史磊

（陜西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息學(xué)院，陜西寶雞，721000）

0 引言

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，大型的水庫、水箱是重要的蓄水工具，對水情進(jìn)行有效的實(shí)時監(jiān)控、可靠控制將直接關(guān)系到工廠生產(chǎn)效率以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量[1]。以前，對于水庫和水箱的控制一般是基于人工，但由于人工操作存在不及時、不準(zhǔn)確等弊端，所以對于水情的控制，如果能夠使用一種能自動且不間斷的監(jiān)測系統(tǒng)，將對生產(chǎn)生活帶來很大的便利。此系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r反應(yīng)水情信息，并根據(jù)當(dāng)前水情信息自動與預(yù)設(shè)的水情進(jìn)行對比分析，從而自動向管理人員提供水情超上限和超下限的聲光報警，并自動控制相應(yīng)的閘門或閥門電機(jī)進(jìn)行蓄水和放水[2]。這不僅提高了水情監(jiān)控的安全性，實(shí)時性，更大程度提高了可靠性，對于節(jié)約水資源和合理利用水資源有著不可代替的意義。

1 原理與設(shè)計

水情監(jiān)測系統(tǒng)選用單片機(jī)STC89C52作為控制器。利用壓力傳感器受到來自于水的壓力和水面上大氣壓的壓差，再通過AD轉(zhuǎn)換電路將壓差模擬信號轉(zhuǎn)換為與水面高度成比例的電壓信號，進(jìn)而完成水位高度的檢測。濁度檢測是水質(zhì)分析中的必檢項(xiàng)目，因此，水質(zhì)檢測將利用濁度傳感器來完成。從功能要求角度看，本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)水位檢測、水質(zhì)檢測、液晶顯示、按鍵設(shè)置、水位控制等功能。因此，水情監(jiān)測系統(tǒng)由單片機(jī)控制部分，水位檢測部分，水質(zhì)檢測部分，AD采集部分和顯示部分等構(gòu)成，系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

水情監(jiān)測系統(tǒng)利用壓力傳感器測量出水位的具體高度，利用按鍵設(shè)置水位的上、下限值；當(dāng)水位高度低于下限值時，報警提醒，繼電器工作打開水泵進(jìn)行抽水，當(dāng)水位高度高于上限值時，繼電器斷開，自動關(guān)閉水泵停止抽水，同時，報警解除；濁度檢測是利用一個紅外對管，當(dāng)光線穿過一定量的水時，光線的透過量取決于該水的污濁程度，水越污濁，透過的光就越少。具體能實(shí)現(xiàn)的功能有以下幾點(diǎn)：（1）利用水壓傳感器檢測水位值；（2）利用濁度傳感器檢測當(dāng)前水的污濁程度；（3）利用液晶顯示器顯示當(dāng)前檢測值與閥值；（4）水位低于下限值或高于上限值時，水泵開始加水或排水，同時報警電路工作；（5）設(shè)定濁度閥值，當(dāng)濁度高于閥值時，水泵啟動開始排水，同時報警提醒。

2 硬件電路設(shè)計

本次設(shè)計的系統(tǒng)硬件部分主要包括STC89C52單片機(jī)主控模塊、壓力傳感器模塊、濁度傳感器模塊，ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，按鍵模塊，蜂鳴器報警模塊、LCD1602顯示模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊等。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要是由STC89C52單片機(jī)組成的一個最小系統(tǒng)，一塊單片機(jī)只有把它接入相應(yīng)的電源，相應(yīng)的晶振電路，再加入相應(yīng)的復(fù)位電路然后下載相應(yīng)的程序，通過這樣組合的單片機(jī)才能正常的按照所寫的程序要求來執(zhí)行操作[3]。

單片機(jī)只有滿足相應(yīng)的時鐘信號才能進(jìn)行工作，時鐘信號由時鐘電路產(chǎn)生，通過在STC89C52的 XT1、XT2引腳上接入11.0592MHz的石英晶振外加兩個電容器（電容器根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取30pF）組成的電路為單片機(jī)提供時鐘信號。

