CN206773537U - 无线智能水位自动控制系统 - Google Patents

Abstract

无线智能水位自动控制系统，包括与水泵相连的继电器电路，继电器电路与单片机一相连；单片机一与稳压滤波电路、按键输入电路、WIFI模块、无线通信模块一、OLED显示屏相连；无线通信模块一通过无线通信模块二与单片机二相连；单片机二与超声波传感器相连；单片机二通过锂电池与太阳能电池板相连；水位检测电路采用超声波传感器检测水位，将数据发送给水位控制电路；水位控制电路处理水位检测电路发来的数据，控制水泵运行；OLED显示屏显示水位高度、剩余水量百分比及水泵运行情况；按键输入电路完成手动控制水泵、进入/退出水塔高度设置、水塔高度值的加减操作；手机可查看水位并控制水泵运行；安全、方便，智能化；广泛用于居民家用水塔的水位控制。

Description

无线智能水位自动控制系统

技术领域

本实用新型属于水位控制技术领域，具体涉及无线智能水位自动控制系统。

背景技术

在广大农村地区，水塔的抽水工作仍靠居民手动控制水泵运行的方法，而且水泵抽水时水塔没有水位控制，只有等到水满溢出后才去关闭水泵，不仅浪费水资源，而且也浪费了人力资源。

目前，市面上销售的水位控制器存在的缺陷有：

1）测水位使用的是金属探头。一方面，金属探头长期通电放置在水中，会发生电化学反应导致探头的锈蚀，金属离子会污染水源，不仅对人体有安全隐患，同时也大大减少了探头的使用寿命。

2）探头与控制器之间需要连线，不方便安装使用；

3）显示电路仅采用几个指示灯，表示的信息内容不具体，信息量十分有限；

4）不具有远程查看、控制的功能。

发明内容

为客服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供无线智能水位自动控制系统，具有安全、便于安装，且更加人性化、智能化的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：无线智能水位自动控制系统，包括有与水泵相连的继电器控制电路，继电器控制电路与单片机一相连；单片机一与稳压滤波电路、按键输入电路、WIFI模块、无线通信模块一、OLED显示屏相连；无线通信模块一通过无线通信模块二与单片机二相连；单片机二与超声波传感器相连；单片机二通过锂电池与太阳能电池板相连。

所述的单片机一与单片机二相同，单片机一的VCC引脚与+5V电源相连，GND引脚连接电源地，REST引脚通过电容C1与+5V电源相连，REST引脚通过S5与+5V相连，REST引脚通过R1与电源地相连，XT1引脚通过Y1与XT2相连，XT1通过电容C2与电源地相连，XT2通过电容C3与电源地相连。

超声波模块U3，U3的TEMP引脚与电源地相连，PROG引脚通过R10与电源地相连，GND引脚与电源地相连，VCC引脚通过C11与电源地相连，CE引脚与太阳能电池板的+6V电源相连，CHRG引脚与电源地相连，STDBY引脚与电源地相连，STDBY引脚通过C12与BAT相连，BAT引脚与锂电池的+4.2V电源相连。 所述的超声波传感器采用HC-SR04

所述的无线通信模块一7和无线通信模块二8相同，所述的无线通信模块一采用433M无线通信模块接口，433M无线通信模块的VCC接电源+5V，GND接电源地，TX接单片机的RX1，RX接单片机TX1。

所述的WIFI模块采用ESP8266WIFI模块，ESP8266WIFI模块的VCC接电源的+5V，GND接电源地，TX接单片机的RX2，RX接的那片机的TX2。

所述的按键输入电路主要包括4个按键，单片机P0.0脚通过R3连接+5V，P0.0脚通过S1按键连接电源地；单片机P0.1脚通过R4连接+5V，P0.1脚通过S2按键连接电源地；单片机P0.2脚通过R5连接+5V，P0.2脚通过S3按键连接电源地；单片机P0.3脚通过R6连接+5V，P0.3脚通过S4按键连接电源地。

所述的OLED 显示屏的GND脚接电源地，VCC脚接+5V，SCL脚接单片机P1.4脚，SDA脚接P1.5脚，RST脚接P1.6脚，DC脚接P1.7脚。

所述的稳压滤波电路包括有变压器T1，变压器T1的初级线圈连接市电220V电源，T1的次级线圈分别通过D2、D3连接LM7805的Vin脚，通过D4、D5连接电源地；LM7805的Vin脚通过C7连接电源地，LM7805的IN脚通过C8连接电源地，LM7805的GND脚连接电源地，LM7805的OUT脚连接电源+5V，LM7805的OUT脚通过C9连接电源地，LM7805的OUT脚通过C10连接电源地。

