基于单片机的简易水装置的设计

发表时间:2019/4/9   来源:《信息技术时代》2018年7期   作者:许振市
[导读] 如今人类的生活条件与科技发展的提升,取而代之的污染的破坏,自然环境的灾害,水坝的崩塌,这些危险事情的发生时时刻刻影响人们生活。当今水位与PH检测系统多采用人工检测与监控,人工的检测十分的不便,所以一个简易水情监测装置十分
(湖州师范学院求真学院,浙江 湖州 313000)
摘要:如今人类的生活条件与科技发展的提升,取而代之的污染的破坏,自然环境的灾害,水坝的崩塌,这些危险事情的发生时时刻刻影响人们生活。当今水位与PH检测系统多采用人工检测与监控,人工的检测十分的不便,所以一个简易水情监测装置十分有必要。
    本设计将以51系列单片机为基础,以四大模块为辅,其实有超声波模块,ph值模块,ad转换模块和显示模块。其中超声波模块与PH值模块检测水中PH与水池的水位,将数据信号经过A/D模块进行模数转换,再通过单片机将数据结果送至显示模块中进打屏幕显示,可以观察显示屏幕中的数据水位值跟PH。
关键词:水情检测; PH;水位
         第一章 绪论
         1.1选题的意义
         现如今环境的破坏导致自然灾害增多,例如洪水、水坝崩塌等。简易水装置不仅可以用在河流、江域之上,还可以用在热水储存器、洗衣机、冷却塔等处。近年来温州等地洪涝频发,有些城市发生水库崩塌,使得当地遭受了严重灾害。这使得简易水装置在各个领域上显得尤为重要,此项目也具有非常重要的研究意义。
         首先,在多数城市江河,水坝,水库等地大多采用人工检测法,这种方法效率低,不够便捷。使用以单片机为基础,功能采用超声波模块、 PH值模块、显示模块、A/D转换模块的简易水装置,首先在检测、监督上不需前往目的地观察,只需在电脑上观察数据即可。 
         1.2单片机和传感器的研究现状及趋势
         基于单片机的简易水检测装置是现在水流检测最重要的部分,在水坝及山川河流的监测中起到重要的作用。单片机51系列作为我们的重要的芯片,它的历史又是怎么样的呢?一开始的单片机并没有现在强大与完善,而且没有串行口可以连接,到后来性能加强并且改善了串口连接,加强了中断,此单片机一出世就被广泛的应用,这是一项重大的发明。单片机在发展中逐步得到完善趋近于完美,输出通道增加,在功耗方面更加节能,开发方式也变得更多,性能与成本也有着显著的提高。
         在单片机的功耗方面,由于HCMOS工艺出现,采用CMOS之后单片机具有优良的功耗管理功能和本质低功率,并且设置多种工作方式,功率基本普遍低于100MV。
         在RISC标发展是由CISC结构体系转换而来。CISC的指令比较复杂,但好处就是可选择性高,功能强大,因为可选择性高却难以统一,在实际情况中很难操作。
         对于本设计的水情检测装置,许多河流江域及大坝多采用人工检测,效率低,人工监测十分不便,不能时刻了解现在水位的情况及PH值。
         在突发情况下,人工监测的方法来不及报告就发生了灾祸。而水检测装置有着水位传感器, PH值传感器,能时刻了解水位与PH值的数据,并显示在电脑屏幕上,十分便捷高效。
         水位传感器采用超声波传感器。随着将液位测量仪应用微处理器以后,便液位测量逐步向智能、精准的方向发展。自十九世纪八十年代开始,一些发达国家借助传感器、电脑、单片机等先进的科学技术, 将这些应用在液位传感器上。电子式测量方法也是其中的一方面。在测量方法中,其中有浮球式、压力式、 超声波式、雷达式,应变式等各种水位传感器。由于该方法测量安装简单,便于观察、可靠方便,人工采集测量已失去了价值。
         PH传感器中,以前的PH测量的装置无法满足现在的需求,这些技术有着极大的缺陷如:没有使用温度补偿技术、阻抗过大、维护不易、容易破损、需求测量溶要求苛刻,不能对固体、气体等各种形态待测物进行检测。为了弥补传感器的不足,并且要使PH应用在各种难以采集的危险场所、工厂化工反应的场所。对现有PH传感器不断进门开发与创新。而今光学与固态PH传感器在各种领域上解决了现如今的需求。
         1.3论文研究的目标及内容
