AiCube 試用 - ADC 水位監測系統

水位檢測在水資源管理、城市防洪、農業灌溉、家用電器和工業生產等多領域發揮積極建設作用。利用水位傳感器，可以實現水資源的智能管理，提高生產效率。

本文介紹了擎天柱開發板利用 AiCube 工具快速創建 I/O 電壓讀取，并進一步結合水位傳感器，實現水位監測的項目設計。

項目介紹

該項目分為兩部分

• ADC 電壓轉換和采集；

• 水位傳感器模擬電壓信號的讀取與水位高度轉換。

項目方案

1. ADC 獲取模擬通道 I/O 接口的模擬值；
2. 電壓轉換，獲取 I/O 電壓值；
3. 連接水位傳感器，進行電壓-水位校準；
4. USB 串口打印電壓值和水位高度，完成水位的實時監測。

硬件平臺

硬件測試平臺為基于 AI8051U-34K64 主控的 擎天柱 開發板

I/O 電壓采集

使用 AiCube 工具創建 ADC 工程，經過 ADC 轉換，計算模擬通道的電壓值，并 USB 串口打印電壓值。

工程創建

使用 AiCube 工具實現工程的快速創建。

首次安裝需添加 Keil 仿真頭文件

下載 最新版 AIapp-ISP 軟件；

解壓并打開該軟件，右側操作界面選擇并進入 Keil 仿真設置 標簽項；

選擇目標單片機型號 - 添加型號和頭文件到 Keil - 選擇 Keil 安裝目錄文件夾 - 確定，提示添加成功；

打開最新版 AIapp-ISP 軟件，菜單欄點擊 AiCube 標簽，進入 項目創建助手 ；

選擇目標單片機型號 - 填寫項目名稱 - 設置保存路徑 - 點擊 下一步 - 進入參數配置界面；

參數配置

勾選 外設 - USB 通用串行總線 項（為了實現 USB 串口打印）；

勾選 外設 - ADC，模數轉換 項（初始化 ADC 配置）；

可根據需求更改參數、模擬通道等。

進入 可視化圖形I/O口配置 界面

• 點擊 P1.0 管腳，選擇 ADC0 項 ；

• 點擊 P3.0 和 P3.1 分別配置為 D- 和 D+ ；

設置完成后，點擊右下角的 創建項目 ，此時初始化完成，自動打開項目。

編譯直接生成的工程，確保無誤。

代碼添加

AiCube 生成項目后，僅需添加 7 行代碼，即可實現電壓值的計算和 USB 串口輸出

u16 Bandgap;void main(void)
{u16 vol;SYS_Init();while (1){USBLIB_OUT_Done();              //查詢方式處理USB接收的數據vol = ADC_Convert(0); // 調用自動生成的 ADC 轉換函數Bandgap = ADC_Convert(15); // 讀取內部基準 ADC（15通道）vol = (u16)((u32)vol * 119 / Bandgap); // 相對電壓值計算printf_usb("Analog Voltage: %0.2fV\r\n",(float)vol/100); // 打印電壓值delay_ms(500);}
}

這里的電壓轉換公式參考 Ai8051U 官方示例工程：

18-P1.3做ADC3-使用ADC15測量內部1.19V信號源，計算外部電壓VCC

此外，通過多次采集取平均值的方法，可以提高數據精度，詳情參考上述官方 Demo 例程。

編譯上傳

編譯代碼后生成固件，通過 AIapp-ISP 軟件燒錄至芯片。

生成的 HEX 燒錄固件位于 Objects 文件夾下，

使用 Type-C 數據線連接開發板和電腦，按住 P32 按鍵的同時，短按 POWER 按鍵，

此時 Aiapp-ISP 軟件自動識別 HID 設備

點擊 下載/編程 按鈕，待燒錄結束，程序自動運行。

此時軟件識別出 USB 串口，進入 CDC/HID-串口助手 標簽， 打開相應的串口 （波特率 115200 bps ）即可接收芯片打印的數據。

效果演示

ADC 采集 I/O 電壓并 USB 打印

Channel 0 （P1.0） 引腳懸空

P1.0 接地

P1.0 接 VCC（5V）

此時完成了 I/O 電壓采集和 USB 串口打印電壓值的流程。

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測，檢測是否下雨及雨量的大小，廣泛應用于汽車自動刮水系統、智能燈光系統和智能天窗系統等。

模塊簡介

• 當模塊上電，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 - Telesky .

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：水位傳感器 .

運行原理

當水位上升時，更多的電子可以在正負極之間運動，因此電阻減小，ADC 采集的電壓值隨之增大；

參考：水位傳感器如何工作 .

因此根據 ADC 測量傳感器輸出的電壓，便可以確定水位。

硬件連接

Water-Sensor_Signal -> P1.0

硬件連接完成后，終端打印測試，此時輸出的電壓值應為 0 .

水位校準

由于各地的水質差異，導電性能不同，因此需要根據實際情況進行校準。

• 多次校準，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。

校準數據采集

水位 21 毫米，相應的串口輸出電壓為 2.65 伏特

……

增加水位高度，采集多組電壓-水位數據。

假設 ADC 讀取電壓（V）與水位高度（mm）為線性相關關系，使用 Excel 軟件對上述數據進行擬合

獲得擬合表達式 y = 20.674 x - 32.727 .

代碼

代碼包括兩部分：

1. ADC 采集水位傳感器模擬信號的電壓；
2. 水位高度轉換和 USB 串口打印數值

void main(void)
{u16 vol,wl;SYS_Init();while (1){USBLIB_OUT_Done();              //查詢方式處理USB接收的數據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);}
}

注意代碼中公式參數的變化，保留兩位小數，因此將方程乘以100

效果

編譯工程并燒錄固件，打開 USB 串口，獲得打印數據。

上下移動水位傳感器，使探測的水位高度發生變化

相應的 USB 串口打印如下

結果分析

經過多次測量，可以獲得較為理想的檢測結果。

此外，校準和測量過程中發現 ADC 采集的電壓值會隨時間逐漸減小，可能原因是

• PCB 板被液體浸潤，液體表面張力導致初始時刻覆蓋更大面積的銅板，電阻較小，輸出電壓較大；
• 隨著時間推移，表面張力被克服，PCB板液面覆蓋面積逐漸平穩下降，此時電壓也逐漸減小，最后趨于穩定。

類似“海水退潮”

因此采樣和校準時需要等待示數穩定，再記錄數值，以提高精度。

總結

本文介紹了 Aiapp-ISP 仿真調試平臺軟件的 AiCube 工具實現 ADC 電壓采集，并以此為基礎結合水位傳感器實現水位監測系統的項目設計，為 STC 系列單片機的快速開發和應用提供了參考。