CN111736635A - 基于最小二乘法的超声波水肥液位测量系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于最小二乘法的超声波水肥液位测量系统及其控制方法，包括主控模块以及受主控模块控制的超声波驱动模块、按键模块、温度传感模块、显示模块、报警模块和水泵驱动模块；其中超声波驱动模块用于发射和接收超声波信号；温度传感模块用于测量当前环境温度；按键模块用于设置水肥液位的感应高度的值；显示模块用于显示当前水肥液位高度、当前环境温度、设置液位上下限的值和设置超声波驱动模块距离底部距离时显示出需要设置的值；报警模块，当水肥液位低于最低液位预设值时发出报警，直至水肥液位达到最高液位预设值时停止报警。

Description

基于最小二乘法的超声波水肥液位测量系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及水培技术领域，尤其涉及一种基于最小二乘法的超声 波水肥液位测量系统及其控制方法。
背景技术
这些年来，人们的日常生活的质量随着经济的发展不断的提高， 他们所居住的生活环境发生了一些变化，其中一个变化就是人们开始 在家中养植物来改善自己的生活环境，而水培植物与土培植物相比具 有方便、干净且价格便宜的特点，因此越来越多的人开始在家中养水 培植物。
种植水培植物所使用的技术是水培技术，该技术需要在水培植物 种植的过程中将植物一部分的根放置在水培肥液中。在水培植物的生 长过程中，植物生长所需要的水分和营养是由水培肥液来供给的。水 培肥液的液位高度可以直接影响到植物的生长状况：水培肥液液为高 度过低时，植物裸露在空气中的根系可以得到足够的氧气，但是此时 水培肥液可能没有办法为植物提供充足的营养，而且植物的根系环境 也可能会不稳定；水培肥液的液位高度过高，使植物的根系全部在水 培肥液中时，此时植物的根系可能没有办法得到充足的氧气，水培肥 液中的植物根系容易产生缺氧的情况，严重的时候还会造成植物根系 腐烂，从而使植物死亡。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的就是要克服上述缺点，旨在提供一种基于最小二乘 法的超声波水肥液位测量系统。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的基于最小二乘法的超声波水肥液位测 量系统，包括主控模块以及受主控模块控制的超声波驱动模块、按键 模块、温度传感模块、显示模块、报警模块和水泵驱动模块；其中
超声波驱动模块用于发射和接收超声波信号；
温度传感模块用于测量当前环境温度；
按键模块用于设置水肥液位的感应高度的值；
显示模块用于显示当前水肥液位高度、当前环境温度、设置液位 上下限的值和设置超声波驱动模块距离底部距离时显示出需要设置 的值；
报警模块，当水肥液位低于最低液位预设值时发出报警，直至水 肥液位达到最高液位预设值时停止报警；
水泵驱动模块，当水肥液位低于最低液位预设值时，启动水泵加 水，直至水肥液位达到最高液位预设值时停止水泵。
进一步，所述超声波驱动模块包括HC-SR04超声波传感器，所 述HC-SR04超声波传感器具有与主控模块连接的Trig控制端和Echo 接收端；Trig控制端接收到主控系统的启动信号后HC-SR04超声波 传感器发出超声波信号，此时Echo接收端持续输出高电平信号，超 声波信号经过水肥液位反射后被HC-SR04超声波传感器接收，当超 声波信号返回时，Echo接收端会由高电平会变成低电平，主控模块 计算出Echo接收端持续输出高电平信号持续时间。
进一步，所述温度传感模块包括温度传感器，所述温度传感器获 取环境温度，主控计算当前温度下的超声波声速。
进一步，所述水泵驱动模块包括三极管、水泵、三极管和二极管； 所述三极管基极受控于主控模块，发射极连接继电器的受控端；继电 器并联反向的二极管；三极管导通使继电器工作，从而水泵上电工作。
本发明还公开一种的基于最小二乘法的超声波水肥液位测量系 统的控制方法，包括运行步骤
S1，进行初始化设置，依次进行显示模块初始化，定时器初始化， 超声波传感器初始化，显示模块显示初始化内容；
S2，温度传感模块测量当前温度，主控模块计算当前超声波声速；
S3，测量水肥液位并判断液位是否在范围内；
S4，判断高度按键是否按下，若是，则进入高度设置，否则进入 下一步骤；
S5，判断上下限按键是否按下，若是，则进入上下限设置，完成 设置后返回步骤S2，若否则直接进入步骤S2，以此循环监测。
进一步，所述步骤S3具体包括
T1，主控模块发送触发信号；
