水情監測系統是一種實(shí)時(shí)采集監測區域內水位、pH酸堿度等信息的數據采集及顯示預警系統，以便于相關(guān)部門(mén)根據監測信息及時(shí)做出預防措施，從而減少水害損失、提高水資源利用率。本文將介紹一款服務(wù)于單片機教學(xué)和實(shí)訓應用的自制水情監測系統。
設計要求
水情監測系統的組成部分主要包括水情檢測單元、水情顯示單元和供電單元三部分，如圖1所示。
圖1中a為容器，b為pH傳感器，c為液位傳感器，水情監測系統的設計要求如下：
（1）要求自制水情監測系統;
（2）多次向容器中注入若干毫升的純凈水，要求每次在1分鐘內完成水位的測量并穩定顯示，測量偏差不大于2 mm。
（3）保持水位不變，多次向塑料容器注入若干白醋，測量每次的 PH 值。要求在2分鐘內穩定顯示，測量偏差不大于0.1。
（4）通過(guò)液晶屏和手機APP顯示兩種方法進(jìn)行數據顯示，要求分四行顯示“水情檢測系統”和水情測量結果。第一行顯示“水情檢測系統”;第二行顯示水位測量高度值及單位“mm”;第三行顯示PH測量值，保留1位小數;第四行顯示電池輸出電壓值及單位“V”，保留2位小數。
系統總體方案設計
本設計將實(shí)現pH（酸堿度）值、液位高度值、溫度值的數據采集、數據處理和數據顯示等功能，系統總體設計方案如圖2所示。
器件選型
單片機選型
本設計中將選取STC12C5A60S2單片機作為主控制核心。STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8~12倍，可為眾多嵌入式控制應用系統提供有效的解決方案。STC12C5A60S2內置8路高速10位A/D轉換(250 K/S)，轉換速度高，功耗低，可為水情監測液位及pH值等模擬量的數據采集和處理提供便捷，減少電路的復雜程度，提高系統的可靠性。
液位傳感器選型
液位的檢測，本設計中將選用被廣泛應用的超聲波液位傳感器。超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對被檢測物進(jìn)行非接觸式無(wú)磨損的檢測，具有測量精準、性能穩定、維護簡(jiǎn)便、環(huán)境適應性強等優(yōu)點(diǎn)，是液體高度測量的理想手段。超聲波傳感器工作原理如圖3所示。
超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出高頻脈沖聲波(40 kHz)，當遇到液位表面將被反射折回，經(jīng)過(guò)時(shí)間t被超聲波接收器R接收到轉換成電信號[3]。已知，不同溫度下超聲波環(huán)境聲速V會(huì )變化V= 331.5 + 0.6×溫度，則傳感器探頭到液位表面的距離S與聲波的傳播時(shí)間t成正比，S=V×t/2。若傳感器到池底的總高度H是一定的，則液面高度h=H-S。
因此，利用以上關(guān)系式，通過(guò)單片機編程的方法最終可計算出超聲波傳感器到液面的距離S和液面深度h。
PH傳感器選型
pH 值也稱(chēng)氫離子濃度指數、酸堿值，是溶液中氫離子活度的一種標度，是環(huán)保、醫學(xué)、農業(yè)、工業(yè)、實(shí)驗室等場(chǎng)所水溶液重要的理化參數之一。最常用的pH傳感器是pH復合電極傳感器，它是將pH指示電極(指示待測溶液中離子活度變化的電極)與參比電極(在測量電極電位時(shí)用來(lái)提供電位標準的電極)組合在一起的電極。根據指示電極外殼材料可分為塑殼和玻璃電極兩種。本文將選用上海雷磁231-01型pH玻璃電極進(jìn)行pH值得測定，如圖4所示。
pH玻璃電極其外部是由特殊玻璃膜制成的玻璃電極，其內部為參考電極，二者組成復合電極。從pH復合電極的玻璃電極和參考電極兩端輸出的信號為電壓。在一定的溫度下，通過(guò)測量電極之間的電位差，來(lái)反映溶液中的氫離子濃度，從而測得被測液體的pH值。
電極輸出電動(dòng)勢與被測溶液pH值的關(guān)系，可用能斯特方程表示為
基于單片機公式1.jpg(1)
E0：電極的標準點(diǎn)位;
R：氣體的常數R=8.314焦耳/摩;
T：絕對溫度T=273.15+t;
F：法拉第常數F=96500庫/摩。
代入常數，公式(1)將簡(jiǎn)化為公式(2):
基于單片機公式2.jpg(2)
由上式可知：復合電極兩電極之間的電位差與pH值呈線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)單片機編程實(shí)現pH值的測定。
顯示器選型
本設計采用LCD12864和手機顯示兩種方案進(jìn)行水情監測與顯示。
LCD12864液晶顯示
LCD12864是一種低電壓低功耗、帶中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊，其顯示分辨率為128×64，可以顯示8×4 行16×16 點(diǎn)陣的漢字，可完成圖形顯示。該模塊具有靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，由該模塊構成的液晶顯示方案與同類(lèi)型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。本設計將選用LCD12864進(jìn)行水情顯示。
手機顯示
移動(dòng)終端已經(jīng)成為21世紀信息生活中人們必不可少的重要組成，尤其是手機的應用。對于本設計中的水情顯示除了可用液晶屏顯示外，也可通過(guò)手機屏幕進(jìn)行移動(dòng)顯示。通過(guò)單片機的串口連接藍牙模塊發(fā)送液位及pH數據，然后在手機端通過(guò)手機藍牙收取數據，并將數據顯示出來(lái)，實(shí)現水情的實(shí)時(shí)與移動(dòng)監測。單片機與手機終端的無(wú)線(xiàn)通訊還可為后期的功能拓展提供基礎，用戶(hù)通過(guò)上位機編程可實(shí)現切換手機顯示界面進(jìn)行功能切換。
軟件程序設計
水情監測系統軟件程序設計主要包括：系統初始化、按鍵處理、數據的采集與處理、輸出顯示等幾個(gè)部分，主程序流程圖如圖5所示。
當系統上電后首先完成各個(gè)組件的初始化;判斷是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，則進(jìn)行相應的按鍵處理，例如pH校準、復位等命令;STC12C5A60S2單片機進(jìn)行液位、pH值和溫度的模擬量數據采集;單片機內部進(jìn)行數據濾波與計算得出PH值與液位; LCD12864液晶上分四行行顯示文字“水情監測系統”、液位高度值、PH測量值和電池輸出電壓值。與此同時(shí)，單片機通過(guò)藍牙串口通信，將相同的水情信息在手機終端上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。
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