基于单片机的水量监控系统设计

刘德康 刘进 汤莉莉 谭德勇

摘 要：我国属于人均水资源量特别靠后的国家，作为高等院校，更应该节约用水。通过实际考察，学校水资源浪费的主要原因是水龙头阀门的损坏。传统人工检查效率低、成本高、不及时。该系统针对上述问题，以51单片机为核心，采用超声波传感器HC-SR04采集信号，通过水量监控算法控制电动阀门28BYJ-48，实时监测以及控制用水量，为节水以及后勤维护提供一整套方案切实可行的方案，此套方案的实施能为学校节省大量的人力物力，且此套系统具有良好的可移植性，可在公共用水场合进行推广。

关键词：实时监测 智能控制 单片机 推广

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（a）-0053-02

Design Water Monitoring System Based on Single Chip Microcomputer

Liu Dekang，Liu Jin，Tang Lili，Tan Deyong

（Department of Computer & Information Engineering，Zhixing College of Hubei University，Wuhan 430011， china）

Abstract：Our country belongs to the per capita water resources especially after leaning state，as institutions of higher learning，should save water.Through the actual inspection，the main reason for the school to the waste of water resources is the damage to the faucet valve. The traditional manual inspection of low efficiency and high cost，not timely.This system in view of the above question， MCS-51 single-chip microcomputer as the core，and HC-SR04 sensors for monitoring algorithm， through the water，water used in real-time monitoring，provides a scheme for water saving and feasible scheme of logistics and maintenance，saving a lot of manpower and material resources for the school.

Key Word：Water saving；Intelligence；Single chip microcomputer

我国有2.8万亿m3的水资源总量，全世界排第6位，但人均水资源不足世界水资源的1/4，排在世界人均占有水资源量的第109位，是世界上人均占有水资源最贫乏的13个国家之一。在学校，如何节水，也成为了学校师生共同关注的问题。因此，有学生提出，洗手间一些水龙头坏了之后，如果不及时处理，就会浪费大量的水资源，如果能第一时间通知后勤，则能把节约出来的水量用于学校的其他领域。如果能大力推广，则共同节约的水资源就能用于城市生活、工业生产和生态用水，以水资源的可持续利用促进经济社会的可持续发展，响应习总书记的号召。

在尽可能节约成本的基础上，解决洗手间水龙头损坏后造成的水资源浪费，本水量控制系统通过51系列单片机为核心，对水流量进行监控系统，提供一整套方案，拟达到以下目标：（1）自动监控，及时通知。充分考虑系统安全性、可靠性、稳定性、数据准确性、实现性。减轻相关人员的工作量；（2）在特殊的情况下，例如在特定情况下需要大量用水，系统可以合理的进行反应；（3）结合各种实际情况，对系统的功能进行扩展。

1 控制系统工作原理及硬件设计方案

系统的工作原理是流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号[1]，AD转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号。DA转换器将离散的控制信号转化为模拟电量。通过模拟电量来控制阀门的动作，从而调节流量，实现流量的精确控制。

硬件系统主要由超声波传感器HC-SR04、电动阀门28BYJ-48和STC-89C51单片机控制系统以及控制线、监视线，LED灯和蜂鸣器等组成。硬件系统的结构框图1所示。

通过放置在洗手间水管里的流量传感器，来监控水流的多少，如果超过了控制系统所设定的最大值，则控制系统自动控制阀门电机，让安装在水管上的电动阀门关闭，也就是及时让水流停止，防止因水龙头无法闭合造成的水流不止，对于本系统还可以通过扩展，让由51单片机组成的控制系统及时将洗手间的位置和设备故障及时传到后勤管理办公室，为维修工作带来方便。

实际方案中，以HC-SR04超声波传感器作为液面监控传感，当监测液面高度超过警戒值，则蜂鸣器鸣响，并由STC-89C51单片机对信号进行处理后，控制电动阀门对水管进行关闭。

2 监控系统主要电路介绍

2.1 时钟电路

STC-89C51单片机自带振荡器，高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端[2]，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，如下图2中外接晶体以及电容C2和C3构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30PF左右，晶振频率选12MHz。

2.2 复位电路

为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位[3]。该系统采用上电复位方式。

2.3 流量监控报警系统

当HC-SR04监测水池中水量超过超过设定值后，蜂鸣器报警，然后由STC89C51发出信号，让28BYJ-48关闭水阀，以免水量过多而引起浪费。在某些紧急状态或反常状态下，及时通知后勤人员，以便处理，因此在系统中加入了报警信号产生。

报警设备选用压电式蜂鸣器，它约需要10mA的驱动电流，只需在其两条引线上加3一15v的直流电压，即可产生3KHz左右的蜂鸣声音，图中蜂鸣器的一端接在高电平+5V，另一端接P1.7，在初态P1.7始终输出高电平1，当需要报警时，程序对其端口清零即可，声音的长短可用延时程序控制实现[4]。

3 系统软件设计

本控制系统的软件设计可以分为三部分：

（1）主程序部分：该部分完成存储器分区、数据定义和系统的初始化等，以及调用各个子程序，完成主要的控制功能。

（2）流量控制程序：通过水流时间算法，编写出相应的流量控制子程序，实现对流量的控制，达到预期的控制要求。

（3）各子程序：各个子程序完成具体的实现方法，主要包括：设定值输入、数码管显示、步进电机控制、AD转换中断、T0定时器中断、采样中断等。

程序流程图如图3。

4 结论

通过本次的设计，使学生对单片机有了更加深刻的认识，懂得了如何理论联系实际来完成各种相关任务，提高了学生的思维能力和实际动手能力，并且整套系统以MCS-51单片机为核心，来进行流量监控系统，实现了以下功能：（1）自动监控，及时通知。充分考虑系统安全性、可靠性、稳定性、数据准确性、实现性，减轻相关人员的工作量；（2）在特殊情况下，例如在特定情况下需要大量用水，系统可以合理的进行反应。该系统还可以进行无线通信等功能的扩展，以及通过更换传感器获得更好的实时性、精度等。

参考文献

[1] 徐爱钧. Keil Cx51V7.0 单片机高级语言编程与?Vision2应用实践[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2] 宁铎.电子工艺实训教程2版.[M].西安：西安电子科技大学出版社，2010.

[3] 陈粤初.单片机应用系统设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，1991.

[4] 覃韦玲.利用单片机进行红外线编解码遥控[J].电子世界，2002（2）：27-29.