水位监测报警

水位监测报警系统长春大学大学生电子设计竞赛电子信息工程学院参赛人员：祝小蜜 苏福龙 刘晓庆指导老师：王宪伟10水位监测报警器【摘要】 本水位监测报警器使用5V低压直流电源（也可以用3节5号电池代替）就可以对515厘米的水位进行监测，用LED显示和液晶显示屏显示水位，并可以对不再此范围内的水位发出报警。主要采用8051f020芯片，再加上MSC1602A液晶显示屏、蜂鸣器、发光二极管、电阻这些器件组成一个简单而灵敏的监测报警电路，操作简单，接通电源即可工作。因为大部分电路采用数字电路，所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。【关键字】 译码电路 报警电路 监测电路【Abstract】 The water level alarm monitoring the use of 5 V low-voltage DC power (can also use three batteries replaced on the 5th) will be able to 5 to 15 centimeters of water level monitoring, with LED display and digital display of water level, and this can no longer Within the scope of a water level alarm. Mainly 8051f020 chips, coupled with MSC1602A liquid crystal panel, buzzer, light-emitting diode, the resistance of these devices composed of a simple and sensitive monitoring alarm circuits. Because the majority of circuits using digital circuitry, so the water level monitored alarm system also has low energy consumption, high accuracy of the characteristics. 【Keyword】 Decoding circuit alarm circuit monitoring circuit一、 前言随着自动化技术的发展，自动化技术以深入到了各领域，为人们的生产生活带来了许多方便。水位的检测也可以用自动化来实现。大到可用于水库、湖泊、池塘水位的检测，小的可以用于鱼缸、锅炉水位的检测。我们针对我们设计的水位检测报警器的功能、原理、设计思路、调试等方面做了个系统的介绍。由于编者水平有限，差错在所难免，敬请读者批评指正。二、 总体方案根据设计要求，本系统主要由水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块、液晶显示模块、报警模块、编码模块等模块构成。其系统方案框图如下图所示： 我们对其中的几个模块设计了不同的方案并进行了比较（1）水位信号模块的选择方案1：采用开关的方法，在每个水位点放置一个光敏电阻，在水面上放置一个发光二极，当水上升或下降到某一光敏电阻所在的位置时，此时的电路就会导通，从而就可得到一个信号。优点：灵敏度高、得出的时数字信号容易处理；缺点：分辨率不好提高，分辨率越高触点越多，越难实现，且不能连续采集数据。方案2:采用电容式采集电容的方法。在水的表面处放一电极板，在水位的底部放一平行电极板。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为A，式中为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,为两电极之间的距离。当水位的上升或下降时引起A变化，将引起电容量变化，并可用于测量。优点：结构简单,价格便宜，灵敏度高，可以连续采集；缺点：输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及连接电路较复杂，对电路的精确度要求高等。方案3：采用水位传感器，由水位传感器所传来的电压数据，经过A/D采集就可显示当前水位，此方案的电路简单，且精度高，但是水位传感器比较昂贵，一个水位传感器至少150元，所以我们放弃此方案。方案4：采用电位器采集电压的方法。在水面上放一重物经过滑轮再放一重物，当水位上升或下降时带动滑轮，是电位器的电压改变，从而可采集一个水位的信号，经过A/D转换就可在MSC1602A的液晶显示屏上显示出当时的水位。优点：灵敏度高，得出的水位信号容易采集，并且是连续采集的；缺点：由于物体之间有摩擦力，所以有一定小的误差。考虑到分辨率要求、信号处理的连续性及对电路的要求，排除干扰因素，我们采用方案3。（2）信号转换模块的选择方案1:使用CD4066双向模拟开关，把微弱的水位信号引到CD4066的控制端，CD4066的输入端都接电源，这样就能把微弱的水位信号转换为稳定的电位信号。优点：工作稳定，便于集成化。;缺点：成本高。优点：成本低；缺点：工作不够稳定，使用数量多。方案2：使用8051f020芯片，其本身就带有A/D 采集模块，采出的灵敏度高，分辨率为0.01V，且采出的信号稳定。