所述的继电器控制电路包括三极管Q1，三极管Q1通过R9连接电源+5V，三极管Q1的基极连接单片机的P2.4脚，三极管Q1的发射极通过继电器K1的线圈连接电源地。

本实用新型的有益效果是：

1）采用超声波HR-SR04测水位。超声波传感器安装在水塔正上方，避免了与水源的接触，即不会对水源造成任何污染，同时探头寿命也得到了保障。

2）采用433M无线模块发送、接收数据。避免了探头与控制器之间的连线，安装简单方便；

3）采用OLED显示电路。不仅可以显示水位高、低及剩余水量，而且可以显示水泵运行状态，显示信息丰富且更加人性化，有着较好的用户体验；

4）采用ESP8266 WIFI模块，可远程查看并控制。ESP8266 WIFI模块可将水位信息、水泵运行情况发送到云服务器，用户可以方便地使用手机查看当前水位信息、水泵运行的情况，也可直接远程控制水泵的运行。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构原理框图。

图2为本实用新型的单片机的电路图。

图3为本实用新型的超声波模块电路图。

图4为本实用新型的超声波传感器模块的时序图。

图5为本实用新型的水位检测电路供电电路图。

图6为本实用新型的水位控制电路供电电路图。

图7为本实用新型的水位控制电路图。

图8为本实用新型的按键输入电路图。

图9为本实用新型的OLED显示屏接口电路图。

图10为本实用新型的无线通信模块接口电路图。

图11为本实用新型的WIFI模块接口电路图。

图12为本实用新型的水位检测子程序流程图。

图13为本实用新型的水位控制子程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，无线智能水位自动控制系统，包括有与水泵1相连的继电器2，继电器2与单片机一3相连；单片机一3与稳压滤波电路4、按键输入电路5、WIFI模块6、无线通信模块一7、OLED显示屏13相连；无线通信模块一7通过无线通信模块二8与单片机二9相连；单片机二9与超声波传感器10相连；单片机二9通过锂电池11与太阳能电池板12相连。

无线智能水位控制系统整体设计框图如图1所示。该系统主要由水位检测电路、水位控制电路、按键输入电路、显示电路、433M无线通信模块、ESP8266WIFI模块构成。

水位检测电路用超声波模块检测水塔水位，单片机处理数据并通过433M无线模块即时发送水位数据，采用太阳能加锂电池方式供电。其中采用超声波传感器代替传统探头，分辨率达0.3CM，可精确得知当前水位。且超声波传感器安装在水塔正上方，避免了与水源的接触，这样不会对水源造成任何污染，同时探头寿命也得到了保障。

水位控制电路采用单片机作为主处理器，433M无线模块接收水位数据经单片机处理后通过OLED显示屏显示出来。显示电路采用OLED显示屏显示，OLED显示屏具备轻薄、省电等特性，用来显示当前的水位信息及水泵运行情况。按键输入电路用来实现手动控制水泵的运行及完成水塔高度信息的输入功能。远程查看控制电路采用ESP8266 WIFI模块，用来把水位信息、水泵运行情况发送到云服务器，用户可以方便地使用手机查看当前水位信息、水泵运行的情况，也可直接远程控制水泵的运行。由于水位数据均通过433M无线通信的方式，故省去了中间安装管道布线的工序，安装简单方便。

参见图2，所述的单片机一3、单片机二9结构相同。

单片机一的VCC引脚与+5V电源相连，GND引脚连接电源地，REST引脚通过电容C1与+5V电源相连，REST引脚通过S5与+5V相连，REST引脚通过R1与电源地相连，XT1引脚通过Y1与XT2相连，XT1通过电容C2与电源地相连，XT2通过电容C3与电源地相连。

单片机最小系统在水位检测电路以及水泵控制电路中都起着核心控制器的作用。本设计中51单片机最小系统电路采用的是宏晶科技生产的一款型号为STC12C5A60S的单片机，属于一款增强型的51单片机，拥有丰富的接口资源。51单片机最小系统由一块51单片机、晶振电路、复位电路组成。单片机最小系统电路图如图2所示。

参见图3，所述的超声波传感器的VCC引脚与电源的+5V相连，TRIG引脚与单片机一的P1.0引脚相连，ECHO引脚与单片机一的P1.1引脚相连，GND引脚与电源地相连。

水位检测电路主要功能是通过超声波传感器完成对水塔水位的检测。设计采用HR-SR04超声波传感器模块，该传感器在探测角度小于15度时可探测2cm到450cm的距离，减小探测角度可以有效避免误测到传感器前方旁边的物体，450cm的探测距离已经可以满足绝大多数的水塔水池了。

