水塔水位水温监测系统的设计

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【摘 要】论文借助超声波模块与温度传感器模块，采用单片机微处理控制器，设计了一套水塔水位水温检测系统，并给出了详细的设计过程。该方案识别精度高、成本低廉、结构简单、可靠性高、维护方便、扩展性强，在实际生产生活中具有一定的实用意义和市场应用价值。

【Abstract】In this paper， with the aid of the ultrasonic module ， the temperature sensor module and MCU microprocessor controller， it designed a set of water level and temperature detection system for the water tower ， and gives the design process in detail.The scheme has the advantages of high accuracy， low cost， simple structure， high reliability， convenient maintenance and strong expansibility. It has certain practical significance and market application value in practical production and life.

【P键词】超声波；单片机控制；水塔监测

【Keywords】ultrasound；SCM control；water tower monitoring

【中图分类号】TN216 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）04-0129-02

1 引言

在日常生活和工农业生产过程中，经常需要对水塔水位和水温进行监控。传统的水塔水位大部分采用浮球水位控制器，一般分为管式浮球与缆浮球。管式浮球适合清水及粘度不大的液体；缆浮球适合污水。浮球水位控制器优点是价格适中，缺点是属于开关量控制，无法给出实际水位。并且管式浮球容易卡滞，缆浮球容易缠绕，所有浮球都有触点接触不良现象，其后果是容易造成系统失控，调整控制点很不方便。另外，水塔的水温检测系统也一般是独立的系统，并不能与水位系统整合在一起，实际使用中比较不方便[1]。

基于这一现状，笔者设计了一款基于超声波和温度传感器的水塔水位水温监控系统。该系统依靠超声波的回声来测量水塔液位高度，其最大检测高度可达6m；温度传感器采用DS18B20，测温范围-55℃～+125℃。该传感器参数足以应用于水塔的水位水温监控。

2 系统方案设计

整个系统由HC-SR04超声波模块、DS18B20温度模块、显示模块、报警模块、单片机最小系统、电源管理模块、RS485总线模块等组成。系统以单片机为核心，读取DS18B20温度模块温度数据和超声波模块数据，通过RS485总线与上位机进行数据交换。系统总体框架图如图1所示。

3 硬件设计

3.1 单片机最小系统

在此次设计中，由于系统的处理任务比较少，因此采用传统的51单片机作为核心微控制器。单片机不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机的使用领域十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等[2]。

3.2 电源管理模块

电源管理模块是这个系统的能量来源，在此次设计中，采用5V直流电为超声波模块、单片机最小系统、温度检测模块、RS485总线模块、显示模块、报警模块等供电。

3.3 超声波模块

利用超声波指向性强，在介质中传播的距离较远的特点，广泛应用于物体距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求[3]。超声波测量水位的原理是：超声波模块放置在水塔顶端，通过超声波发射装置向水塔水面间隔一定的时间发射超声波，同时单片机打开定时器，超声波在空气中传播，途中碰到水面就立即返回来，一旦接收到返回的超声波，单片机马上关闭定时器，并读取定时器寄存器的数据，通过简单的运算计算出超声波发射到接收的时间差t，超声波在空气中的传播速度340m/s，就可以知道计算出超声波发射点距水面的距离s，即s=340×t/2，然后在设计之初先设置好超声波到水塔底的距离h1，通过单片机减法运算后即可以得出水位高度h2=h1-s。

3.4 温度检测模块

DS18B20是常用的温度传感器，单总线通信方式，具有成本低、体积小、硬件电路简单、抗干扰能力强、精度高、测温范围广、误差小的特点，广泛应用于生活和工业测温领域[4]。

3.5 RS485总线模块

RS485采用差分信号负逻辑，最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，是目前工业应用的比较常用的一种串行总线。RS485接口组成的半双工网络，一般是两线制，多采用屏蔽双绞线传输。这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。在此次设计中，该系统为从机模式，可以与上位机（主机）进行数据交换。

3.6 显示与报警模块

系统采用OLED显示屏，与单片机使用SPI总线进行数据交换，可以方便显示水温、水位的数据，并且在异常情况下显示异常信息。报警采用有源蜂鸣器加发光二极管，当水位和水温异常时，单片机IO口输出低电平，驱动PNP三极管，进而驱动蜂鸣器与发光二极管，对用户进行声光提醒[6]。

4 软件设计

水塔水位水温监测系统的程序结构由超声波模块、温度检测模块、RS485总线模块、显示与报警模块等程序组成。程序使用C语言在Keil4中进行编写调试，采用模块化程序设计思路，以使得程序结构清晰、修改方便、可移植性强、便于调试。装置上电开机后，先初始化各函数变量和各个模块，然后与主机通过RS485总线进行通信，识别主机有无指令以及指令内容。接着超声波模块发射超声波，单片机等待超声波回波，计算水位高度，判断液位高度是否正常，如果正常，在显示屏上显示当前液位高度，如果异常，显示异常信息并进行报警。然后进行水温的检测，同水位检测一样，水温正常显示当前水温，异常显示异常信息并报警。

5 结语

水塔水位水温监测系统在实际的测试与使用过程中体现出较好的实用性，基本满足了设计需求。该系统维护、检修比较方便，允许通过RS485总线组网，具有很强的扩展性与灵活性。但该装置的不足也比较明显，比如水位测量受限于超声波模块的测距最远距离，在超过6米的水塔基本无法使用，并且超声波模块的安装也需要尽量垂直于液面，否则容易出现无法接收到超声波回波的情况，进而对水位检测失败。

【参考文献】

【1】袁新娣.基于单片机的智能水塔水位控制系统设计[J].赣南师范学院学报，2010（6）：52-54.

【2】苏家健，曹柏荣，汪志锋.单片机原理及应用技术[M].北京：高等教育出版社，2004：1-3.

【3】李永鉴，刘国安.简易超声波测距仪的制作[J].福建电脑， 2006（7）： 131-132.

【4】张宇宁，周 颖.DS18B20 数字式温度测量装置的研究[J].机械工程与自动化，2012（4）：149 -151.