池塘水位水溫實時遠距離監測裝置的設計

龍光利

摘 要： 針對目前池塘水位水溫測量不精確、實時性較差等問題，設計一種池塘水位水溫實時遠距離監測裝置。該裝置包括硬件和軟件兩部分。硬件由單片機最小系統、水位傳感器、水溫傳感器、SIM模塊、液晶顯示模塊等組成。軟件由主程序、溫度采集子程序、液晶顯示子程序等組成。水溫水位采集模塊將水位和溫度信息傳送到數據處理模塊；通過鍵盤可以設置溫度和水位的上下限值，單片機把水位和溫度傳感器傳送來的數據經過處理，產生相應的顯示代碼驅動液晶顯示模塊進行顯示，同時能將水位水溫信息實時發送到手機上，并可進行遠程控制。實踐表明，裝置工作穩定、監測距離遠，池塘水位水溫測量比較準確、實時性好。

關鍵詞： 水位監測； 水溫監測； 實時監測裝置； 短消息； STC89C52

中圖分類號： TN931+.3?34； TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0143?04

Design of real?time remote monitoring device for water level and

water temperature in pond

LONG Guangli

（School of Physics and Telecommunication Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723001， China）

Abstract： Aiming at low accuracy and poor real?time performance of monitoring the water level and water temperature in pond， a real?time remote monitoring system of water level and water temperature in pond was designed. The device includes hardware and software. The hardware is composed of the MCU minimum system， water level sensor， water temperature sensor， SIM module， liquid crystal display module， etc. The software is composed of the main program， temperature acquisition subprogram， liquid crystal display subprogram， etc. The water level and water temperature acquisition module transmits the water level and water temperature data to data processing module. The upper and lower limits of water temperature and water level are set by means of keyboard. MCU processes the data transmitted by water level and water temperature sensors， then generates the corresponding display code to drive the liquid crystal display module for display， and sends the water level and water temperature information to mobile phone in real time for remote control. The practice results show that the device can work stably， has long monitoring distance， and can measure the water level and water temperature accurately and in real time.

Keywords： water level monitoring； water temperature monitoring； real?time monitoring device； short message； STC89C52

0 引 言

水庫按容量可分為大、中、小型。容量大于1億m3的為大型水庫，容量在1 000萬～1億m3的為中型水庫；容量在10萬～1 000萬m3的稱為小型水庫（其中100萬～1 000萬m3的稱為小（一）型水庫，10萬～100萬m3的稱為小（二）型水庫）；容量小于10萬m3的稱為池塘或堰塘，不能稱為水庫[1]。水庫的主要功能是農田灌溉和汛期防洪，以及為居民生活、養殖用水提供有利條件，一般有專門的機構管理。而池塘的功能以養殖為主，兼顧農田灌溉和汛期防洪。良好的水環境是水產養殖的重要環節，隨著水產養殖業的迅猛發展，水產養殖方式由簡單的散養轉化為大規模的集約化養殖，且大多數水產養殖物為變溫動物，水位水溫的變化不僅影響魚類和其他水生生物的自身生長、繁殖、越冬以及對藥物與毒物的作用，同時也影響著池塘的物質循環速度等外界其他因子，只有控制好池塘水位水溫，才能提高養殖生物類的生長速度，減少疾病實現水產養殖類健康、高產、優質、高效的目的。因此及時掌握池塘水位水溫的變化，并積極地采取措施是當前水產養殖業亟待解決的問題[2]。endprint

1 硬件設計

本文設計的池塘水位水溫實時遠距離監測裝置原理框圖如圖1所示。

池塘水位水溫實時遠距離監測裝置由水溫采集模塊、水位采集模塊、鍵盤控制模塊、顯示模塊、無線通信模塊等組成。水溫采集模塊采用DS18B20傳感器（防水型），水位采集使用浮球液位傳感器，通過對水的溫度及深度進行采集處理，最后輸入控制模塊。控制模塊采用STC89C52作為核心處理芯片，進行數據的分析處理，分別對液晶顯示、放水蓄水裝置、報警裝置、無線通信模塊等進行控制。鍵盤控制是對水溫初始值、水位初始值的設定輸入裝置。無線通信模塊使用SIM900 GSM模塊，將水溫和水位信息通過GSM網絡以短信形式發送到接收手機上，從而實現實時監測。實踐表明，此裝置工作穩定，監測距離遠，池塘水位水溫測量比較準確、實時性好。

