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【树莓派 PICO 2 测评】ADC 水位监测系统

backend 2025/5/9 5:19:33

【树莓派 PICO 2 测评】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。

本文介绍了树莓派 PICO 2 开发板结合水位传感器实现水位监测计的项目设计。

项目介绍

项目方案

ADC 获取 analog 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；
OLED 实时显示电压、温度、水位高度，完成水位监测系统

电压转换

根据欧姆定律， $V=I\cdot R$ ，电压和电阻成正比；

因此通过获取 3.3V 和 GND 对应的模拟数值（分别为 65535 和 0），

即可得到实际电压的转换公式 Valtage = val * (3.3 / (65535 - 0)) .

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；

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

参考：水位检测报警 - Telesky .

引脚定义

S（信号）为模拟输出；
+（VCC）为传感器供电；
–（GND）为接地。

在这里插入图片描述

参考：Arduino Uno 水位传感器 .

运行原理

当平行铜线之间有水时，水浸没的高度不同，电流不同。铜线间的电阻根据水位的变化而变化。

电阻与水的高度成反比（传感器浸水越深，导电性越好，电阻越小，电流越大）。

在这里插入图片描述

参考：水位传感器如何工作并与Arduino接口 .

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

OLED_SCL -> GP5

OLED_SDA -> GP4

Water-Sensor_Signal -> GP26

在这里插入图片描述

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 18 毫米，相应的串口输出电压为 1.28 伏特

在这里插入图片描述

……

增加水位高度，采集多组电压-水位数据。

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

在这里插入图片描述

获得拟合表达式 y = 41.774 x - 38.686

这里使用 Excel 软件对数据进行拟合

工程代码

代码包括两部分：

ADC 测量电压并实现芯片温度转换；
水位传感器模拟电压的采集、水位高度转换。

电压和温度

OLED 显示 ADC 电压（伏特）和芯片温度（摄氏度）

'''
Name: ADC voltage, temperature and IIC OLED display
Version: v1.0
Date: 2025.04
Author: ljl
Other: Acquiring temperature data by ADC and showing on OLED screen
'''# ADC
import machine
import time# OLED
from machine import Pin, SoftI2C
import ssd1306# ==== Initialized IIC OLED ====
i2c = SoftI2C(scl=Pin(5), sda=Pin(4))
oled_width = 128
oled_height = 64
oled = ssd1306.SSD1306_I2C(oled_width, oled_height, i2c)# ADC voltage and temperature
sensor_temp = machine.ADC(4)
conversion_factor = 3.3 / (65535 - 0)
potentiometer = machine.ADC(26)def display_VT(vol,temp): # voltage and temperatureoled.fill(0)  # 清屏oled.text("Analog Voltage: ", 0, 0)oled.text("{:.2f} V".format(vol), 0, 15)oled.text("Sensor Temperature: ", 0, 35)oled.text("{:.2f} C".format(temp), 0, 50)oled.show()while True:try:vol = potentiometer.read_u16() * conversion_factor # voltage (V)reading = sensor_temp.read_u16() * conversion_factortemp = 27 - (reading - 0.706)/0.001721# 打印到串口print("Analog Voltage: {:.2f} V , Temperature: {:.2f} °C".format(vol,temp))# 显示到OLEDdisplay_VT(vol,temp)except Exception as e:print("Error:", e)oled.fill(0)oled.text("Error!", 0, 20)oled.show()time.sleep(1)  # 每2秒更新一次

预期显示效果

在这里插入图片描述

参考：ADC 的使用 – 树莓派 Pico 实验室 .

水位显示

OLED 显示 ADC 电压（伏特）、芯片温度（摄氏度）和水位高度（毫米）

'''
Name: ADC voltage, temperature, water level and IIC OLED display
Version: v1.0
Date: 2025.04
Author: ljl
Other: Acquiring voltage, temperature and water level by ADC and showing on OLED screen
'''# ADC
import machine
import time# OLED
from machine import Pin, SoftI2C
import ssd1306# ==== Initialized IIC OLED ====
i2c = SoftI2C(scl=Pin(5), sda=Pin(4))
oled_width = 128
oled_height = 64
oled = ssd1306.SSD1306_I2C(oled_width, oled_height, i2c)# ADC voltage and temperature
sensor_temp = machine.ADC(4)
conversion_factor = 3.3 / (65535)
potentiometer = machine.ADC(26)def display_VTW(vol,temp,wl): # voltage and temperature and water-leveloled.fill(0)  # 清屏oled.text("Analog Voltage: ", 0, 0)oled.text("{:.2f} V".format(vol), 0, 10)oled.text("Temperature: ", 0, 22)oled.text("{:.2f} C".format(temp), 0, 32)oled.text("Water Level: ", 0, 44)oled.text("{:.2f} mm".format(wl), 0, 54)oled.show()while True:try:vol = potentiometer.read_u16() * conversion_factor # voltage (V)wl = 41.774 * vol - 38.686 # water level (mm)reading = sensor_temp.read_u16() * conversion_factortemp = 27 - (reading - 0.706)/0.001721 # temperature (Celsius)# 打印到串口print("Analog Voltage: {:.2f} V , Temperature: {:.2f} °C , Water Level: {:.2f} mm".format(vol,temp,wl))# 显示到OLEDdisplay_VTW(vol,temp,wl)except Exception as e:print("Error:", e)oled.fill(0)oled.text("Error!", 0, 20)oled.show()time.sleep(1)  # 每2秒更新一次

预期显示效果

在这里插入图片描述