0001基于C51单片机的水位测量水质检测系统方案原理图PCB仿真设计

【前言】

hello 大家好，今天给大家讲一讲基于51单片机的水位水质检测系统，在我们学习生活中可能会涉及到类似的项目，要实现这个功能需求的方案也有很多，钛叔这里采用的是比较大众简易化的方案，希望对于各位朋友有所帮助和思考。

此设计是通过压力传感器测量液体压力从而实现水位测量，使用浊度传感器测出液体的浊度，输出0 ~ +5V的模拟电压通过ADS1015芯片采集转换成数字量送入单片机处理，由LCD1602并显示出相关数据。此设计能完成0-1.5m高度的水位水质测量，能精确到厘米。

【仿真设计】

下面是该项目的仿真图，模块化设计并配有功能说明，实现良好的易读性和移植性。（仿真文件为V8.11版本的，大家可以在此下载安装该版本：http://www.jh-tec.cn/archives/5696）

【硬件电路设计】

下面是该设计的整体原理图和PCB设计概览，原理图模块化分布，每部分都备注有对应的功能名称，便于阅读；PCB设计采用的3D封装的器件，主要是方便配合结构设计。

原理图：

PCB：

下面详细介绍一些设计注意点哈，抛砖引玉~

1、关于MCU 本设计采用的MCU为STC公司的STC89C52RC，该芯片使用经典的MCS-51内核，钛叔相信绝大多数的朋友都熟悉该芯片的基本使用，毕竟这算是入门的第一款单片机了。最小系统如下图所示，很简单，这里不赘述具体原理。另说一句，在我们调试MCU小系统的时候，如果工作异常，无论什么类型芯片，首先第一步就是检查芯片的供电电源是否正常，再之后检测晶振和复位，绝大多数的问题都是出在这三个地方，钛叔记得以前学生时代有一次调试51单片机就始终下不进去程序，电源正常，复位也正常，最后发现就是晶振的谐振电容错焊成了1000pf，导致晶振起振失败，诸如类似的问题都可能导致芯片启动失败，所以大家按照我上述的三个点出发去调试，就一定能够解决问题。

（下载接口钛叔这里采用的XH2.54，大家可以在钛叔的店铺采购下载器，通过XH2.54连接线可以直接相连，避免插错的情况）

2、关于电源 如下图所示，钛叔在设计电源接口的时候根据实际使用情况多方面考虑，设计了三种接口方式——排针、WJ128接线端子以及miniUSB，排针可以用在杜邦线供电的情况，接线端子可以用在电源裸线供电的情况（这两种情况供电根据板载丝印正确插入，切记别插反），miniUSB供电的方式比较推荐，可以避免插反烧坏板子情况，钛叔这里之所以采用miniUSB而不是microUSB，主要原因是由于microUSB体积比较小，在开放性板子上面容易多次拔插情况下给搞坏导致接触不良（所谓开放性板子就是无结构件固定的裸板），所以这里钛叔没有采用microUSB。

电源开关部分钛叔采用的是8.5x8.5的自锁开关，这里需要注意就是自锁开关的方向，有部分同学焊接反了导致按下时候为电源关断，弹上来是电源闭合。

钛叔在该设计板上习惯性放了三个MRK点，如果大家有需要量产的需求，且板子比较大不会涉及拼版的情况，就记得放，如果后面是需要拼版的话，可以在最终的大板上放MRK点。

3、关于显示 该设计的显示部分钛叔采用的LCD1602，设计图如下图所示，这里需要注意如果用单片机的P0接口，记得加上拉电阻，这是该芯片决定的，不明白的朋友可以去看STC89C52RC数据手册哈；另外，LCD1602的R/W引脚，大多数的情况下直接接地保持写操作就行，如果是一些项目需要读操作的话，就需要把该引脚接入单片机（比如基于51单片机的示波器或者贪吃蛇这种项目）；VL引脚是调试对比度的，如果事先不知道这个分压参数，用的是电位器的话，很可能第一次使用时候分压不合适导致显示屏亮的但没有东西，就误以为是自己程序的问题，这个问题钛叔以前也犯过，捣鼓了半天才发现是对比度没有调好，其实程序早已经再运行，如果大家是在某宝上买的液晶屏，大多数都是满足下边的分压参数，大家可以参考参考哈。

4、关于按键和报警 该项目设计了四个功能按键，分别是切换、设置、加以及减，按键的型号钛叔采用的是贴片的6*6轻触按键，这里需要提醒大家的是，如果大家采用的回流焊机子，一定要注意购买耐高温的元器件，一般如果用编带的按键基本能过高温，如果是袋装的散件很可能就过不了，按钮部分很容易被烤坏，这里提醒大家一下；

报警电路部分钛叔设计了声光报警，原理很简单，大家可以参考下图，一个蜂鸣器加LED就可以实现，这里需要注意两个地方，第一是蜂鸣器建议大家选用有源的，操作简单很多，另外就是电压需要选择对应的，钛叔这里采用的是5V的HNB09A05；第二就是这里的三极管建议大家采用PNP管子，原因是该单片机上电默认为高电平，如果这里采用的NPN管子，上电瞬间就会声光报警（即便程序里边该IO口初始化为低），所以这里我们采用PNP管子来避开这种情况。

5、关于ADC采集 本项目采用的ADC芯片是TI(德州仪器)公司的ADS1015IDGSR，12位ADC，该芯片支持四通道输入，IIC通信接口，采样率（sps）为3.3K，能满足绝大多数使用场合，应用也很简单，也比较便宜，推荐大家使用。水位传感器这里采用的是松下的D3B压力传感器，原理也很简单，在不同水位所产生的压力不一样，从而可以通过采回的该数据来判断水位高度，该传感器现在基本很难买到新货了，在网上可以采购拆机件，这个也不影响使用；水质传感器采用的是TS-300B，这个传感器内部其实就是红外对管，通过测量透光程度从而反映水的浊度程度。

6、关于继电器 该项目设计了两路继电器，主要是来实现放水和加水的动作，如果水位监测到了水量不足，这时候打开一路继电器实现加水直到水位满足，反之如果水位超标了，打开另外一路继电器放水直到水位满足。继电器的型号采用的是惠科的HK4100-DC5V，5V的继电器，使用也很简单，大家可参考下图，继电器可以并联一组LED方便识别继电器的状态。这里同样推荐大家采用PNP的三极管，原因也和上面的蜂鸣器一样，避免单片机刚上电时候误触发。