基于单片机的水位监测报警装置设计

胡可狄王宏王亚京信桂锁

(北京新立机械有限责任公司北京100039)

摘要：电缆由于长时间浸泡可能会引发击穿、短路，给人们的生活带来严重影响。本文基于STM32单片机，设计了水位自动监测报警装置。装置包括电源、数据采集、继电器控制、无线通信、数码管、液晶屏显示以及指示灯、蜂鸣器报警等模块，可实现水位的实时监测、预警，并可通过继电器控制水泵开关实现水深的自动调节。该装置的应用可以有效避免电缆的浸泡腐蚀，减少电缆的维护开支。

关键词：水位；实时监测；继电器控制；单片机

0.引言

随着城市化规模的不断扩大，地下电缆网络规模也日渐庞大。受地势和天气影响，电缆沟中会经常积水，积水水位达到一定高度后，电缆就会由于长时间浸泡、腐蚀，而出现爆裂、短路等现象，引发严重后果。本文设计一款具有实时监测、显示、预警功能的水位监测报警装置，通过对电缆沟中水位不间断监控，以有效的防止地下电缆因浸泡水中带来的危害，进而为节约电缆维护开支，减轻巡检、维护人员的工作量和劳动强度做出一定贡献。

1.设计原理

本文设计水位监测报警装置由电源模块、数据采集模块、主控模块、显示模块以及无线通信模块等部分组成。系统结构框图如下图1所示。其中，触摸屏输入模块用于设置装置工作参数，通信模块用于实现设备参数的远程调控以及数据的远程显示。工作时，数据采集模块测量水位数据信息，并通过串口传输至控制模块，控制器将接收信号发送至触摸显示屏、数码管等设备进行数字显示，并将数据与继电器动作阈值比较，通过继电器通断控制，实现预警、抽水等功能。

图1水位监测报警装置系统结构框图

2.硬件结构设计

装置的硬件设计原理如图2所示。

图2水位监测报警装置硬件设计原理图

2.1主控电路

主控电路选用32位ARM微控制器STM32F103RCT6，其内核工作频率为72MHz，采用上电复位模式，避免误操作。微控制器通过U(S)ART串口、SPI总线以及GPIO口等外设控制水位测量、输入与显示、报警、开关量输入输出、无线通信等模块。

图3水位监测报警装置主控电路设计图

2.2数据采集电路

2.3输入与显示电路

装置中，触摸显示屏既是输入设备又是显示设备。作为输入设备，其通过UART串口与微控制器进行数据交互，作为显示设备，其通过RS485总线接收微控制器命令。设计中，此设备采用层进式界面，用户通过“翻页”既可查看当前水位、历史数据、节点状态、设备地址等信息；又可对报警阈值、提示方式等进行设置。另外，数码管显示部分也通过RS485总线接收微控制器命令，完成当前水位信息的实时显示，且数码管显示4位数字（小数点后1位）。

图4输入与显示电路图

2.4开关量输入输出电路

开关量输入输出电路如图5，采用光耦作输入隔离，避免了输入信号对主体电路的干扰；采用达林顿管、固态继电器两级驱动，增强输出电路带负载能力。

图5开关量输入输出电路图

2.5通信模块

应用F2A16物联网无线数据终端作为无线通信模块，它利用公用蜂窝网络为用户提供无线长距离数据传输功能。微控制器通过RS485接口直接串联F2A16模块，将水位监测报警装置中的数据信息发送至远端的数据平台。

图6通信模块电路

3.软件设计

软件设计包括主程序模块、定时中断程序模块、数据读取、处理、保存程序模块、参数设置程序模块以及无线通信程序模块几部分。

程序流程图如图7，程序启动，主程序依次完成操作系统、硬件设备参数以及任务初始化后，操作系统启动，系统分别执行定时、数据处理、参数设置等任务程序。

图7程序流程图

定时中断程序模块定义时间间隔为1s的定时器，此任务通过串口定时向传感器模块发送数据读取请求。传感器接收到请求命令，反馈水位数据信息。水位数据读取程序模块则接收此反馈信号，完成水位数据读取以及显示。

继电器控制任务通过对比水位数据与预设阈值实现继电器开关控制。系统任务启动，此任务程序等待接收水位数据读取模块发送的数据信号，当有数据传入时，进行水位数值读取并相继完成数值与单片机预设的各个继电器阈值的比较，当数值小于预设阈值时，继电器断开，当数值大于预设阈值时，继电器闭合。

此外，参数设置程序模块通过命令传输，实现触摸显示屏与单片机通信，完成系统时间、地理位置、水位阈值、蜂鸣器开关等设置。无线通信程序模块通过GPRS实现参数设置的远程控制。历史数据保存任务实现水位数据定时存储。

4.结语

本文设计的水位监测报警装置，可实现电缆沟中水位的实时检测。装置应用压力传感器测量水位高度，高度数据通过串口传输至主控制器后，发送至数码管、触摸显示屏实现数据显示，并与与预设阈值比较实现继电器通断控制，进而控制报警电路以及水泵控制电路通断。装置可灵活设置设备编号、时间、地理位置、继电器阈值等参数，并通过无线通信模块，实现上述参数的远程控制以及数据信息的远程显示。装置可广泛应用于变电站、发电场以及市政工程的电缆沟中，实现沟中水位的自动控制。

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