AiCube 试用 - ADC 水位监测系统, Ai8051U
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 Ai8051U-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
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）；
勾选 外设 - ADC，模数转换 项（初始化 ADC 配置）；
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+ ；
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
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。
效果演示
ADC 采集 I/O 电压并 USB 打印
Channel 0 （P1.0） 引脚悬空
P1.0 接地
P1.0 接 VCC（5V）
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；
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
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。
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；
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
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
……
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，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); // voltage
wl = (u16)((u32)vol * 20.674 - 3272.7); // water level
printf_usb("Analog Voltage: %0.2fV, Water Level: %0.2fmm\r\n",(float)vol/100,(float)wl/100); // USB print
delay_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
完整代码及工程见附件。
效果
编译工程并烧录固件，打开 USB 串口，获得打印数据。
上下移动水位传感器，使探测的水位高度发生变化
相应的 USB 串口打印如下
结果分析
经过多次测量，可以获得较为理想的检测结果。
此外，校准和测量过程中发现 ADC 采集的电压值会随时间逐渐减小，可能原因是
- PCB 板被液体浸润，液体表面张力导致初始时刻覆盖更大面积的铜板，电阻较小，输出电压较大；
- 随着时间推移，表面张力被克服，PCB板液面覆盖面积逐渐平稳下降，此时电压也逐渐减小，最后趋于稳定。
类似“海水退潮”
因此采样和校准时需要等待示数稳定，再记录数值，以提高精度。
总结
本文介绍了 Aiapp-ISP 仿真调试平台软件的 AiCube 工具实现 ADC 电压采集，并以此为基础结合水位传感器实现水位监测系统的项目设计，为 STC 系列单片机的快速开发和应用提供了参考。
附件：main.c
附件：ADC_print_voltage.zip
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发表于 2025-4-26 18:58:28
发表于 2025-4-26 19:50:24
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