实验题目：无线监控水位控制系统设计

1. 实验内容与任务（限 500 字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否有不同层次的要求

1）利用超声波模块或红外测距模块完成测距功能。
2）通过 PWM 控制水泵，保证水桶中水位稳定在设定位置。
3）通过无线传输模块，远程控制水位变化。

2. 实验过程及要求（限 300字）

1）学习了解测距传感器相关知识，了解不同测距传感器的工作原理。
2）学习单片机定时器工作原理，能够使用超声波测距模块完成测距功能。
3）学习 ADC 的工作原理，能够使用红外测距模块完成测距功能。
4） 学习串口工作原理，能够使用串行通信，利用无线串口模块，完成远距离测距和设置。
5）学习定时器 PWM 输出功能，能够控制水泵转速，实现水泵抽水速度的控制。
6）实验验收，要求 2人单组，询问学生是否独立完成设计，确保每个学生都了解本系统的原理以及电路各个部分如何设计。根据完成质量及个人工作量进行打分。
7）撰写设计总结报告。

3. 相关知识及背景（限 150 字）

1、目前物联网应用越来越平凡，很多场合都应用到远程监控。学生在单片机实验中学习无线监控，有实际应用价值。

2、去年邢台地区由于夜间检测水库水位不及时，导致未能及时通知下游村民搬迁，水库放水时间延迟造成了数十人的死亡，造成了几亿元的财产损失。监控水位，水位控制这些工程问题，通过模型化，设计为一个课堂实验，一方面能激发学生的学习兴趣。一方面能够通过工程问题的思考，能够有效锻炼工程实践能力。

3、本实验通过学生自主选择一种测距方法，然后在 MSP 开发平台上实现测距，通过无线串口发送至PC 机。PC 机远程监控距离信息，并设定水位信息，单片机通过 PWM 信号控制水泵的抽水速度，保证水位与设定值一致。

4、本实验难度适中，学生通过有趣的实验，体会工程概念，完成测距，控速，无线传输等环节。这是一个运用单片机技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例。通过这个案例，学生既学习单片机功能，又可以能了解实际问题如何去解决。

4. 教学目的（限 100 字）

选择以生活中的实际问题，激发学生兴趣；引导学生了解工程问题分析方法、如何测距，如何控制电机，如何远程监控；根据需求选择技术方案；让学生实际动手，编写单片机程序，完成远程监控的水泵控制系统，并通过测试与分析对项目作出技术评价；支持学生发挥扩展，促进学生进行创新设计。

5. 实验教学与指导

实验前讲课内容，如：知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的指导或引导。

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）介绍本题目背景知识，介绍测距传感器的分类和原理，让学生了解不同测距传感器的应用场合，了解不同测距传感器的使用方法。
2）讲解单片机定时器原理和应用，讲解 ADC 集成外设，指导学生能够实现超声波测距、红外测距。
3） 讲解串行通信知识，MSP430 单片机串口通信的使用方法，指导学生使用无线串口模块，实现远程监控。
4） 讲解PWM控制方法，引导学生学习实现 PWM控制水泵转速。
5） 在实验完成后，组织做的比较优秀的学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

6. 实验原理及方案

1）系统结构

图 1 系统方案

2）实现方案

首先，通过配置测距模块检测水池水位信息，然后用单片机产生 PWM 信号驱动水泵电机，实现水泵抽水速度配置，使水池水位达到预设值。通过串口将当前水位发送至远程监控端（PC机），同时接受远程监控端（PC 机）发送的水位设定值，控制 PWM信号进而保证水池水位稳定。

通过水位监测，PWM 控制水泵工作状态，使水位保持预设值，并可以远程监控，实现一个模拟远程监控的实际系统。

更深一步，可以用将这种系统框架实现其他的电子系统设计，例如远程控制闸机，智能窗帘等设备，有足够的创新实践空间。

7. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析
2）实现方案论证
3） 系统测试方法
4） 实验数据记录
5）程序设计流程
6）实验结果总结

8. 考核要求与方法（限 300 字）

1）系统方案调研（ $1 0 %$ ）：方案的合理性，设计的可实现性。
2）水位监测功能验收（ $1 5 %$ ）检查测量距离范围，测量精度，程序是否自主设计，编程是否简介，规范合理。
3）PWM 控制水泵功能验收（15）：检查程序是否为自主设计，控制水泵抽水的精确度。
4）系统功能验收（40）：是否能够完成测距和水泵控制协调，保证水位稳定，是否能够远程监控。
5）实验报告（20）：实验报告的规范性与完整性，要求必须有方案调研，最终的系统方案，程序流程图，资源使用情况，成本估算等，根据规范性和完整性给分。

9. 项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色在于：

1、趣味性和价值：本项目容易激发学生实践的兴趣，将工程实际问题模型化，从方案设计锻炼学生的工程思维。从传感器模块应用，驱动电机，锻炼他们动手能力，提高他们解决问题能力。将单片机中核心的定时器、ADC、串口等知识融合到实验中，。促使学生自主学习，通过自己设计实现能够激发他们的兴趣，既锻炼工程设计能力，有能提高他们自信心。

2、创新性：通过无线串口的应用，学生了解远程监控的解决方法，有助于学生去探索物联网应用，互联网 $^ +$ 的相关知识。

3、综合性：该实验从方案调研、设计制作、程序编写、系统调试。其中不仅包含了传感器应用、电路设计，单片机编程等多方面知识，整个调试过程还涵盖了不少的工程实际问题。对于学生来讲，是一个理论指导实践、从实践到理论学习的练手项目。

实验案例信息表