超声波传感器探头安装在水塔正上方，测得的距离是传感器到水面的距离，我们要的是水塔水位的高度，所以还得用水塔的高度减去这个超声波传感器测得的距离。

该传感器与单片机的连接电路如图3所示。单片机的P1.0口接超声波模块的控制口，P1.1接模块的接收口。P1.0口给一个高电平信号，模块发射端发射出超声波，当模块接收端有超声波返回时，P1.1口会接收到一个高电平，高电平的时间t就是超声波在传感器到障碍物之间传播一个来回的时间。距离=(t*340M/S)/2。

参见图4，所述的超声波传感器11的时序图，所述的超声波传感器11的时序图可以看出提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波；一旦检测到有回波信号则输出回响信号；回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比；由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。

参见图5，所述的超声波传感器又称水位检测电路，包括有U3， U3的TEMP引脚与电源地相连，PROG引脚通过R10与电源地相连，GND引脚与电源地相连，VCC引脚通过C11与电源地相连，CE引脚与太阳能电池板的+6V电源相连，CHRG引脚与电源地相连，STDBY引脚与电源地相连，STDBY引脚通过C12与BAT相连，BAT引脚与锂电池的+4.2V电源相连。

水位检测电路的供电设计采用太阳能电池板加锂电池的方式。使用一块140mm×170mm的单晶硅太阳能电池板，能提供6V3W的电源，经TP4056稳压滤波后给容量3400mA/h的4.2V锂电池充电。TP4056是一款带过充保护的充电控制IC，固定充电电压4.2V且内部有防倒充电路，适用于单节锂电池的充电控制。即使阴雨天气，太阳能电池板长期得不到充足的光照，3400mA/h的锂电池也足够水位检测电路正常工作两个月了。水位检测电路供电设计原理如图5所示。

参见图6，所述的稳压滤波电路包括有变压器T1，变压器T1的初级线圈连接市电220V电源，T1的次级线圈分别通过D2、D3连接LM7805的Vin脚，通过D4、D5连接电源地；LM7805的Vin脚通过C7连接电源地，LM7805的IN脚通过C8连接电源地，LM7805的GND脚连接电源地，LM7805的OUT脚连接电源+5V，LM7805的OUT脚通过C9连接电源地，LM7805的OUT脚通过C10连接电源地。

稳压滤波电路采用变压器降压后整流稳压滤波的方法。用变压器将220V市电降压成6V交流电，再经过全桥整流、滤波、LM7805稳压，最后得到5V电源。稳压滤波电路设计如图6所示。

参见图7，所述的继电器控制电路包括三极管Q1，三极管Q1通过R9连接电源+5V，三极管Q1的基极连接单片机的P2.4脚，三极管Q1的发射极通过继电器K1的线圈连接电源地，三极管Q1的发射极通过二极管D1连接电源地；水泵通过K1的开关连接市电220V电源。

继电器控制电路包括继电器。通过单片机控制继电器，进而驱动水泵，完成对水塔水位的控制。当P2.4口为高电平时，三极管Q1导通，继电器动作，此时水泵启动工作。当P2.4口为低电平时，三极管Q1截止，继电器触点断开，此时水泵断电停止工作。

因继电器的线圈是感性负载，在通断电瞬间会产生较大的自感电动势，会影响单片机系统的正常工作，所以在继电器两端反接一个泄放二极管以达到减少干扰的效果。继电器控制电路如图7所示。

参见图8，所述的按键输入电路主要包括4个按键，单片机P0.0脚通过R3连接+5V，P0.0脚通过S1按键连接电源地；单片机P0.1脚通过R4连接+5V，P0.1脚通过S2按键连接电源地；单片机P0.2脚通过R5连接+5V，P0.2脚通过S3按键连接电源地；单片机P0.3脚通过R6连接+5V，P0.3脚通过S4按键连接电源地；S1按键用来手动控制水泵启动；S2按键用来设置水塔高度；S3按键用来进行水塔高度h2的加值操作；S4按键用来进行水塔高度值h2的减值操作。单片机的P0.0接S1按键，P0.1接S2按键，P0.2接S3按键，P0.3接S4按键，R3、R4、R5、R6均为10K上拉电阻，分别将P0.0、P0.1、P0.2、P0.3这四个口的电平上拉至高电平，当任意按键按下时，与之相连的IO口会被拉至低电平，单片机检测到即判断该按键按下。按键输入电路原理图如图8所示。

