水位報警器模型的設計與制作*

孫 鹿 魏 靚 王姝曼 張忠雪 董栩含

[中國地質大學(北京)地球科學與資源學院 北京 100083]

李庚偉

[中國地質大學(北京)數理學院 北京 100083]

1 水位報警器模型的研究意義

隨著計算機技術和現代通信技術的發展，水位報警器已經從普通型向智能化發展，功能也逐漸趨向完善，而且其理論基礎和相關技術也在不斷進步．本次實驗就是在這一基礎上進行的水位報警器模型的設計和制作．

我們了解到水位報警器至關重要的作用，且對其市場進行了一定的調查，發現大多數水位報警器價格昂貴，內部組成復雜，維修和改進也較為復雜，而且大多數水位報警器只具有現場報警的作用，功能較為單一[1]．因此我們對其內部結構進行一定了解之后，做了進一步改進，做出原理簡單、維修方便、經濟適用且可遠程操控的水位報警器模型．

物聯網是近幾年發展起來的一項技術，是互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能行使獨立功能的普通物體實現互聯互通，是硬件設備和互聯網結合的產物．我們的研究是想通過電路以及與電路相連接的互聯網設備對電路的監控達到實時監控水位的目的．

2 實驗原理

在生活中,為提高水位報警的可靠性,可同時使用機械接點法和液位傳感器法．我們在考慮條件以及現有知識之后選擇了帶有電信號的機械接點法以及普通的機械運動帶動電路開閉而非振蕩電路[2，3]，便于之后電信號傳入繼電器．

繼電器模塊是智能系統控制的基本單元模塊，通過低電壓來控制高電壓，強電壓，即基本電路用來發送信號，而弱電壓作為信息傳輸系統，實現多種設備對于電路的控制．研究采用的繼電器模塊電壓為24V．在組裝的水位報警器中，繼電器模塊被接入一個有源電路中，接線方式如圖1所示[4]．

圖1 有源開關接線示意圖

3 水位報警器模型的制作過程

在設計相應的電路圖，并選擇了合適的WiFi模塊后，置備了相關的材料，準備依據電路圖進行實際材料的連接與實驗，再通過不斷地做實驗發現不足，不斷改進，得到合理的裝置．

可以使用并聯電路及雙頭開關顯示水位高度(圖2)．并聯電路運行較簡便，使用的元件簡單，費用較低，元件損傷較低，可以在一定程度上承受電路短路帶來的損害．雙頭開關的使用也可使電路通過小燈泡與電鈴的使用呈現水位情況．但是這種方法相對來說可控制電壓調節范圍較小，且不能和移動設備相連表現其智能功能．

圖2 并聯電路與雙頭開關

相比之下，使用電磁繼電器連接水位控制開關及電路更為方便．相比上面的并聯電路，使用電磁繼電器的電路多了物聯的功能．實驗中的水位報警器采用最簡單的電路設計，使單刀雙擲開關與并聯的綠燈和電鈴的一端連接，通過水中浮球的上下浮動改變單刀雙擲開關的位置來控制綠燈和電鈴的工作狀態(圖3)．當位于安全水位時，綠燈亮；當水位逐漸上升時浮球受到一定的浮力，帶動杠桿，根據杠桿原理，開關與綠燈的連接斷開，當水位上升到一定程度時，使電鈴與電路接通，發出警報；當水位下降恢復正常時，又重新與綠燈接通．綠燈和電鈴的另一端接入繼電器的輸入端，繼電器輸出端與電源負極相連，形成一個完整的電路，運用WiFi模塊加強與傳遞信號，即可實現移動設備與電路的信號傳輸，并達到監視水位的目的．

圖3 水位報警器電路圖

在實驗過程中，主要的問題包括電路圖設計的合理性、各部件的安裝、WiFi模塊的調試等，具體問題及解決方法如下：

(1)有多種電路設計方案，我們通過對每種方案的優缺點對比選擇了更適合我們所設計的水位報警器的電路圖．

(2)在初期實際材料組裝時存在不合理之處，造成操作不便，實際電路不清楚明了，之后多次試驗發現問題并及時調整，使裝置簡單明了．

(3)WiFi模塊調試過程中由于專業知識的不足形成了困難，通過設置WiFi用戶名與密碼可以正常使用．

4 實驗成果及結論

目前，已完成水位報警器的設計與制作，實物圖如圖4所示.該水位上升報警器在水位未上升到危險水位且正常工作時，由于摩擦力和浮子重力的影響，浮子懸空于水位之上，電路連通，正常小燈泡亮，當水位上升到浮子的高度，浮力又不足以使浮子抵抗摩擦力上升時，電路仍是連通狀態，小燈泡亮，當水位上升到危險水位時(量杯500 mL，容量的一半)，由于此時浮力超過靜摩擦力和重力的影響，浮子向上運動，摩擦系數減小，摩擦力減小，浮子迅速向上帶動開關位置向下與蜂鳴器連通．普通小燈泡熄滅，蜂鳴器響起報警，并通過WiFi模塊向我們的手機發送信號，實現水位變化時及時發出警報，進行遠程監控報警的效果．大大的降低了人力物力的使用．

圖4 水位報警器實際裝置圖

我們的水位報警器模型還存在很多不足，具體有：

(1)因為繼電器模塊本身工作電壓的要求，水位報警器基本電路中的電源電壓應大于26 V，故不能使用普通電池作為電源，我們采用了最大電壓為35 V的學生電源．

(2)由于使用了學生電源，教師在使用本模型進行演示時需有學生電源的配合．

(3)我們設計出的水位報警器僅在實驗室進行了初步的試驗，為便于演示采用了較大體積的浮球開關，應用在家庭、防洪中還需再進一步地試驗體積更小或更大的液位傳感器等器具．

但可以想見，若將繼電器模塊的適用電壓減小到便于攜帶的電池電壓，將報警器模型總體減小到適宜的程度，將為我們的生活帶去極大便利．