單片機(jī)的復(fù)位有上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種模式，當(dāng)出現(xiàn)死機(jī)和運(yùn)行錯誤的時候，一般采用按鍵方式對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，對于本系統(tǒng)所采用的單片機(jī)需要在復(fù)位管腳RST上產(chǎn)生兩個周期的高電平才能使單片機(jī)復(fù)位[4]。

水情監(jiān)測系統(tǒng)利用單片機(jī)的 P3.0/RXD 引腳、P3.1/TXD引腳以及電源接地引腳與下載模塊相連接，通過專用的下載連接線就可以對單片機(jī)進(jìn)行下載操作，能很方便的對系統(tǒng)進(jìn)行程序升級。

2.2 水情監(jiān)測電路

對于水位監(jiān)測電路，本系統(tǒng)使用的是壓力傳感器，眾所周知，水越深，壓力越大，水的深度與壓力成正比，因此可通過測量壓力換算為液面高度。壓力傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、后續(xù)處理部分組成，壓力傳感器采用應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)壓力的測量，應(yīng)變片的制造原理是依據(jù)橋式電路，當(dāng)應(yīng)變片上沒有壓力時，輸出的電壓為零；當(dāng)有壓力作用時，電橋不平衡，有一定的電壓輸出，輸出的電壓與電阻的變化量成線性關(guān)系，這樣通過測電壓就間接測量出壓力的大小[5]。

濁度傳感器內(nèi)部是一個IR958與PT958封裝的紅外線對管，當(dāng)光線穿過一定量的水時，光線的透過量取決于該水的污濁程度，水越污濁，透過的光就越少。光接收端把透過的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流大小，透過的光多，電流大，反之，透過的光少，電流小[6]。通過測量接收端電流的大小，就可以間接計算出水的污濁程度。

水位電壓信號和濁度電流信號（濁度電流信號經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)換為0 V～5V電壓信號），通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣處理，單片機(jī)就可以獲知當(dāng)前水的水位和污濁度。

2.3 液晶顯示電路

液晶顯示電路主要通過USB轉(zhuǎn)串口線來與LCD1602液晶顯示屏通信將ADC0832采集和轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳給LCD1602，顯示出所測得液面高度和濁度。液晶顯示電路分別將單片機(jī)的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口分別接到液晶顯示模塊的信號端口RB0～RB7。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括單片機(jī)主程序模塊、顯示程序模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)化程序模塊和其他簡單程序模塊。依據(jù)硬件電路，為每個模塊進(jìn)行程序編寫開發(fā)。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計編寫過程中，先使用C語言編寫每個模塊自身的程序，再將各個部分的程序結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)整體功能。

3.1 主程序設(shè)計及流程圖

在水情監(jiān)測系統(tǒng)中，水位信息和濁度信息通過ADC0832模數(shù)處理之后，單片機(jī)就可以獲知當(dāng)前水的水位和污濁度，然后根據(jù)設(shè)置的閾值，將當(dāng)前值與閾值進(jìn)行對比，進(jìn)而對水泵的啟停做出判定[7]。同時主程序還具有液晶顯示當(dāng)前采集到的水位值、濁度值和閾值的功能，報警功能和閾值設(shè)置等功能，這樣使用戶操作更為方便。主程序設(shè)計流程圖如圖2所示。

圖2 主程序設(shè)計流程圖

3.2 水位及水質(zhì)檢測程序設(shè)計

當(dāng)使用檢測水位的壓力傳感器檢測到信號后，會將模擬信號傳輸?shù)紸DC8032中，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)化，然后單片機(jī)將實(shí)時采集到的信號與設(shè)定的閾值進(jìn)行對比，并做出對應(yīng)的處理[8]。如果當(dāng)前水位低于設(shè)定值，水泵將會啟動加水，蜂鳴器報警。如果檢測到當(dāng)前水位值高于設(shè)定的上限值時，水泵停止加水。水位檢測流程圖如圖3所示。