参见图9，所述的OLED 显示屏接口电路包括一块1.3寸SPI接口的OLED显示屏，用来显示水塔的水位高度、剩余水量百分比和水泵的运行情况（启动或关闭）。OLED显示屏的GND脚接电源地，VCC脚接+5V，SCL脚接单片机P1.4脚，SDA脚接P1.5脚，RST脚接P1.6脚，DC脚接P1.7脚。OLED显示屏由128×64个点阵组成，可以显示中英文以及简单的图片，具备轻薄、省电等特性，能够满足本设计的要求。由于采用了SPI接口的通信方式所以连接电路较为简单，只需用单片机的4个IO口便能驱动。SCL为CLK 时钟信号线，SDA为MOSI 数据线，RST为复位脚，DC为数据/命令控制脚，其中单片机的P1.4接SCL脚，P1.5接SDA脚，P1.6接RST脚，P1.7接DC脚。OLED显示屏接口如图9所示。

参见图10，所述的无线通信模块采用433M无线通信模块接口，433M无线通信模块的VCC接电源+5V，GND接电源地，TX接单片机的RX1，RX接单片机TX1。

433M无线通信模块用来发送水位信息。该433M无线通信模块采用的是AS32-TTL-100 无线模块，这是一款功率100mW，具有高稳定性，工业级的无线模块，工作频率为410MHz~441MHz，穿透性强，通信距离较远，空旷地带有效通信距离可达1000米，适用于复杂的建筑物环境。单片机的串口1连接433M无线模块的串口，单片机通过串口通信的方式把水位信息发送给无线模块，无线模块则通过433M无线通信的方式把数据发送出去。单片机433M无线模块接口如图10所示。

参见图11，所述的WIFI模块采用ESP8266WIFI模块，WIFI模块接口电路包括一块ESP8266WIFI模块，ESP8266WIFI模块的VCC接电源的+5V，GND接电源地，TX接单片机的RX2，RX接的那片机的TX2。

ESP8266WIFI模块实现用户能远程查看当前水塔水位信息、水泵运行状态以及远程控制水泵运行的功能。ESP8266WIFI模块先通过无线路由器接入互联网，便可向云服务器上传数据信息。单片机通过串口2向ESP8266的串口发送水位信息、水泵运行情况，ESP8266再将这些信息发送到云端服务器，用户可随时使用手机APP通过云端监控水塔水位、水泵运行的状况，并且可以向ESP8266模块发送控制指令（如开启或关闭电机），系统单片机的串口2接收到ESP8266模块发送过来的指令后进行相应的水泵控制操作。ESP8266WIFI模块与单片机的接口电路如图11所示。

本实用新型的水位检测电路采用超声波模块HR-SR04检测水位，通过433M无线通信模块将数据发送给水位控制电路；水位控制电路采用STC12C5A60S单片机作为主控制器，接收水位检测电路发来的数据并分析、判断，从而控制水泵运行，实现全自动水位控制；水位显示电路使用OLED显示屏，显示当前水位高度、剩余水量百分比以及水泵运行情况；按键输入电路采用了四路独立按键，分别完成手动控制水泵、进入/退出水塔高度设置模式、水塔高度值的加减操作；远程查看控制电路采用ESP8266WIFI模块将数据发送到第三方云服务器，用户可随时通过手机登陆服务器查看当前水位并控制水泵运行；具有水位检测、控制、显示及按键输入、远程查看控制功能；安全、方便，且更加人性化、智能化；可广泛应用于居民家用水塔的水位控制。

参见图12，水位检测子程序的主要任务是完成传感器对水位的检测，并将得到的数据经串口1通过433M无线模块发送出去。系统上电后先对串口1，定时器0进行初始化操作，然后控制超声波传感器发射超声波，再判断有无回波，若没接到超声波，侧重新发射超声波；若接收到回波，再计算超声波传感器距水面的距离，最后将数据经串口1发送给无线通信模块。其设计流程图如图12所示：

系统程序主要由水位检测子程序与水位控制子程序构成。

参见图13，水位控制子程序主要任务是通过单片机对水泵的控制，实现对水位的控制。系统上电启动后先对单片机的串口1、串口2进行初始化操作，然后判断S1是否按下，若按下则启动水泵。若是系统初次上电使用，则应按下S2键进入水塔高度设置模式，通过按键S3、S4进行加减操作来设置一个水塔高度值h2。完成后串口1接收水位检测系统发来的超声波距水面的高度h1，计算h2-h1得到水塔水位的高度h。串口2将水位高度h、水泵当前运行情况（启动或停止），通过ESP8266WIFI模块发送至云服务器。同时系统将水位高度、剩余水量的百分比以及水泵当前运行情况（启动或停止）在OLED显示屏上显示出来。之后系统判断当前的水位高度h，如超过高水位则关闭水泵，如低于低水位则启动水泵。若串口2接收到ESP8266发送过来的指令则控制水泵完成启动/关闭的操作。其设计流程图如图13所示：

