基于单片机的水情监测系统的设计

史磊

（陕西机电职业技术学院 电子与信息学院，陕西宝鸡，721000）

0 引言

在工农业生产中，大型的水库、水箱是重要的蓄水工具，对水情进行有效的实时监控、可靠控制将直接关系到工厂生产效率以及农业生产质量[1]。以前，对于水库和水箱的控制一般是基于人工，但由于人工操作存在不及时、不准确等弊端，所以对于水情的控制，如果能够使用一种能自动且不间断的监测系统，将对生产生活带来很大的便利。此系统要求能够实时反应水情信息，并根据当前水情信息自动与预设的水情进行对比分析，从而自动向管理人员提供水情超上限和超下限的声光报警，并自动控制相应的闸门或阀门电机进行蓄水和放水[2]。这不仅提高了水情监控的安全性，实时性，更大程度提高了可靠性，对于节约水资源和合理利用水资源有着不可代替的意义。

1 原理与设计

水情监测系统选用单片机STC89C52作为控制器。利用压力传感器受到来自于水的压力和水面上大气压的压差，再通过AD转换电路将压差模拟信号转换为与水面高度成比例的电压信号，进而完成水位高度的检测。浊度检测是水质分析中的必检项目，因此，水质检测将利用浊度传感器来完成。从功能要求角度看，本系统能实现水位检测、水质检测、液晶显示、按键设置、水位控制等功能。因此，水情监测系统由单片机控制部分，水位检测部分，水质检测部分，AD采集部分和显示部分等构成，系统的总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

水情监测系统利用压力传感器测量出水位的具体高度，利用按键设置水位的上、下限值；当水位高度低于下限值时，报警提醒，继电器工作打开水泵进行抽水，当水位高度高于上限值时，继电器断开，自动关闭水泵停止抽水，同时，报警解除；浊度检测是利用一个红外对管，当光线穿过一定量的水时，光线的透过量取决于该水的污浊程度，水越污浊，透过的光就越少。具体能实现的功能有以下几点：（1）利用水压传感器检测水位值；（2）利用浊度传感器检测当前水的污浊程度；（3）利用液晶显示器显示当前检测值与阀值；（4）水位低于下限值或高于上限值时，水泵开始加水或排水，同时报警电路工作；（5）设定浊度阀值，当浊度高于阀值时，水泵启动开始排水，同时报警提醒。

2 硬件电路设计

本次设计的系统硬件部分主要包括STC89C52单片机主控模块、压力传感器模块、浊度传感器模块，ADC0832模数转换模块，按键模块，蜂鸣器报警模块、LCD1602显示模块和电机驱动模块等。

2.1 单片机最小系统

单片机最小系统主要是由STC89C52单片机组成的一个最小系统，一块单片机只有把它接入相应的电源，相应的晶振电路，再加入相应的复位电路然后下载相应的程序，通过这样组合的单片机才能正常的按照所写的程序要求来执行操作[3]。

单片机只有满足相应的时钟信号才能进行工作，时钟信号由时钟电路产生，通过在STC89C52的 XT1、XT2引脚上接入11.0592MHz的石英晶振外加两个电容器（电容器根据经验一般取30pF）组成的电路为单片机提供时钟信号。

单片机的复位有上电复位和按键复位两种模式，当出现死机和运行错误的时候，一般采用按键方式对单片机进行复位操作，对于本系统所采用的单片机需要在复位管脚RST上产生两个周期的高电平才能使单片机复位[4]。

水情监测系统利用单片机的 P3.0/RXD 引脚、P3.1/TXD引脚以及电源接地引脚与下载模块相连接，通过专用的下载连接线就可以对单片机进行下载操作，能很方便的对系统进行程序升级。

2.2 水情监测电路

对于水位监测电路，本系统使用的是压力传感器，众所周知，水越深，压力越大，水的深度与压力成正比，因此可通过测量压力换算为液面高度。压力传感器由敏感元件、转换元件、后续处理部分组成，压力传感器采用应变片来实现压力的测量，应变片的制造原理是依据桥式电路，当应变片上没有压力时，输出的电压为零；当有压力作用时，电桥不平衡，有一定的电压输出，输出的电压与电阻的变化量成线性关系，这样通过测电压就间接测量出压力的大小[5]。

