基于單片機(jī)的游泳池水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張琦 楊強(qiáng) 李林宇

摘要：傳統(tǒng)的游泳池水位控制采用人工的方式，依靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行水位的控制。該方式工作效率低、工作強(qiáng)度大。因此，有必要選擇水位自動(dòng)控制以節(jié)能、節(jié)約人力資源。該設(shè)計(jì)給出以AT89C51單片機(jī)為核心的游泳池水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，將3個(gè)金屬棒放置在需要測(cè)量的游泳池中，通過水的導(dǎo)電性實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前水位變化，將檢測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)與單片機(jī)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水位的控制。仿真環(huán)節(jié)通過Proteus搭建電路，合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明文章設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可靠、有效地檢測(cè)并控制了目標(biāo)水位。系統(tǒng)焊接了實(shí)物，實(shí)物也能夠?qū)崿F(xiàn)既定的功能。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；游泳池水位；LCD1602

中圖分類號(hào)：TP277? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著人們生活水平的提高和健康意識(shí)的增強(qiáng)，游泳池作為一種休閑娛樂設(shè)施，已經(jīng)成為現(xiàn)代城市中不可或缺的一部分。然而，游泳池的水位管理一直是一個(gè)重要的問題，它直接影響著游泳池的使用效果和安全性。傳統(tǒng)的水位控制方法通常依賴于人工操作，存在著調(diào)節(jié)不及時(shí)、精度不高等問題。為了解決傳統(tǒng)水位控制方法存在的問題并實(shí)現(xiàn)游泳池水位的自動(dòng)管理，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的游泳池水位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過引入先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)游泳池水位的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)水位，提高了水位控制的精度和穩(wěn)定性。

本文介紹了基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)的技術(shù)方案，詳細(xì)描述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)過程，通過焊接實(shí)物并驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。為游泳池水位控制提供了一種新的解決方案，具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值，對(duì)于提升游泳池管理的效率和水平具有一定的指導(dǎo)意義。

1 方案選擇

本設(shè)計(jì)將液位作為控制對(duì)象，使用自動(dòng)化的設(shè)備和方法。將液位控制在合適的范圍內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)被稱為液位控制系統(tǒng)。液位控制廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，游泳池水位控制就是其中之一。在許多的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，有著不同的液位要求，都需要進(jìn)行控制，從而使得生產(chǎn)能夠達(dá)到很好的精度、品質(zhì)。以前的水位控制多采用大量的儀表，配合人工實(shí)時(shí)觀察，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，該類方法對(duì)工作人員要求較高，現(xiàn)階段多采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，計(jì)算機(jī)控制水位優(yōu)勢(shì)如下：（1）實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)到的水位情況和各自動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；（2）能根據(jù)當(dāng)前的監(jiān)測(cè)值自動(dòng)控制各設(shè)備的執(zhí)行，具有良好的人機(jī)交互界面，可以安全地進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

在眾多的控制方案中，單片機(jī)以體積小、功能強(qiáng)、使用和操作簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)得到了液位控制系統(tǒng)的青睞。別看單片機(jī)只是一塊小小的芯片，但是卻集成了計(jì)算機(jī)所需的CPU、 存儲(chǔ)器、輸入、輸出接口等部件，故本次設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)完成水位控制。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式模塊選型

AT89C51是一款應(yīng)用極廣的單片機(jī)，使用過程中能夠提供有效且靈活的運(yùn)行方案［1］，相關(guān)功能標(biāo)準(zhǔn)如下：4k字節(jié)的閃速存儲(chǔ)器，32個(gè)I/O口線，256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，1個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，掉電方式保存RAM內(nèi)容，1個(gè)全雙工串行通信口，可降至0 Hz的靜態(tài)邏輯操作，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。

2.2 晶振電路設(shè)計(jì)