圖3 水位檢測流程圖

濁度的測量也是由單片機(jī)進(jìn)行控制，用濁度傳感器檢測濁度值，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后將檢測的數(shù)據(jù)送至單片機(jī)并通過LCD進(jìn)行顯示。當(dāng)濁度值高于設(shè)定的上限值時，打開水泵開始排水，同時蜂鳴器報警。水質(zhì)檢測流程圖與水位檢測流程圖類似，這里將不再贅述。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件電路調(diào)試

系統(tǒng)硬件電路調(diào)試首先要對焊接好的各個電路進(jìn)行直觀檢查，具體可以參考以下幾步[9]：

（1）連線是否正確，在通電之前應(yīng)先檢查一下電路的連線是否正確，包括錯線，多線等情況。查找的方法有：按一定的順序逐一檢查安裝好的線路，由此，可容易查出錯線、少線的情況；還有一種方法就是按照實(shí)際的線路來對照原理電路圖進(jìn)行查線，這是一種以元件為中心進(jìn)行查線的方法。把每個元件引腳的連線一次查清，檢查每個接線處在電路圖上是否存在，這種方法不但可以查出錯線和少線，還容易查出多線的情況。

（2）檢查元器件引腳之間有無短路；連接處有無接觸不良；二極管和電容極性等是否連接有誤。電源、信號源連接是否正確。

（3）電源端對地是否存在短路，在通電前，斷開一根電源線，用萬用表檢查電源對地端是否存在短路。

其中在硬件調(diào)試的過程中不免會出現(xiàn)一些問題，水情檢測系統(tǒng)在制作過程中就出現(xiàn)了以下兩個問題：

（1）液晶顯示屏不顯示

由于顯示模塊是設(shè)計中最直觀的，也是驗(yàn)證其它功能是否正常的前提，因此，在本設(shè)計中首先檢測的就是顯示模塊。在系統(tǒng)焊接完成之后，給系統(tǒng)上電，發(fā)現(xiàn)顯示屏不能顯示，只是背光亮但是沒有數(shù)字顯示。首先是查看電路有沒有連接錯誤，焊接過程中焊錫短路或斷路等情況，但是最終經(jīng)過檢測之后排除了這些問題。然后查閱資料后發(fā)現(xiàn)是顯示屏的對比度，是需要調(diào)節(jié)的，然后在調(diào)節(jié)端增加了10k電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)過緩慢調(diào)節(jié)，顯示屏上的數(shù)字逐漸顯示出來。經(jīng)過這樣修改之后顯示模塊正常工作。

（2）繼電器模塊

在顯示模塊調(diào)試完成之后，在進(jìn)行電機(jī)抽水檢測時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)繼電器吸合之后液晶屏顯示正常，當(dāng)按下按鍵，繼電器關(guān)閉時，液晶屏就容易出現(xiàn)花屏（概率40%，沒顯示任何內(nèi)容，就亮著背光燈，系統(tǒng)功能可以正常工作，按下按鍵一樣可以操作繼電器，只有斷電重啟后，液晶屏才又正常）。經(jīng)過查閱資料后發(fā)現(xiàn)繼電器閉合時，負(fù)載充電電流較大，導(dǎo)致電源電壓跌落，LCD復(fù)位；最后給LCD電源處并聯(lián)100μF的電容，經(jīng)過這樣修改之后模塊顯示正常[10]。

4.2 軟件仿真調(diào)試

使用proteus仿真軟件對電路進(jìn)行軟件仿真，查看仿真電路是否可以正常運(yùn)行。在仿真電路中利用滑動變阻器模擬經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的水位信號和水質(zhì)信號。仿真電路圖如圖4所示。

