简易水情检测系统

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单晶硅锭

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查看: 189回复: 4 发表于 2020-9-3 10:25:37   只看该作者
摘要:
本简易水情检测系统以STCI5W4K61S4单片机为主控芯片,整个系统由水位传感器、pH值传感器、12864显示模块、按键模块及供电电池组等模块组成。液位传感器和pH值传感器分别检测容器内液体的水位和pH值,转换为电平信号传送到主控芯片,单片机通过A/D转换和相应的计算把两种数据显示在12864显示模块上。通过合理的方案设计、器件选取以及精确严谨的计算和反复测试,本系统测试数据准确,反应灵敏,完全满足题目要求。本系统采用5 V电池组供电,选取带有休眠功能的单片机作为主控芯片,最大限度降低系统功耗。此外,本系统植人远程通信模块,实现手机同步监测水情数据,在远程水情监测领域具有相当的实用价值。

关键词: STC15W4K61S4 单片机; 12864LCD; pH值传感器;水位传感器;远程通信模块

一、方案论证与比较
1.系统设计方案
方案一: STC15W4K61S4。STC15W4K61S4 系列单片机是STC增强型8051单片机最新技术的结晶,具有宽电源电压(2. 4~5.5 V),无须转换芯片便可直接与PC机USB接口进行通信;增强型8051单片机集成了上电复位电路与高精准RC振荡器,给单片机芯片加上电源就可执行程序;可在线编程与在线仿真,-颗芯片既是目标芯片,又是仿真芯片;集成了大容量的程序存储器、数据存储器以及E2 POHUT定时器、中行口等基本功能部件,集成了AD、PC.比较器、专用PWM模块、SP1等高功能接口部件,可大大简化单片机应用系统的外围电路,使单片机应用系统的设计更加简捷,系统性能更加高效、可靠。

方案二: STC89C52。 该芯片的主要性能是:与MCS-51 单片机产品兼容、8KB在系统可编程、Flash存储器、1 000次擦写周期、全静态操作(0-33 H2)、三级加密程序存储器、32 个可编程VO口线、3个16位定时器/计数器、8个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。算术功能强,软件编程简捷灵活、自由度大,可用软件编程实现各种逻辑控制功能,且其功耗低、技术成熟、成本低廉。

本系统主要是进行信号的处理以及电机的控制。经综合考虑,由于STCISW4K61S4单片机中集成了A/D功能,可以把采集到的电平转换成电压,从而可以检测电压,符合题意。故采用方案一。

2.水位传感器的选择

方案一:液位传感器。液位传感器采用静压投人式液位变送器(液位计),它是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理,采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器,将静压转换为电信号,再经过温度补偿和线性修正,转化成标准电信号(-般为4-20 mA/1-5 VDC)。

缺点是零位无法调节,零位时漂会叠加到总精度中。

方案二:超声波传感器。超声波传感器采用1/0触发测距,给出至少10 us的高电平信号,模块自动发送8个40 kHz的方波,自动检测是否有信号返回; 信号返回后,通过V0输出一高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离= (高电平时间x声速(340m/s) ) /2。具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

综上所述,方案一由于液位传感器的精度不够,零位无法调节的原因,故选择方案二。

3.pH值传感器的选择
pH值传感器使用的是E-201-CPH复合电极传感器,复合电极的优点是测量pH值时使用方便、准确度高。一个精密的信号放大电路,输人阻抗应尽可能高(手册要求在102 n以上),经过多级放大及相应的抗噪声处理后,通过A/D采集输人单片机。

二、方案描述
在该系统中,STCISW4K6IS4 单片机就是心脏,它控制着作为显示模块的LCD12864的显示,LCD12864是带有中文字库的128x64的一种具有4位/8位并行、2线或3线审行多种接口方式,内部含有国标一一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块:其显示分辨率为128x64,内置8 192个16x16点汉字和128个16x8点ASCII字符集,可以显示8x4行16x16点阵的汉字,也可完成图形显示。

它还控制着pH值传感器,在检测水情时pH值传感器的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中氢离子进行离子交换过程中,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。再经由单片机中的AVD转换功能转换成相应的电压值,并显示在LCD12864屏幕上。

此外,它控制着超声波传感器,在检测水情时,超声波通过发出的声波到接收到信号的时间间隔,从而确定水而距离。在它接收到信号时,会产生一个电平井输送到单片机上,经过MVD转换井输送到LCD12864上显示出相应的高度值。

最后,它还能检测相应的电压值,利用VD模块检测电源输人的电压,检测后输送到L01显示模块上进行显示。

三、技术分析与计算
1.pH值传感器的计算公式由pH值传感器经过反复测量,通过单片机再把电平经A/D转换成相应的电压值传送到与单片机连接的LCD显示屏上,显示相应的数值。经过相应的数值比较、推导,类似于线性函数。从而得出一一个关系式为
Y= KX+B
式中,K约为-0.015; B约为3.15。

2.超声波传感器的计算公式
由于超声波传感器的距离与容器底端的距离是已知的,通过信号的发出与信号的接收时间间隔,可以推出液位的高度。其算法为

距离=电平时间x声速(340 m/s)/2

四、系统设计
经过以上各个电路模块的选择、系统理论分析与参数计算,最终确定了系统的总体框图。该电路的总体框图可分为几个基本的模块,如图1所示。

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1.主控模块设计
主控模块采用STC15W4K61S4芯片,因里面集成了A/D功能,能够把得到的电平转换成相应的电压值。主控模块电路如图2所示。

2.显示模块设计
显示模块电路如图3所示,带中文字库的128x64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一-级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率128x64,内置8 192个16x16点汉字和128个16x8点ASCII字符集。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。

3.按键模块设计
按键模块电路如图4所示,根据图可知,有4个按键,这4个按键分别控制着液位和pH值的校准。

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