簡易水情檢測系統(tǒng)設(shè)計

劉嘉慧

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧沈陽，110023）

1 系統(tǒng)方案

水情檢測系統(tǒng)采用現(xiàn)代科技對水文信息進(jìn)行實時采集、存儲和傳輸?shù)膶ｉT技術(shù)，有效解決江河流域及水庫洪水預(yù)報、防洪調(diào)度及水資源合理利用的先進(jìn)手段，是水文現(xiàn)代化的發(fā)展方向。水情檢測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測一些人無法靠近的區(qū)域或者無需人力來監(jiān)控的現(xiàn)場。基于此設(shè)計開發(fā)出一種多功能、可靠性高、維護(hù)方便，可適用于水文、水庫、雨量監(jiān)測的檢測系統(tǒng)具有重要的實際應(yīng)用價值。

圖1 簡易水情檢測系統(tǒng)示意圖

上圖中，a為容積不小于1升、高度不小于200mm的透明塑料容器，b為pH值傳感器，c為水位傳感器。整個系統(tǒng)僅由電壓不大于6V的電池組供電，不允許另接電源。檢測結(jié)果用顯示屏顯示。

系統(tǒng)方案設(shè)計：本系統(tǒng)單片機采用STC89C52RC為主控芯片，水情顯示的硬件為128*64位的LCD液晶顯示器件，pH值的測量選用pH傳感器，水位的測量選用超聲波傳感器，電源采用可充電的4節(jié)充電電池供電。傳感器和單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705來完成，AD7705可直接接收來自傳感器的低電平輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出，發(fā)送給單片機，通過顯示屏顯示出來。按鍵部分具有復(fù)位清零功能。本系統(tǒng)還設(shè)置了上下限報警功能，當(dāng)數(shù)值超出范圍時發(fā)出報警信號。

2 設(shè)計與論證

2.1 水情信號處理方法

（1）液位測量方法

超聲波水位儀的基本檢測原理是：將超聲波傳感器安裝在距水底高H處并發(fā)射出一連串的超聲波，超聲波在傳播過程中，當(dāng)遇到被障礙物的時候，反射回接收電路。反射的超聲波在空氣中傳播，接收傳感器將接收到的反射信號與發(fā)射信號做算法處理，計算出超聲波從發(fā)射至接收的延遲時間t，根據(jù)超聲波在空氣中的聲速c=340m/s，可計算出傳感器與液面間的距離s=ct/2，進(jìn)而可計算出液位值h=H-s。示意圖如圖2所示。

圖2 液位計算示意圖

（2）pH值測量方法

pH值是最常用的水質(zhì)檢測指標(biāo)之一,天然水的pH值多在6-9范圍內(nèi);飲用水pH值要求在6.5-8.5之間;某些工業(yè)用水的pH值應(yīng)保證在7.0-8.5之間,否則將對金屬設(shè)備和管道有腐蝕作用。pH值和酸度、堿度既有區(qū)別又有聯(lián)系。pH值表示的水的酸堿性的強弱,而酸度或堿度是水中所含酸或堿物質(zhì)的含量。水質(zhì)中的pH值的變化預(yù)示了水污染的程度。pH值的測量方法很多，主要有化學(xué)分析法、試紙法、電位法。本文采用電位法。電位法比較直觀，它通過pH選擇電極來測量出溶液的pH值。其工作原理是用氫離子玻璃電極與參比電極組成原電池，在玻璃膜與被測溶液的氫離子進(jìn)行離子交換過程時，通過測量電極之間的電位差，來檢測溶液中的氫離子濃度，從而測得被測液體的pH值。

2.2 電壓檢測方法

電壓檢測只需將電壓傳感器并接在待測電壓線端即可。共有兩種方法。一種是互感檢測法，一般用在高電壓大電流場合。另一種是電阻檢測法，一般用于低電壓小電流場合。利用電流流過電阻時，在電阻兩端會產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，將這個電壓數(shù)值讀出即可。本系統(tǒng)采用電阻檢測法。AD7705可直接接收來自傳感器的低電平輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出，發(fā)送給單片機。

3 電路與程序設(shè)計

3.1 系統(tǒng)組成

對題目進(jìn)行深入的分析和思考，可以將整個系統(tǒng)分為以下幾部分：單片機最小系統(tǒng)、鍵盤電路、顯示模塊、超聲模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊。