T2，判断Echo接收端是否为低电平，若是，则启动定时器，若 否，则判断Echo接收端是否为低电平；
T3，判断Echo接收端是否为高电平，若是，则继续判断Echo 接收端是否为高电平，若否，则关闭定时器；
T4，主控模块根据定时器获得的时间计算出水肥液位距离并显示 在显示模块上；
T5，判断水肥液位是否比下限低，若是，则启动报警和水泵，若 否，则进行下一步骤；
T6，判断水肥液位是否超过上下限均值，若是，则停止报警和水 泵，若否，则进行下一步骤；
T7，判断水肥液位是否超过上限，若是，则启动报警，若否，则 超声波传感器端口进行初始化。
其中，所测量出的液位满足如下最小二乘法表达式进行修正：
y＝0.98x+0.56；
其中，x——实际的液位高度；y——测量出来的液位。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：采用非接触 方式进行水肥液位的监测，当水肥液位不足时进行快速补充，当水肥 液位过高时，及时发出报警，从而使水培植物得到良好的生长环境。
附图说明
图1为本发明的基于最小二乘法的超声波水肥液位测量系统的 模块图；
图2为本发明的基于最小二乘法的超声波水肥液位测量系统的 电路原理图；
图3为本发明控制方法的主程序流程图；
图4为本发明控制方法的液位处理流程图；
图5为本发明控制方法的温度补偿流程图；
图6为本发明控制方法的容器高度设置流程图；
图7为本发明控制方法的液面上下限设置流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1和图2所示，本发明的基于最小二乘法的超声波水肥液位 测量系统，包括主控模块以及受主控模块控制的超声波驱动模块、按 键模块、温度传感模块、显示模块、报警模块和水泵驱动模块；其中
超声波驱动模块用于发射和接收超声波信号；
温度传感模块用于测量当前环境温度；
按键模块用于设置水肥液位的感应高度的值；
显示模块用于显示当前水肥液位高度、当前环境温度、设置液位 上下限的值和设置超声波驱动模块距离底部距离时显示出需要设置 的值；
报警模块，当水肥液位低于最低液位预设值时发出报警，直至水 肥液位达到最高液位预设值时停止报警；
水泵驱动模块，当水肥液位低于最低液位预设值时，启动水泵加 水，直至水肥液位达到最高液位预设值时停止水泵。
本实施例的主控模块使用的单片机是STC89C51。
所述超声波驱动模块包括HC-SR04超声波传感器，所述 HC-SR04超声波传感器具有与主控模块连接的Trig控制端和Echo接 收端；Trig控制端接收到主控系统的启动信号后HC-SR04超声波传 感器发出超声波信号，此时Echo接收端持续输出高电平信号，超声 波信号经过水肥液位反射后被HC-SR04超声波传感器接收，当超声 波信号返回时，Echo接收端会由高电平会变成低电平，主控模块计 算出Echo接收端持续输出高电平信号持续时间。Trig与Echo分别与 单片机的P1.0与P1.1相连。
所述温度传感模块包括温度传感器，所述温度传感器获取环境温 度，主控计算当前温度下的超声波声速。温度传感器采用DS18B20 对环境进行温度测量，该温度传感器的输出信号为数字信号，其测温 范围在-55℃～+125℃[14]。接线图如图2所示，它需要接一个+5v电 源，其输出的信号口与单片机的P1.3相连，再该输出口在输出信号 时有时需要输出高电平信号，因此在该处加上一个上拉电阻，以保证 其高电平信号可以正常输出。
显示模块采用LCD12864，本设计采用了LCD12864液晶显示模 块来显示内容，具体需要显示内容如下：(1)实时的显示当前植物 水培肥液的液位；(2)当前环境的温度；(3)在设置液位的上下限 的值；(4)设置超声波传感器距离底部的距离时显示出需要设置的 值。
LCD12864的引脚有20个与单片机的接线图如图2所示，各个 引脚的功能分别为：引脚GND和引脚K接地；引脚VCC和引脚A 接电源输入；引脚V0、引脚NC及引脚Vout悬空；引脚DB0到DB7 与单片机的P0端口连接，这些口用于数据的写入；引脚RS与单片 机的P2.3脚连接，该引脚为寄存器选择端；引脚RW与单片机的2.4 脚连接，该引脚可以控制模块的读写，该引脚为高电平时模块为读， 低电平时为写；引脚E与单片机的2.5脚连接，该引脚为为高电平时 信号才能够输入；引脚PSB与单片机的2.6脚连接，该引脚能够选择 数据输入的方式，低电平为串行接口，高电平为并行接口；引脚RST 与单片机的2.7脚连接，该引脚为复位端。