晶振電路是單片機(jī)最小系統(tǒng)必不可少的組成部分之一，其主要功能是為單片機(jī)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)序。該電路通常由1個(gè)晶振和2個(gè)電容共同組成，常見的晶振頻率為24MHz、12MHz、6MHz。本設(shè)計(jì)選擇12MHz的石英晶體，其兩端分別連接至單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳。2個(gè)補(bǔ)償電容C1、C2選用約30 pF的陶瓷電容。

2.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化。本次設(shè)計(jì)的復(fù)位電路由1個(gè)電阻、1個(gè)電容、1個(gè)按鍵組成。按下按鍵，電容被短路開始快速放電；當(dāng)按鍵斷開時(shí)，電容C1與電源VCC相連接，進(jìn)行充電，充電完成后，電容斷開，RST接收到低電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。

2.4 水位監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的水位監(jiān)測(cè)由低水位狀態(tài)向高水位狀態(tài)進(jìn)水，如果當(dāng)前水位低于下限，傳感器檢測(cè)到該信息，通過穩(wěn)壓電路輸出低電平，將該低電平傳遞給單片機(jī)。單片機(jī)接收到該信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，低水位指示燈亮起，開啟水泵向游泳池加水。隨著加水的進(jìn)行，如果傳感器檢測(cè)到當(dāng)前水位達(dá)到上限時(shí)，傳感器會(huì)向單片機(jī)發(fā)出低電平信號(hào)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，高水位指示燈亮起，水泵停止工作。同理，如果初始水位位于高水位，當(dāng)水位下降至低于高水位線時(shí)，此時(shí)傳感器高水位與電源斷開，輸出低電平信號(hào)至單片機(jī)，單片機(jī)作出相應(yīng)的響應(yīng)。

2.5 游泳池進(jìn)水電路設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測(cè)到水位過低，沒有在正常水位范圍內(nèi)時(shí)，報(bào)警紅燈亮起同時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，觸發(fā)繼電器吸合，進(jìn)水狀態(tài)顯示燈紅燈亮起，同時(shí)水泵啟動(dòng)；當(dāng)檢測(cè)到游泳池水位等級(jí)大于1時(shí)，蜂鳴器停止報(bào)警，進(jìn)水紅燈繼續(xù)點(diǎn)亮，繼續(xù)進(jìn)水；當(dāng)檢測(cè)到游泳池水位到達(dá)等級(jí)2時(shí)，停止進(jìn)水，紅燈熄滅。

2.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是無源蜂鳴器LS1，蜂鳴器LS1接單片機(jī)P27端口，另一端接地。當(dāng)系統(tǒng)上電后，游泳池水位過低時(shí)（水位等級(jí)小于1）發(fā)出報(bào)警，提示需要進(jìn)水。

