基于单片机教学和实训应用的水情监测系统的设计

黄俊梅 马强 陈德兴

摘要：介绍了一种基于单片机的集教学、实训、科研为一体的水情监测系统。该系统可实现快速、稳定的液位及pH值检测，具有结构简单、操作快捷、功能稳定等优势。该检测系统采用超声波传感器实现液位测量，通过电极之间的电位差，测量氢离子浓度，获得待测液体的pH值，采用LCD12864液晶显示模块实现数据显示，并可通过蓝牙模块实时发送液位及pH数据至手机显示屏实现移动数据监测。通过测试表明，本自制水情监测系统水位误差精度可控制在0.08 mm左右、pH误差精度可控制在0.004左右，检测系统整体运行状况稳定精确，各项技术指标可达到设计要求。本自制水情监测系统是一个典型教学样板可服务于广大单片机爱好者和学生的教学、实验、实训等环节。

关键词：单片机；pH值；水位传感器；显示

0 前言

水情监测系统是一种实时采集监测区域内水位、pH酸碱度等信息的数据采集及显示预警系统，以便于相关部门根据监测信息及时做出预防措施，从而减少水害损失、提高水资源利用率[1]。本文将介绍一款服务于单片机教学和实训应用的自制水情监测系统。

1 水情监测系统设计方案

1.1 设计要求

水情监测系统的组成部分主要包括水情检测单元、水情显示单元和供电单元三部分，如图1所示。

图1中a为容器，b为pH传感器，c为液位传感器，水情监测系统的设计要求如下：

1）要求自制水情监测系统：

2）多次向容器中注入若干毫升的纯净水，要求每次在1分钟内完成水位的测量并稳定显示，测量偏差不大于2mm。

3）保持水位不变，多次向塑料容器注入若干白醋，测量每次的PH值。要求在2分钟内稳定显示，测量偏差不大于0.1。

4）通过液晶屏和手机APP显示两种方法进行数据显示、要求分四行显示“水情检测系统”和水情测量结果。第一行显示“水情检测系统”；第二行显示水位测量高度值及单位“mm”；第三行显示PH测量值，保留1位小数；第四行显示电池输出电压值及单位“V”，保留2位小数。

1.2 系统总体方案设计

本设计将实现pH（酸碱度）值、液位高度值、温度值的数据采集、数据处理和数据显示等功能[2]，系统总体设计方案如图2所示。

1.3 器件选型

1.3.1 单片机选型

本设计中将选取STC12C5A60S2单片机作为主控制核心。STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍，可为众多嵌入式控制应用系统提供有效的解决方案。STC12C5A60S2内置8路高速10位A/D转换（250 K/S），转换速度高，功耗低，可为水情监测液位及pH值等模拟量的数据采集和处理提供便捷，减少电路的复杂程度，提高系统的可靠性。

1.3.2 液位传感器选型

液位的检测，本设计中将选用被广泛应用的超声波液位传感器。超声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测，具有测量精准、性能稳定、维护简便、环境适应性强等优点，是液体高度测量的理想手段。超声波传感器工作原理如图3所示。

超声波发生器T在某一时刻发出高频脉冲声波（40kHz），当遇到液位表面将被反射折回，经过时间t被超声波接收器R接收到转换成电信号[3]。已知，不同温度下超声波环境声速V会变化V= 331.5+0.6×溫度，则传感器探头到液位表面的距离S与声波的传播时间t成正比，S=V×t/2。若传感器到池底的总高度H是一定的，则液面高度H=H-S。

因此，利用以上关系式，通过单片机编程的方法最终可计算出超声波传感器到液面的距离S和液面深度h。

1.3.3 PH传感器选型

pH值也称氢离子浓度指数、酸碱值，是溶液中氢离子活度的一种标度，是环保、医学、农业、工业、实验室等场所水溶液重要的理化参数之一。最常用的pH传感器是pH复合电极传感器，它是将pH指示电极（指示待测溶液中离子活度变化的电极）与参比电极（在测量电极电位时用来提供电位标准的电极）组合在一起的电极[4]。根据指示电极外壳材料可分为塑壳和玻璃电极两种。本文将选用上海雷磁231-01型pH玻璃电极进行pH值得测定，如图4所示。

pH玻璃电极其外部是由特殊玻璃膜制成的玻璃电极，其内部为参考电极，二者组成复合电极。从pH复合电极的玻璃电极和参考电极两端输出的信号为电压。在一定的温度下，通过测量电极之间的电位差，来反映溶液中的氢离子浓度，从而测得被测液体的pH值。

电极输出电动势与被测溶液pH值的关系，可用能斯特方程表示为[5]

由上式可知：复合电极两电极之间的电位差与pH值呈线性关系，通过单片机编程实现pH值的测定。

1.3.4 显示器选型

本设计采用LCD12864和手机显示两种方案进行水情监测与显示。

1.3.4.1 LCD12864液晶显示

LCD12864是一种低电压低功耗、带中文字库的点阵图形液晶显示模块，其显示分辨率为128×64，可以显示8×4行16×16点阵的汉字，可完成图形显示。该模块具有灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。本设计将选用LCD12864进行水情显示。

1.3.4.2 手机显示

移动终端已经成为21世纪信息生活中人们必不可少的重要组成，尤其是手机的应用。对于本设计中的水情显示除了可用液晶屏显示外，也可通过手机屏幕进行移动显示。通过单片机的串口连接蓝牙模块发送液位及pH数据，然后在手机端通过手机蓝牙收取数据，并将数据显示出来，实现水情的实时与移动监测。单片机与手机终端的无线通讯还可为后期的功能拓展提供基础，用户通过上位机编程可实现切换手机显示界面进行功能切换。

2 水情监测系统软件程序设计

水情监测系统软件程序设计主要包括：系统初始化、按键处理、数据的采集与处理、输出显示等几个部分，主程序流程图如图5所示[2]。

当系统上电后首先完成各个组件的初始化；判断是否有按键按下，如果有按键按下，则进行相应的按键处理，例如pH校准、复位等命令；STC12C5A60S2单片机进行液位、pH值和温度的模拟量数据采集：单片机内部进行数据滤波与计算得出PH值与液位；LCD12864液晶上分四行行显示文字“水情监测系统”、液位高度值、PH测量值和电池输出电压值。与此同时，单片机通过蓝牙串口通信，将相同的水情信息在手机终端上进行实时显示。

3 设计实物及测试结果

3.1设计实物

水情监测系统设计实物如图6所示。

3.2 测试结果

3.2.1 液位测试结果

液位测试结果如表1所示。

3.2.2 pH测试结果

pH测试结果如表2所示。

4 结论

通过一系列验证测试，本自制单片机水情监测系统可实现pH校准，液位和pH的实时检测与显示。经测试水位误差精度可控制在0.08左右，pH误差精度可控制在0.004左右，具有测量精度高、响应速度快、操作简单快捷等优点，可作为一个典型教学样板服务于广大单片机爱好者和学生群体的教学和实训等环节。

参考文献：

[1]林雨水库水情数据采集与闸门自动控制系统的研究[D].昆明理工大学2014

[2]张桂红简易水情检测系统设计[J]信息与电脑（理论版），2017，（19）：131-133

[3]付存谓，费美芬一种新型的水位检测系统[J]微型机与应用，2016，35（21）：94-97

[4]祁建广，李宝营超低功耗水质pH检测仪设计[J]仪表技术与传感器，2017，（03）：118-120

[5]杨燎原用玻璃电极法准确测定溶液中pH值的分析路径[J]环境科学导刊，2010，29（S1）：94-95