圖4 電路仿真圖

仿真調(diào)試也是要模塊化調(diào)試，一個程序塊一個程序塊的調(diào)試，例如，先寫一個液晶顯示程序，看顯示屏是否正常工作，從單個到整體，在本系統(tǒng)的軟件調(diào)試中分別對水位水質(zhì)檢測系統(tǒng)的各個子程序進(jìn)行調(diào)試，直到系統(tǒng)功能全部均能實(shí)現(xiàn)。

4.3 綜合調(diào)試

本系統(tǒng)由單片機(jī)、檢測水位的壓力傳感器、檢測水質(zhì)的濁度傳感器、LCD1602顯示屏、繼電器、水泵等組成。實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 電路實(shí)物圖

在完成硬件電路檢查和軟件仿真調(diào)試后，就要將軟硬結(jié)合在一起進(jìn)行調(diào)試了，也就是讓編寫好的程序代碼直接在所焊接好的硬件電路中運(yùn)行，觀察現(xiàn)象，當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況與之前設(shè)計要求的思路不一致時，就要對系統(tǒng)硬件或者軟件進(jìn)行修改了。綜合調(diào)試步驟如下：

（1）將壓力傳感器、濁度傳感器、水泵和電源線連在電路板上。

（2）插上電源線之后按下電源開關(guān)。

（3）4個功能按鍵，分別為功能加鍵、功能減鍵、模式選擇鍵和確定鍵，首先按“模式選擇鍵”選擇進(jìn)入水位檢測模式還是水質(zhì)檢測模式狀態(tài)，再按加、減按鍵可以調(diào)節(jié)水位和水質(zhì)的上限值及下限值。

（4）液晶顯示屏應(yīng)顯示當(dāng)前水位值和水質(zhì)值。

滅菌后不可強(qiáng)行開鍋冷卻，?；?小時后趁熱出鍋，放置在冷卻室或接種室內(nèi)，當(dāng)料袋溫度冷卻到25～28℃或常溫時開始接種。接種室、接種箱及接種帳在接種前要選用規(guī)定的無公害藥劑進(jìn)行噴霧或熏蒸消毒處理后再進(jìn)行接種作業(yè)。栽培種菌齡30～35天，750克菌種瓶每瓶可接10～12袋。

（5）當(dāng)水位當(dāng)前檢測值小于設(shè)定的下限值時，水泵開始抽水，報警系統(tǒng)工作。當(dāng)水位當(dāng)前檢測值大于設(shè)定的上限閾值時，水泵停止抽水。當(dāng)濁度值高于設(shè)定的上限值時，打開水泵開始排水，同時蜂鳴器報警。

4.4 數(shù)據(jù)測試

4.4.1 水位高度的檢測

向量杯中分別倒入不同體積的水，通過讀取量杯外壁的刻度值測量出當(dāng)前水位的實(shí)際值，同時可以從LCD1602顯示屏讀取當(dāng)前水位的測量值，將6次測量結(jié)果記錄在表1中。

表1 水位檢測數(shù)據(jù)

4.4.2 濁度的檢測

表2 濁度檢測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本系統(tǒng)利用單片機(jī)完成了基于水情監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)水塔或水箱中的水位低于所設(shè)定的一個臨界值時，報警裝置啟動，同時繼電器吸合，水泵開始抽水，當(dāng)水泵加水水量達(dá)到所設(shè)定的上限值時，報警解除，同時水泵停止工作，并擴(kuò)展到了液晶顯示屏上。為適應(yīng)市場需求還擴(kuò)充了水質(zhì)檢測，水質(zhì)檢測是保證安全用水的前提, 在本系統(tǒng)中利用濁度傳感器檢測當(dāng)前水質(zhì)，當(dāng)檢測到的當(dāng)前濁度值高于設(shè)定的上限值時，打開水泵開始排水，同時蜂鳴器報警。

本次設(shè)計的水情監(jiān)測系統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)簡單，操作容易，穩(wěn)定性比較高，測量準(zhǔn)確，實(shí)用性比較強(qiáng)。因此，該系統(tǒng)可使用在農(nóng)村儲水、水庫水位監(jiān)測以及城市水源的控制檢測等領(lǐng)域。