1.1 單片機最小系統

所設計的單片機最小系統由STC89C52單片機、復位電路和時鐘電路構成[3]。

（1） STC89C52單片機是與工業標準MCS?51指令集和輸出管腳相兼容的單片機，具有速度高、功耗低、抗干擾能力強等優點。單片機的工作頻率范圍在0～40 MHz之間，工作電壓在3.3～5.5 V之間；不需要專用的仿真器和編程器，可以通過串口直接下載程序且具有E2PROM功能。

（2） 復位電路：采用手動加上電自動復位方式，既具有上電自動復位的功能，又能夠通過小按鈕手動復位。系統上電時為單片機提供復位信號，系統電源穩定后再撤消復位信號。

（3） 時鐘電路：單片機引腳18和引腳19外接電容及晶振， STC89C52單片機的工作頻率在2～40 MHz范圍之內，單片機工作頻率取決于晶振XT的頻率，可選用11.059 2 MHz晶振，兩個瓷片電容選取30 pF，以保證振蕩器電路的穩定性及快速性。

1.2 無線通信模塊

無線通信模塊采用SIM900A GSM模塊，SIM900A模塊是一款雙頻的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝和ARM926EJ?S架構，可以內置客戶應用程序[4]。SIM900A工作的頻段為EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz。SIM900A模塊和用戶移動應用的物理接口為68個貼片焊盤，提供了模塊和客戶電路板的所有硬件接口。其主串口和調試串口可以幫助用戶進行開發應用。SIM900A內嵌TCP/IP協議，擴展的TCP/IP AT命令讓用戶能夠使用TCP/IP協議。模塊的工作電壓為3.4～4.5 V。該模塊有AT指令集接口、支持文本和PDU模式的短消息等；全功能UART接口，支持天線連接器和天線焊盤。常用工作模式有正常工作、掉電模式、最小功能模式等。SIM900A模塊主要通過串口與單片機進行連接，通過單片機實現對SIM900A模塊的控制。SIM900A的串口提供了多條控制線，包含數據信號線TXD和RXD，狀態信號線RTS和CTS，控制信號線DTR，DCD，DSR和RI。RXD數據接收信號線用于接收來自單片機的數據。STC89C52 的P3.0（RXD）和P3.1（TXD）兩個引腳是專門進行UART串行通信的，由它們組成串行通信接口。

1.3 水溫采集電路

水溫采集電路采用防水型DS18B20，它是美信公司研制的溫度傳感器[5]，DS18B20的輸出引腳與單片機進行通信，把DS18B20 的數據引腳和單片機的一個 I/O 口接上，就可將溫度讀出。DS18B20具有負壓特性，即當其VCC引腳和GND引腳接反時，防水型DS18B20傳感器不會被損壞，但不能正常工作。將防水型DS18B20的數據引腳DQ和單片機的P1.2端口相連，輸出池塘水溫值，并可判斷當前的溫度值是否滿足按鍵設置初值，如果超過設定值，則蜂鳴器報警。

1.4 水位采集電路

設計的水位采集電路如圖2所示。

浮球根據水位的上升或下降判定當前的水位值[6]。在圖2中4個浮球式液位傳感器與電壓比較器LM339相連，LM339的4個輸出端口與單片機的P2.0～P2.4端口相連，LM339的4個反相輸入端連接4個10 kΩ電位器，其作用是為了調節浮球式液位傳感器的靈敏度，從而使測量結果更加準確。將4個液位點的液位情況測量顯示出來，控制繼電器動作，實現水位的自動調節。

1.5 液晶顯示電路

液晶顯示采用LCD1602[7]，其工作電壓為4.5～5.5 V，在使用時直接接5 V，其工作電流是2 mA。設計的液晶顯示電路如圖3 所示。

LCD1602的3腳是液晶顯示偏壓信號，用來調整顯示的黑點和不顯示的黑點之間的對比度。在3腳接1個電位器，便于調整3腳的電壓。LCD1602的4 腳是數據/命令選擇端，將此引腳接到了ADDR0上，通過跳線帽和P1.0連接在一起，當引腳是H（High）高電平時，輸出是數據，當引腳是L（Low）低電平時，輸出是命令。LCD1602的5腳是讀/寫數據或者命令，不但可以寫給液晶數據或者命令，而且可以讀取LCD1602液晶內部的數據或狀態。LCD1602的6 腳是使能信號，可使液晶正常讀/寫命令和數據。LCD1602的7～14引腳是8個數據引腳，通過這8個引腳讀寫數據和命令。

1.6 電機驅動電路

設計的電機驅動電路如圖4所示。

驅動電路采用控制繼電器來控制蓄水泵和排水泵（對于大功率電機，可由繼電器控制交流接觸器完成）。驅動電路采用低電平觸發的電磁繼電器，當單片機輸出低電平時，PNP三極管導通，三極管發射極連接的線圈流過電流從而產生電磁效應，通過磁力的吸引，把大電壓端的鐵片開關吸引閉合，使其大電壓電路導通。當輸入端為高電平時，PNP三極管截止，電流為零，磁力消失，大電壓電路截止，從而實現小電壓控制大電壓的電路。

