陳虹安， 阮太元， 周 昊， 蔡雄友

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 江門 529000）

引言

水資源是人類必不可少的重要資源，它是人類生命的起源，同時(shí)也與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān)。但是在現(xiàn)實(shí)生活中，工業(yè)用水和生活污水的排放都對(duì)水源造成了嚴(yán)重影響。此外，江河湖海的水位升高往往伴隨著決堤的危險(xiǎn)，嚴(yán)重地威脅到人類的生命安全。隨著人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，水資源能否得到有效的監(jiān)控與利用已經(jīng)成為了制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸之一。因此，建立防災(zāi)和水資源優(yōu)化管理的水情系統(tǒng)是現(xiàn)代水利和水利工程管理的需要。

基于此背景，本文研發(fā)了一款能采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)水質(zhì)、水位等水情信息的實(shí)時(shí)水情監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過傳感器采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)液體的酸堿度（pH值）檢測(cè)、液位高度檢測(cè)、電池電壓狀態(tài)檢測(cè)等功能，并將檢測(cè)到的參數(shù)顯示在12864液晶顯示屏上。此外，還能將監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的水情信息傳送至信息處理中心，便于相關(guān)部門及時(shí)進(jìn)行水文預(yù)測(cè)及監(jiān)控，從而減少水害損失，提高水資源利用率。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證表明，本系統(tǒng)的檢測(cè)精度較高，達(dá)到了實(shí)際水情監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。

1 系統(tǒng)方案

本文設(shè)計(jì)的水情監(jiān)控系統(tǒng)集水位監(jiān)控與水質(zhì)監(jiān)測(cè)于一體，為相關(guān)部門進(jìn)行防災(zāi)和水資源優(yōu)化提供重要的參考信息。本系統(tǒng)由空氣凈化器、手持終端（手機(jī)或PDA）兩大核心部分構(gòu)成。本系統(tǒng)中，核心MCU采用的是MSP430單片機(jī)；PH值檢測(cè)采用市面上常見的酸堿度傳感器；該傳感器檢測(cè)的輸出信號(hào)是一個(gè)模擬電壓信號(hào)，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后得到相應(yīng)的信號(hào)；液面高度檢測(cè)采用超聲波測(cè)距的原理，通過收發(fā)信號(hào)時(shí)間差計(jì)算得到液面高度值；電池電壓檢測(cè)采用單片機(jī)自帶的AD模塊，直接檢測(cè)電源電壓。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為控制核心，該芯片功耗低、運(yùn)行速度快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)且片內(nèi)資源豐富，完全滿足水情實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求。在電源供電方面，采用4節(jié)1.5 V干電池串聯(lián)起來的方式為各模塊供電。此外，采用酸堿度傳感器測(cè)量水的PH值，采用超聲波傳感器測(cè)量水位，采用AD模塊進(jìn)行電壓數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用12864液晶顯示屏作為水情信息顯示模塊。

本系統(tǒng)中，PH傳感器需要供電穩(wěn)定在5 V，單片機(jī)供電3.3 V，所以電源模塊需要輸出5 V和3.3 V兩路穩(wěn)定電壓，超聲波模塊是寬電壓，不作供電要求。而供電電池為4節(jié)1.5 V干電池（共6 V），故需要對(duì)電源電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，分別得到5 V和3.3 V的電壓供給PH傳感器和單片機(jī)使用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的軟件程序部分包括：系統(tǒng)初始化程序、按鍵控制程序、鍵盤菜單選擇程序、電壓檢測(cè)程序、pH值檢測(cè)程序、液面高度檢測(cè)程序以及藍(lán)牙傳輸程序。本次軟件設(shè)計(jì)的基本方法是利用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化分析的方式完成，這種方式至今廣泛應(yīng)用。下面將對(duì)本系統(tǒng)的主要程序進(jìn)行分析。

本系統(tǒng)在通電后，首先進(jìn)入開始頁面，接著進(jìn)行初始化，包換串口初始化、中斷初始化、各個(gè)傳感器初始化、按鍵初始化、定時(shí)器初始化、液晶顯示初始化等，經(jīng)過初始化過程進(jìn)入系統(tǒng)延時(shí)3 s等待系統(tǒng)穩(wěn)定工作，進(jìn)入系統(tǒng)模式的菜單選擇頁面，然后驅(qū)動(dòng)傳感器工作，開始采集各傳感器傳輸回來的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理顯示到LCD128×64液晶。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在溫度為25℃時(shí)，往容器中多次倒入純凈水，待液面穩(wěn)定后，測(cè)量高度數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表1所示；容器中保留適量純凈水，往水中多次倒入白醋，在1 min內(nèi)，記錄穩(wěn)定的pH值，測(cè)試結(jié)果如表2所示；更改電源的供電電壓，在3.3～6 V之間修改，記錄檢測(cè)的電壓值，所測(cè)得的數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 液位高度測(cè)試結(jié)果

表2 pH值測(cè)試結(jié)果

表3 電池電壓測(cè)試結(jié)果

通過上述測(cè)試表格可知，在表2中PH值的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率很高，和標(biāo)定的試劑值相比較，誤差率很低。從表1中液位檢測(cè)結(jié)果分析可知，由于超聲波檢測(cè)本身的局限性，造成了液位檢測(cè)值存在一定的誤差，但其實(shí)際誤差小于1 cm，可以滿足使用要求。表3中是電池電壓檢測(cè)情況，由于采用單片機(jī)本身12位的AD轉(zhuǎn)換模塊，理論精度達(dá)到0.000 2，所以檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際值誤差較小，誤差率很低[1-2]。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅具有檢測(cè)PH值功能，還具有檢測(cè)水位功能，能有效檢測(cè)到水情的變化，并可將其發(fā)送至上位機(jī)，作為有關(guān)部門作出相應(yīng)判斷的重要參考。此外，該系統(tǒng)還具備檢測(cè)電池電壓、提醒更換電池的功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)的檢測(cè)精度達(dá)到了實(shí)際推廣使用的水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭策策.基于Zigbee-GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].太原:太原理工大學(xué)，2014.

[2] 王國(guó)偉.基于單片機(jī)的水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.