         1.3.1    研究的目标
         本设计以51系列单片机为主板,水位传感器采用超声波检测液位,PH传感器显示PH值, A/D转换用于模数转换,显示模块在将得到的数据经过数模转换在有机材料显示屏中显示其中的数据。
         1.3.2    研究的内容
         本设计主要有51系列单片机、显示模块、A/D转换模块、PH值传感器模块、超声波模块五个部分组成。主要采用51单片机控制四大模块。四大模块通过控制感应,可将超声波模块、A/D转换模块、PH值模块将接收到的信息反馈给单片机,单片机会将信号在显示屏上显示。显示的内容为水位与PH值和电压。
         (1)了解各个模块的功能、性能,并将各原理图和PCB图绘制,焊接完四个模块。
         (2)编写程序,显示模块及其超声波等三大模块。
         (3)将每个模块经过调整、调试,解决电路之间焊接问题,测试超声波模块的测距功能能与PH值模块测PH的功能有没有问题,然后开始编写论文。
         1.4本章总结
         本章对课题的选题意义,单片机和传感器的研究现状及发展趋势做了一个简单的介绍。除此之外,对本论文的研究目标及主要内容做了大致的规划。
         第二章 硬件电路的设计
         2.1系统的总体框架
         本设计使用51系列单片机为主体。功能模块可以分为PH值模块、超声波模块。显示模块与A/D转换模块四大部分组成。超声波传感器是因为他的波是直射不可以发生衍射现象,可以通过波的来回计算出时间再根据时间算出距离。PH传感器是将溶液中氢离子转化为可用的输出信号,通过A/D转换传感器将超声波模块和PH值模块得到的输出信号经过模数转换,并将其通过显示模块在屏幕上进行显示、显示水位及PH和电压值。
         2.2 51系列单片机介绍
         51单片机内容包含下列几个部件:
         (1)一个cpu。
         (2)程序存储器。
         (3)定时器/计时器。
         (4)有着增强型与普通型的数据存储器,根据增强是普通的两倍字节,普通型的具有128字节。
         (5)全双工可编程串竹口。
         (6)中断结构与中断。
         2.2.1    I/O口
         I/O即输入引脚与输出引脚。[1]对于I/O口有着P0(P0.0-P0.7)、P2(P2.0~P2.7)、P3(P3.0-3.7)这四个I/O端口都可以做输出与输入使用。
         (1)P0口,P0有两种寻址方式,可以通过字节或者是位寻址。[2]P0作I/O使用的情况,引脚输入数据的这个功能叫做读取信号,确保引脚能正确地连接与高电平,由便场效应管使他关闭,引脚变会断开在空中悬浮, 就会变成阻值非常大。
         在做为扩展系统中的P0可以有两种分类情况。一种由P0引脚可以用来在做地址的信息,另一种与外面的设备中之间相互交流,信号为1时,内部的引脚打开连接着场效应管。而信号为0时,是使下面的效应管与引脚打开并且连接,上面的场效应会是他断开就回悬浮在哪里,而信号为1时于第一种情况完全相反,上面与之相连,下面关闭即可。
         (2)P1口的功能不与P0口丰富, 只有通口用接口I/O。并且有三种工作方式。如:输入和输出的方式和对端口的操作。对于P1口的可以在电路的承受能力,考虑其中的内部结构,一般使的得它不小于399UA。由于内部中有向上拉动的操作,所以再操作时,无须再向上拉动电阻。
         (3) P2口与PI口基本一致,但其结构比其多一个转换控制模块。[3]不仅仅功能相同 ,及其工作方式也与其一致,但他有另外一种功能就是作为系统对于地址可以扩展,如果系统的地址得到了扩展, 这时他就不能作为I/O口使用,与P2与P1的在电路中的承受能力其实很相似,也可以说基本一致。
         (4)P3口的功能是比较多的,比P1,P2多了一种。不同的功能是功能可以只向外传送信号。但是这个引脚必须和高电平相连,否则这个功能无法操作。[4]只要将锁存器的指数写上1,不需做任何操作,。这个功能在实际上就可以完全实现。P3口与P2口,P1口一样,其在电路中的承受力十分一致,拥有相同的功能。