2.7 顯示電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選擇LCD1602液晶顯示器作為顯示電路。該顯示器是一種廣泛應(yīng)用于顯示符號(hào)、數(shù)字、字母等的器件，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)顯示32個(gè)字符， 顯示屏上的信息由這些像素點(diǎn)組成。因此，指令控制燈的亮滅就可以顯示信息［2］。Proteus仿真軟件中與其對(duì)應(yīng)的芯片為LM016L型號(hào)顯示芯片，LM016L芯片D0-D7口連接單片機(jī)P0.0-P0.7引腳，RS、RW和E引腳分別接單片機(jī)P15、P16和P17引腳，配合排阻RP1實(shí)現(xiàn)顯示。當(dāng)按鍵SW1、SW2、SW3、SW4分別打在不同位置時(shí)，顯示器上會(huì)顯示對(duì)應(yīng)水位等級(jí)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的水位控制原理如圖1所示。系統(tǒng)允許的水位范圍由上下2根虛線表示。正常狀態(tài)下，水位應(yīng)保持在平行的虛線之間。設(shè)置A、B、C 3根檢測(cè)棒，A位于水位下限，B位于上下限之間，C位于水位上限。游泳池供水選擇的是電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵完成。隨著供水進(jìn)行，水泵抽水，泳池內(nèi)水位不斷上升，當(dāng)達(dá)到水位上限時(shí)，因?yàn)樗膶?dǎo)電性，B棒和C棒接通+5 V電源。故B、C兩端為1，此時(shí)，水泵和電機(jī)停止工作，供水停止。若當(dāng)前水位在上下限范圍內(nèi)，A、B棒導(dǎo)通，A、C棒不導(dǎo)通，因此B端為1，C端為0。此時(shí)，無論電機(jī)是否運(yùn)行，都將繼續(xù)維持原來的狀態(tài)。若水位到達(dá)設(shè)定下限，A、B、C棒均不導(dǎo)電，B、C均為0。此時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，水泵工作，向游泳池供水。該系統(tǒng)主程序主要進(jìn)行游泳池水位檢測(cè)和水泵電機(jī)控制設(shè)計(jì)，啟動(dòng)電源，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，水位傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前游泳池內(nèi)的水位，將檢測(cè)結(jié)果傳送給單片機(jī)。單片機(jī)通過程序?qū)Ρ葘?shí)時(shí)測(cè)量值的預(yù)設(shè)值，如果在設(shè)定范圍內(nèi)，則保持當(dāng)前狀態(tài)不變；如果測(cè)量值低于下限，則發(fā)出蜂鳴器報(bào)警，低水位指示燈亮起，同時(shí)開啟水泵向泳池加水；如果測(cè)量值高于上限，蜂鳴器也發(fā)出報(bào)警信號(hào)，高水位指示燈亮起，水泵關(guān)閉。

3.2 水位檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的水位檢測(cè)仿真利用SW1-SW4開關(guān)來模擬水位狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)SW1～SW4都接電源正極，此時(shí)模擬水位等級(jí)2，表示水位過高，報(bào)警黃燈點(diǎn)亮；當(dāng)開關(guān)SW1接地，SW2～SW4接電源正極時(shí)，模擬水位等級(jí)為1，表示水位在正常范圍，指示綠燈點(diǎn)亮；開關(guān)SW1、SW2接地，SW3、SW4接電源正極時(shí)，模擬水位等級(jí)1，表示水位在正常范圍內(nèi)，指示綠燈點(diǎn)亮；開關(guān)SW1～SW3接地，SW4接電源正極時(shí)，模擬水位等級(jí)1，表示水位在正常范圍內(nèi)，指示綠燈點(diǎn)亮；當(dāng)開關(guān)SW1～SW4都接地，模擬水位等級(jí)0，表示水位過低，報(bào)警紅燈點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器響起，繼電器吸合，水泵開啟，給游泳池進(jìn)水。

3.3 水位報(bào)警程序設(shè)計(jì)

當(dāng)游泳池水位等級(jí)小于等于0時(shí)，表示游泳池水位過低，此時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)水位過低紅燈點(diǎn)亮，需要開啟水泵給游泳池進(jìn)水，因此繼電器吸合，進(jìn)水水泵開啟；當(dāng)游泳池水位等級(jí)大于或者等于2時(shí)，表示游泳池水位過高，此時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)，水位過高，黃燈點(diǎn)亮，繼電器斷開，關(guān)閉水泵，停止進(jìn)水；當(dāng)游泳池水位等級(jí)為1時(shí)，表示游泳池水位正常，此時(shí)蜂鳴器關(guān)閉，水位正常綠燈點(diǎn)亮。

3.4 排水子程序設(shè)計(jì)

當(dāng)游泳池內(nèi)水質(zhì)不好需要進(jìn)行泳池內(nèi)的水更換時(shí)，管理人員要手動(dòng)開啟排水閥將泳池內(nèi)的水全部排出。當(dāng)進(jìn)入排水子程序時(shí)，首先進(jìn)行變量的定義和初始化，然后判斷“開閥”按鍵是否按下，如果按下，則啟動(dòng)排水水泵，開始排出游泳池內(nèi)的水；當(dāng)“關(guān)閥”按鍵按下時(shí)，排水水泵停止。

