guò)單片機(jī)串行口對(duì)其進(jìn)行編程下載。

（2）顯示模塊

使用液晶屏LCD12864，分辨率為128*64,內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集,可以顯示字母、數(shù)字及漢字，一次可顯示4行，清晰直觀，利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。具有低電壓、低功耗、價(jià)格低等特點(diǎn)。

（3）超聲波傳感器模塊

US-100超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)2cm-4.5m的非接觸測(cè)距功能，擁有2.4-5.5V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，同時(shí)具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。本模塊共有兩個(gè)接口，即模式選擇跳線和5 Pin接口。本系統(tǒng)選用串口模式。

串口觸發(fā)測(cè)距工作原理：在模塊上電前，首先插上模式選擇跳線帽，使模塊處于串口觸發(fā)模式。串口觸發(fā)測(cè)距的時(shí)序如圖4所示。

圖4 串口觸發(fā)測(cè)距時(shí)序圖

在此模式下只需要在Trig/TX管腳輸入0X55（波特率9600），系統(tǒng)便可發(fā)出8個(gè)40kHZ的超聲波脈沖，然后檢測(cè)回波信號(hào)并輸出。輸出的距離值共兩字節(jié)，第一字節(jié)是距離的高8位（HDate），第二字節(jié)為距離的低8位（LData），單位為毫米。即距離值為（HData*256 +LData）mm。

（4）pH傳感器模塊

pH電極通過(guò)BNC 輸出毫伏級(jí)信號(hào)，該模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大功能，可將采集信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-5V 電壓，根據(jù)電壓標(biāo)準(zhǔn)曲線將輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為待測(cè)溶液pH值。

（5）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

AD7705是應(yīng)用于低頻測(cè)量的16位2通道模擬前端，需要2.7-3.3v或4.75-5.25v單電源供電，可用于環(huán)路供電、電池供電或本地供電的應(yīng)用中。具有低功耗、低成本、適合直流測(cè)量等特性，該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。AD7705可直接接收來(lái)自傳感器的低電平輸入信號(hào)，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出，是用于智能系統(tǒng)的理想器件。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

4.1 測(cè)量數(shù)據(jù)

表1 液位高度測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表

121 119 2 152 151 1

表2 pH值測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表

表3 電壓值測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表

4.2 結(jié)果分析

液位高度：標(biāo)準(zhǔn)液位高度由直尺測(cè)量，測(cè)量液位高度由本系統(tǒng)測(cè)得，從表一可以看出測(cè)量偏差均不大于2mm。不僅滿足題目基本要求，還符合題目發(fā)揮部分要求。

pH值：標(biāo)準(zhǔn)pH值由pH計(jì)測(cè)量，測(cè)量pH值由本系統(tǒng)測(cè)得顯示，從表二可以看出測(cè)量偏差最大值為0.19，不大于0.5。滿足題目基本要求。有兩次測(cè)量偏差不大于0.1。符合題目發(fā)揮部分要求。

電壓值：標(biāo)準(zhǔn)電壓值由五位半萬(wàn)用表測(cè)得，測(cè)量電壓值由本系統(tǒng)測(cè)得并顯示，從表三可以看出測(cè)量偏差最大值為0.00583V，不大于 0.01V。