基于單片機教學和實訓應用的水情監測系統的設計

黃俊梅 馬強 陳德興

摘要：介紹了一種基于單片機的集教學、實訓、科研為一體的水情監測系統。該系統可實現快速、穩定的液位及pH值檢測，具有結構簡單、操作快捷、功能穩定等優勢。該檢測系統采用超聲波傳感器實現液位測量，通過電極之間的電位差，測量氫離子濃度，獲得待測液體的pH值，采用LCD12864液晶顯示模塊實現數據顯示，并可通過藍牙模塊實時發送液位及pH數據至手機顯示屏實現移動數據監測。通過測試表明，本自制水情監測系統水位誤差精度可控制在0.08 mm左右、pH誤差精度可控制在0.004左右，檢測系統整體運行狀況穩定精確，各項技術指標可達到設計要求。本自制水情監測系統是一個典型教學樣板可服務于廣大單片機愛好者和學生的教學、實驗、實訓等環節。

關鍵詞：單片機；pH值；水位傳感器；顯示

0 前言

水情監測系統是一種實時采集監測區域內水位、pH酸堿度等信息的數據采集及顯示預警系統，以便于相關部門根據監測信息及時做出預防措施，從而減少水害損失、提高水資源利用率[1]。本文將介紹一款服務于單片機教學和實訓應用的自制水情監測系統。

1 水情監測系統設計方案

1.1 設計要求

水情監測系統的組成部分主要包括水情檢測單元、水情顯示單元和供電單元三部分，如圖1所示。

圖1中a為容器，b為pH傳感器，c為液位傳感器，水情監測系統的設計要求如下：

1）要求自制水情監測系統：

2）多次向容器中注入若干毫升的純凈水，要求每次在1分鐘內完成水位的測量并穩定顯示，測量偏差不大于2mm。

3）保持水位不變，多次向塑料容器注入若干白醋，測量每次的PH值。要求在2分鐘內穩定顯示，測量偏差不大于0.1。

4）通過液晶屏和手機APP顯示兩種方法進行數據顯示、要求分四行顯示“水情檢測系統”和水情測量結果。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值及單位“V”，保留2位小數。

1.2 系統總體方案設計

本設計將實現pH（酸堿度）值、液位高度值、溫度值的數據采集、數據處理和數據顯示等功能[2]，系統總體設計方案如圖2所示。

1.3 器件選型

1.3.1 單片機選型

本設計中將選取STC12C5A60S2單片機作為主控制核心。STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍，可為眾多嵌入式控制應用系統提供有效的解決方案。STC12C5A60S2內置8路高速10位A/D轉換（250 K/S），轉換速度高，功耗低，可為水情監測液位及pH值等模擬量的數據采集和處理提供便捷，減少電路的復雜程度，提高系統的可靠性。

1.3.2 液位傳感器選型

液位的檢測，本設計中將選用被廣泛應用的超聲波液位傳感器。超聲波傳感器利用聲波介質對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測，具有測量精準、性能穩定、維護簡便、環境適應性強等優點，是液體高度測量的理想手段。超聲波傳感器工作原理如圖3所示。

超聲波發生器T在某一時刻發出高頻脈沖聲波（40kHz），當遇到液位表面將被反射折回，經過時間t被超聲波接收器R接收到轉換成電信號[3]。已知，不同溫度下超聲波環境聲速V會變化V= 331.5+0.6×溫度，則傳感器探頭到液位表面的距離S與聲波的傳播時間t成正比，S=V×t/2。若傳感器到池底的總高度H是一定的，則液面高度H=H-S。

