基于Arduino的水位監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

伍敏君

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院光電信息學(xué)院 廣東省中山市 528400）

經(jīng)濟(jì)發(fā)展使人們生活水平不斷提高，生活用水與工業(yè)用水量大幅度增加；另一方面，要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)測(cè)湖泊、水庫(kù)、河流等水位以研究生態(tài)環(huán)境變化、防御自然災(zāi)害，因此，水位監(jiān)測(cè)與控制至關(guān)重要[1-3]。電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使智能化監(jiān)控已成為發(fā)展趨勢(shì)。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了必要條件[4-5]。本文以水位為監(jiān)測(cè)對(duì)象，設(shè)計(jì)一款水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)并顯示于液晶顯示器中，本系統(tǒng)可應(yīng)用于日常生活中的水位監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以ArduinoUNO 控制器為核心，結(jié)合傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警。本系統(tǒng)由控制器模塊、水位檢測(cè)模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊等四部分組成。

1.1 控制器模塊

本系統(tǒng)采用的控制器為ArduinoUNO，如圖1所示，其主控芯片為ATmega328P，核心處理器是AVR 單片機(jī)。ArduinoUNO 是開源的硬件，資源豐富，有14 個(gè)數(shù)字I/O 口，6 個(gè)PWM 輸出端口，6 個(gè)模擬輸入端口，1 個(gè)16MHz 晶振，1 個(gè)復(fù)位按鍵，1 個(gè)USB 接口以及1 個(gè)直流電源插孔等[6]。ArduinoUNO 的工作電壓為5V，既可用USB 供電，也可用外部供電。其價(jià)格低，穩(wěn)定性好，設(shè)有一個(gè)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，當(dāng)短路或電流過(guò)大時(shí)，自動(dòng)斷開供電，起保護(hù)ArduinoUNO 板和計(jì)算機(jī)USB 端口的作用。

1.2 水位檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)的水位檢測(cè)模塊采用深圳科易互動(dòng)科技有限公司研發(fā)的一款水位傳感器，如圖2所示。此傳感器采用半月形凹陷防滑處理設(shè)計(jì)，表面有一系列平行導(dǎo)線用于測(cè)量水滴水量的大小。模塊體積小巧，輕便簡(jiǎn)單，低功耗，靈敏性好，工作電壓為5V，工作電流低于20mA。該水位傳感器可直接與控制器相連接，有三個(gè)引腳，其中，“-”為GND 端口，“+”為VCC 端口，“S”為數(shù)據(jù)輸出端口。

1.3 顯示模塊

圖1：ArduinoUNO 控制器

圖2：水位傳感器

圖3：LCD1602 液晶顯示器

本系統(tǒng)的顯示模塊采用液晶顯示器LCD1602 芯片，如圖3所示。該芯片能顯示2 行信息，每行可顯示16 個(gè)字符、數(shù)字或字母，各字符尺寸為2.95×4.35mm。LCD1602 的工作電壓為5.0V,工作電流為2.0mA，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，共有16 個(gè)引腳。其中，引腳1 為電源地，引腳2 為電源正極，引腳3 為液晶顯示偏壓信號(hào)，引腳4 為數(shù)據(jù)/命令選擇端，引腳5 為讀/寫選擇端，引腳6 為使能信號(hào)，引腳7 ～14為數(shù)據(jù)口，引腳15 為背光源正極，引腳16 為背光源負(fù)極。

1.4 報(bào)警模塊

本系統(tǒng)的報(bào)警模塊采用由LED 指示燈和有源蜂鳴器組成的電路。為了使LED、有源蜂鳴器工作在額定電壓和額定電流范圍內(nèi)，兩者各串聯(lián)220Ω 電阻。當(dāng)水位低于預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)，報(bào)警模塊不工作；否則，觸發(fā)報(bào)警模塊工作，驅(qū)動(dòng)LED 點(diǎn)亮、蜂鳴器發(fā)響。