4 系統(tǒng)仿真

4.1 游泳池低水位仿真

本文采用Proteus進(jìn)行仿真。Proteus 是由一家英國公司自主研發(fā)并發(fā)行出版的一 個(gè)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，不僅具有EDA軟件的仿真功能，而且可以對(duì)各種單片機(jī)進(jìn)行仿真，同時(shí)支持Keil軟件進(jìn)行編輯［3］。將SW1、SW2、SW3、SW4都接地時(shí)，水位等級(jí)為0，表示游泳池水位過低，此時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)水位過低指示紅燈D1點(diǎn)亮，繼電器吸合，進(jìn)水狀態(tài)指示紅燈D4點(diǎn)亮，LCD1602液晶顯示器上水位等級(jí)顯示為0，水泵狀態(tài)顯示為“Start”，進(jìn)水水泵啟動(dòng)，開始進(jìn)水。具體仿真如圖2所示。

4.2 游泳池正常水位仿真

將SW1、SW2、SW4都接地，SW3接電源正極，水位等級(jí)為1，表示游泳池水位在正常范圍內(nèi)，此時(shí)蜂鳴器不報(bào)警，同時(shí)水位正常指示綠燈D2點(diǎn)亮，繼電器吸合，進(jìn)水狀態(tài)指示紅燈D4點(diǎn)亮，LCD1602液晶顯示器上水位等級(jí)顯示為1，水泵狀態(tài)顯示為“Start”，進(jìn)水水泵啟動(dòng)，開始進(jìn)水。

4.3 游泳池高水位仿真

將SW1、SW2、SW3、SW4都接電源正極時(shí)，水位等級(jí)為4，表示游泳池水位過高，此時(shí)水位過高指示黃燈D3點(diǎn)亮，繼電器斷開，進(jìn)水狀態(tài)指示紅燈D4熄滅，LCD1602液晶顯示器上水位等級(jí)顯示為2，水泵狀態(tài)顯示為“Stop”，進(jìn)水水泵停機(jī)。

5 實(shí)物展示

總體實(shí)物如圖3（A）所示，水位過低實(shí)物如圖3（B）所示，水位正常實(shí)物如圖3（C） 所示，水位過高實(shí)物如圖3（D）所示。

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的游泳池水位控制系統(tǒng)設(shè)? 計(jì)。然而，由于個(gè)人知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的欠缺，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不可避免存在一定的弊端。未來改進(jìn)智能液位控制器的設(shè)計(jì)可以從以下方面入手。（1）采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)增強(qiáng)液位控制的可靠性和穩(wěn)定性。（2）加強(qiáng)對(duì)不同液體導(dǎo)電性的測(cè)試和研究，為不同液體設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制程序。（3）深化液位控制器與其他智能設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，提高設(shè)備的智能化程度和自動(dòng)化水平。（4）提升液位控制器的可編程性和可調(diào)節(jié)性，以方便用戶根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整。這樣的改進(jìn)將提升智能液位控制器的可靠性和智能化程度，以滿足不同行業(yè)的需求。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王永超）

Design of swimming pool water level control system based on single chip microcomputer

ZHANG? Qi， YANG? Qiang， LI? Linyu

（School of Electronic Information， Xijing University， Xian 710123， China）

Abstract：? The traditional swimming pool water level control adopts the artificial way， and relies on the staffs experience to control the water level. The method has low working efficiency and high working intensity. Therefore， it is necessary to choose water level automatic control to save energy and human resources. This design gives the control system of the swimming pool water level control system based on AT89C51 single-chip microcomputer. Three metal rods are placed in the swimming pool to be measured. By measuring the current water level change in real time through the conductivity of water， the detection signal will be real-time interaction with the single-chip microcomputer， and then achieve the control of water level. In the simulation， Proteus is used to build the circuit and set up the experiment to verify the system. The experiment shows that the designed system can detect and control the target water level reliably and effectively. This system has welded the real thing， and the real thing also can realize the given function.

Key words： single chip microcomputer; swimming pool water level detection; LCD1602