防溺水系统的设计

付三丽 黄守辉 马雄峰 黄恒一 高媛

（1.三亚学院，海南 三亚 572022；2.湖北鄂西高速，湖北 武汉 430000）

1 引言

游泳运动是一类备受欢迎的水上运动项目，相较于传统的陆地体育项目，其运动方式截然不同。但部分人对游泳运动的安全顾虑影响了大众游泳的参与度。为提高水上运动的安全性，本文研究了一款游泳池溺水自动报警系统，能够协助救生员准确发现溺水者[1]，并及时进行救援，避免意外发生。由于该装置具有小、巧、轻、佩戴方便等特点，不会影响游泳者的游泳练习，具有良好的市场潜力。该设备的研究和利用，对初学游泳者，特别是儿童和老人有着较好的辅助作用。在游泳池溺水自动报警系统的辅助下[2]，能促使更多的体育爱好者参与游泳运动，并一定程度上保障运动者的生命安全[3]。

本设计是通过水容量检测传感器对水域的水流速及水容量进行检测，设定水容量的报警阈值。当水容量检测传感器测量的水容量超过设定的阈值时，采用蜂鸣器进行报警提示，从而实现防溺水系统的设计。

2 系统总方案设计

本设计对游泳人员进行实时监测，当发生溺水事故时能够快速实现报警提示，以便对溺水人员及时进行救治，可以大大降低溺水人员的生命危险，一定程度上降低了未及时发现溺水人员的概率[4]。

系统结构如图1所示，其中主控制器为整个系统的中央处理控制器，电源模块对系统进行供电，按键模块用来实现报警阈值的调节，待测对象是测试所用的水流，显示模块对检测到的水流速、水容量及报警阈值进行显示。当水量达到预先设定的阈值时报警模块将发出报警提示。

图1 系统结构框图

3 系统总设计电路图

总设计电路如图2所示。

图2 总设计电路图

3.1 水流量检测电路

本设计中溺水者吸入的水量采用集成的水流量检测传感器进行测量，该传感器使用4个接线端口，各端口有不同颜色，红色线接VCC，黄色线是检测信号输出端，黑色线接地，绿色线接温度感应[5]。霍尔传感器（内部集成）作为水流量检测的核心器件。

图3为水流量检测传感器与单片机的接口电路图，图中可以看出1脚对应传感器的温度感测端口，2脚是水流量检测信号输出端，3脚接数字地，4脚接5V电源进行供电[6]。

图3 水流量检测传感器和单片机接口电路图

水流量检测传感器内部是霍尔传感器[7]，传感器内部转子速度根据水流量的变化而变化，这时霍尔传感器会输出相应的脉冲信号，该脉冲信号进入单片机中计算出此时水流量及流速的大小。

如图4所示为霍尔传感器件的电路图，防水型霍尔元件3144在有电的情况下，会产生相同方向电流，霍尔元件3144在内部是靠近于叶扇的。在有水流过的情况下叶扇产生的旋转跟磁场作用相结合，从而使得霍尔元件3144的电流方向发生变化，此时霍尔元件便会有正负交替的信号产生，但不能被单片机直接接收所产生的输出信号。而水量的计算则是通过水流速进行计算得到。

图4 霍尔传感器电路图

3.2 按键电路

由独立键盘来完成对防溺水系统中的报警阈值进行设置，如图5所示为按键电路图，设计中使用独立按键S1和S4对报警阈值进行增大或减少。一般情况下STC89C52RC单片机引脚处于高电平状态下，在按下按键的时候可以检测到低电平。

图5 按键电路

其中S1、S4作为独立按键分别与单片机P10和P13引脚相接，单片机C52按照一定的时间来扫描各个I/O口的高低电平状态，以此来断定操作者是否按下按键。

3.3 报警电路

本设计选用的电磁式蜂鸣器[8]，蜂鸣器通过三极管Q1跟单片机的引脚P23相连，当P23为低电平节点时，三极管Q1导通，蜂鸣器就会收到电流然后发出振动声。其电路原理图如图6所示，当水流量检测传感器测量的水流量的值大于设定的报警阈值时，此时单片机控制引脚输出低电平控制蜂鸣器发声。

图6 蜂鸣器电路

4 系统软件设计

4.1 系统设计流程图

如图7所示为系统的主程序流程图。

图7 主程序流程图

4.2 水流量检测程序设计

如图8为水流量测速程序流程图，程序初始化使定时器的中断设置为50ms，这时开启定时器中断和外部中断，使能端开启使定时器产生5次中断请求，这5次中断持续时间大约5s，期间获取1s内的外部中断次数记为n。最后利用流量公式和流速公式分别计算经过的水流量及流速的具体值。

图8 水流量检测程序流程图

4.3 独立按键控制程序设计

独立键盘按键子程序作为水流量报警阈值的调节，它的1号按键也就是电路中的S1按键对报警的水流量值进行增大，2号按键也就是S4按键对报警的水流量进行减小，按键经过消抖后，单片机控制执行对应操作。如图9所示为按键程序流程图。

图9 按键控制程序流程图

5 系统调试

防溺水系统仿真运行时，先通过增大或减小按键对水流量的报警值进行设置，设置的报警值将在LCD液晶上进行显示，图10中LCD第一行显示“SH:0.00L/s”，屏幕上的SH代表的是此时水的流速值为0升每秒，LCD第二行显示“LJ:0.0L”，屏幕上的LJ代表的是此时的水流量为0L。因此当传感器检测的水流量值为1.5L时，BUZZER代表蜂鸣器将进行报警提示。

图10 防溺水系统仿真运行图(报警值1.5L)

接通电源后，先将防溺水报警阈值设置为1.5L，当水流量的值大于1.5L时就会报警，如图11所示。

图11 实物报警值设定1.5L

仿真过程中的水流量数值由小到大来模拟实际产生的效果。当水流量值为0.3L时其仿真如图12所示。

图12 水流量值为0.3未达到报警值0.5（此时不报警）

当水流量值（LJ）达到0.5L时刚好报警，并且在之后超过0.5L达到0.6L时持续报警，其仿真如图13所示。

图13 水流量值为0.6超过报警值0.5（此时持续报警）

将两个独立按键设定0.5L时蜂鸣器报警。接着，将水流量检测传感器的进水口接到自来水管的水龙头端并用手按住，打开水龙头水进入水流量检测传感器中，此时可以看到LCD1602显示屏中SH（水流速值）随着水龙头的水进入传感器中，显示的流速值一直增大。而LJ（水流量的值）也是随着水进入水流量检测传感器不断增大。如图14所示。

图14 水流量增大

因为此时水流量未达到报警值，所以蜂鸣器没发出报警声。一段时间后，当LJ（水流量）刚好达到0.5L时蜂鸣器开始发出报警声，继续试验，当LJ（水流量）达到0.6L时蜂鸣器还是一直持续报警。由此也就说明有人溺水了。效果图如图15所示。实物调试和仿真效果一致，验证了设计方案的可行性。

图15 持续报警

6 结语

本文以单片机为控制核心，防溺水系统使用水流量检测传感器对水下的流速及流量进行测量。实现检测的水的流速值及流量值在LCD1602液晶显示屏上进行显示；当检测的水的流量值大于设定的报警阈值时，单片机控制蜂鸣器发声进行报警提示。文中对系统软硬件设计与实现过程做了详细介绍，系统稳定可靠。但防溺水系统不够智能化，若加入无线通信模块，实现与远程监测站的通信或者手机APP的通信。这样设计可以保证当有人溺水时，会在手机APP或者远程监测站进行提示，更加缩短了人的反应、判断时间。