一種簡易水位報警裝置的制作與應用

李德松 陳旭揚 陳華喜

摘? ? 要：文章詳細介紹了一種簡易水位報警裝置的制作原理、制作方法及在中學物理興趣教學中的應用。該水位報警裝置是以AT89C51單片機為核心，對FC-37液位傳感器采集到的模擬信號經(jīng)過放大整形后輸入單片機，單片機將模擬信號轉化為數(shù)字信號后傳遞給蜂鳴器。當水位低于液位傳感器的感應板時，液位傳感器輸出水平信號，此時單片機就會將信號傳遞給蜂鳴器報警，感應板浸入水中時蜂鳴器不報警。同時，該裝置還利用單片機系統(tǒng)內(nèi)部定時器來計時，顯示屏用于顯示事先預設的水減少量以及水量減少時間。使用時，可以通過按鍵電路設置水減少量和水量減少時間，當水箱內(nèi)的水位低于液位傳感器的位置，或時間超過預設時間，或水減少量超過預設的量時，蜂鳴器將會自動報警。

關鍵詞：水位報警裝置;單片機;液位傳感器;蜂鳴器

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）11-0034-2

1? ? 問題的提出

液位顯示控制器能廣泛應用于煉油、化工、造紙、食品及污水處理等行業(yè)。能對開口、密閉容器或地下池槽里的介質(zhì)液位在儀表控制室內(nèi)進行顯示、報警和控制[1]。然而，市場上所售的水位報警裝備（如GPRS無線液位顯示控制器、無線電臺水位控制器等）不僅體積大、重量大，攜帶、安裝均不方便，而且價格均較昂貴，一般在6至8千元之間[2]。為解決上述問題，也為提高學生的物理興趣，筆者帶領興趣小組的學生制作了一種簡易水位報警裝置。

2? ? 制作原理

用液位傳感器采集信號（模擬信號）[3]，通過低通放大器和整形電路對采集到的低頻信號進行放大和整形后，輸入單片機，單片機將接收到的模擬信號轉化為數(shù)字信號后傳遞給蜂鳴器，同時單片機系統(tǒng)內(nèi)部的定時器用來計算時間，顯示屏用于預設水容量和時間[4]。設計思路如圖1所示。

3? ? 制作材料

FC-37液位傳感器（圖2）、低通放大器、比較和整形電路、AT89C51單片機、LCD1602液晶顯示屏（圖3）、蜂鳴器、按鍵電路、水容量和時間控制按鈕、LED指示燈、USB連接線等。

4? ? 制作方法

4.1? ? 制作步驟

（1）設計相關電路圖：單片機最小系統(tǒng)電路圖、電源電路圖、傳感器接口電路圖、蜂鳴器報警電路圖、LCD1602液晶顯示電路圖;

（2） 用雕刻機將設計好的電路圖雕刻在電路板上;

[對于中學生來說，（1）（2）兩個步驟難度稍大，為簡便起見，我們可以購買相關部件]

（3）用電烙鐵將各元件接口焊接在電路板上;

（4）將各元件插入相應接口。

4.2? ? 實驗觀察

該報警裝置的調(diào)節(jié)、測試、觀察過程如下：

（1）將連接線一端插入USB接口，另一端接水位報警裝置;

（2）觀察水位報警裝置的狀態(tài)（圖4）;

（3）按下電源按鍵，并將液位傳感器置于空氣中，觀察水位報警裝置的狀態(tài)（圖5）;

（4）用水量和時間控制按鈕分別調(diào)整水容量為150 mL、250 mL、500 mL，對應時間調(diào)整為0.5 h、1 h、2 h（圖6、圖7、圖8）;

（5）并將液位傳感器置于水中，觀察水位報警裝置的狀態(tài);

（6）關閉電源。

4.3? ? 結果分析

（1）連接USB接口，水位報警裝置無亮燈，無報警現(xiàn)象;

（2）將液位傳感器置于空氣中，按下電源按鍵，紅色LED燈亮起，蜂鳴器發(fā)出“嘀——嘀——嘀——”的報警聲;

（3）用水容量和時間控制按鈕調(diào)整水容量為150 mL、時間為0.5 h后，蜂鳴器發(fā)出“嘀——嘀——嘀——”的報警聲;

（4）將液位傳感器置于水中，紅色LED燈繼續(xù)亮，蜂鳴器無報警聲。

5? ? 教學應用

該簡易水位報警裝置不僅有體積小、重量輕、可靠性高、操作簡便的特點，而且價格也較為便宜（不超過20元）。該裝置能解決人工觀測勞動強度大、觀測時間有盲點等一系列問題，具有減少浪費、節(jié)約資源等積極意義。同時，該水位報警裝置的制作對提高學生的物理興趣、激發(fā)學生探索科學和勇于創(chuàng)造發(fā)明的信心也有促進作用。

參考文獻：

[1]趙小蘭，胡征，王培坤，等.多功能自行車碼表設計[J].電子測試，2013（20）：1-2.

[2]孫寶元，楊寶清.傳感器及其應用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[3]胡漢才.單片機原理及系統(tǒng)設計[M].北京：清華大學出版社，2002.

[4]任強.傳感器選用原則[J].鐵道技術監(jiān)督，2004（9）：33-34.

[5]張俊謨.單片機中級教程原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）