一种基于单片机控制的水位报警装置设计*

朱贵宪

(安阳工学院计算机科学与信息工程学院,河南 安阳 455000)

0 引言

随着经济发展和城市化进程的加快,城市面积不断扩大,人类居住越来越集中,交通道路越来复杂,涵洞、地下道在城市里面越来越多,一旦出现强降雨天气,雨水会在涵洞、地下道内迅速汇聚,水位快速提升,如果此时路人或者车辆涉险强行通过,会造成人员溺水、车辆涉水熄火,甚至当水位过高时会淹没车辆,造成人在车内窒息而危及生命[1]。因此,有必要设计一种基于单片机控制的水位报警装置,安装在涵洞、地下道等易积水位置,当汇聚的水量升高且超过危险水位时,报警装置会自动进行声光报警,提醒人员或车辆禁止通行,实现对路人和车辆的保护与提醒。

1 水位报警装置总体结构设计

水位报警装置主要由水位传感器、模数转换器、电源模块、单片机控制单元、光电耦合器模块、声音报警模块、灯光报警模块组成,如图1所示。该装置的基本工作过程是:两个水位传感器与模数转换器连接,水位传感器采集的模拟信号经模数转换器转换后形成数字信号,输入到单片机中进行分析判断,并根据水位高度的不同输出不同的控制信号,两路控制信号经过光电耦合器后,驱动对应的报警模块,当涵洞(地下道)的水位高度到达水位传感器1设置的高度时,实现灯光报警,当涵洞的水位高度到达水位传感器2设置的高度时,实现灯光和声音一起报警。

图1 水位报警装置结构框图

2 水位报警装置硬件部分设计

2.1 单片机最小应用系统

水位报警器选用宏晶科技公司生产的STC89C52单片机作为控制核心,并由其构成单片机最小系统,如图2所示。STC89C52是具有MCS-51内核、片内带有8 kB的Flash ROM和512B的RAM的单片机,共有4个8位的并行I/O口(P0、P1、P2、P3),1个全双工的串行接口;STC89C52的中断系统有6个中断源,包括2个外部中断,3个定时/计数中断和一个串行口中断,集成看门狗定时器和MAX810复位电路,工作频率范围0～40 MHz,工作电压范围5.5 V～3.3 V[2]。

图2 STC89C52单片机最小应用系统

单片机最小系统包括电源电路、时钟电路和复位电路三个部分,使用单片机的P3.3端口接收来自模数转换器ADC0832输出的数字信号,在进行模数转换时,由单片机的P3.4端口为ADC0832提供时钟信号,单片机的P2.1和P2.2端口输出控制信号至光电耦合器。

2.2 水位传感器模块

水位传感器选择深圳科易互动科技有限公司研发的一款水位、水滴识别与检测传感器Water Sensor,如图3所示。该传感器有三个输出引脚,分别是电源引脚、接地引脚和模拟信号输出引脚,其工作电压为直流电压(3.3 V～5 V)。系统设计了两路水位传感器,用以检测不同高度的水位,两个水位传感器的模拟信号的输出引脚分别接模数转换器ADC0832的CH0引脚和CH1引脚。

图3 水位传感器模块

2.3 模数转换器模块

如图4所示,模数转换器选择ADC0832集成A/D转换器,ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片,具有转换速度高、功耗低等特点,5 V电源供电,输入模拟电压在0～5 V之间。

图4 ADC0832集成A/D转换器

2.4 光电耦合器模块

所采用的光电耦合器的型号为TLP521-2。TLP521-2是可控制的光耦合器件,广泛应用于电子设备中,内有2个独立的光电耦合单元,隔离电压为2 500 Vrms(电压有效值),可使前端的输入信号与后面的负载完全隔离,从而增强电路的安全性,减小电压的干扰。如图5所示,TLP521-2由8个引脚组成,其中一组通道的1、2引脚为输入端引脚,7、8引脚为输出端引脚,另一组通道的3、4引脚为输入端引脚,5、6引脚为输出端引脚。

图5 使用光电耦合器实现声光报警

2.5 声光报警模块

水位报警装置利用光电耦合器的隔离作用,实现在单片机控制下的声光报警,如图5所示,单片机的P2.1端口和P2.2端口作为输出控制信号,分别与光电耦合器的2脚和4脚连接,光电耦合器的1脚和3脚与单片机系统共用+5 V电源。

2.5.1 声音报警模块

光电耦合器的7脚与三极管8050的发射极共地,其8脚作为光电耦合器输出的一路控制信号,来控制后面的扬声器实现报警,当单片机端口P2.1输出为低电平时,光电耦合器的1脚和2脚之间的发光二极管导通,通过光耦合作用使下级三级管的集电极与发射极导通,随后三极管8050导通,扬声器则发出报警声[3]。

2.5.2 灯光报警模块

光电耦合器的6脚接12 V电源正极,当单片机端口P2.2输出为低电平时,光电耦合器的3脚和4脚之间的发光二极管导通,通过光耦合作用使下级三级管的集电极与发射极导通,使得旋转警灯点亮发出警示信号[4],反之,当单片机端口P2.2处于高电平时,旋转警灯则处于关闭状态。

3 水位报警装置软件部分设计

如图6所示,系统启动后,两个水位传感器处于值守状态,当水位到达水位传感器1所设定的位置时,有采样信号输入到模数转换器ADC0832的CH1通道,转换成数字量后送入单片机的P3.3端口,单片机调用灯光子程序,进行灯光报警,旋转警灯点亮。随着水位升高,到达水位传感器2所设定的位置时,有采样信号输入到模数转换器ADC0832的CH0通道,可参考ADC0832通道地址设置表进行正确设置,实现对两个水位传感器信息的采集与转换,转换后的数字信号送入单片机的P3.3端口并启动声音报警程序,从而实现声光同时报警。

图6 系统主程序流程图

4 结论

该水位报警装置以STC89C52单片机为控制核心,由水位传感器、模数转换器、光电耦合器、旋转警灯和扬声器等模块组成,经测试,该水位报警装置工作稳定可靠,扬声器发出的报警声清晰洪亮,旋转警灯灯光明亮醒目,此装置可安装在地下涵洞、积水路段的合适位置,对路过的行人和车辆进行警示与提醒,此外,该装置还具有成本低廉、安装简单、实用性强等特点,具备一定的推广应用价值。