水位循环检测系统的设计与实现

赵文军

摘要：随着计算机技术的飞速发展和普及，测试与传感技术也迅速地得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。水位检测是进行实时监视水位是否安全的主要手段之一，采用电接点水位检测方法，来判断水位的高底，从而在数码管中显示出相应的高度值，并通过双色发光二极管LED阵列对水位高度进行模拟显示。这种水位检测和显示系统，在工业上有着广泛的应用，是一种低成本检测装置。利用PIC单片机特殊的功能进行数据采集、运算、输出，能够使执行速度提高许多，满足了对于任务不繁忙的场合进行精确的检测。

关键词：水位检测;双色二极管

随着计算机技术的飞速发展和普及，测试与传感技术也迅速地得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。

本设计采用电接点水位检测方法，在每一个预定水位检测点处，将两个电极安装在容器壁，使其一端能够与没过该点的水充分接触，另一端引出到容器外面同检测电路相连，两个电极等高度并间隔一定距离。当水位没有达到该检测定点时，两个电极间电阻为无穷大;而一旦水位上升到该点高度，则两个电极同时没于水中，由于水的导电性，两个电极导通。通过检测两个电极是否导通就可以检测水位的高度了。对15个检测点相应有15个检测通道，本设计运用两片8通道的多路选择开关CD4051，对各通道循环检测来实现数据采集。模拟水位高度由15个双色发光二极管（LED）来完成，共分为4组。在某一特定时刻，每组LED与一个数码管一起被选通（4组LED对应4个数码管），两个8位的移位寄存器74LS164级联，将单片机送出的2个字节串行数据化为16位并行数据，分别送选通的LED和数码管。在不同时刻，系统对4组LED和数码管快速地循环扫描，最后完成显示功能。

本系统是参照对小型锅炉中的水位进行检测和温度检测，然后将带符号的水位值（低于或高于零点）用数码管显示出来，并通过双色发光二极管LED阵列对水位高度进行模拟显示。整个系统主要包括检测和显示两个部分。水位检测：在0mm、±10mm、±25mm、±50mm、±80mm、±120mm、±160mm、±240mm共15点基础上，检测水位偏离零点的大小。水位显示：将检测结果用数码管显示出来，显示值以比实际水位的最近点为准。同时，用15个竖直排列的双色LED阵列直观的模拟当前水位高度，当水位没有达到某点时相应的LED显示红色，达到或超过则显示绿色。当水位低于-240mm时报警灯显示绿色，高于+240mm时报警灯显示红色，当水位恢复正常值时报警灯熄灭。自动给水：通过对水位进行检测，将检测结果送到单片机进行数据分析，如果水位没有达到预定的高度，那么可以进行给水;当水位达到预定的高度时，给水停止，信号灯亮。自动退水：如果水位检测结果，超过了预定的水位，则进行退水;当水位退到预定的水位时，停止退水，且相应的信号灯亮。

水位检测采用电接点水位检测方法，在每一个预定水位检测点处，将两个电极安装在容器壁，使其一端能够与淹没该点的水充分接触，另一端引出到容器外面同检测电路相连，两个电极等高度并间隔一定距离。当水位没有达到该检测点时，两个电极间电阻为无穷大;而一旦水位上升到该点高度，则两个电极同时淹没于水中，由于水的导电性，两个电极导通，通过检测两个电极是否导通就可以检测水位的高度。对于15个检测点相应就有15个检测通道，本设计运用两片8通道的多路选择开关CD4051，对各通道循环检测来实现数据采集。

盡管水位检测原理很简单，但应用时却不能仅仅用每路的通断来判断水位是否淹没该路的电极。实际上，水的电阻因水中所含成分不同有很大的差异，例如蒸馏水就不导电，就不能用这种方法来检测，而本设计所应用的场合经试验测得水阻在几kΩ到几十kΩ不等;另一方面，空气电阻也不是无穷大，也跟其成分有关，例如饱和蒸汽的阻值就大概在1MΩ左右。所以，不能通过判断单片机的数据采集引脚输入电平高低来判断水位是否到达某点，否则，对介于高、低电平之间的电平状态就无法做出判断，而这种情况是可能存在的。

LED显示模拟水位高度由15个双色发光二极管LED来完成，共分为4组。在某一特定时刻，每组LED与一个数码管一起被选通（4组LED对应4个数码管），两个8位的移位寄存器74LS164级联，将单片机送出的2个字节串行数据转化为16位并行数据，分别送选通的LED和数码管。在不同时刻，系统对4组LED和数码管快速地循环扫描，就完成了面板显示的功能。本设计中使用的LED是双色二极管。1个双色二极管有3个引脚，引脚1、2均为信号“+”端，引脚3为GND端（信号“-”端）。数码管及LED显示电路如图所示。

结论：在课题设计过程中，主要进行了如下的工作：首先，在明确设计任务后，查阅了许多的相关资料，结合本系统的功能要求，制定出了一整套的设计方案，绘制出了电路图，选购了相应的元器件。其次，根据系统的功能要求，制订了水位检测与温度测量的总体软件设计方案，并按照模块化软件设计方法，绘制了软件总体流程图及各软件模块的流程图。在仿真调试过程中对硬件电路和软件程序进行修改。最后，根据修改的电路图定制电路板，在电路板上焊接好各相关器件，用仿真器进行了仿真实验，对实验数据进行了分析处理，并根据实验结果适当地修改了软件程序中的相关参数，以完善系统的整体程序。