         其中P0和P2端口可以访问外部存储器。[5]对于P0与P2的并不是很重要在这里暂且不提。
         2.2.2    时钟电路
         51系列单片机的时钟电路有两种:内部时钟电路和外部时钟电路。[5]复位方式和复位电路若想使CPU系统复位这个方法十分简单,只需在整个电路在十分稳定的情况下RST引脚在高电平上保持一定的周期就可以了。也有更加简单的方法,只需上接电容下面接电阻即可。手动复位则较为复杂,通常在电源于一个按钮相连。这种方法是通过按钮相连,触发按钮就可以实现,虽按钮时间短,但也已经满足手动复位的要求。
         2.2.3    电源与晶振引脚
         XTAL1是单片机于外面的设备输出数据的接口,一旦与外部的引脚想连接内部的信号也会接通。[6]  XTAL2也如同XTAL1相同,和震荡器相连通,此引脚会断开然后悬浮在于设备的上方。
         有时候也会采用内部,内部和外部的实质是一样的,而内部振荡器要在两个外部的引脚上。
         2.3模块的优劣选择与原理介绍
         2.3.1    超声波模块
         在水位传感器的抉择上,如何在水位传感器中各种不同形态的传感器模块中选择最优且最适合本设计?现如今有几种比较典型的水位传感器,如典型的浮球式。浮球式传感器的原理的磁性浮球在测量导管上下移动[10],根据触发测量导管相应的触点,计算出其液位。
         其次是压力式。压动式传感器则是根据液位高低所产生的压力,造成电容两极的间距发生细微的变化,根据其变化,计算液位。[11]
         然而本设计使用的是认为最适合本设计的超声波式。超声波传感器的原理是它的直射波和穿透力非常强,并不会衍射波的周期越短直射能力越强,如果需要更加强大的直射能力可以选择更加短的波,所以在波发送出去之后会反射回来,在这段时间内波来回所需要的时间知晓,可以根据时间算出这之间的距离。首先三种传感器都是如今较为广泛,性价化与实用性,质量各种方面都是十分实用的,但是为了适应大工程的更优选择,超声波模块采用IO口TRIG触发测距,给至少10us的高电平信号[12]
         超声波模块有着与其他模块无法比拟的优点:
         (1)超声波模块首先它是不需要与液体接触的,如此特点虽看起来不怎么样,首先它不需要与水接触我们将其放置在桥头,与其他水位传感器不同,他们需要与水接触,在这方便安装于维护其实已经是不可以比拟的优势并且如果考考虑水环境的PH值与各种未知的可腐蚀的可溶性溶质,在测量方面就可以更加有优势,大坝的危险程度可想而之,水库的水流可想而知,如此方便快捷的方法给我们安装与检测人员提供了保障,在维护的同期上大大增长,并且在室外环境中便于安装与转移。
         (2)超声波模块带有温度补偿法[13],海上的温度随季节的变化温差特别大,冬天可以到达零度甚至更低,夏天炎热具备这种算法你可以在温度这方面的影响大大缩小,这样带有算法的传感器可以尽量减少误差。
         2.3.2    A/D转换器模块
         A/D转换模块的原理将就是将其他模块所获得的输出信号经过他的转化变为我们可以理解的可以看到的数字信号这个模块几乎是所有单片机必备之模块。
         A/D转换虽然种类十分的多,但常用的仅为两种,逐渐逼近式与双积分式[14]。
         对于逐渐逼近式,是现如今使用最为次数最多,然后类型也比较多的A/D转换传感器,内部有一个奇存器,则数字量的产生是这个寄存器产生。
         双积式A/D转换器则与逐渐逼近式有着更加复杂的,他计算方式较为十分复杂,但是带来的好处是他的对语干扰信号的处理十分的好,但是这个是比较适合用在不需要十分快速运行操作的设备上。
         由于应用场所较为平稳,所处环境为大坝,水塔,江河等靠海岸地区,没有其他信号干扰,所以不需强大的信号干扰处理能力,所以逐渐逼近式更适合本设计。
         2.3.3    PH检测模块
