基于单片机的多功能的水位自动控制系统

(1.贵州大学大数据与信息工程学院 贵州 贵阳 550000)(2.华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

基于单片机的多功能的水位自动控制系统

江子龙1李晓颖2朱明想1邢洋洋1

(1.贵州大学大数据与信息工程学院贵州贵阳550000)(2.华南师范大学物理与电信工程学院广东广州510006)

本文介绍了一种具有无线传输功能的家用水箱水质监测水位自动控制系统。系统能够实现水质检测、水位自动控制、信息无线传输摆脱对安装环境的限制、实时信息显示的功能。其水质检测部分采用传感器分别对水温度、水浑浊度、水PH值等水质参数进行数据采集检测，数据经过单片机处理后通过无线传输模块传输至控制端，进而实现数据的显示和对水箱水位的自动调节。

单片机；水质监测；水位自动控制；无线传输

一、引言

在我国农村很多的小城镇，因为居民的蓄水水箱太过于陈旧，严重造成了储水环境比较恶劣并且没有专业人员定期地进行检测。居民在不知情的情况下饮用了这些水质被污染的水体，严重影响了自己身体的健康。因此，对老式水箱的水质监测系统的存在性是十分重要的。

本设计可以实现水位自动启动与停止蓄水控制；针对目前常见的单一指标检测控制系统进行改进，采用传感器探头分别对水温度、水浑浊度、水PH值等水质参数进行数据采集检测，可以分别实现水质检测数据的显示、报警功能。本设计主要利用到单片机技术、传感器技术、无线通讯技术等。达到村镇居民蓄水和用水的自动化水的同时实现对水质进行实时的监控。

二、系统总体设计

本系统由监测端与显示执行端两部分组成，均使用AT89C52单片机为主控模块，该系列主控芯片具有成本低，稳定性高等特点，其性能足以满足本系统的设计需求。检测端系统的硬件接口电路包括水箱液位、温度、PH值、浊度传感器，AD转换电路接口电路，无线传输模块接口电路。显示执行端的硬件接口电路包括无线接收模块接口电路，显示控制模块接口电路，执行模块接口电路。

图1 系统整体框架

水箱内系统采集端加入一个液位传感器，位于水箱底部(根据用户需求设定不同的水位下限放置)，对实时水箱水位的监控。在水箱中先在高度范围内设置一个0—9的水位值(数值越大，深度越大)。水箱中的水位下降到设置的水位下限时，执行端无线接收模块接收到水位信息并传递到单片机，同时继电器拉高，给抽水机进行了供电，抽水机工作，开始往水箱中注水；当水箱中的水处于设置水位上限时，继电器停止工作，抽水机断电阀门关闭，水箱内停止注水。

三、各种传感器选择

(一)温度传感器(DC)

本设计采用DS18B20数字温度传感器采集水温信息，此传感器具有体积小，电路简单，抗干扰能力强，精度高等特点。在应用中不需要额外的外围电路，只需一个端口即可实现传感器与控制器之间的通信。检测温度范围为-55℃～+125℃，完全满足系统的需求。

(二)浊度传感器(AC)

浊度即是指水中含有不可溶物质，通过肉眼能观察到其变化程度。是常用来作为判断水质好坏的指标之一。本系统采用的TS浊度传感器模块,TS浊度传感器是一种常用的家用型浊度传感器。浊度传感器原理：水的浑浊程度不同导致水的透光量不同，传感器将透过水体的光照强度转换为电信号进行输出，透光量越大信号越强，透光量越小信号越弱。

(三)PH值传感器(AC)

PH值传感器即是将检测对象的PH值转换为电信号输出，其原理是通过检测液体中游离氢离子的含量，通过换算得出PH值。

本设计采用ph-1110型传感器，其具有不易被杂物堵塞，清理方便，性能相对也较稳定，价格便宜，密封性好，寿命长等特点。Ph-1110依靠被测液体中氢离子的浓度，在玻璃探头的玻璃膜两端因为电荷随氢离子的扩散而转移形成电位差，同时在溶液中加入一个外参比电极，就可形成一个原电池类模型，通过测量反应中氢离子的浓度即可换算出溶液的PH值。

(四)液位传感器(DC)

本设计选择采用PY201型液位传感器工作原理：液体中压力公式为：P=P0+ρgh,传感器所处液体位置的压力为P，大气压用P0表示，液体密度为ρ，当地重力加速度为g，液体高为H。液位传感器的具体工作就是通过将液体的压力转换为代表水深的电信号该产品经常用于检测水池、水箱、水塔、水库等液位。

四、模数转换模块

一些传感器输出的为模拟信号，由于单片机本身无A/D采集功能，故本设计需要外加A/D转换电路对传感器输出信号尽心个数字化处理以便单片机识别。本系统A/D转换模块采用的ADC0809数模转换芯。ADC0809为常用的8位A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