浊度传感器内部是一个IR958与PT958封装的红外线对管，当光线穿过一定量的水时，光线的透过量取决于该水的污浊程度，水越污浊，透过的光就越少。光接收端把透过的光强度转换为对应的电流大小，透过的光多，电流大，反之，透过的光少，电流小[6]。通过测量接收端电流的大小，就可以间接计算出水的污浊程度。

水位电压信号和浊度电流信号（浊度电流信号经过电阻转换为0 V～5V电压信号），通过A/D转换器进行采样处理，单片机就可以获知当前水的水位和污浊度。

2.3 液晶显示电路

液晶显示电路主要通过USB转串口线来与LCD1602液晶显示屏通信将ADC0832采集和转换的数据传给LCD1602，显示出所测得液面高度和浊度。液晶显示电路分别将单片机的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口分别接到液晶显示模块的信号端口RB0～RB7。

3 系统软件设计

软件设计主要包括单片机主程序模块、显示程序模块、模数转化程序模块和其他简单程序模块。依据硬件电路，为每个模块进行程序编写开发。在本系统的软件设计编写过程中，先使用C语言编写每个模块自身的程序，再将各个部分的程序结合起来实现整体功能。

3.1 主程序设计及流程图

在水情监测系统中，水位信息和浊度信息通过ADC0832模数处理之后，单片机就可以获知当前水的水位和污浊度，然后根据设置的阈值，将当前值与阈值进行对比，进而对水泵的启停做出判定[7]。同时主程序还具有液晶显示当前采集到的水位值、浊度值和阈值的功能，报警功能和阈值设置等功能，这样使用户操作更为方便。主程序设计流程图如图2所示。

图2 主程序设计流程图

3.2 水位及水质检测程序设计

当使用检测水位的压力传感器检测到信号后，会将模拟信号传输到ADC8032中，实现模数转化，然后单片机将实时采集到的信号与设定的阈值进行对比，并做出对应的处理[8]。如果当前水位低于设定值，水泵将会启动加水，蜂鸣器报警。如果检测到当前水位值高于设定的上限值时，水泵停止加水。水位检测流程图如图3所示。

图3 水位检测流程图

浊度的测量也是由单片机进行控制，用浊度传感器检测浊度值，然后经过A/D转换之后将检测的数据送至单片机并通过LCD进行显示。当浊度值高于设定的上限值时，打开水泵开始排水，同时蜂鸣器报警。水质检测流程图与水位检测流程图类似，这里将不再赘述。

4 系统调试

4.1 硬件电路调试

系统硬件电路调试首先要对焊接好的各个电路进行直观检查，具体可以参考以下几步[9]：

（1）连线是否正确，在通电之前应先检查一下电路的连线是否正确，包括错线，多线等情况。查找的方法有：按一定的顺序逐一检查安装好的线路，由此，可容易查出错线、少线的情况；还有一种方法就是按照实际的线路来对照原理电路图进行查线，这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个接线处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线的情况。

（2）检查元器件引脚之间有无短路；连接处有无接触不良；二极管和电容极性等是否连接有误。电源、信号源连接是否正确。

（3）电源端对地是否存在短路，在通电前，断开一根电源线，用万用表检查电源对地端是否存在短路。

其中在硬件调试的过程中不免会出现一些问题，水情检测系统在制作过程中就出现了以下两个问题：

（1）液晶显示屏不显示

由于显示模块是设计中最直观的，也是验证其它功能是否正常的前提，因此，在本设计中首先检测的就是显示模块。在系统焊接完成之后，给系统上电，发现显示屏不能显示，只是背光亮但是没有数字显示。首先是查看电路有没有连接错误，焊接过程中焊锡短路或断路等情况，但是最终经过检测之后排除了这些问题。然后查阅资料后发现是显示屏的对比度，是需要调节的，然后在调节端增加了10k电位器进行调节，经过缓慢调节，显示屏上的数字逐渐显示出来。经过这样修改之后显示模块正常工作。