报警模块采用蜂鸣器报警电路，该电路是由电阻、9012三极管、 有源蜂鸣器三个器件组成。单片机与9012三极管之间有一个电阻， 该电阻在三极管导通状态下可以保护单片机IO口，并且还可以起到 了一个限流的作用；选用的9012是一个PNP三极管，该三极管在基 极为低电平时才能够被导通，而单片机的IO口可以很好的输出一个 低电平，并且单片机的引脚在接上电源后是处于高电平的状态，使用 该三极管不会出现误触发的现象，该电路的接线图如图2所示。工作 过程：单片机处于一个低电平状态，由于单片机与PNP三极管的基 极连接，该低电平会使PNP三极管处于导通状态，从而使有源蜂鸣 器开始工作。
按键模块，本实施例所需要的按键功能只有几个，主要调节液位 上下限以及容器高度的预设，具体参见图2。
水泵驱动模块电路由水泵、继电器、9012三极管、二极管及电 阻组成，接线图如图2所示。继电器在该电路中起到了一个隔离的作 用，即水泵启动时的电压不会对单片机的电路电压产生影响。在本电 路中继电器并联了反向的二极管，这个二极管可以在继电器断开时吸 收其线圈所产生的自感电动势。本电路选用的9012是一个PNP三极 管，该三极管在基极为低电平时才能够被导通，而单片机的IO口可 以很好的输出一个低电平，并且单片机的引脚在接上电源后是处于高 电平的状态，使用该三极管不会出现误触发的现象。单片机与PNP 三极管之间有一个电阻，该电阻在三极管导通状态下起到了一个限流 及保护单片机IO口的作用三极管导通使继电器工作，从而水泵上电 工作。
如图3所示，本发明还公开一种的基于最小二乘法的超声波水肥 液位测量系统的控制方法，包括运行步骤
S1，进行初始化设置，依次进行显示模块初始化，定时器初始化， 超声波传感器初始化，显示模块(LCD12864，下同)显示初始化内 容；
S2，温度传感模块测量当前温度，主控模块计算当前超声波声速；
S3，测量水肥液位并判断液位是否在范围内；
S4，判断高度按键是否按下，若是，则进入高度设置，否则进入 下一步骤；
S5，判断上下限按键是否按下，若是，则进入上下限设置，完成 设置后返回步骤S2，若否则直接进入步骤S2，以此循环监测。
如图4所示，所述步骤S3具体包括
T1，主控模块发送触发信号；
T2，判断Echo接收端是否为低电平，若是，则启动定时器，若 否，则判断Echo接收端是否为低电平；
T3，判断Echo接收端是否为高电平，若是，则继续判断Echo 接收端是否为高电平，若否，则关闭定时器；
T4，主控模块根据定时器获得的时间计算出水肥液位距离并显示 在显示模块上；
T5，判断水肥液位是否比下限低，若是，则启动报警(蜂鸣器， 下同)和水泵，若否，则进行下一步骤；
T6，判断水肥液位是否超过上下限均值，若是，则停止报警和水 泵，若否，则进行下一步骤；
T7，判断水肥液位是否超过上限，若是，则启动报警，若否，则 超声波传感器端口进行初始化。
如图5，温度传感模块的温度补偿设计，使用传感器得到温度前 需要先让传感器将测量到温度转换成可以被读取的状态：首先需要对 DS18B20进行初始化操作，由于本设计只用到一个DS18B20，所以 不需要对DS18B20的只读存储器进行操作，之后写入温度转换命令； 在DS18B20温度传感器转换温度命令完成后，开始读取温度的流程， 该流程与温度转换类似，只是将温度转换命令改为温度读取命令；得 到环境温度后在LCD12864显示出环境温度，之后计算出当前温度的 超声波声速。
如图6，容器高度设计程序(针对步骤S4预设)，进入容器高度 设置程序后LCD12864显示容器高度设置页面，程序先设置十位，按 下加减两个按键之后可以对十位分别进行加和减的操作，若容器高度 设置按键按下则退出设置十位进入设置个位，否则将在不断设置十位； 当进入设置个位程序后，按下加减两个按键之后可以对十位分别进行 加和减的操作，若容器高度设置按键按下则退出设置个位进入设置十 分位，否则将在不断设置个位；当进入设置十分位程序后，按下加减 两个按键之后可以对十位分别进行加和减的操作，若容器高度设置按 键按下则退出设置十分位，否则将在不断设置十分位；在退出十分位 设置后LCD12864重新显示初始画面。
如图7，液位上下限设置(针对步骤S5的预设)，在进入该程序 之后，LCD12864显示容器高度设置页面，程序先设置上限的十位， 当按下加按键时上限的十位加一，当按下减按键时上限的十位减一， 若液面上下限设置按键按下则退出设置上限的十位进入设置上限的 个位，否则将在不断设置上限的十位；进入设置上限的个位程序后， 当按下加按键时上限的个位加一，当按下减按键时上限的个位减一， 若液面上下限设置按键按下则退出设置上限的个位进入设置上限的 十分位，否则将在不断设置上限的个位；进入设置上限的十分位程序 后，当按下加按键时上限的十分位加一，当按下减按键时上限的十分 位减一，若液面上下限设置按键按下则退出设置上限的十分位进入设 置下限的十位，否则将在不断设置上限的十分位；液位的下限的设置 步骤与上限的设置步骤一样，依次设置十位、个位、十分位，设置完 下限后，LCD12864显示初始画面。
