基于单片机的智能水位监控识别系统设计

甘新泉

（广西城市职业大学，广西 崇左 532200）

0 引言

现阶段我国较多地区的生活用水以及工业用水使用的供水方式为水箱供水，而对于水箱供水方式中出现的水箱水位过高而溢出水或水箱水位较低而供给水不及时的情况，水箱的管理人员应时时对水箱的水位进行监督，并将水箱的水位控制在一定范围内，以此达到合理供水的目的。当下使用的水箱水位监控方式种类较多，一种是成本较高、工作效率较低、实施不方便的人工监控，即监控人员发现水箱内水位较低或较高时，使用水泵进行水箱水位的调节；一种是控制精度较低、无法实时控制和查看水箱水位状态的浮子液位计监控；还有一种为使用单片机进行水箱水位显示和控制的智能化监控，由于其发展时间较短，部分地方使用的智能化监控方式存在一定问题，且成本较高，推广实施难度较大。因此，本文针对单片机智能水位监控系统出现的问题进行解决，希望对我国水利行业的发展提供帮助。

1 单片机智能水位监控识别系统的设计概述

智能水位监控识别系统中以单片机作为系统的核心控制芯片，并由水位检测电路、水泵控制电路、按键电路、显示电路以及报警电路等元件共同组成。单片机智能水位监控识别系统通过超声波传感器对水箱内的水位进行检测，将数据传输至单片机处进行分析和处理，并由显示电路对水箱的实时水位值进行显示，由系统对控制信号进行输出，即控制系统的报警电路状态以及水泵工作状态，以此达到对水箱内水位进行智能监控的目的。由于水箱内水位的控制需要根据实际情况进行设计，因此单片机智能水位监控识别系统中水箱水位的预设上下限应根据实际情况进行更改，之后由系统对水箱水位进行实施监测，并由系统判断及控制水泵的工作状态。在水箱水位达到报警范围时，系统控制报警电路进行示警[1]。

2 单片机智能水位监控识别系统的具体设计

2.1 硬件设计

单片机智能水位监控识别系统使用的硬件设备在设计时基本分为以下四类：水位的检测电路设计、水泵的控制电路设计、按键的电路设计、显示的电路设计以及报警的电路设计。

单片机智能水位监控识别系统的水位检测电路在设计时采用超声波传感器对水位的信息进行检测，通过传感器的发射器探头和接收器探头以及控制电路，对水箱内水位采取超声波发射和接收，通过计算超声波的来回时间差算出超声传感器的发射器探头和被测物体之间的距离，进而确定水箱内的水位情况[2]。

图1 超声波传感器

测试距离公式为：L=[高电平时间*声速（340m/s）]/2；通过单片机内部数学公式的运算，达到水位液面监控。

单片机智能水位监控系统的水泵控制电路设计是由内部电机驱动电路和水泵泵体构成。在水箱主要通过水泵泵体进行注水功能，排水功能主要通过电子阀门安装于水箱底部。水泵的控制电路由大功率继电器控制，继电器通过PNP三极管驱动，并由单片机的P1.0 IO口进行控制。在水位监测的过程中，单片机对水泵的工作状态进行控制，当P1.0输出高电平时，由于PNP三极管具有放大电流能力，从而驱动大功率继电器闭合，使得水泵工作，对水箱进行注水。当P1.0输出低电平时，继电器断开，水泵停止工作[3]。

单片机智能水位监控识别系统的按键电路设计指的是整个系统模式中控制选择情况以及水位上下限数值的设计。在单片机智能水位监控识别系统中按键的设计为四种：S1为设置或保存；S2为加数值或模式的切换；S3为减数值；S4为排水或注水。在系统默认中，系统为自动对水箱水位进行检测并进行注水或排水操作的模式，当水箱内水位在设计范围内，LED灯呈绿色，此时可通过S2按键进行手动模式的启动，当手动模式启动后，LED灯呈黄色，此时可以通过手动按键进行水箱内水位的调节，即按S4接1/4进行排水操作，S4接2/5进行注水操作，在完成注水或排水操作后，可以通过再次按S2键退出手动模式，系统会自动转换为自动模式。系统对水箱内水位的测量范围由S1键进行设置，即通过按键S1进行修改对象的定位，之后通过按键S2或S3进行水位数值的增加或减小，在设置完成后通过再次按键S1退出并保存设置水位值[4]。

单片机智能水位监控识别系统中显示电路的设计是为了将水箱内的实时信息传递给系统，方便系统的工作人员直观清晰的对水箱水位的监测数据进行观察。显示方面采用LCD12864液晶显示器，并且系统附带串口输出功能，技术人员还可通过串口通信读出近期系统的工作日志，以此将系统对水箱内水位的检测数据进行实时显示，方便工作人员进行水位调整[5]。

单片机智能水位监控识别系统中报警电路的设计组成为LED彩灯以及蜂鸣器报警电路。报警器和LED彩灯分三种情况进行警示操作：第一种水箱内水位大于预设水位时，蜂鸣器鸣响示警，且LED灯呈红色，提示监测人员水箱水位过高系统控制水泵进行排水操作；第二种水箱内水位处于预设水位区间时，LED灯呈绿色，表示水箱水位正常；第三种水箱内水位小于预设水位时，LED灯呈黄色，提示监测人员水箱水位过低，系统控制水泵进行注水操作。

2.2 软件设计

在单片机智能水位监控识别系统中使用的系统软件大致分为以下几种子程序，第一种为水箱内初始化以及水位检测子程序；第二种为单片机智能水位监控识别系统中按键操作用到的子程序；第三种为显示水箱内预设水位上下限以及实时水位的液晶显示子程序；第四种为水箱内水位示警以及水泵控制子程序。这几种程序的结合使用，使单片机智能水位监控识别系统可以科学良好的运行，极大程度的提高了我国水利行业的工作效率，为其发展提供了最基础的保障。

软件设计思路，单片机启动在main函数中进行超声波传感器、电子阀门、继电器、抽水泵以及按钮和显示模块的初始化；通过超声波传感器采集回来的模拟信号经过傅里叶级数的展开公式：

可知，该信号除了基波分量是直流分量外，剩下的都是高频信号，并且多项式越往后高频分量频率越高，能量级数越低。所以设计过程中经过模块滤波可以滤除更多无用的信号，使得系统鲁棒特性增强[6]。

LM393比较器去调节水位的测量灵敏度，CPU处理采集换来的信号，计算出水面的位置，当水面高度达到预设值时，停止水泵工作。当然也可以该系统也可用于灌溉行业使用，当检测到外界土地湿度较低时，打开电子阀进行灌溉。

图2 程序流程图

2.3 设计总方案图

图3 设计方案图

3 结论

综上所述，将单片机作为控制核心芯片的智能水位监控识别系统，其实现了在水位监控系统中智能化的设计工作。单片机智能水位监控识别系统在使用阶段可以良好的对水箱内水位情况进行信息的采集和处理，同时在发现水箱内水位超出预设水位上下限时，自动控制水泵进行相应的排水或注水操作，降低了水箱水位监控人员的工作强度，提高了工作效率。并且单片机智能水位监控识别系统可以通过设计按键模式的方式，控制水泵的注水和排水模式，在实际使用中灵活性较高。且系统可以通过对水箱内预设水位上下限进行调整，实现了对水箱内水位的实时灵活控制，系统的设计成本较低，实验室测试效果良好，在提高我国水利行业发展方面作用十分明显。