張琦 楊強 李林宇

摘要：傳統(tǒng)的游泳池水位控制采用人工的方式，依靠工作人員的經驗進行水位的控制。該方式工作效率低、工作強度大。因此，有必要選擇水位自動控制以節(jié)能、節(jié)約人力資源。該設計給出以AT89C51單片機為核心的游泳池水位控制系統(tǒng)設計的控制系統(tǒng)，將3個金屬棒放置在需要測量的游泳池中，通過水的導電性實時測量當前水位變化，將檢測信號實時與單片機交互，進而實現(xiàn)水位的控制。仿真環(huán)節(jié)通過Proteus搭建電路，合理設置實驗對系統(tǒng)進行驗證。實驗表明文章設計的系統(tǒng)可靠、有效地檢測并控制了目標水位。系統(tǒng)焊接了實物，實物也能夠實現(xiàn)既定的功能。

關鍵詞：單片機；游泳池水位；LCD1602

中圖分類號：TP277? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著人們生活水平的提高和健康意識的增強，游泳池作為一種休閑娛樂設施，已經成為現(xiàn)代城市中不可或缺的一部分。然而，游泳池的水位管理一直是一個重要的問題，它直接影響著游泳池的使用效果和安全性。傳統(tǒng)的水位控制方法通常依賴于人工操作，存在著調節(jié)不及時、精度不高等問題。為了解決傳統(tǒng)水位控制方法存在的問題并實現(xiàn)游泳池水位的自動管理，本文設計了一種基于單片機的游泳池水位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過引入先進的單片機技術，實現(xiàn)了對游泳池水位的自動監(jiān)測和控制，能夠及時準確地調節(jié)水位，提高了水位控制的精度和穩(wěn)定性。

本文介紹了基于單片機的水位控制系統(tǒng)的技術方案，詳細描述了系統(tǒng)的硬件設計和軟件實現(xiàn)過程，通過焊接實物并驗證了系統(tǒng)的性能。為游泳池水位控制提供了一種新的解決方案，具有一定的實用和推廣價值，對于提升游泳池管理的效率和水平具有一定的指導意義。

1 方案選擇

本設計將液位作為控制對象，使用自動化的設備和方法。將液位控制在合適的范圍內的自動控制系統(tǒng)被稱為液位控制系統(tǒng)。液位控制廣泛應用于生產生活的各個方面，游泳池水位控制就是其中之一。在許多的工業(yè)生產現(xiàn)場，有著不同的液位要求，都需要進行控制，從而使得生產能夠達到很好的精度、品質。以前的水位控制多采用大量的儀表，配合人工實時觀察，結合經驗實現(xiàn)，該類方法對工作人員要求較高，現(xiàn)階段多采用計算機實現(xiàn)控制，計算機控制水位優(yōu)勢如下：（1）實時顯示檢測到的水位情況和各自動設備的運行狀態(tài)；（2）能根據(jù)當前的監(jiān)測值自動控制各設備的執(zhí)行，具有良好的人機交互界面，可以安全地進行遠程控制。

在眾多的控制方案中，單片機以體積小、功能強、使用和操作簡單等眾多優(yōu)點得到了液位控制系統(tǒng)的青睞。別看單片機只是一塊小小的芯片，但是卻集成了計算機所需的CPU、 存儲器、輸入、輸出接口等部件，故本次設計選擇單片機完成水位控制。

2 硬件電路設計

2.1 嵌入式模塊選型

AT89C51是一款應用極廣的單片機，使用過程中能夠提供有效且靈活的運行方案［1］，相關功能標準如下：4k字節(jié)的閃速存儲器，32個I/O口線，256字節(jié)片內數(shù)據(jù)存儲器，1個5向量兩級中斷結構，2個16位定時/計數(shù)器，掉電方式保存RAM內容，1個全雙工串行通信口，可降至0 Hz的靜態(tài)邏輯操作，片內振蕩器及時鐘電路。

2.2 晶振電路設計

晶振電路是單片機最小系統(tǒng)必不可少的組成部分之一，其主要功能是為單片機提供一個標準工作時序。該電路通常由1個晶振和2個電容共同組成，常見的晶振頻率為24MHz、12MHz、6MHz。本設計選擇12MHz的石英晶體，其兩端分別連接至單片機的XTAL1和XTAL2引腳。2個補償電容C1、C2選用約30 pF的陶瓷電容。

2.3 復位電路設計

復位電路即實現(xiàn)系統(tǒng)初始化。本次設計的復位電路由1個電阻、1個電容、1個按鍵組成。按下按鍵，電容被短路開始快速放電；當按鍵斷開時，電容C1與電源VCC相連接，進行充電，充電完成后，電容斷開，RST接收到低電平信號，實現(xiàn)系統(tǒng)復位。