1.5 系統(tǒng)連接

本系統(tǒng)的連接圖如圖4所示，LCD1602 芯片的16 個(gè)引腳，采用八位連接法與ArduinoUNO 控制器連接，即第7 ～14 引腳的數(shù)據(jù)位D0 ～D7 分別連接到ArduinoUNO 控制器的八個(gè)數(shù)字I/O 口9、8、7、6、5、4、3、2。為了便于調(diào)節(jié)液晶顯示器的對(duì)比度，第3 引腳接入10kΩ 可調(diào)電阻。

LED 和有源蜂鳴器的正極并聯(lián)后，接至ArduinoUNO 控制器的數(shù)字I/O 口13。LED 和有源蜂鳴器的負(fù)極分別串聯(lián)220Ω 電阻，再接至控制器的GND 端口。

水位傳感器的正極接至ArduinoUNO 控制器的VCC 端口，其負(fù)極接至控制器的GND 端口，S 端口接控制器的模擬輸入端口A0。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 ArduinoIDE

本系統(tǒng)所有模塊功能的程序均在Arduino IDE 平臺(tái)中設(shè)計(jì)與完成。在Arduino IDE 平臺(tái)上，Arduino 語(yǔ)言把AVR 單片機(jī)相關(guān)的參數(shù)設(shè)置封裝成函數(shù)，減少了硬件底層的開發(fā)。

啟動(dòng)Arduino IDE 后，新建工程，系統(tǒng)已自動(dòng)在工程中添加如下內(nèi)容：

圖4：系統(tǒng)連接圖

圖5：軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖6：水位傳感器置于空氣中

圖7：水位傳感器浸入水中

Arduino 程序中沒有C 語(yǔ)言要求的main()函數(shù)，只需完成setup()和loop()兩個(gè)函數(shù)的編寫。其中，setup()只執(zhí)行一次，完成程序的一些初始化設(shè)置；loop()一直反復(fù)執(zhí)行，相當(dāng)于while(1)的循環(huán)語(yǔ)句，是實(shí)現(xiàn)程序功能的主體代碼。

2.2 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)包括變量的定義與初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、顯示器設(shè)置等。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

當(dāng)Arduino UNO 控制器上電后，啟動(dòng)本系統(tǒng)。首先完成系統(tǒng)初始化，執(zhí)行頭文件命令，由于系統(tǒng)采用液晶顯示器，需要包含頭文件“LiquidCrystal.h”。接著完成變量的定義與初始化等。

在setup()函數(shù)里，將LED、蜂鳴器引腳配置為OUTPUT 端口，串口波特率初始化為9600，LCD1602 初始化為16 列2 行，傳感器采集第一次數(shù)據(jù)等。

在loop()函數(shù)里，定時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)analogRead 函數(shù)讀取傳感數(shù)據(jù)，并作數(shù)據(jù)分析，水位數(shù)據(jù)顯示在LCD1602 中。LCD1602 第一行顯示當(dāng)前的日期，設(shè)置格式為“年-月-日”；第二行顯示“water:”字符串，其后顯示傳感數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)的報(bào)警值300 時(shí)，啟動(dòng)LED 燈點(diǎn)亮、蜂鳴器報(bào)警。系統(tǒng)每隔3s 自動(dòng)采集并更新數(shù)據(jù)于LCD1602 中。

3 系統(tǒng)性能分析

為了測(cè)試系統(tǒng)的功能、穩(wěn)定性以及可行性，將系統(tǒng)分別置于空氣和水中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，記錄相應(yīng)數(shù)值。如圖6所示，當(dāng)水位傳感器置于空氣中，此時(shí)未浸入水中，水位傳感器采集到的數(shù)據(jù)為9，通過(guò)自定義函數(shù)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，LCD1602 中顯示為“009”。

如圖7所示，當(dāng)水位傳感器浸入水中，將其采集到的數(shù)據(jù)顯示于LCD1602 中，本次采集數(shù)據(jù)為“611”，大于預(yù)設(shè)的報(bào)警值300，則觸發(fā)報(bào)警模塊，此時(shí)Arduino UNO 驅(qū)動(dòng)LED 點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)響，實(shí)現(xiàn)水位過(guò)高的報(bào)警機(jī)制。

4 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)并制作一款基于Arduino的水位監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，定時(shí)更新并顯示水位的傳感數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示等各功能可靠，報(bào)警響應(yīng)迅速，滿足水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。