因此，利用以上關系式，通過單片機編程的方法最終可計算出超聲波傳感器到液面的距離S和液面深度h。

1.3.3 PH傳感器選型

pH值也稱氫離子濃度指數、酸堿值，是溶液中氫離子活度的一種標度，是環保、醫學、農業、工業、實驗室等場所水溶液重要的理化參數之一。最常用的pH傳感器是pH復合電極傳感器，它是將pH指示電極（指示待測溶液中離子活度變化的電極）與參比電極（在測量電極電位時用來提供電位標準的電極）組合在一起的電極[4]。根據指示電極外殼材料可分為塑殼和玻璃電極兩種。本文將選用上海雷磁231-01型pH玻璃電極進行pH值得測定，如圖4所示。

pH玻璃電極其外部是由特殊玻璃膜制成的玻璃電極，其內部為參考電極，二者組成復合電極。從pH復合電極的玻璃電極和參考電極兩端輸出的信號為電壓。在一定的溫度下，通過測量電極之間的電位差，來反映溶液中的氫離子濃度，從而測得被測液體的pH值。

電極輸出電動勢與被測溶液pH值的關系，可用能斯特方程表示為[5]

由上式可知：復合電極兩電極之間的電位差與pH值呈線性關系，通過單片機編程實現pH值的測定。

1.3.4 顯示器選型

本設計采用LCD12864和手機顯示兩種方案進行水情監測與顯示。

1.3.4.1 LCD12864液晶顯示

LCD12864是一種低電壓低功耗、帶中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊，其顯示分辨率為128×64，可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，可完成圖形顯示。該模塊具有靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。本設計將選用LCD12864進行水情顯示。

1.3.4.2 手機顯示

移動終端已經成為21世紀信息生活中人們必不可少的重要組成，尤其是手機的應用。對于本設計中的水情顯示除了可用液晶屏顯示外，也可通過手機屏幕進行移動顯示。通過單片機的串口連接藍牙模塊發送液位及pH數據，然后在手機端通過手機藍牙收取數據，并將數據顯示出來，實現水情的實時與移動監測。單片機與手機終端的無線通訊還可為后期的功能拓展提供基礎，用戶通過上位機編程可實現切換手機顯示界面進行功能切換。

2 水情監測系統軟件程序設計

水情監測系統軟件程序設計主要包括：系統初始化、按鍵處理、數據的采集與處理、輸出顯示等幾個部分，主程序流程圖如圖5所示[2]。

當系統上電后首先完成各個組件的初始化；判斷是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，則進行相應的按鍵處理，例如pH校準、復位等命令；STC12C5A60S2單片機進行液位、pH值和溫度的模擬量數據采集：單片機內部進行數據濾波與計算得出PH值與液位；LCD12864液晶上分四行行顯示文字“水情監測系統”、液位高度值、PH測量值和電池輸出電壓值。與此同時，單片機通過藍牙串口通信，將相同的水情信息在手機終端上進行實時顯示。

3 設計實物及測試結果

3.1設計實物

水情監測系統設計實物如圖6所示。

3.2 測試結果

3.2.1 液位測試結果

液位測試結果如表1所示。

3.2.2 pH測試結果

pH測試結果如表2所示。

4 結論

通過一系列驗證測試，本自制單片機水情監測系統可實現pH校準，液位和pH的實時檢測與顯示。經測試水位誤差精度可控制在0.08左右，pH誤差精度可控制在0.004左右，具有測量精度高、響應速度快、操作簡單快捷等優點，可作為一個典型教學樣板服務于廣大單片機愛好者和學生群體的教學和實訓等環節。

參考文獻：

[1]林雨水庫水情數據采集與閘門自動控制系統的研究[D].昆明理工大學2014

[2]張桂紅簡易水情檢測系統設計[J]信息與電腦（理論版），2017，（19）：131-133

[3]付存謂，費美芬一種新型的水位檢測系統[J]微型機與應用，2016，35（21）：94-97

[4]祁建廣，李寶營超低功耗水質pH檢測儀設計[J]儀表技術與傳感器，2017，（03）：118-120

[5]楊燎原用玻璃電極法準確測定溶液中pH值的分析路徑[J]環境科學導刊，2010，29（S1）：94-95