一种简易水位报警装置的制作与应用

李德松 陈旭扬 陈华喜

摘    要：文章详细介绍了一种简易水位报警装置的制作原理、制作方法及在中学物理兴趣教学中的应用。该水位报警装置是以AT89C51单片机为核心，对FC-37液位传感器采集到的模拟信号经过放大整形后输入单片机，单片机将模拟信号转化为数字信号后传递给蜂鸣器。当水位低于液位传感器的感应板时，液位传感器输出水平信号，此时单片机就会将信号传递给蜂鸣器报警，感应板浸入水中时蜂鸣器不报警。同时，该装置还利用单片机系统内部定时器来计时，显示屏用于显示事先预设的水减少量以及水量减少时间。使用时，可以通过按键电路设置水减少量和水量减少时间，当水箱内的水位低于液位传感器的位置，或时间超过预设时间，或水减少量超过预设的量时，蜂鸣器将会自动报警。

关键词：水位报警装置;单片机;液位传感器;蜂鸣器

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2020）11-0034-2

1    问题的提出

液位显示控制器能广泛应用于炼油、化工、造纸、食品及污水處理等行业。能对开口、密闭容器或地下池槽里的介质液位在仪表控制室内进行显示、报警和控制[1]。然而，市场上所售的水位报警装备（如GPRS无线液位显示控制器、无线电台水位控制器等）不仅体积大、重量大，携带、安装均不方便，而且价格均较昂贵，一般在6至8千元之间[2]。为解决上述问题，也为提高学生的物理兴趣，笔者带领兴趣小组的学生制作了一种简易水位报警装置。

2    制作原理

用液位传感器采集信号（模拟信号）[3]，通过低通放大器和整形电路对采集到的低频信号进行放大和整形后，输入单片机，单片机将接收到的模拟信号转化为数字信号后传递给蜂鸣器，同时单片机系统内部的定时器用来计算时间，显示屏用于预设水容量和时间[4]。设计思路如图1所示。

3    制作材料

FC-37液位传感器（图2）、低通放大器、比较和整形电路、AT89C51单片机、LCD1602液晶显示屏（图3）、蜂鸣器、按键电路、水容量和时间控制按钮、LED指示灯、USB连接线等。

4    制作方法

4.1    制作步骤

（1）设计相关电路图：单片机最小系统电路图、电源电路图、传感器接口电路图、蜂鸣器报警电路图、LCD1602液晶显示电路图;

（2） 用雕刻机将设计好的电路图雕刻在电路板上;

[对于中学生来说，（1）（2）两个步骤难度稍大，为简便起见，我们可以购买相关部件]

（3）用电烙铁将各元件接口焊接在电路板上;

（4）将各元件插入相应接口。

4.2    实验观察

该报警装置的调节、测试、观察过程如下：

（1）将连接线一端插入USB接口，另一端接水位报警装置;

（2）观察水位报警装置的状态（图4）;

（3）按下电源按键，并将液位传感器置于空气中，观察水位报警装置的状态（图5）;

（4）用水量和时间控制按钮分别调整水容量为150 mL、250 mL、500 mL，对应时间调整为0.5 h、1 h、2 h（图6、图7、图8）;

（5）并将液位传感器置于水中，观察水位报警装置的状态;

（6）关闭电源。

4.3    结果分析

（1）连接USB接口，水位报警装置无亮灯，无报警现象;

（2）将液位传感器置于空气中，按下电源按键，红色LED灯亮起，蜂鸣器发出“嘀——嘀——嘀——”的报警声;

（3）用水容量和时间控制按钮调整水容量为150 mL、时间为0.5 h后，蜂鸣器发出“嘀——嘀——嘀——”的报警声;

（4）将液位传感器置于水中，红色LED灯继续亮，蜂鸣器无报警声。

5    教学应用

该简易水位报警装置不仅有体积小、重量轻、可靠性高、操作简便的特点，而且价格也较为便宜（不超过20元）。该装置能解决人工观测劳动强度大、观测时间有盲点等一系列问题，具有减少浪费、节约资源等积极意义。同时，该水位报警装置的制作对提高学生的物理兴趣、激发学生探索科学和勇于创造发明的信心也有促进作用。

参考文献：

[1]赵小兰，胡征，王培坤，等.多功能自行车码表设计[J].电子测试，2013（20）：1-2.

[2]孙宝元，杨宝清.传感器及其应用手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]胡汉才.单片机原理及系统设计[M].北京：清华大学出版社，2002.

[4]任强.传感器选用原则[J].铁道技术监督，2004（9）：33-34.

[5]张俊谟.单片机中级教程原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

（栏目编辑    邓   磊）