由于ADC0809内部没有时钟，需外部提供时钟信号。本系统由SUN7474对单片机提供的时钟信号进行分频，得到能满足ADC0809使用的500kHz时钟信号。在此频率下，ADC0809的转换速度为128us。

五、无线传输模块

本设计由数据采集端与显示控制端两部分组成。一般情况下显示控制端的放置位置需要考虑到便于用户查看，古不变设置在楼顶水箱处。为此我们为系统增加了无线通信模块，摆脱了对设备安装地点的限制。系统采用NRF24L01无线收发芯片为无线通信模块的主控芯片。

NRF24L01是一款2.4GHz通用ISM频段的射频收发芯片。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，数据传输率为lMb/s或2Mb/s，SPI速率为0Mb/s～10Mb/s，供电电压1.9V～3.6V。支持六路通道的数据接收功能。该模块具有体积小、低成本、低功耗、便于开发等特点。NRF24L01与单片机之间的连接拓扑如图所示，各个接口及定义如下：CE为使能发射接收信号，CSN为片选信号控制数据读写，SCK为串行时钟信号，MOSI为芯片数据接收接口、MISO为芯片数据发送接口，IRQ为中断标志位。

该模块与单片机之间采用SPI接口进行通讯。SPI全称为串行外设接口，是一种高速全双工同步通迅总线。只占用了4根芯片管脚。SPI总线的工作方式十分简单，它以主从方式工作，这种工作方式通常有一个主设备和一个或多个从设备，实现完整的收发功能需要至少4根线，在单向传输时只需要3跟线即可。SPI通讯方式需要以下四路信号来完成，它们分别是SDI(数据输入)、SDO(数据输出)、SCLK(时钟)、CS(片选)。

图2 NRF24L01与微处理器通信接口

六、显示模块

Lcd1602作为一种工业中字符型液晶的显示屏，其可以显示的最大字符数为32个，一般情况下它有16个引脚接口，并且它由不同的点阵组成，在它正常工作时期，不同的点阵显示不同的字符同时保证了每个点阵只显示一个字符，因此1602能显示16×2个字符。

七、控制模块

本设计水位阈值采用手动按键控制。KEY1与KEY2分别为水位上限与水位下限选择按键，KEY3与KEY4分别为数值曾减按键。通过此设计，用户可方便直接的对水箱水位进行控制。

八、执行模块

执行模块电路如下图所示，当光耦的1管脚为高电平时，光耦的3、4管脚导通从而令Q1导通继电器处于开启状态水泵电路接通启动上水。当光耦的1管脚为低电平时，光耦的3、4管脚断开Q1截至。继电器处于关断状态，水泵电路断开停止上水。二极管D1的作用是在Q1突然截至时为继电器电路提供一个放电的回路以防电路烧毁损坏。采用光耦与DCDC电源隔离模块对控制端与执行端之间进行电气隔离，用以防止水泵的起停可能对单片机存在的干扰，同时排除了因水泵端电源短路而损坏整个系统的可能，保证系统安全可靠的运行。

图3 执行端电路简介

九、结语

本文主要介绍了一种运用嵌入式技术，使用多种传感器对水箱数据进行采集数据的采集并结合无线通讯技术相实现了一种智能化村镇居民家用水箱管理系统。完成了对居民水箱水体水质的监测、水位调节功能。此技术极大的方便了人们的生活，并在一定程度上保障了居民的健康用水，具有实际应用价值。

[1]易志明,林凌,李刚,等.SPI总线在51系列单片机系统中的实现[J].国外电子元器件,2003(9):21-23.

[2]Semiconductor N.nRF24L01 datasheet[J].Single Chip,2009,2.

[3]刘焕平,韩树新.ADC0809与AT89C51的一种接口方法[J].石家庄师范专科学校学报,2002,4(2):52-53.

[4]张军.智能温度传感器DS18B20及其应用[J].仪表技术,2010(4):68-70.

[5]林海军.高速带通型△∑AD转换电路设计[J].厦门理工学院学报,2013,21(2):56-60.

[6]姜德志,姬光荣,陈艳丽.TS浊度传感器在洗衣机中的应用[J].国外电子元器件,2007(8):68-69.

[7]陈霞,白小军.基于单片机的液位监控系统[J].武漢理工大學學報(信息與管理工程版),2007,29(3):38-41.

[8]党长青,陈湘萍.基于ARM的水位控制系统[J].电子世界,2014(7):38-39.

江子龙，男，河南平顶山人，贵州大学大数据与信息工程学院在读硕士，研究方向：嵌入式技术；李晓颖，女，广东广州人，华南师范大学物理与电信工程学院在读硕士，研究方向：图像处理技术；朱明想，男，河南信阳人，贵州大学大数据与信息工程学院在读硕士，主要研究方向：嵌入式技术；邢洋洋，男，湖北黄石人，贵州大学大数据与信息工程学院在读硕士，研究方向：嵌入式技术。