2.4 水位監(jiān)測電路設計

本次設計的水位監(jiān)測由低水位狀態(tài)向高水位狀態(tài)進水，如果當前水位低于下限，傳感器檢測到該信息，通過穩(wěn)壓電路輸出低電平，將該低電平傳遞給單片機。單片機接收到該信號后，驅動蜂鳴器報警，低水位指示燈亮起，開啟水泵向游泳池加水。隨著加水的進行，如果傳感器檢測到當前水位達到上限時，傳感器會向單片機發(fā)出低電平信號，單片機驅動蜂鳴器報警，高水位指示燈亮起，水泵停止工作。同理，如果初始水位位于高水位，當水位下降至低于高水位線時，此時傳感器高水位與電源斷開，輸出低電平信號至單片機，單片機作出相應的響應。

2.5 游泳池進水電路設計

當檢測到水位過低，沒有在正常水位范圍內時，報警紅燈亮起同時蜂鳴器發(fā)出警報，觸發(fā)繼電器吸合，進水狀態(tài)顯示燈紅燈亮起，同時水泵啟動；當檢測到游泳池水位等級大于1時，蜂鳴器停止報警，進水紅燈繼續(xù)點亮，繼續(xù)進水；當檢測到游泳池水位到達等級2時，停止進水，紅燈熄滅。

2.6 報警電路設計

本設計采用的是無源蜂鳴器LS1，蜂鳴器LS1接單片機P27端口，另一端接地。當系統(tǒng)上電后，游泳池水位過低時（水位等級小于1）發(fā)出報警，提示需要進水。

2.7 顯示電路設計

本次設計選擇LCD1602液晶顯示器作為顯示電路。該顯示器是一種廣泛應用于顯示符號、數(shù)字、字母等的器件，可實現(xiàn)同時顯示32個字符， 顯示屏上的信息由這些像素點組成。因此，指令控制燈的亮滅就可以顯示信息［2］。Proteus仿真軟件中與其對應的芯片為LM016L型號顯示芯片，LM016L芯片D0-D7口連接單片機P0.0-P0.7引腳，RS、RW和E引腳分別接單片機P15、P16和P17引腳，配合排阻RP1實現(xiàn)顯示。當按鍵SW1、SW2、SW3、SW4分別打在不同位置時，顯示器上會顯示對應水位等級。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

本次設計的水位控制原理如圖1所示。系統(tǒng)允許的水位范圍由上下2根虛線表示。正常狀態(tài)下，水位應保持在平行的虛線之間。設置A、B、C 3根檢測棒，A位于水位下限，B位于上下限之間，C位于水位上限。游泳池供水選擇的是電動機帶動水泵完成。隨著供水進行，水泵抽水，泳池內水位不斷上升，當達到水位上限時，因為水的導電性，B棒和C棒接通+5 V電源。故B、C兩端為1，此時，水泵和電機停止工作，供水停止。若當前水位在上下限范圍內，A、B棒導通，A、C棒不導通，因此B端為1，C端為0。此時，無論電機是否運行，都將繼續(xù)維持原來的狀態(tài)。若水位到達設定下限，A、B、C棒均不導電，B、C均為0。此時，電機啟動，水泵工作，向游泳池供水。該系統(tǒng)主程序主要進行游泳池水位檢測和水泵電機控制設計，啟動電源，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)，水位傳感器實時檢測當前游泳池內的水位，將檢測結果傳送給單片機。單片機通過程序對比實時測量值的預設值，如果在設定范圍內，則保持當前狀態(tài)不變；如果測量值低于下限，則發(fā)出蜂鳴器報警，低水位指示燈亮起，同時開啟水泵向泳池加水；如果測量值高于上限，蜂鳴器也發(fā)出報警信號，高水位指示燈亮起，水泵關閉。

3.2 水位檢測程序設計

本設計的水位檢測仿真利用SW1-SW4開關來模擬水位狀態(tài)。當開關SW1～SW4都接電源正極，此時模擬水位等級2，表示水位過高，報警黃燈點亮；當開關SW1接地，SW2～SW4接電源正極時，模擬水位等級為1，表示水位在正常范圍，指示綠燈點亮；開關SW1、SW2接地，SW3、SW4接電源正極時，模擬水位等級1，表示水位在正常范圍內，指示綠燈點亮；開關SW1～SW3接地，SW4接電源正極時，模擬水位等級1，表示水位在正常范圍內，指示綠燈點亮；當開關SW1～SW4都接地，模擬水位等級0，表示水位過低，報警紅燈點亮，同時蜂鳴器響起，繼電器吸合，水泵開啟，給游泳池進水。