水位检测电路采用超声波传感器检测水位，将数据发送给水位控制电路；水位控制电路处理水位检测电路发来的数据，控制水泵运行；OLED显示屏显示水位高度、剩余水量百分比及水泵运行情况；按键输入电路完成手动控制水泵、进入/退出水塔高度设置、水塔高度值的加减操作；手机可查看当前水位并控制水泵运行；安全、方便，人性化、智能化；广泛用于居民家用水塔的水位控制。

Claims (9)

1.无线智能水位自动控制系统，包括有与水泵（1）相连的继电器控制电路（2），其特征在于，继电器控制电路（2）与单片机一（3）相连；单片机一（3）与稳压滤波电路（4）、按键输入电路（5）、WIFI模块（6）、无线通信模块一（7）、OLED显示屏（13）相连；无线通信模块一（7）通过无线通信模块二（8）与单片机二（9）相连；单片机二（9）与超声波传感器（10）相连；单片机二（9）通过锂电池（11）与太阳能电池板（12）相连。

2.根据权利要求1所述的无线智能水位自动控制系统，其特征在于，所述的单片机一（3）与单片机二（9）相同，单片机一的VCC引脚与+5V电源相连，GND引脚连接电源地，REST引脚通过电容C1与+5V电源相连，REST引脚通过S5与+5V相连，REST引脚通过R1与电源地相连，XT1引脚通过Y1与XT2相连，XT1通过电容C2与电源地相连，XT2通过电容C3与电源地相连。

3.根据权利要求1所述的无线智能水位自动控制系统，其特征在于，所述的超声波传感器包括有U3，U3的TEMP引脚与电源地相连，PROG引脚通过R10与电源地相连，GND引脚与电源地相连，VCC引脚通过C11与电源地相连，CE引脚与太阳能电池板的+6V电源相连，CHRG引脚与电源地相连，STDBY引脚与电源地相连，STDBY引脚通过C12与BAT相连，BAT引脚与锂电池的+4.2V电源相连。

4.根据权利要求1所述的无线智能水位自动控制系统，其特征在于，所述的无线通信模块一（7）和无线通信模块二（8）相同，所述的无线通信模块一采用433M无线通信模块接口，433M无线通信模块的VCC接电源+5V，GND接电源地，TX接单片机的RX1，RX接单片机TX1。

5.根据权利要求1所述的无线智能水位自动控制系统，其特征在于，所述的WIFI模块采用ESP8266WIFI模块，ESP8266WIFI模块的VCC接电源的+5V，GND接电源地，TX接单片机的RX2，RX接的那片机的TX2。

6.根据权利要求1所述的无线智能水位自动控制系统，其特征在于，所述的按键输入电路主要包括4个按键，单片机P0.0脚通过R3连接+5V，P0.0脚通过S1按键连接电源地；单片机P0.1脚通过R4连接+5V，P0.1脚通过S2按键连接电源地；单片机P0.2脚通过R5连接+5V，P0.2脚通过S3按键连接电源地；单片机P0.3脚通过R6连接+5V，P0.3脚通过S4按键连接电源地。

7.根据权利要求1所述的无线智能水位自动控制系统，其特征在于，所述的OLED 显示屏的GND脚接电源地，VCC脚接+5V，SCL脚接单片机P1.4脚，SDA脚接P1.5脚，RST脚接P1.6脚，DC脚接P1.7脚。

8.根据权利要求1所述的无线智能水位自动控制系统，其特征在于，所述的稳压滤波电路包括有变压器T1，变压器T1的初级线圈连接市电220V电源，T1的次级线圈分别通过D2、D3连接LM7805的Vin脚，通过D4、D5连接电源地；LM7805的Vin脚通过C7连接电源地，LM7805的IN脚通过C8连接电源地，LM7805的GND脚连接电源地，LM7805的OUT脚连接电源+5V，LM7805的OUT脚通过C9连接电源地，LM7805的OUT脚通过C10连接电源地。

9.根据权利要求1所述的无线智能水位自动控制系统，其特征在于，所述的继电器控制电路（2）包括三极管Q1，三极管Q1通过R9连接电源+5V，三极管Q1的基极连接单片机的P2.4脚，三极管Q1的发射极通过继电器K1的线圈连接电源地。