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摘要：为保护有限的水资源，合理开发和利用水资源，必须实时监控地下水的变化，以采取相应的措施，及时调节可能出现的的不利动态趋向，保持社会的可持续发展，因此，对地下水进行动态监测有着现实的社会意义。本文介绍了基于单片机控制的地下水监测系统设计。
关键词：地下水监测；多路数据采集；单片机
0 引言
地下水是人类最宝贵的财富之一，在工农业生产和生活中都起着非常重要的作用。我国的水资源比较缺乏，并且人为因素对水资源的破坏非常严重，导致了地下水的资源越来越紧张。为了科学的保护和管理地下水资源，我们进行地下水的持续监测工作是非常必要的，也是十分紧迫的。本文采用单片机控制，利用高精度传感器，结合其他集成芯片，设计出了一种实时地下水位监测系统。
1 系统设计
1.1单片机选择
在搭建单片机硬件开发系统时，要合理的进行单片机选型，因为单片机就好比是一个硬件电路的大脑，决定了整个电路的功能和后期的软件开发难易度。一般来说，在进行单片机选型时要注意以下几点：
（1）在各项参数指标满足的前提下，要选取外部资源丰富的单片机。
（2）认真估算代码工作量，选用合理的RAM、ROM或Flash资源。
（3）对于实验性的设计，尽可能选用双列直插（DIP封装）的单片机，以便于手工焊接和调试。
（4）考虑产品最终的应用场合，如果是野外或长时间独立供电的情况，则需要尽量选择低功耗的单片机。
（5）认真考察单片机的开发成本及编程器与仿真器的选择。
综上所述，本系统采用由Atmel公司生产的AT89C52单片机。其主要功能特性如表1所示：
表1：单片机AT89C52的主要功能特性
1.2传感器选择
1.2.1水位传感器
常用的水位传感器有浮子式、压力式与超声波式，综合考虑环境条件和作业范围，本系统决定采用压力式水位传感器。市场上常见的GY100投入式液位计，全不锈钢结构，传感器电路采用美国BB公司进口模块XTR101芯片专用硅压阻传感器设计，宽电压供电，具有过压保护与限流保护的功能，拥有良好的抗干扰、防雷电能力，并且抗冲击、防腐特性强。
1.2.2浊度传感器
浊度是由水中的悬浮颗粒引起的，一般表现为水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度，工业控制中常用浊度计来测量。美国Global Water公司生产的WQ720浊度传感器是一种为环境和工业服务的可侵入水中的高精度浊度传感器。WQ720浊度传感器安装有可拆卸的碎物防护罩，使用简单方便，应用范围包括：水质检测和管理、废水处理渗透与地下水测量等水环境监测与工业控制。
1.3 A/D转换电路设计
在地下水监测系统中，各类传感器现场所检测到的信号均为模拟信号，这些模拟信号必须经过模数转换电路转换成数字信号，才能被单片机接收并处理，因此模数转换功能是地下水位监测仪的关键功能之一，数据转换的精度、误差与稳定性等指标直接决定了地下水监测系统的优劣程度。本系统采用美国TI公司的TLC2543A/D转换器，它是12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，由于是串行输入结构，能够节省单片机I/O资源，且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。
1.4时钟电路选择
在地下水监测系统中，数据采集的实时控制很重要，这一功能需要有走时准确的时钟电路来完成。能够产生实时时钟/日历的芯片种类很多，其中串行接口芯片的电路接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。本系统采用PHILIPS公司制造PCF8583时钟芯片，PCF8583是带有256*8bitRAM的8引脚时钟/日历芯片。PCF8583时钟芯片有两线串行总线接口，内含完整的振荡、分频、上电复位电路，结构简单，占用单片机端口少，功耗极低。
1.5 显示电路设计
地下水检测系统不但能监测到地下水位、水温与浊度等参数，还要实时将监测到的参数显示出来，以便数据的进一步记录与分析。目前应用最为广泛的显示技术是液晶显示器（LCD），常用的液晶显示器分为字符型LCD和点阵型LCD，由于字符型LCD无法显示汉字，考虑到数据读取的直观性，本系统采用可以显示汉字的点阵型LCD。综合考虑低电压、低功耗与程序编写简单等优点，系统的显示电路选择型号为LGM12641BS1R的128×64点阵型LCD模块，该模块构成的液晶显示方案与同类型的点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的液晶模块。
系统的硬件电路图如图1所示。
图1：系统硬件图
2 系统仿真
在完成单片机系统电路原理图的时候，同时还需要设计与此电路原理图配套的程序，这些工作完成后，就可以做仿真调试了。Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件，它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路。Proteus ISIS软件既可以用于设计电路原理图，又可以画印制电路板，并可以交互可视化仿真。软件提供了30多个元件库，上万个原件，涉及电阻、电容、二极管、晶体管、TTL和CMOS集成电路等。同时Proteus ISIS软件还提供了多个虚拟仪表，包括示波器、逻辑分析仪、信号发生器、电压表和电流表。
较为常见的仿真方法是：Keil C与Proteus联合调试，在Keil C51中执行程序，在Proteus原理图中显示变化情况，两种软件各负其责，分工合作，界面比较直观。系统仿真图如图2、图3所示。
3 结束语
综上所述，本文设计的地下水监测系统采用单片机控制，利用高精度传感器，结合其他集成芯片，将水位、浊度等参数及时采集并显示，使智能化、准确度与稳定性均得到提高。同时本系统不仅能减轻人员的劳动强度，还可提供可靠的数据，具有广泛的应用领域。但在数据处理传输上还存在一定的不足，后续还需进一步改进。
参考文献
[1]杨东升.便携式水质现场测试仪的驱动开发[D].郑州大学2016.
[2]王照锐.环保水质检测仪的研究与设计[D].南京航空航天大学2016.
论文作者:林剑锋
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/8
标签：单片机论文; 地下水论文; 传感器论文; 电路论文; 浊度论文; 本系统论文; 监测系统论文; 《基层建设》2017年第23期论文;