水位檢測在水資源管理、城市防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、家用電器和工業(yè)生產(chǎn)等多領(lǐng)域發(fā)揮積極建設(shè)作用。利用水位傳感器，可以實現(xiàn)水資源的智能管理，提高生產(chǎn)效率。

本文介紹了安信可 Ai-M61-32S 開發(fā)板結(jié)合水位傳感器實現(xiàn)水位監(jiān)測計的項目設(shè)計。

項目方案

通過讀取 IO 接口的模擬值，進行電壓轉(zhuǎn)換，獲取檢測到的電壓值，進一步通過電壓-水位校準(zhǔn)，實現(xiàn)水位高度的串口打印和串口繪圖，實時水位監(jiān)測功能。

電壓轉(zhuǎn)換

根據(jù)歐姆定律，V = I / R，電壓和電阻成正比；

因此通過獲取 3.3V 和 GND 對應(yīng)的模擬數(shù)值（實測為 3199 和 21），

即可得到實際電壓的轉(zhuǎn)換公式 Valtage = val * (3.3 / (3199-21)) .

代碼

#include

void setup() {

pinMode(19, INPUT);

Serial.begin(115200);

}

void loop() {

int val = analogRead(19); // analog value reading

float vlt = val * (3.3 / (3199-21)); // real voltage conversion

Serial.println(vlt);

delay(200);

}

按住 IO2 鍵的同時，短按 EN 鍵，進入下載模式，配置端口號后上傳工程，復(fù)位運行程序。

效果

水位傳感器

水位傳感器（Water Sensor）可以檢測水位高度（檢測高度：0 - 40 mm），亦可用作雨滴傳感器，用于各種天氣狀況的監(jiān)測，檢測是否下雨及雨量的大小，廣泛應(yīng)用于汽車自動刮水系統(tǒng)、智能燈光系統(tǒng)、洗衣機和智能天窗系統(tǒng)等。

模塊簡介

當(dāng)模塊上電，電源指示 LED 點亮；

工作電壓：DC 3.3V - 5V ；

輸出類型：模擬信號；

傳感器具有 10 條裸露的銅線，其中 5 條是電源銅線，另外 5 條是感測銅線。

走線隔行平行排列，每兩條電源銅線間有一條感測銅線。

模塊原理圖

參考：水位檢測報警 - Telesk

引腳定義

S（信號）為模擬輸出；

+（VCC）為傳感器供電；

–（GND）為接地。

參考：Arduino Uno 水位傳感器

運行原理

當(dāng)平行銅線之間有水時，水浸沒的高度不同，電流不同。銅線間的電阻根據(jù)水位的變化而變化。

電阻與水的高度成反比（傳感器浸水越深，導(dǎo)電性越好，電阻越小，電流越大）。

參考：水位傳感器如何工作并與Arduino接口

因此根據(jù) ADC 測量傳感器輸出的電壓，便可以確定水位。

硬件連接

S -> IO19

+ -> 3V3

- -> GND

硬件連接完成后，打開串口，此時輸出的電壓值應(yīng)為 0 。

水位校準(zhǔn)

由于各地的水質(zhì)差異，導(dǎo)電性能不同，因此需要根據(jù)實際情況進行校準(zhǔn)。

多次校準(zhǔn)，取平均值；

每次校正前，需將 PCB 表面的平行銅線擦干，待測得電壓為 0 時再置入水中，記錄水位值和電壓值。

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集

水位 10 毫米，相應(yīng)的串口輸出電壓為 1.25 伏特

增加水位高度，采集多組電壓-水位數(shù)據(jù)。

假設(shè) ADC 讀取電壓（V）與水位高度（mm）為線性相關(guān)關(guān)系，對上述數(shù)據(jù)進行擬合。使用 Excel 軟件進行擬合，獲得擬合表達式 y = 41.774 x - 38.686。

工程代碼

在代碼中添加相應(yīng)的水位高度定義

#include void setup() { pinMode(19, INPUT);

Serial.begin(115200); } void loop() { int val = analogRead(19); // analog sensor value

float vlt = val * (3.3 / (3199-21)); // real voltage conversion float wl = 41.774 * vlt - 38.686; // water level (mm)

Serial.print(val);

Serial.print(","); Serial.print(vlt); Serial.print(","); Serial.println(wl); delay(200);

}

保存代碼，構(gòu)建工程，上傳固件，復(fù)位后運行程序。

打開串口助手，連接目標(biāo)串口對應(yīng)的設(shè)備端口號，打開串口，獲取實時 IO 模擬值、電壓值（伏特）和水位值（毫米）。

效果演示

對應(yīng)的水位演化曲線

水位的數(shù)碼管顯示

在前面關(guān)于 ADC 讀取電壓并結(jié)合水位傳感器實現(xiàn)電壓-水位高度轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，增加 4 位共陽 數(shù)碼管顯示 水位高度的功能。