（2）继电器模块

在显示模块调试完成之后，在进行电机抽水检测时，发现当继电器吸合之后液晶屏显示正常，当按下按键，继电器关闭时，液晶屏就容易出现花屏（概率40%，没显示任何内容，就亮着背光灯，系统功能可以正常工作，按下按键一样可以操作继电器，只有断电重启后，液晶屏才又正常）。经过查阅资料后发现继电器闭合时，负载充电电流较大，导致电源电压跌落，LCD复位；最后给LCD电源处并联100μF的电容，经过这样修改之后模块显示正常[10]。

4.2 软件仿真调试

使用proteus仿真软件对电路进行软件仿真，查看仿真电路是否可以正常运行。在仿真电路中利用滑动变阻器模拟经过AD转换后的水位信号和水质信号。仿真电路图如图4所示。

图4 电路仿真图

仿真调试也是要模块化调试，一个程序块一个程序块的调试，例如，先写一个液晶显示程序，看显示屏是否正常工作，从单个到整体，在本系统的软件调试中分别对水位水质检测系统的各个子程序进行调试，直到系统功能全部均能实现。

4.3 综合调试

本系统由单片机、检测水位的压力传感器、检测水质的浊度传感器、LCD1602显示屏、继电器、水泵等组成。实物图如图5所示。

图5 电路实物图

在完成硬件电路检查和软件仿真调试后，就要将软硬结合在一起进行调试了，也就是让编写好的程序代码直接在所焊接好的硬件电路中运行，观察现象，当系统的运行状况与之前设计要求的思路不一致时，就要对系统硬件或者软件进行修改了。综合调试步骤如下：

（1）将压力传感器、浊度传感器、水泵和电源线连在电路板上。

（2）插上电源线之后按下电源开关。

（3）4个功能按键，分别为功能加键、功能减键、模式选择键和确定键，首先按“模式选择键”选择进入水位检测模式还是水质检测模式状态，再按加、减按键可以调节水位和水质的上限值及下限值。

（4）液晶显示屏应显示当前水位值和水质值。

灭菌后不可强行开锅冷却，停火2小时后趁热出锅，放置在冷却室或接种室内，当料袋温度冷却到25～28℃或常温时开始接种。接种室、接种箱及接种帐在接种前要选用规定的无公害药剂进行喷雾或熏蒸消毒处理后再进行接种作业。栽培种菌龄30～35天，750克菌种瓶每瓶可接10～12袋。

（5）当水位当前检测值小于设定的下限值时，水泵开始抽水，报警系统工作。当水位当前检测值大于设定的上限阈值时，水泵停止抽水。当浊度值高于设定的上限值时，打开水泵开始排水，同时蜂鸣器报警。

4.4 数据测试

4.4.1 水位高度的检测

向量杯中分别倒入不同体积的水，通过读取量杯外壁的刻度值测量出当前水位的实际值，同时可以从LCD1602显示屏读取当前水位的测量值，将6次测量结果记录在表1中。

表1 水位检测数据

4.4.2 浊度的检测

表2 浊度检测数据

5 结语

本系统利用单片机完成了基于水情监测系统的设计，实现了当水塔或水箱中的水位低于所设定的一个临界值时，报警装置启动，同时继电器吸合，水泵开始抽水，当水泵加水水量达到所设定的上限值时，报警解除，同时水泵停止工作，并扩展到了液晶显示屏上。为适应市场需求还扩充了水质检测，水质检测是保证安全用水的前提, 在本系统中利用浊度传感器检测当前水质，当检测到的当前浊度值高于设定的上限值时，打开水泵开始排水，同时蜂鸣器报警。

本次设计的水情监测系统电路实现简单，操作容易，稳定性比较高，测量准确，实用性比较强。因此，该系统可使用在农村储水、水库水位监测以及城市水源的控制检测等领域。