由于实际液位和测量液位存在误差，通过下表1记录各个测量结 果：
Figure BDA0002570025710000091
表1
其中，所测量出的液位满足如下最小二乘法表达式进行修正：
y＝0.98x+0.56；
其中，x——实际的液位高度；y——测量出来的液位。
本发明的技术方案具有以下优点：采用非接触方式进行水肥液位 的监测，当水肥液位不足时进行快速补充，当水肥液位过高时，及时 发出报警，从而使水培植物得到良好的生长环境。
综上所述，上述实施方式并非是本发明的限制性实施方式，凡本 领域的技术人员在本发明的实质内容的基础上所进行的修饰或者等 效变形，均在本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种基于最小二乘法的超声波水肥液位测量系统，其特征在于：包括主控模块以及受主控模块控制的超声波驱动模块、按键模块、温度传感模块、显示模块、报警模块和水泵驱动模块；其中
超声波驱动模块用于发射和接收超声波信号；
温度传感模块用于测量当前环境温度；
按键模块用于设置水肥液位的感应高度的值；
显示模块用于显示当前水肥液位高度、当前环境温度、设置液位上下限的值和设置超声波驱动模块距离底部距离时显示出需要设置的值；
报警模块，当水肥液位低于最低液位预设值时发出报警，直至水肥液位达到最高液位预设值时停止报警；
水泵驱动模块，当水肥液位低于最低液位预设值时，启动水泵加水，直至水肥液位达到最高液位预设值时停止水泵。
2.如权利要求1所述的基于最小二乘法的超声波水肥液位测量系统，其特征在于：所述超声波驱动模块包括HC-SR04超声波传感器，所述HC-SR04超声波传感器具有与主控模块连接的Trig控制端和Echo接收端；Trig控制端接收到主控系统的启动信号后HC-SR04超声波传感器发出超声波信号，此时Echo接收端持续输出高电平信号，超声波信号经过水肥液位反射后被HC-SR04超声波传感器接收，当超声波信号返回时，Echo接收端会由高电平会变成低电平，主控模块计算出Echo接收端持续输出高电平信号持续时间。
3.如权利要求1所述的基于最小二乘法的超声波水肥液位测量系统，其特征在于：所述温度传感模块包括温度传感器，所述温度传感器获取环境温度，主控计算当前温度下的超声波声速。
4.如权利要求1所述的基于最小二乘法的超声波水肥液位测量系统，其特征在于：所述水泵驱动模块包括三极管、水泵、三极管和二极管；所述三极管基极受控于主控模块，发射极连接继电器的受控端；继电器并联反向的二极管；三极管导通使继电器工作，从而水泵上电工作。
5.一种如权利要求1-4所述的基于最小二乘法的超声波水肥液位测量系统的控制方法，其特征在于：包括运行步骤
S1，进行初始化设置，依次进行显示模块初始化，定时器初始化，超声波传感器初始化，显示模块显示初始化内容；
S2，温度传感模块测量当前温度，主控模块计算当前超声波声速；
S3，测量水肥液位并判断液位是否在范围内；
S4，判断高度按键是否按下，若是，则进入高度设置，否则进入下一步骤；
S5，判断上下限按键是否按下，若是，则进入上下限设置，完成设置后返回步骤S2，若否则直接进入步骤S2，以此循环监测。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括
T1，主控模块发送触发信号；
T2，判断Echo接收端是否为低电平，若是，则启动定时器，若否，则判断Echo接收端是否为低电平；
T3，判断Echo接收端是否为高电平，若是，则继续判断Echo接收端是否为高电平，若否，则关闭定时器；
T4，主控模块根据定时器获得的时间计算出水肥液位距离并显示在显示模块上；
T5，判断水肥液位是否比下限低，若是，则启动报警和水泵，若否，则进行下一步骤；
T6，判断水肥液位是否超过上下限均值，若是，则停止报警和水泵，若否，则进行下一步骤；
T7，判断水肥液位是否超过上限，若是，则启动报警，若否，则超声波传感器端口进行初始化。
7.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：其中，所测量出的液位满足如下最小二乘法表达式进行修正：
y＝0.98x+0.56；
其中，x——实际的液位高度；y——测量出来的液位。
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