优点：使用方便可靠，且为集成化的电路。缺点：成本高。 信号转换模块的工作影响的各个模块的正常工作及方便可靠性我们采用方案2。（3）编码模块和液晶显示模块的选择方案1：使用两个74HC573芯片锁存器直接驱动数码管显示。优点：电路结构简单；缺点：要编码的信号不够16个，造成浪费。方案2：使用MSC1602A显示屏，可以显示水位的精确位置，直接由程序来驱动，使用时方便。优点：电路可靠，稳定；缺点:电路较复杂。由于在显示方面可以精确显示，因此我们采用了方案2.三、 工作原理上面是电压的采集的原理图，图中AD0.0-IN接入电位器的输出端，以获取不同水位的信号，将信号引到新华龙芯片的AIN0.0口，在芯片内的A/D转换部分进行模数转换。当水位上升或下降时带动电位器的转动，使电位器输出电压改变，从而得知当前的水位。此电路是把水位的高度转变为电压的大小的原理。随着水位的升高，把经过电位器出来后的电位信号，以驱动发光二极管显示当前水位，水上升到那，对应的发光二极管就发光。将5厘米或15厘米水位的对位信号由8051f020的一个脚引出，使得5厘米或15厘米的水位信号所对应的信号经过三极管放大之后驱动蜂鸣器报警，且让此驱动信号经发光二极管来实现发光的功能。MSC160A2液晶显示模块的信号也是来自8051f020，直接由电压经A/D转换后的数字信号来驱动，分为十位、个位、小数位的显示，其各自位的显示由程序直接控制。电路设计（1）水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块左下角的模块是水位采集的电压部分，由一个放大器和电阻组成，用来放大电位器所采集过来的电压，由AIN0.0口引入8051f020的A/D转换部分进行转换；R1R11是上拉电阻，是发光二极管的限流电阻；当水位上升到一定位置是，其相应发光二极管的输入口给一个低电平，则此发光二极管发光，显示当前的水位，而其他的二极管不发光。（2）液晶显示模块、报警模块此图是发光报警模块，由发光二极管，三极管及蜂鸣器组成，用来发光报警。当水位低于5厘米或高于15厘米时，AD4/D4/P3.4引脚给低电平，驱动蜂鸣器报警，AD5/D5/3.5引脚给高电平，驱动发光二极管发光。此图是MSC1602A液晶显示部分，显示屏直接插入底座就可显示水位，此显示也是由程序来驱动，它可精确显示当前的水位，含十位、个位、小数位。四、 系统调试1、调试工具：（1）万用表（2）5V直流电源（3）水槽2、调试环境：（1）地点：实验室（2）室温：28 3、测试过程：我们首先将水位调在5cm一下，让可以浮动的重物放在水槽中，再使用5V和12V电源接通电路，此时我们听到“嘀”的报警声，红色报警灯亮，111个水位显示灯不亮，显示屏显示4.52cm，符合预计的要求。接着我们往水槽里加水，结果到显示屏显示随水位的增加而增加，水位显示到5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15时，相应的灯亮，并且只有一个灯亮，并且到15cm及大于15cm时，蜂鸣器报警并发光，这些都符合我们的预计要求。我们又用测量尺测量一下实际水位，这是我们看到显示的水位和实际的水位不一致。8cm一下的实际水位比显示的水位高，8cm以上的实际水位比现实水位低，于是我们所有的测试数据都要重新测。于是我们分析了原因：一是由于水位低时的浮力小，所以重物上升的高度就小，则带动电位器转动的距离就小，水位逐渐升高时，浮力就越大，相应电位器转动的距离就越大，所以电位器的转动不是按一定得转速转动的，因此会出现此问题。二是由于下拉的重物与容器有一定的摩擦力，其摩擦力不同，在8cm一下，下拉重物与容器没接触，所以没有摩擦力，在8cm以上，下拉重物与容器接触了，有一定得摩擦力。找出这些原因后我们又开始重新测数据，每隔1cm距离我们做一次测量，给显示值不同的参数来减小误差，最终我们把误差减小到了0.07cm左右，是符合我们要求的范围的。关于摩擦力，我们让下拉重物在测量的全过程中和容器一直不接触，所以在测量中所受的摩擦力是一样的，对我们的测量影响不大，于是我们的这个问题也就解决了。于是我们又重新看看整个显示的过程，结果我们发现从显示当前13cm水位的灯一直亮着，其他的灯显示都正常，于是我们用万用表检测电路，通过多次检测，结果连接都正确，我们又调试了程序结果灯还是一直亮。这时我们想到可能是I/O口出现了问题，就换了一个I/O口，结果灯就正常亮了。当我们在重新看现象时，其报警灯也一直亮了，我们有了上一个经验，就换了一个I/O口，结果也正常亮了。我们再次用整体检测水位，当水位低于5厘米时，LED全灭，蜂鸣器发出“嘀”的声音，并且报警灯亮，随着水位的升高蜂鸣器停止发声，相应水位的LED逐个亮起，液晶屏对应显示“514.99cm”，当水位到达15厘米时红色的LED亮起，数码管显示“15”，蜂鸣器发声报警，达到了预计的结果，调试结束。五、 设计总结此次实验的设计我们在理论上、仿真上都很成功，但是在实际的调试过程中显示部分却出现了问题。原因是不同高度的水位的浮力不同，引起显示部分混乱。因设计过程中耗费了大量时间，所以没有足够的时间调试和改进。整个实验过程中收获很多对电路的设计有一个了解并能自己动手完成一些简单的电路设计、制板及调试的过程，极大地提高了我们的动手能力。参考文献：1、电子技术电子工业出版社。2、新华龙C-8051F020芯片数据资料3、MSC1602A液晶显示屏有关资料