硬件連接

這里采用 2 個 74HC595 驅(qū)動的 4 位共陽數(shù)碼管，支持 3.3V 至 5V 的寬電壓輸入，僅需 3 個信號引腳即可驅(qū)動。

水位傳感器接線方式

Water-sensor_S -> IO19

Water-sensor_+ -> 3V3

Water-sensor_- -> GND

數(shù)碼管接線方式

4Bit-segment_SCLK -> IO23

4Bit-segment_RCLK -> IO24

4Bit-segment_DIO -> IO11

工程代碼

#include

const int sensorPin = 19; // water-level sensor pin

// 74HC595 引腳設(shè)置

const int latchPin = 24; // RCLK

const int clockPin = 23; // SCLK

const int dataPin = 11; // DIO

unsigned char num[]={0xC0, //"0"

0xF9, //"1"

0xA4, //"2"

0xB0, //"3"

0x99, //"4"

0x92, //"5"

0x82, //"6"

0xF8, //"7"

0x80, //"8"

0x90 //"9"

};

void setup()

{

pinMode(latchPin,OUTPUT);

pinMode(clockPin,OUTPUT);

pinMode(dataPin,OUTPUT);

pinMode(sensorPin, INPUT);

// uart setting

Serial.begin(115200);

}

/* ------------ loop for serial print and segment display -------------- */

void loop() {

int count = 0;

int val = analogRead(sensorPin); // analog sensor value

float vlt = val * (3.3 / (3199-21)); // real voltage conversion

float wl = 41.774 * vlt - 38.686; // water level (mm)

//Serial.print("Analog Value: ");

Serial.print(val); // in order to serial plot

Serial.print(", ");

//Serial.print("Voltage: ");

Serial.print(vlt);

//Serial.print("V");

Serial.print(", ");

//Serial.print("Water Level: ");

Serial.println(wl);

//Serial.println("mm");

Serial.println((String)"Analog Value: " + val + ", Valtage: " + vlt + "V, Water Level: " + wl + "mm"); // serial print string

while (count < 25) // loop 25 times for delay 500ms (20ms every display)

{

if (wl < 0){

disp(0);

}else{

disp(wl); // display water level

}

count++;

}

}

/* ------------ segment display number (dynamics scanning) -------------- */

void disp(float n)

{

int t = 5;

int yi = ((int)(n*10))%10;

int ge = (int)n%10;

int shi = ((int)n/10)%10;

int bai = ((int)n/100)%10;

if(bai>0){

shiftOut(dataPin,clockPin,MSBFIRST,num[bai]);

}else{

shiftOut(dataPin,clockPin,MSBFIRST,0xFF);

}

shiftOut(dataPin,clockPin,MSBFIRST,0b00001000);

digitalWrite(latchPin, HIGH);

delay(t);

digitalWrite(latchPin,LOW);

if(shi>0){

shiftOut(dataPin,clockPin,MSBFIRST,num[shi]);

}else{

if(bai>0){

shiftOut(dataPin,clockPin,MSBFIRST,num[0]);

}else{

shiftOut(dataPin,clockPin,MSBFIRST,0xFF);

}

}

shiftOut(dataPin,clockPin,MSBFIRST,0b00000100);

digitalWrite(latchPin, HIGH);

delay(t);

digitalWrite(latchPin,LOW);

shiftOut(dataPin,clockPin,MSBFIRST,num[ge]&0x7F);//與運算加入小數(shù)點

shiftOut(dataPin,clockPin,MSBFIRST,0b00000010);

digitalWrite(latchPin, HIGH);

delay(t);

digitalWrite(latchPin,LOW);

shiftOut(dataPin,clockPin,MSBFIRST,num[yi]);

shiftOut(dataPin,clockPin,MSBFIRST,0b00000001);

digitalWrite(latchPin, HIGH);

delay(t);

digitalWrite(latchPin,LOW);

}

/* ------------ shiftOut -------------- */

void shiftOut(uint8_t dataPin, uint8_t clockPin, uint8_t bitOrder, uint8_t val)

{

uint8_t i;

for (i = 0; i < 8; i++) {

if (bitOrder == LSBFIRST)

digitalWrite(dataPin, !!(val & (1 << i)));

else

digitalWrite(dataPin, !!(val & (1 << (7 - i))));

digitalWrite(clockPin, HIGH);

digitalWrite(clockPin, LOW);

}

}

●注意 shiftOut 函數(shù)需要定義；

●由于每次采樣數(shù)值均存在較大波動，為了避免數(shù)碼管動態(tài)刷新過于頻繁，加入循環(huán)延長數(shù)據(jù)刷新時間；

●或者多次采樣取平均值，進而減小水位數(shù)值的波動，使數(shù)碼管的顯示更穩(wěn)定。

效果顯示

數(shù)碼管顯示水位

動態(tài)

串口輸出電壓和水位值

動態(tài)水位的演化曲線

靜態(tài)水位的演化曲線