圖3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中單片機采用STC89C52RC為主控芯片，ADC轉(zhuǎn)化芯片選用16位2通道AD7705采集pH傳感器將檢測出的pH值和電壓值，顯示模塊采用液晶LCD12864。超聲模塊選用US-100超聲波測距傳感器，電源采用4節(jié)1.2v鋰電池供電。

3.2 原理框圖與各部分電路圖

（1）單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)就是使單片機正常運行的最低配置：它由一系列模塊組成，如電源模塊、時鐘模塊、復(fù)位模塊、下載模塊等，其中電源模塊通常采用三端集成穩(wěn)壓器實現(xiàn)，但本題目要求整個系統(tǒng)僅由電壓不大于 6V 的電池組供電，不允許另接電源因此采用采用可充電的4節(jié)1.2v鋰電池實現(xiàn)。時鐘模塊為單片機工作提供基本時鐘。復(fù)位電路是一種用來使電路恢復(fù)到起始狀態(tài)的電路設(shè)備。下載電路使用單片機的ISP功能，通過單片機串行口對其進(jìn)行編程下載。

（2）顯示模塊

使用液晶屏LCD12864，分辨率為128*64,內(nèi)置8192個16*16點漢字和128個16*8點ASCII字符集,可以顯示字母、數(shù)字及漢字，一次可顯示4行，清晰直觀，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。具有低電壓、低功耗、價格低等特點。

（3）超聲波傳感器模塊

US-100超聲波測距模塊可實現(xiàn)2cm-4.5m的非接觸測距功能，擁有2.4-5.5V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進(jìn)行校正，同時具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。本模塊共有兩個接口，即模式選擇跳線和5 Pin接口。本系統(tǒng)選用串口模式。

串口觸發(fā)測距工作原理：在模塊上電前，首先插上模式選擇跳線帽，使模塊處于串口觸發(fā)模式。串口觸發(fā)測距的時序如圖4所示。

圖4 串口觸發(fā)測距時序圖

在此模式下只需要在Trig/TX管腳輸入0X55（波特率9600），系統(tǒng)便可發(fā)出8個40kHZ的超聲波脈沖，然后檢測回波信號并輸出。輸出的距離值共兩字節(jié)，第一字節(jié)是距離的高8位（HDate），第二字節(jié)為距離的低8位（LData），單位為毫米。即距離值為（HData*256 +LData）mm。

（4）pH傳感器模塊

pH電極通過BNC 輸出毫伏級信號，該模塊實現(xiàn)信號放大功能，可將采集信號轉(zhuǎn)換為0-5V 電壓，根據(jù)電壓標(biāo)準(zhǔn)曲線將輸出電壓信號轉(zhuǎn)換為待測溶液pH值。

（5）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

AD7705是應(yīng)用于低頻測量的16位2通道模擬前端，需要2.7-3.3v或4.75-5.25v單電源供電，可用于環(huán)路供電、電池供電或本地供電的應(yīng)用中。具有低功耗、低成本、適合直流測量等特性，該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。AD7705可直接接收來自傳感器的低電平輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出，是用于智能系統(tǒng)的理想器件。

4 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

4.1 測量數(shù)據(jù)

表1 液位高度測量數(shù)據(jù)記錄表

121 119 2 152 151 1

表2 pH值測量數(shù)據(jù)記錄表

表3 電壓值測量數(shù)據(jù)記錄表

4.2 結(jié)果分析

液位高度：標(biāo)準(zhǔn)液位高度由直尺測量，測量液位高度由本系統(tǒng)測得，從表一可以看出測量偏差均不大于2mm。不僅滿足題目基本要求，還符合題目發(fā)揮部分要求。

pH值：標(biāo)準(zhǔn)pH值由pH計測量，測量pH值由本系統(tǒng)測得顯示，從表二可以看出測量偏差最大值為0.19，不大于0.5。滿足題目基本要求。有兩次測量偏差不大于0.1。符合題目發(fā)揮部分要求。

電壓值：標(biāo)準(zhǔn)電壓值由五位半萬用表測得，測量電壓值由本系統(tǒng)測得并顯示，從表三可以看出測量偏差最大值為0.00583V，不大于 0.01V。