2 軟件設計endprint

軟件包括主程序、液晶顯示子程序、水溫采集處理子程序、水位采集處理子程序等。

2.1 主程序設計

設計的主程序流程圖如圖5所示。上電后首先對LCD1602進行初始化，之后再進行波特率和定時器的初始化，初始化完成之后通過設置并掃描按鍵，確定設置的溫度上下限和水位上下限。通過LCD1602顯示水位、水溫、空氣溫度，無線發送水位和水溫值，再判斷水溫水位是否在預先設置的范圍內。如果水溫水位在設置的范圍內則繼續掃描，如果不在范圍內蜂鳴器報警。接收打開或關閉蓄水泵或排水泵的指令，啟動水泵工作，延時一段時間（可通過按鍵設置），判斷水溫水位是否在預先設置的范圍內，循環上述過程，實現水位的自動調節。

2.2 液晶顯示子程序設計

設計的液晶顯示子程序流程如圖6所示，先對LCD1602顯示屏進行初始化（初始化大約持續10 ms），初始化完成之后延時1 ms，再判斷液晶當前的狀態，液晶的狀態字有8位，第一位可以判斷液晶當前的狀態，后7位代表數據存取的地址。當第一位為1，即BF=1時，表示液晶正忙；第一位為0，即BF=0時，表示液晶當前不忙，可以進行數據的顯示，獲得顯示RAM的地址，寫入采集到的溫度和水位值。

2.3 水溫采集子程序的設計

設計的水溫采集子程序流程圖如圖7所示。

水溫采集子程序首先進行初始化，接著單片機要使該引腳為低電平，持續時間為480～960 μs（本設計持續500 μs）。之后單片機提供一個高電平，防水型的DS18B20等待15～60 μs后會主動使該引腳為低電平，持續60～240 μs后，DS18B20會主動釋放總線，I/O口會被上拉電阻自動拉高電平，再進行ROM地址檢測，最后讀取溫度值。

[圖6 液晶顯示子程序][圖7 水溫采集子程序]

根據流程圖，用C語言編程，用Keil軟件進行編譯[8]，編譯通過后生成“hex”文件，下載燒錄到單片機STC89C52中。

3 實驗結果

首先在Proteus平臺上進行仿真[8]， 使用Altium Designer 10軟件設計PCB圖，并制作PCB板，將有關元器件焊接在PCB板上，并對水溫采集（防水型DS18B20）模塊、水位采集（浮球式液位傳感器）模塊、鍵盤控制模塊、顯示模塊、無線通信（SIM900）模塊、蓄水泵、排水泵等按電路要求連接。連接完畢，檢查無誤后通電測試。通過按鍵，設置水溫和水位的上下限，如設置水溫上限為30 ℃，水溫下限為5 ℃，設置水位下限為[14，]上限為1。將水位傳感器放入水中不同的位值，如放置水位下限為[14]時，顯示當前模擬裝置的水位為[14]。液晶顯示屏上的HT代表水溫的上限值、CT代表當前溫度，HW代表水位下限、SW代表當前水位。當需要了解池塘的水位水溫信息時，發送短信CT?SW， 短信截圖如圖8所示，圖8中收到的第一條短信表示溫度上限為50 ℃，當前水溫位24 ℃；其設置水位下限為[12]，當前水位為[14]。收到的第二條短信表示溫度上限為30 ℃，當前水溫24 ℃，當前水位為[14]，設置的水位下限為[12]。如設置四個浮球式液位傳感器可以監測4個水位點（也可設置多個液位傳感器就可監測多個水位點），分別為0，[14]，[12]，1。分別將4個浮球式液位傳感器固定在不同的位置，隨著水位的上升，即可顯示水位的高低，從而掌握水位情況。同時，通過手機回復短信，可實現遠程打開或關閉蓄水泵和排水泵。

4 結 語

本文設計的池塘水位水溫實時遠距離監測裝置，可將水位水溫信息通過GSM網絡以短信形式發送到接收者手機上，可遠程打開或關閉蓄水泵和排水泵，實現水溫和水位的自動調節。裝置工作穩定，監測距離遠，池塘水位水溫測量比較準確、實時性好。為進一步拓展應用，電源部分可采用太陽能供電系統[9?10]，增加傳感器，還可監測水的pH值、溶解氧等相關參數。

參考文獻

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