水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)水位、pH酸堿度等信息的數(shù)據(jù)采集及顯示預(yù)警系統(tǒng)，以便于相關(guān)部門根據(jù)監(jiān)測(cè)信息及時(shí)做出預(yù)防措施，從而減少水害損失、提高水資源利用率。本文將介紹一款服務(wù)于單片機(jī)教學(xué)和實(shí)訓(xùn)應(yīng)用的自制水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
設(shè)計(jì)要求
水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成部分主要包括水情檢測(cè)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：
（1）要求自制水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng);
（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(nèi)完成水位的測(cè)量并穩(wěn)定顯示，測(cè)量偏差不大于2 mm。
（3）保持水位不變，多次向塑料容器注入若干白醋，測(cè)量每次的 PH 值。要求在2分鐘內(nèi)穩(wěn)定顯示，測(cè)量偏差不大于0.1。
（4）通過液晶屏和手機(jī)APP顯示兩種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，要求分四行顯示“水情檢測(cè)系統(tǒng)”和水情測(cè)量結(jié)果。第一行顯示“水情檢測(cè)系統(tǒng)”;第二行顯示水位測(cè)量高度值及單位“mm”;第三行顯示PH測(cè)量值，保留1位小數(shù);第四行顯示電池輸出電壓值及單位“V”，保留2位小數(shù)。
系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)pH（酸堿度）值、液位高度值、溫度值的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示等功能，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。
器件選型
單片機(jī)選型
本設(shè)計(jì)中將選取STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制核心。STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8~12倍，可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供有效的解決方案。STC12C5A60S2內(nèi)置8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250 K/S)，轉(zhuǎn)換速度高，功耗低，可為水情監(jiān)測(cè)液位及pH值等模擬量的數(shù)據(jù)采集和處理提供便捷，減少電路的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的可靠性。
液位傳感器選型
液位的檢測(cè)，本設(shè)計(jì)中將選用被廣泛應(yīng)用的超聲波液位傳感器。超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對(duì)被檢測(cè)物進(jìn)行非接觸式無磨損的檢測(cè)，具有測(cè)量精準(zhǔn)、性能穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是液體高度測(cè)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(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出高頻脈沖聲波(40 kHz)，當(dāng)遇到液位表面將被反射折回，經(jīng)過時(shí)間t被超聲波接收器R接收到轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[3]。已知，不同溫度下超聲波環(huán)境聲速V會(huì)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(shí)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(guān)系式，通過單片機(jī)編程的方法最終可計(jì)算出超聲波傳感器到液面的距離S和液面深度h。
PH傳感器選型
pH 值也稱氫離子濃度指數(shù)、酸堿值，是溶液中氫離子活度的一種標(biāo)度，是環(huán)保、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所水溶液重要的理化參數(shù)之一。最常用的pH傳感器是pH復(fù)合電極傳感器，它是將pH指示電極(指示待測(cè)溶液中離子活度變化的電極)與參比電極(在測(cè)量電極電位時(shí)用來提供電位標(biāo)準(zhǔn)的電極)組合在一起的電極。根據(jù)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(jìn)行pH值得測(cè)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(nèi)部為參考電極，二者組成復(fù)合電極。從pH復(fù)合電極的玻璃電極和參考電極兩端輸出的信號(hào)為電壓。在一定的溫度下，通過測(cè)量電極之間的電位差，來反映溶液中的氫離子濃度，從而測(cè)得被測(cè)液體的pH值。
電極輸出電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)溶液pH值的關(guān)系，可用能斯特方程表示為
基于單片機(jī)公式1.jpg(1)
E0：電極的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位;
R：氣體的常數(shù)R=8.314焦耳/摩;
T：絕對(duì)溫度T=273.15+t;
F：法拉第常數(shù)F=96500庫/摩。
代入常數(shù)，公式(1)將簡(jiǎn)化為公式(2):
基于單片機(jī)公式2.jpg(2)
由上式可知：復(fù)合電極兩電極之間的電位差與pH值呈線性關(guān)系，通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)pH值的測(cè)定。
顯示器選型
本設(shè)計(jì)采用LCD12864和手機(jī)顯示兩種方案進(jìn)行水情監(jiān)測(cè)與顯示。
LCD12864液晶顯示
LCD12864是一種低電壓低功耗、帶中文字庫的點(diǎn)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(diǎn)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(jiǎn)單、方便的操作指令，由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。本設(shè)計(jì)將選用LCD12864進(jìn)行水情顯示。
手機(jī)顯示
移動(dòng)終端已經(jīng)成為21世紀(jì)信息生活中人們必不可少的重要組成，尤其是手機(jī)的應(yīng)用。對(duì)于本設(shè)計(jì)中的水情顯示除了可用液晶屏顯示外，也可通過手機(jī)屏幕進(jìn)行移動(dòng)顯示。通過單片機(jī)的串口連接藍(lán)牙模塊發(fā)送液位及pH數(shù)據(jù)，然后在手機(jī)端通過手機(jī)藍(lán)牙收取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示出來，實(shí)現(xiàn)水情的實(shí)時(shí)與移動(dòng)監(jiān)測(cè)。單片機(jī)與手機(jī)終端的無線通訊還可為后期的功能拓展提供基礎(chǔ)，用戶通過上位機(jī)編程可實(shí)現(xiàn)切換手機(jī)顯示界面進(jìn)行功能切換。
軟件程序設(shè)計(jì)
水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)主要包括：系統(tǒng)初始化、按鍵處理、數(shù)據(jù)的采集與處理、輸出顯示等幾個(gè)部分，主程序流程圖如圖5所示。
當(dāng)系統(tǒng)上電后首先完成各個(gè)組件的初始化;判斷是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，則進(jìn)行相應(yīng)的按鍵處理，例如pH校準(zhǔn)、復(fù)位等命令;STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行液位、pH值和溫度的模擬量數(shù)據(jù)采集;單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波與計(jì)算得出PH值與液位; LCD12864液晶上分四行行顯示文字“水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”、液位高度值、PH測(cè)量值和電池輸出電壓值。與此同時(shí)，單片機(jī)通過藍(lán)牙串口通信，將相同的水情信息在手機(jī)終端上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。
手機(jī)掃描二維碼
