简易水情检测系统设计

刘嘉慧

（辽宁轨道交通职业学院，辽宁沈阳，110023）

1 系统方案

水情检测系统采用现代科技对水文信息进行实时采集、存储和传输的专门技术，有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理利用的先进手段，是水文现代化的发展方向。水情检测系统可以实时监测一些人无法靠近的区域或者无需人力来监控的现场。基于此设计开发出一种多功能、可靠性高、维护方便，可适用于水文、水库、雨量监测的检测系统具有重要的实际应用价值。

图1 简易水情检测系统示意图

上图中，a为容积不小于1升、高度不小于200mm的透明塑料容器，b为pH值传感器，c为水位传感器。整个系统仅由电压不大于6V的电池组供电，不允许另接电源。检测结果用显示屏显示。

系统方案设计：本系统单片机采用STC89C52RC为主控芯片，水情显示的硬件为128*64位的LCD液晶显示器件，pH值的测量选用pH传感器，水位的测量选用超声波传感器，电源采用可充电的4节充电电池供电。传感器和单片机之间的数据传输采用模数转换器AD7705来完成，AD7705可直接接收来自传感器的低电平输入信号，然后产生串行的数字输出，发送给单片机，通过显示屏显示出来。按键部分具有复位清零功能。本系统还设置了上下限报警功能，当数值超出范围时发出报警信号。

2 设计与论证

2.1 水情信号处理方法

（1）液位测量方法

超声波水位仪的基本检测原理是：将超声波传感器安装在距水底高H处并发射出一连串的超声波，超声波在传播过程中，当遇到被障碍物的时候，反射回接收电路。反射的超声波在空气中传播，接收传感器将接收到的反射信号与发射信号做算法处理，计算出超声波从发射至接收的延迟时间t，根据超声波在空气中的声速c=340m/s，可计算出传感器与液面间的距离s=ct/2，进而可计算出液位值h=H-s。示意图如图2所示。

图2 液位计算示意图

（2）pH值测量方法

pH值是最常用的水质检测指标之一,天然水的pH值多在6-9范围内;饮用水pH值要求在6.5-8.5之间;某些工业用水的pH值应保证在7.0-8.5之间,否则将对金属设备和管道有腐蚀作用。pH值和酸度、碱度既有区别又有联系。pH值表示的水的酸碱性的强弱,而酸度或碱度是水中所含酸或碱物质的含量。水质中的pH值的变化预示了水污染的程度。pH值的测量方法很多，主要有化学分析法、试纸法、电位法。本文采用电位法。电位法比较直观，它通过pH选择电极来测量出溶液的pH值。其工作原理是用氢离子玻璃电极与参比电极组成原电池，在玻璃膜与被测溶液的氢离子进行离子交换过程时，通过测量电极之间的电位差，来检测溶液中的氢离子浓度，从而测得被测液体的pH值。

2.2 电压检测方法

电压检测只需将电压传感器并接在待测电压线端即可。共有两种方法。一种是互感检测法，一般用在高电压大电流场合。另一种是电阻检测法，一般用于低电压小电流场合。利用电流流过电阻时，在电阻两端会产生相应的电压，将这个电压数值读出即可。本系统采用电阻检测法。AD7705可直接接收来自传感器的低电平输入信号，然后产生串行的数字输出，发送给单片机。

3 电路与程序设计

3.1 系统组成

对题目进行深入的分析和思考，可以将整个系统分为以下几部分：单片机最小系统、键盘电路、显示模块、超声模块和模数转换器模块。

图3 系统组成结构图

系统中单片机采用STC89C52RC为主控芯片，ADC转化芯片选用16位2通道AD7705采集pH传感器将检测出的pH值和电压值，显示模块采用液晶LCD12864。超声模块选用US-100超声波测距传感器，电源采用4节1.2v锂电池供电。

3.2 原理框图与各部分电路图

（1）单片机最小系统

单片机最小系统就是使单片机正常运行的最低配置：它由一系列模块组成，如电源模块、时钟模块、复位模块、下载模块等，其中电源模块通常采用三端集成稳压器实现，但本题目要求整个系统仅由电压不大于 6V 的电池组供电，不允许另接电源因此采用采用可充电的4节1.2v锂电池实现。时钟模块为单片机工作提供基本时钟。复位电路是一种用来使电路恢复到起始状态的电路设备。下载电路使用单片机的ISP功能，通过单片机串行口对其进行编程下载。

（2）显示模块

使用液晶屏LCD12864，分辨率为128*64,内置8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集,可以显示字母、数字及汉字，一次可显示4行，清晰直观，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。具有低电压、低功耗、价格低等特点。

（3）超声波传感器模块

US-100超声波测距模块可实现2cm-4.5m的非接触测距功能，拥有2.4-5.5V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。本模块共有两个接口，即模式选择跳线和5 Pin接口。本系统选用串口模式。

串口触发测距工作原理：在模块上电前，首先插上模式选择跳线帽，使模块处于串口触发模式。串口触发测距的时序如图4所示。

图4 串口触发测距时序图

在此模式下只需要在Trig/TX管脚输入0X55（波特率9600），系统便可发出8个40kHZ的超声波脉冲，然后检测回波信号并输出。输出的距离值共两字节，第一字节是距离的高8位（HDate），第二字节为距离的低8位（LData），单位为毫米。即距离值为（HData*256 +LData）mm。

（4）pH传感器模块

pH电极通过BNC 输出毫伏级信号，该模块实现信号放大功能，可将采集信号转换为0-5V 电压，根据电压标准曲线将输出电压信号转换为待测溶液pH值。

（5）模数转换模块

AD7705是应用于低频测量的16位2通道模拟前端，需要2.7-3.3v或4.75-5.25v单电源供电，可用于环路供电、电池供电或本地供电的应用中。具有低功耗、低成本、适合直流测量等特性，该器件还包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误差。AD7705可直接接收来自传感器的低电平输入信号，然后产生串行的数字输出，是用于智能系统的理想器件。

4 测试数据及结果分析

4.1 测量数据

表1 液位高度测量数据记录表

121 119 2 152 151 1

表2 pH值测量数据记录表

表3 电压值测量数据记录表

4.2 结果分析

液位高度：标准液位高度由直尺测量，测量液位高度由本系统测得，从表一可以看出测量偏差均不大于2mm。不仅满足题目基本要求，还符合题目发挥部分要求。

pH值：标准pH值由pH计测量，测量pH值由本系统测得显示，从表二可以看出测量偏差最大值为0.19，不大于0.5。满足题目基本要求。有两次测量偏差不大于0.1。符合题目发挥部分要求。

电压值：标准电压值由五位半万用表测得，测量电压值由本系统测得并显示，从表三可以看出测量偏差最大值为0.00583V，不大于 0.01V。