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AiCube 试用 - ADC 水位监测系统

news 2025/4/28 15:11:53

AiCube 试用 - ADC 水位监测系统

水位检测在水资源管理、城市防洪、农业灌溉、家用电器和工业生产等多领域发挥积极建设作用。利用水位传感器，可以实现水资源的智能管理，提高生产效率。

本文介绍了擎天柱开发板利用 AiCube 工具快速创建 I/O 电压读取，并进一步结合水位传感器，实现水位监测的项目设计。

项目介绍

该项目分为两部分

ADC 电压转换和采集；
水位传感器模拟电压信号的读取与水位高度转换。

项目方案

ADC 获取模拟通道 I/O 接口的模拟值；
电压转换，获取 I/O 电压值；
连接水位传感器，进行电压-水位校准；
USB 串口打印电压值和水位高度，完成水位的实时监测。

硬件平台

硬件测试平台为基于 AI8051U-34K64 主控的 擎天柱 开发板

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I/O 电压采集

使用 AiCube 工具创建 ADC 工程，经过 ADC 转换，计算模拟通道的电压值，并 USB 串口打印电压值。

工程创建

使用 AiCube 工具实现工程的快速创建。

首次安装需添加 Keil 仿真头文件

下载最新版 AIapp-ISP 软件；

解压并打开该软件，右侧操作界面选择并进入 Keil 仿真设置 标签项；

选择目标单片机型号 - 添加型号和头文件到 Keil - 选择 Keil 安装目录文件夹 - 确定，提示添加成功；

打开最新版 AIapp-ISP 软件，菜单栏点击 AiCube 标签，进入 项目创建助手 ；

选择目标单片机型号 - 填写项目名称 - 设置保存路径 - 点击 下一步 - 进入参数配置界面；

参数配置

勾选 外设 - USB 通用串行总线 项（为了实现 USB 串口打印）；

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勾选 外设 - ADC，模数转换 项（初始化 ADC 配置）；

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可根据需求更改参数、模拟通道等。

进入 可视化图形I/O口配置 界面

点击 P1.0 管脚，选择 ADC0 项；
点击 P3.0 和 P3.1 分别配置为 D- 和 D+ ；

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设置完成后，点击右下角的 创建项目 ，此时初始化完成，自动打开项目。

编译直接生成的工程，确保无误。

代码添加

AiCube 生成项目后，仅需添加 7 行代码，即可实现电压值的计算和 USB 串口输出

u16 Bandgap;void main(void)
{u16 vol;SYS_Init();while (1){USBLIB_OUT_Done();              //查询方式处理USB接收的数据vol = ADC_Convert(0); // 调用自动生成的 ADC 转换函数Bandgap = ADC_Convert(15); // 读取内部基准 ADC（15通道）vol = (u16)((u32)vol * 119 / Bandgap); // 相对电压值计算printf_usb("Analog Voltage: %0.2fV\r\n",(float)vol/100); // 打印电压值delay_ms(500);}
}

这里的电压转换公式参考 Ai8051U 官方示例工程：

18-P1.3做ADC3-使用ADC15测量内部1.19V信号源，计算外部电压VCC

此外，通过多次采集取平均值的方法，可以提高数据精度，详情参考上述官方 Demo 例程。

编译上传

编译代码后生成固件，通过 AIapp-ISP 软件烧录至芯片。

生成的 HEX 烧录固件位于 Objects 文件夹下，

使用 Type-C 数据线连接开发板和电脑，按住 P32 按键的同时，短按 POWER 按键，

此时 Aiapp-ISP 软件自动识别 HID 设备

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点击 下载/编程 按钮，待烧录结束，程序自动运行。

此时软件识别出 USB 串口，进入 CDC/HID-串口助手 标签，打开相应的串口（波特率 115200 bps ）即可接收芯片打印的数据。

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效果演示

ADC 采集 I/O 电压并 USB 打印

Channel 0 （P1.0）引脚悬空

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P1.0 接地

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P1.0 接 VCC（5V）

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此时完成了 I/O 电压采集和 USB 串口打印电压值的流程。

水位传感器

水位传感器（Water Sensor）可以检测水位高度（检测高度：0 - 40 mm），亦可用作雨滴传感器，用于各种天气状况的监测，检测是否下雨及雨量的大小，广泛应用于汽车自动刮水系统、智能灯光系统和智能天窗系统等。

模块简介

当模块上电，电源指示 LED 点亮；
工作电压：DC 3.3V - 5V ；
输出类型：模拟信号；

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传感器具有 10 条裸露的铜线，其中 5 条是电源铜线，另外 5 条是感测铜线。

走线隔行平行排列，每两条电源铜线间有一条感测铜线。

模块原理图

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参考：水位检测 - Telesky .

引脚定义

S（信号）为模拟输出；
+（VCC）为传感器供电；
–（GND）为接地。

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参考：水位传感器 .

运行原理

当水位上升时，更多的电子可以在正负极之间运动，因此电阻减小，ADC 采集的电压值随之增大；

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参考：水位传感器如何工作 .

因此根据 ADC 测量传感器输出的电压，便可以确定水位。

硬件连接

Water-Sensor_Signal -> P1.0

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硬件连接完成后，终端打印测试，此时输出的电压值应为 0 .

水位校准

由于各地的水质差异，导电性能不同，因此需要根据实际情况进行校准。

多次校准，取平均值；
每次校正前，需将 PCB 表面的平行铜线擦干，待测得电压为 0 时再置入水中，记录水位值和电压值。

校准数据采集

水位 21 毫米，相应的串口输出电压为 2.65 伏特

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……

增加水位高度，采集多组电压-水位数据。

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假设 ADC 读取电压（V）与水位高度（mm）为线性相关关系，使用 Excel 软件对上述数据进行拟合

获得拟合表达式 y = 20.674 x - 32.727 .

代码

代码包括两部分：

ADC 采集水位传感器模拟信号的电压；
水位高度转换和 USB 串口打印数值

void main(void)
{u16 vol,wl;SYS_Init();while (1){USBLIB_OUT_Done();              //查询方式处理USB接收的数据vol = ADC_Convert(0);Bandgap = ADC_Convert(15);vol = (u16)((u32)vol * 119 / Bandgap); // voltagewl = (u16)((u32)vol * 20.674 - 3272.7); // water levelprintf_usb("Analog Voltage: %0.2fV, Water Level: %0.2fmm\r\n",(float)vol/100,(float)wl/100); // USB printdelay_ms(500);}
}

注意代码中公式参数的变化，保留两位小数，因此将方程乘以100