基于单片机的智能水位监控系统设计

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(安徽新华学院，安徽 合肥 230088)

0 引 言

目前，我国许多地方的生活和工业用水多采用水箱供水，为了防止水箱水位过高而溢水,或水过低而出现用水供给不及时的情况,应当适时监控水位，并控制水位始终保持在一定范围内，已有的水位监控方式多样[1～4]。一类是人工监控，以重力牵引的方式上水，即当水箱内水位过低或用完时，人工启动水泵向水箱内注水，这种方法的效率低、成本高、使用不便。一类是通过浮子液位计监控，利用杠杆基础原理，通过液体对浮子产生的浮力，来改变水泵的工作状态，但这种系统控制精度低，能耗大，而且很难实时查看水位状态和调整控制水位的上下限。还有一类是单片机控制，并利用超声波传感器检测水位，但未考虑到使用者的主观作用，无法进行手动控制排水或注水，或不具备水位状态报警功能，或适用于远距离监控，需要无线通讯，成本较高。因此，文中设计了一种成本低、操作便捷的智能水位监控系统。

1 系统方案设计

系统以AT89C52单片机作为核心控制芯片，由水位检测电路、水泵控制电路、按键电路、显示电路、报警电路等组成。具体如图1所示。

图1 智能水位监控系统框图

图2 水位检测电路图

系统利用超声波传感器来检测水位，由单片机采集并进行分析和处理，通过显示电路实时显示检测的水位值，并输出控制信号，控制报警电路报警状态与水泵工作与否，从而达到水位智能监控的目的。

由于不同监控对象所需水位不同，因此，水位监控需智能可调。首先，超声波传感器采集水位信息，由单片机进行分析与处理，并通过比较设定的水位上下限值来控制水泵是否需要排水或注水，并判断报警电路警示状态，利用蜂鸣器在水位超出或低于设置范围时报警，利用不同颜色LED提示水位状态。其次，将检测到的水位信息通过显示电路及时显示在液晶显示屏上，可以及时跟踪水位信息。最后，充分考虑到应用场合的不同，设置按键来调整设定水位上下限值，并选择使用手动排/注水模式和自动排/注水模式，当选择手动排/注水模式时，可以根据个人经验手动控制水泵排/注水时间和水量。

图3 水泵控制电路图

图4 按键电路图

图5 显示电路图

2 系统硬件设计

2.1 水位检测电路设计

系统水位检测电路采用HC-SR04型超声波传感器采集水位信息，HC-SR04测距精度高达3mm，测距范围大，达到2.0cm-400.0cm的范围非接触式检测距离长度。HC-SR04包含发射器、接收器两个探头以及控制电路，通过记录一个方波的来回时间差，计算出超声波传感器探头到被测物体之间的距离。该传感器有4个引脚：分别为1脚(VCC)，接5V电源即可；2脚(Trig)，超声波发送脚，高电平时发送出40kHz的超声波。3脚(Echo)，超声波接收检测脚，当接收到返回的超声波时，输出高电平。4脚(GND)，超声波模块GND。利用超声波传感器HC-SR04构成的水位检测电路如图2所示。

图6 报警电路图

图7 系统主程序流程图

2.2 水泵控制电路设计

设计使用的水泵由内部驱动和泵体组成，泵体上有一进一出两个接口，水从进水口注水，出水口排水。水泵控制电路如图3所示，利用三极管与单片机的P34口相连，控制水泵工作，当被置高电平时，驱动水泵从进水口注水,当被置低电平时，驱动水泵从出水口排水。

2.3 按键电路设计

按键电路控制整个系统模式的选择和水位上下限阈值的设置。一共有四个按键，具体为：S1:设置/保存，S2:加数值/模式切换，S3:减数值，S4：排水/注水。按键电路如图4所示。

系统默认为自动检测与排注水模式，当水位处于设置范围之间时，LED绿灯亮，这时可以启动手动模式，按一下S2键进入手动模式，这时黄色的LED灯亮预示着手动模式的转换成功。可以通过按按键的方式调节水位的高低，按键S4接1、4表示排水功能，按键S4接2、5表示注水功能，当排水或注水完成后，再按S2按键，退出手动模式，转换成自动模式。

S1键用来设置系统设置的测量范围，按键S1定位修改对象，按键S2、S3是用来增大和减小数值的，设置完成后，再按一次S1退出设置。

2.4 显示电路设计

为了测量的实时信息传递给系统，清晰直观的观察检测数据，采用SMC1602A型液晶显示器，该显示器是标准字符点阵型，采用点阵型显示，可显示16×2字符，将系统检测处理的数据实时在液晶显示器显示。电路如图5所示。

2.5 报警电路设计

系统的报警电路由蜂鸣器报警电路和LED彩灯报警电路组成。分三种情况，当被检测的水位大于系统预设置的最大值时，系统控制器驱动硬件蜂鸣器鸣响示警，同时红色LED灯亮，提示水位过高，系统驱动水泵排水。当水位处于设置水位值范围之间时，LED绿灯亮，提示水位正常。当系统检测水位过低时，这时黄色LED灯亮，提示水位过低，系统驱动水泵注水。报警电路如图6所示。

3 系统软件设计

系统软件设计包含初始化、水位检测子程序、按键子程序、液晶显示子程序、报警与水泵控制子程序等，主程序流程图如图7所示[5]。

4 结 语

以AT89C52单片机为核心控制芯片，实现了智能水位监控系统的设计。可以对水位状态进行采集、处理、显示、警示，并控制水泵是否排/注水。设置按键对土壤用手动和自动两种模式排/注水，并调整设定水位上下限值，灵活性、适用性强，成本相对较低，制作和使用的过程较简单，可扩展性强，该设计已制作完毕，在实验室水盆、水桶实际测试，效果良好。该系统也可以拓展到楼房水箱、河流堤坝等场合使用。