基于MSP430G2553单片机的简易水情检测系统设计*
2019-05-09王珏敏
王珏敏
(山西职业技术学院，山西 太原 030006)
1 系统方案选择与论证
1.1 系统方案设计
简易水情检测系统主要实现实时检测水位高度、PH值、电源电压并在液晶显示屏上显示的功能。根据设计要求，本设计方案选择与论证如下：
1) 单片机方案选择
方案1：采用STC89C52单片机，该单片机加密性强，抗干扰能力强，但因供电电压为5 V，功耗大不满足设计要求。
方案2：采用MSP430G2553单片机，因为它供电为3.3 V，低功耗且操作指令简洁,自带AD使用方便，运行速度快，工作电流最小为20μA[1]。
由于方案1功耗达不到设计要求所以采用方案2。
2)系统总体方案设计
通过单片机方案论证，为满足设计要求所以本系统采用以MSP430G2553单片机为核心，5VpH复合电极信号检测溶液pH值、3.3 V压力传感器测量水位、3.3 VNOKIA5110液晶显示屏显示。
1.2 水情信号处理
1)pH复合电极信号处理方法
由于pH复合电极采集的电压为毫伏级，所以我们将检测的电压与检测的pH值进行整理，经过多次分析数据得出电极所处不同的pH溶液中，pH值与电压间的关系式如式(1)所示，从而根据这个关系式得出pH值。
(1)
2) 压力传感器信号处理方法
压力传感器的使用方法简单，精度高，供电为3.3 V且自带AD芯片，将水位的高度转换为质量与电压间的关系，通过单片机计算处理得出水位的高度。
水位高度=水的质量/每毫升水的质量。
1.3 电压检测方法
根据在电源两端串联两个10 kΩ电阻分压，把电压采样经AD处理把模拟信号转换为数字信号，再由MSP430G2553单片机把数字信号处理并发送显示信息给NOKIA5110进行显示[2]。
2 系统硬件设计
2.1 系统组成及框图
简易水情检测系统框图如图1所示。
图1 简易水情检测系统框图
简易水情检测系统由6 V电池组、调压电路、MSP430G2553单片机、电压采样电路、pH值检测电路、水位测量电路、NOKIA5110液晶四行显示电路共7部分电路组成。系统电源模块选用6 V电池组经过调压电路给各个模块供电，液体的高度通过压力传感器测量，水的酸碱状况通过pH复合电极传感器检测，电路工作电压通过电压采样电路实时地检测，并将所采集的数据送到MSP430G2553单片机进行数据处理，最终将水情检测信息在NOKIA5110液晶显示器上分四行显示[3]。
2.2 系统电路设计
系统由核心控制模块、电源模块、水位检测模块、电压采样模块、pH值检测模块和显示模块等组成。
核心控制模块MSP430G2553单片机为16位，3.3 V供电，内置AD运行速度快，低功耗工作电流最小为20 μA，片内资源丰富。
电源模块由6 V电池组和调压电路组成。整个系统采用4节电池组6 V供电，再通过调压电路转换成3.3 V和5 V，调压电路主要由TPS78001芯片组成，该芯片可以将6 V电压转化为5 V电压和3.3 V电压，3.3 V调压电路为水位测量电路、MSP430G2553单片机最小系统、显示电路提供电压，5 V调压电路为pH值测量电路提供电压，这样可以方便控制，降低整个系统的功耗，提高检测结果。
水位检测模块电路由称重传感器、信号放大和A/D转换部分组成，信号放大和A/D转换部分主要由专用型高精度24位AD转换芯片HX711实现；该传感器称重范围为0 kg～5 kg，精确度为0.1 g，如图2所示。
pH值检测模块采用pH复合电极信号处理方法，pH复合电极由氢离子玻璃电极和参比电极两部分组成，将这两个电极一起放入待测溶液就构成了原电池。温度一定时，参比电极是稳定的，玻璃电极的电位取决于待测溶液pH值。因此通过测量电极间的电位差，来检测被侧液体的pH值，如图3所示[4]。
图2 水位检测模块
电压采样电路，使用分压方式连接在电源中，以实时采样电源的状态，经单片机处理分析在显示器上显示。
显示模块选取NOKIA5110液晶显示屏，NOKIA5110采用串行接口与处理器进行通信，接口线数量减少，采用低电压供电，可以减小功耗，全像素点亮时最大工作电流为200 μA。
3 系统软件设计
软件主程序流程图如图4[5]。
4 系统测试数据分析
在自来水中加入白醋，使用此方式测量，溶液pH值测试数据如表1所示，水位测量数据如表2所示。
图3 pH值检测模块
图4 主程序流程图
pH计测量值系统显示值相对误差pH计测量值系统显示值相对误差4.004.050.055.004.960.043.503.440.066.006.010.013.003.030.037.007.050.052.502.450.058.007.960.042.322.290.039.008.970.034.504.510.019.509.550.05
表2 水位测量数据结果
经测试，pH检测结果误差最大为0.06，水位测量结果误差不大于1 mm,电池组输出电压误差0.01以内，所以该系统各项指标可达到并超过设计要求。
5 总结
该简易水情检测系统最大的优点便是节能减耗，电路消耗的电能很小，只需6V电池组便可以给系统各个模块提供电能，尤其在户外作业时，大大提高了系统的续航性能。同时液体pH测试结果的精度小于等于0.06，高度测试值误差小于等于0.15 mm。该系统具有测试精度高、操作指令简洁、运行速度快和稳定性好等优点。