3.3 水位報警程序設計

當游泳池水位等級小于等于0時，表示游泳池水位過低，此時蜂鳴器發(fā)出警報，同時水位過低紅燈點亮，需要開啟水泵給游泳池進水，因此繼電器吸合，進水水泵開啟；當游泳池水位等級大于或者等于2時，表示游泳池水位過高，此時蜂鳴器發(fā)出警報，同時，水位過高，黃燈點亮，繼電器斷開，關閉水泵，停止進水；當游泳池水位等級為1時，表示游泳池水位正常，此時蜂鳴器關閉，水位正常綠燈點亮。

3.4 排水子程序設計

當游泳池內水質不好需要進行泳池內的水更換時，管理人員要手動開啟排水閥將泳池內的水全部排出。當進入排水子程序時，首先進行變量的定義和初始化，然后判斷“開閥”按鍵是否按下，如果按下，則啟動排水水泵，開始排出游泳池內的水；當“關閥”按鍵按下時，排水水泵停止。

4 系統(tǒng)仿真

4.1 游泳池低水位仿真

本文采用Proteus進行仿真。Proteus 是由一家英國公司自主研發(fā)并發(fā)行出版的一 個電子設計自動化軟件，不僅具有EDA軟件的仿真功能，而且可以對各種單片機進行仿真，同時支持Keil軟件進行編輯［3］。將SW1、SW2、SW3、SW4都接地時，水位等級為0，表示游泳池水位過低，此時蜂鳴器發(fā)出警報，同時水位過低指示紅燈D1點亮，繼電器吸合，進水狀態(tài)指示紅燈D4點亮，LCD1602液晶顯示器上水位等級顯示為0，水泵狀態(tài)顯示為“Start”，進水水泵啟動，開始進水。具體仿真如圖2所示。

4.2 游泳池正常水位仿真

將SW1、SW2、SW4都接地，SW3接電源正極，水位等級為1，表示游泳池水位在正常范圍內，此時蜂鳴器不報警，同時水位正常指示綠燈D2點亮，繼電器吸合，進水狀態(tài)指示紅燈D4點亮，LCD1602液晶顯示器上水位等級顯示為1，水泵狀態(tài)顯示為“Start”，進水水泵啟動，開始進水。

4.3 游泳池高水位仿真

將SW1、SW2、SW3、SW4都接電源正極時，水位等級為4，表示游泳池水位過高，此時水位過高指示黃燈D3點亮，繼電器斷開，進水狀態(tài)指示紅燈D4熄滅，LCD1602液晶顯示器上水位等級顯示為2，水泵狀態(tài)顯示為“Stop”，進水水泵停機。

5 實物展示

總體實物如圖3（A）所示，水位過低實物如圖3（B）所示，水位正常實物如圖3（C） 所示，水位過高實物如圖3（D）所示。

6 結語

本設計是基于單片機的游泳池水位控制系統(tǒng)設? 計。然而，由于個人知識和經驗的欠缺，本次設計的系統(tǒng)不可避免存在一定的弊端。未來改進智能液位控制器的設計可以從以下方面入手。（1）采用先進的傳感器技術增強液位控制的可靠性和穩(wěn)定性。（2）加強對不同液體導電性的測試和研究，為不同液體設計相應的控制程序。（3）深化液位控制器與其他智能設備的聯(lián)動，提高設備的智能化程度和自動化水平。（4）提升液位控制器的可編程性和可調節(jié)性，以方便用戶根據(jù)實際需求進行設置和調整。這樣的改進將提升智能液位控制器的可靠性和智能化程度，以滿足不同行業(yè)的需求。

參考文獻

［1］唐立偉，李權，李和平.基于ACO的連鑄結晶器液位控制系統(tǒng)設計［J］.機電工程技術，2021（3）：158-160.

［2］ZHANG K，KUMMERT M.Evaluating the impact of thermostat control strategies on the energy flexibility of residential building for space heating［J］.Building Simulation，2021（1）：1439-1452.

［3］滕勇.智能電機控制器在消防系統(tǒng)上應用的電路設計［J］.電工技術，2018（10）：99-100.

（編輯 王永超）

Design of swimming pool water level control system based on single chip microcomputer

ZHANG? Qi， YANG? Qiang， LI? Linyu

（School of Electronic Information， Xijing University， Xian 710123， China）

Abstract：? The traditional swimming pool water level control adopts the artificial way， and relies on the staffs experience to control the water level. The method has low working efficiency and high working intensity. Therefore， it is necessary to choose water level automatic control to save energy and human resources. This design gives the control system of the swimming pool water level control system based on AT89C51 single-chip microcomputer. Three metal rods are placed in the swimming pool to be measured. By measuring the current water level change in real time through the conductivity of water， the detection signal will be real-time interaction with the single-chip microcomputer， and then achieve the control of water level. In the simulation， Proteus is used to build the circuit and set up the experiment to verify the system. The experiment shows that the designed system can detect and control the target water level reliably and effectively. This system has welded the real thing， and the real thing also can realize the given function.

Key words： single chip microcomputer; swimming pool water level detection; LCD1602