基于STC12C單片機的簡易水情檢測系統設計

林毓梁，李穎，孫蕾

（1. 山東職業學院鐵道供電與電氣工程系，山東濟南 ，250104；2. 山東職業學院鐵道機車與機電裝備系，山東濟南，250104）

0 引言

隨著國家對水污染防治工作的重視，人民群眾環境保護意識的不斷增強，在很多情況下，需要一種簡易的便攜式的水情監測裝置，用于河流、湖泊的水情監測。簡易水情監測系統主要功能包括水位檢測、PH值檢測，水位設定與報警等，為實現便攜式工作，系統還應具備電池電壓檢測與報警功能。該裝置也可以用于供水系統、污水處理、排污監測等場所。

1 硬件系統設計

1.1 硬件電路組成框圖

水情檢測系統硬件電路組成框圖見圖1所示，包括水位檢測、PH值檢測、電源模塊、A/D轉換、水情顯示、水位報警等功能模塊。

圖1 硬件電路組成框圖

1.2 水位檢測

水位檢測采用氣介式超聲波水位傳感器，探頭安裝在被測液面上方，傳播介質是氣體。液位的計算公式為：h=H-v*t/2，其中h為所求液位高度，H為超聲探頭與容器底的距離，v為超聲波傳播速度，t為超聲波傳播時間。因傳播速度v會受到溫度等因素的影響，因此我們采用了設置校正值法測量實際傳播速度，然后計算被測液位。

所謂設置校正值法即為利用一個反射性良好的擋板作為校正具，實測參考聲速，擋板位于探頭與液位之間，與探頭的距離固定。根據超聲波與固定距離探頭之間的傳播時間可計算出超聲波實際傳播速度，作為液位計算系統中液位計算的參考速度。

1.3 PH值檢測電路

PH值檢測與處理電路見圖2所示，其中圖2(a )為高精度穩壓電源，電源經D1穩壓后，經TLC4502自動校準運算放大器構成的電壓跟隨器提高穩壓精度和阻抗變換后接至PH值傳感器負極端。PH值傳感器正極端經 TLC4502自動校準運算放大器后輸出至單片機A/D轉換電路。

PH值傳感器模塊輸出信號為信號電極和參比電極的相對電壓。選用參比電極為中性溶液，即當被測溶液PH值為7時，輸出電壓理論為0，其余情況根據溶液酸堿度不同，輸出電壓發生變化。輸出電壓經過基本運放后進入A/D模塊，然后送入單片機進行處理、顯示。

圖2 PH值測量電路設計

圖2 (c)為溫度補償信號前級處理電路。PH值會受到介質溫度的影響，因此進行了溫度補償。用熱敏電阻R21測量介質溫度，溫度變化，R21阻值隨之變化，電橋平衡被破壞，電橋兩端的壓差經過兩級運放進入A/D轉換器，然后送入單片機用標定法進行PH值溫度補償。

1.4 電壓檢測

為實現裝置的便攜功能，系統采用6V電池組為供電電源。系統設計了電源電壓監測功能，定期對電池組電壓進行采樣，電源電壓信號通過穩壓后送入A/D轉換模塊，然后進入單片機進行處理、顯示。當電池電壓過低時，進行顯示報警提醒工作人員更換電池或進行充電。

圖3 主程序流程圖

1.5 顯示電路

采用常用的12864 LCD顯示器完成檢測裝置的顯示功能，分四行顯示“水情檢測系統”和水情檢測結果。第一行顯示“水情檢測系統”；第二行顯示水位測量高度值及單位“mm”；第三行顯示PH測量值，保留1位小數；第四行顯示電池輸出電壓及單位“V”，保留2位小數。同時，通過增加鍵盤電路及顯示菜單，可以方便的修改水位報警設置值。由于顯示刷新速率要求不高，顯示接口采用串行數據傳輸。

2 程序設計

系統程序設計采用自上而下、模塊化、結構化的程序設計方法，把程序分解成一個個功能模塊，每個功能模塊相互獨立，每個模塊都能完成一個明確的任務，實現某個具體的功能。根據設計要求，程序分為初始化、A/D 轉換、LCD顯示、報警處理等模塊。PH檢測、水位檢測輸出的信號為微弱信號，易受干擾。在進行軟件設計時，考慮了這些造成誤差的因素，通過誤差處理程序，進一步提高系統精度。主程序流程如圖3所示。

3 實驗測試

3.1 測試方案

本水情檢測裝置在模擬水箱內進行了測試實驗，先將水箱清空，多次向水箱中注入若干純凈水，并測量、記錄每次的水位值，與標準值（鋼直尺測量結果）比較，計算誤差；保持水位不變，多次向塑料容器中注入白醋，測量、記錄每次的PH值，與標準值比較，計算誤差值。

3.2 測試結果

測試結果見表1、表2所示。結果顯示，該水情檢測系統無論是水位檢測還是PH檢測均取得了較好的效果，誤差控制在設計要求的范圍之內。

表1 水位測試

表2 PH值測試

4 結論

經多次長期測試使用，該水情檢測系統可在多次注水的情況下，1分鐘之內測量0-210mm范圍內的液位，誤差不超過2mm；在不同酸堿度的情況下，也可以在1分鐘之內測量液體PH值，誤差不超過0.1，達到了設計要求。被設計提供了一種簡易的便攜式水情檢測裝置解決方案，可廣泛應用于各種水資源和水污染檢測。

參考文獻

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