以下作品由安信可社區用戶大貓的魚制作

PART.01

引言

在工業場景中，電極式水位計常被用于鍋爐、壓力容器、水箱等設備，實現水位的實時監測與高低水位報警，保障設備安全運行。

當然在民用場景里應用也較為廣泛，像日常可見的熱水器、加濕器、飲水機等家電，內部都有水位監測裝置。

這些裝置往往不需要精準的水位距離，只需要知道水位是否在上下限中，避免干燒或溢水問題即可。

PART.02

功能介紹

?本模塊采用工業上常用的DC24V供電（6V~30V都可），板載運行指示燈與配網按鈕。

?使用RS485總線與外部設備通訊。

?主機使用標準的MODBUS RTU協議便可設備進行查詢與控制。在水位采集上，為了避免電極極化同時也是延長電極使用壽命，沒有使用直接通直流電源方案轉而使用公共電極發射PWM脈沖，在三個副電極（采樣電極）上產生電壓變化，單片機使用AD口采樣電壓的方案。

?在不用的水質、氣壓、溫度等環境下，同一水位采樣回來的電壓值不盡相同，所以在本模塊中可以對每個通道的觸發閾值進行設置，從而適應不同的生產/生活環境。

?既然使用了Ai-WB2模組作為主控，設備不聯網就太過可惜了，因此加入了網絡功能。

用戶在對設備配網后，設備便連接上對應的MQTT服務器訂閱了相關主題（可在代碼中更改）。這樣使得模塊的拓展性大大增加。

可以通過MQTT協議將設備連接至小程序、網站或公司內部使用的服務器等，使得多設備聯動，會更加智能化。

PART.03

硬件設計

硬件部分較為簡單，主要在于軟件。

主控采用Ai-WB2-12F模組。
模組內置低功耗的32位RISC CPU，276KB RAM和豐富的外圍接口，包括 SDIO，SPI，UART，I2C， IR remote，PWM，ADC，DAC，PIR 和 GPIO等。

本次項目的硬件需求為：

●一路LED

●一路按鍵檢測

●一路PWM輸出

●三路ADC采樣

●一路485通訊

使用Ai-WB2-12F模組作為主控完美適配。

電源部分分兩級，輸入24V轉5V部分采用L7805芯片進行降壓（建議采用DCDC，手頭有這個芯片才采用這顆LDO），隨后通過經典的AMS1117-3.3，將5V降壓至3.3V作為主控芯片的供電。

眾所周知485為半雙工通訊，相較于UART的RX 、TX多了一個控制接收和發送的控制引腳，為了方便直接搭了一個自動收發電路，在9600波特率的低速場合下運行是完全沒有問題的，這樣對于軟件層面上來講和UART就沒什么不同了。

下面是本項目的原理圖與PCB圖。

圖1 原理圖

圖2 PCB二維圖

PART.04

軟件設計

4.1 主控軟件設計

本項目的單片機軟件方面主要使用了GPIO、PWM、ADC、UART、MQTT等。整體軟件工作流程為：

①設備上電，檢測配網按鍵是否按下。

②如果配網按鍵按下，則進入配網模式；設備會先開啟STA模式連接存儲的配網信息，連接不上wifi則會發出一個AP熱點重新配網。用戶手機輸入密碼12345678連接SSID為ai-think的熱點（熱點名和密碼可改）。隨后打開瀏覽器輸入192.168.169.1進入配網頁面進行配網。

③如果配網按鍵未按下，或網絡連接成功后，設備在公共電極上產生PWM脈沖，通過三通道ADC實時采樣副電極電壓，與觸發閾值進行比較從而判斷水位狀態。

④設備實時的通過MODBUS和MQTT協議與外部設備進行交互，將水位狀態、采樣值、閾值等信息傳輸出去。

具體軟件流程圖如下：

圖3 系統軟件流程圖

4.2 Modbus通訊協議

4.2.1寄存器地址表

4.2.2 指令簡介

目前本模塊支持的功能碼有01、03、06三個功能碼，如修改站號相關指令使用廣播地址00即可。

01-讀線圈狀態

發送查詢三路水位狀態：

返回：

03-讀保持寄存器

發送查詢通道1采樣值命令：

返回：

06-設置單個保持寄存器值

發送設置通道1觸發閾值為命令：

返回：（與發送指令相同）

4.3 MQTT通訊協議設計

當給模塊配網成功后，模塊便將配網WIFI的ssid和password存至內部flash中了。下次再上電便會直接直接Wi-Fi。

模塊成功連接網絡后便會進行連接設定的MQTT服務器并訂閱相關主題。給模塊添加這個功能主要就是為了增加模塊拓展性與智能性，讓它不再單單是個連接PLC的485模塊。

模塊訂閱：waterLevel/cmd 主題，接收其他端（小程序，網站等）發送的控制命令，并在 waterLevel/res 主題中發送響應消息。

其他端訂閱： waterLevel/res 接收模塊的響應消息，在 waterLevel/cmd 發布控制消息。

通訊協議為：

//查詢水位命令格式  {    "id"：1， 	 
 //設備的485站號    "cmd"：0， 	 
  //查詢命令 0:查詢水位狀態與采樣值，1:查詢/設置閾值 } 
   //查詢閾值命令格式  {    "id"：1， 	  
   //設備的485站號    "cmd"：1， 	  
   //查詢命令 0:查詢水位狀態與采樣值，1:查詢/設置閾值 }  
   //設置閾值命令格式  {    "id"：1， 	  
   //設備的485站號    "cmd"：1， 	  
   //查詢命令 0:查詢水位狀態與采樣值，1:查詢/設置閾值   
   "TH1"：100， 	 
    //通道1 要設置的閾值   "TH2"：100， 	  
    //通道2 要設置的閾值   "TH3"：100， 	  
    //通道3 要設置的閾值 
    }

PART.05

實物演示

還是先來幾張實物圖：

圖4 PCB焊接后圖

圖5 模塊實物圖

模塊的對外接口主要有3種：

●首先是DC 6V~30V的電源輸入，使用工業上常用的24V開關電源接上就行了

●其次是485通訊接口的A B線

●最后是電極接口，模塊標的SCOM作為電極公共端連接設備外殼（一定要是導電的如蒸氣鍋爐等）或單獨連接一根最長的電極，剩下三個S1、S2、S3連接三根不同長度的電極即可。

在視頻演示中，由于沒有找到電極就直接使用了長短不一的銅柱代替了，就這樣做了一個簡易的測試裝置，在蒸汽鍋爐中也是能正常使用的，原理都是相同的。具體演示視頻如下：

PART.06

總結

這次做的電極式水位計模塊各種的功能還是很適用于工控場合的。

因為筆者不太喜歡只做功能上的堆疊不去考慮現實應用，。當然這個小項目還有些不足，受限于Ai-WB2的引腳數量，沒有再做對應三個通道的DO有些可惜，雖然有些遺憾，但哪有完全完美的事物呢？

這次的小項目就到這啦！！！下次再見吧

附件：
附件：電極式水位計_s.zip

原貼地址

【電子DIY作品】基于Ai-WB2的電極式水位計

審核編輯 黃宇