         PH模块采用复合电极,其简单原因检测溶液中H离子的浓度。采用的产品为LGBPHT-VO5,具有温度变化时,会根据其加加减减,电级有松短也可以发出响声提醒我们,并且他的精确性也比较优秀,对与PH测量时的响应速度也十分的迅速。工作环境在零下至八十摄氏度,供电电压为5V ,消耗的功率低为3V。对于本设计而言,需求性价化高体现在于有着较高的强大功能、体积较小、对于价格也要低。而且充分考虑低功耗的功能,为整个单片机的耗能大大降低。在抗干扰上也采取了一些措施,防止外界的干扰,保证测量的误差精度。
         在仪器的特点上具有人与机器时刻进行交互的功能,还能通过先进的微机技术,进行电流调整,而不需要其他任何措施去进行硬件调整。电路的设计已从最简单的方面设计,对于携带十分方便。
          它与我们以前所用的液晶显示屏相比有着无可比拟的优点:
         (1)对与重量他不但非常轻而且相对而言十分薄。
         (2)屏幕亮度比传统的要更加亮。
         (3)运算速度快,响应速度也加快。
         (4)不易损坏,对于外界的信号干扰,与发生的意外的保护能力较好
         (5)不需背光,他是属于自己提供光源,不需要他人提供,屏幕更大亮度更高。
         其控制引脚:
         (1)PH+为正端检测输入。
         (2)PH-为负端检测输入。
         (3)VCC可供电压5V。
         (4)GND与地相连,接地。
         (5)P_AOUT电压信号输出。
         2.3.4    显示模块
         OLED显示模块采用字符型液晶型。原理:它是由两种材料组成,有机材料它的作用是屏幕发出的光亮是根据她的材料有着绝对性的关系,另一种材料则是玻璃是将有机材料与外界隔离进行保护这相比于以前的传统液晶设备的优势无法相比接下来。优点:主动发光、能耗低、亮度高、匹配性高。适用方围广如OLED非真空、全固态,有着抗震、不惧低高温等特点。此产品用于各种学校的门禁设施、工业、汽车电子领域。
         其控制引脚:
         CS: OLED片选管脚。
         DC:命令与数据控制引脚。1为读其数据, 0为读其中命令。[15]
         VCC提供的电源电为5V。
         2.4    本章总结
         这章节主要是讲述了我们51系列单片机及其他的一些功能介绍,还有四个功能模块,四个模块的原理和在我这个设计中起到的作用。 本设计将以51系列单片机为基础,以四大模块为成辅,其中超声波模块与PH值模块检测水中PH与水池的水位,将数据信号经过A/D模块进行模数转换,再通过单片机将数据结果送至显示模块中进打屏幕显示。
         第三章 软件设计的分析
         3.1软件设计
         考虑到本设计所要的作用,选择硬件电路再写出软件代码。
         (1)考虑自己所需的功能,然后根据需要的功能找到配件,在写下对应的代码。
         (2)对于自己的模块进行划分,十分的方便观看,修改,在需要时也可以再次移动。
         (3)画出自己的流程图,可以了解其中的操作过程,可以方便程序的设计。
         (4)写完程序之后,可以进行在程序的后方进行备注解释,有时有些地方不太好理解,每次查看时,只需看下解释接可以很快的了解。
         3.2软件任务分析
         可将软件功能进行分分解,哪些是用来测量的,有些是用来做警报的,这些要是十分的清楚,不要混淆。进行了软件任务分析,确定硬件分配其所功能,软件分配啥功能,确定单片机的以后要做的硬件于软件。
         3.3模块化设计
         对于单片机它是一个大整体,我们将她根据自己的需求进行一步步的操作,是他的功能更加分散清晰,我们在写程序时也更加方便。
         模块划分可以让自己的任务看起来更加简单易懂,对于功能分的十分清晰,这样是对我们在写程序时,焊电路板时都是有着不可或缺的帮助。
         编剧程序,对于模块的划分要清晰不可太多也不可太少,这样有助我我们编写和后期查看。
