【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

1. ADC 获取 analog I/O 接口的模拟值；
2. 电压转换，获取 I/O 电压值；
3. 连接水位传感器，进行电压-水位校准；
4. 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/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；

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。

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）。

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

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

……

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

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：

1. ADC 测量电压并实现芯片温度转换；
2. 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 temperature
    oled.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_factor
        
        temp = 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OLED
        display_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

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-level
    oled.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_factor
        
        temp = 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OLED
        display_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

效果展示

包括 ADC 电压采集、温度转换、水位高度的 OLED 显示和终端打印。

ADC 电压

ADC 实现模拟电压读取和芯片温度读取

OLED 显示效果

​

水位监测

终端打印

OLED 显示

​

分析总结

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，使用 Thonny IDE 编程，通过 IO 接口的模拟值的电压转换、电压-水位校准等流程，实现水位高度的终端输出及 OLED 显示，以及实时水位监测功能，为树莓派 Pico 2 的快速开发和相关产品的应用提供了参考。