         3.4主程序的设计图
         主程序包含四个大模块,对于模块进行初始化工作,首先对超声波模块跟PH模块进行判断观察是否正常运行,若没则返回重新初始化,有则启动超声波模块跟PH模块,这时候单片会产生中断,中断结束后观察是否有数据传入,若无则返回重新到重新启动模块的地方,若有则读取ph跟水位并且显示。。如图3-1 主程序图所示:
 
         图3-1 主程序图

         对于单独的水位传感器(超声波)程序图,开始对超声波模块进行初始化,然后启动进行水位测距,显示水位又一轮的重复此操作。如图3-2超声波检测图示:
 
         图3-2超声波检测图
         对于单独的ph模块传感器的程序图,开始对ph模块进行初始化,然后启动进行水位测距,显示水位又一轮的重复此操作。如如图3-3 ph检测图所示:
 
         图3-3 ph检测图
         对于单独的显示模块的程序图,对系统进行初始化,系统自己检验是否有错误有则警报,无则开始检验是否产生中断,若无则显示数据,有则执行中断。如图3-4 显示模块图所示:
 
         图3-4 显示模块图
         第四章 系统的检测与调试
         4.1整机调试
         对于单片机,作为一个整体,该将单片机中的功能一一拆解。将与几大功能模块一一写出程序,每当一个程序写完,将对应的功能模块写入,并且能正常在单片机显示模块中的显示屏显示,如果程序不能正常显示,则一一对电压进行检测。如果程序有误, 就对程序进行修改 ,若不懂进行学习,上网看阅了解。我在制作的过程中,显示模块无法正常显示,我观察之与之。通过检测,发现有一处接触不良的现象,经过电压表排查,重新连接也并解除了问题。此时显示模块已正常显示,PH与水位也正常显示。 
         在写程序的过程,也时不时的出现代码错误警告,也经过细心的检查,与导师间问,也一一解决。对于模块的精确性进行检测与调试,对于水位测量,水位的实际值为10cm,则测量值为9.7cm。超声波模块对于水位的测量的误差不大于4mm ,对于PH测量也如同水位传感器也一样,ph值的实际值为6.5,则测量时值为6.7。对于测量的误差也有很大的要求误差不大于0.4。如同检测的结果没有任何的问题,则单片机则表示成功。
         4.2硬件调试
         对于硬件,我先在电路的原理图先入手,了解其模块于各个电路板的相对应的接口,通过实验室仪器将各个模块于单片机焊接完毕,在对其进行接通,用手去感受是否有热量发出若有,则大概判定硬件大致完毕。
         4.3软件调试
         我所选取的单片机所用到的语言是c语言程序,先将大致的框架写出并将模块一一填入,可以讲显示模块优先写入边写边进行调试,若程序有误则可以慢慢进行修改,若程序没有错,显示有问题则需要软件硬件都进行观察,如此采用部分调试的方法对于检测其功能十分十分容易的检查出其中的错误,最终程序完成就可以进行整机调试。
         第五章 实验结果及设计总结
         5.1实验结果   
         对于水位测量,超声波模块可以很好的在10秒内检测水位的高度,并且在显示屏上显示其中的数据,误差不小于4mm,也可以在20秒内完成ph的测量,并且在显示屏上显示其中的数据。电压的测量也在显示屏上显示并且误差不大于0.01。
         这是一个水位测量装置,在硬件方便我觉得我的水位于ph值功能暂时还没有很大的问题,但是我觉得还缺乏一些控制装置,当产生异常情况可以随时随地的调节水位或者ph值,但是这个装置现在是用来观察,等待自己在这方便有着更加深刻的研究,会渐渐地完善我的毕业设计,这也是我第一个设计。
参考文献
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作者简介:许振市(1994.07-),男,浙江苍南人,学生,本科,单位:湖州师范学院求真学院,物联网专业。

 
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