电阻式液位检测从原理到实战

电阻式液位检测：用几根不锈钢探针实现可靠的分档液位测量

一位 40 年电子工程师的实战笔记 —— 最简单、最可靠、最便宜的多点液位检测方案，没有之一。

目录

• 一、老工程师的开场白
• 二、基本原理：水就是一根导线
• 三、为什么这个方案值得认真对待？
• 四、探针设计与结构工艺
• 五、信号检测电路设计
• 六、Arduino 驱动开发
• 七、STM32 驱动开发
• 八、交流激励：解决电解腐蚀的关键
• 九、故障诊断与自检
• 十、项目实战：电热水器水位控制器
• 十一、跟其他方案比一比
• 十二、量产中踩过的坑
• 十三、总结与金句

一、老工程师的开场白

在嵌入式这行摸爬滚打了 40 年，我做过的液位检测方案少说也有二三十种。电容式的、超声波式的、压力式的、磁浮子的、光电式的……每一种我都亲手做过量产产品。

但要说最简单、最可靠、最便宜的方案，我还得把票投给今天要聊的这个——电阻式分档液位探针。

它的原理简单到一句话就能说完：水能导电，空气不能。伸几根长短不同的不锈钢探针到容器里，哪根碰到水哪根就和公共电极导通，读一下 GPIO 就知道水位到哪了。

是的，就这么简单。

但"简单"不等于"粗糙"。这篇文章我会把探针的选材、密封结构、电路设计、交流激励抗腐蚀、故障自检、量产工艺……从头到尾给你讲透。读完你会发现，原来一个被很多人瞧不上的"土办法"，做精了一样能用在工业级产品上。

二、基本原理：水就是一根导线

2.1 一图胜千言

┌─────────────────────────┐
│ 液体容器 │
│ │
～～ ├── 液面 1 (最高) ～～～～┤
│ ● 探针 4 (最长) │
～～ ├── 液面 2 ～～～～┤
│ ● 探针 3 │
～～ ├── 液面 3 ～～～～┤
│ ● 探针 2 │
～～ ├── 液面 4 (最低)～～～～┤
│ ● 探针 1 (最短) │
│ ▌ │
│ ▌ 公共电极 COM │
│ ▌ (最长，始终浸没) │
│ ▌ │
└─────────┴───────────────┘
↑
安装法兰（密封）
│
接线端子
│
MCU 检测

工作逻辑：

• 公共电极 COM 始终浸没在液体中（最长的一根）
• 探针 1~4 长度依次递增，分别对应 25%、50%、75%、100% 液位
• 当液位淹过某根探针时，探针与 COM 之间通过液体导通
• MCU 检测每根探针与 COM 之间的通断状态
• 由此判断液位达到了哪一档

2.2 等效电路

COM ────┐
│
├──── 探针 1 ←──────── 液位 ≥ 25% 时导通
│ │
│ R_water_1
│ │
├──── 探针 2 ←──────── 液位 ≥ 50% 时导通
│ │
│ R_water_2
│ │
├──── 探针 3 ←──────── 液位 ≥ 75% 时导通
│ │
│ R_water_3
│ │
├──── 探针 4 ←──────── 液位 ≥ 100% 时导通
│ │
│ R_water_4
│ │
└────────┘
等效液体电阻 (几 kΩ ~ 几百 kΩ)

每根探针和 COM 之间可以看作一个液体电阻串在回路中：

VCC
│
R_pullup (10kΩ ~ 100kΩ)
│
├──────→ MCU GPIO (ADC 或数字输入)
│
探针
│
─────┴───── 液面
│
~~~~~ 液体 电阻 R_water ~~~~~
│
COM (GND)

2.3 液体电阻到底有多大？

这是最关键的工程参数，决定了上拉电阻怎么选、检测阈值怎么设。

⚠️ 老工程师提醒：这个表是判断"这个方案能不能用"的第一道门槛。

• 测自来水、饮用水、河水、污水、饮料→ ✅ 完全没问题
• 测去离子水、超纯水→ ❌ 电阻太大，测不出来，换电容方案
• 测油类、有机溶剂→ ❌ 不导电，此方案不适用，换电容或超声波方案

三、为什么这个方案值得认真对待？

3.1 一句话总结优势

BOM 成本几块钱，结构件就是几根不锈钢棒，电路就是几个电阻加 GPIO——简单到出不了大问题。

3.2 详细对比

3.3 电导率变化的应对

有人担心：自来水的电导率随水源、季节变化，会不会导致误判？

答案是：用 ADC 读电压而不是用 GPIO 读高低电平。

GPIO 读法 (粗糙):
电压 > 2.0V → 1 (不通)
电压 < 0.8V → 0 (导通)
问题是阈值固定，电导率变化时可能误判

ADC 读法 (可靠):
干态: ADC ≈ 4095 (全高，VCC)
湿态 (自来水): ADC ≈ 500~2000
湿态 (纯水): ADC ≈ 3500~4000
通过百分比变化来判断，而不是绝对阈值

用 ADC 读取每个探针的电压，通过相对变化率而不是绝对阈值来判断通断：

/**
* 自适应阈值判断
* 思路：比较当前读数与"干态基准值"的变化幅度
*/
bool isProbeWet(int probeIndex, uint16_t currentADC) {
// dryBaseline[probeIndex] 在上电初始化时采样
// 或定期在确定空液时更新
float dropRatio = 1.0f – (float)currentADC / dryBaseline[probeIndex];

// 电压下降超过 30% 即判定为导通
// 这个阈值对大多数液体都适用
return dropRatio > 0.30f;
}

四、探针设计与结构工艺

这是最容易被人忽视、却最影响产品品质的环节。电路画对了、代码写好了，探针密封不行，三个月就漏水——电路板烧了算轻的，水漏到带电部分，那就是安全事故。

4.1 探针材料

📌 常规产品首选 304 不锈钢。直径 2~4mm，长度根据液位档位定制。

4.2 探针直径选择

家用/小容器用 2mm 就行。工业大容器用 3~4mm。

4.3 密封结构设计

这是整个方案中唯一有技术含量的部分。

┌────────────────────────┐
│ 接线端子台 │
────┼── 螺丝压接探针上端 ────┼─── 引出到 PCB
│ (露出 10mm) │
│ │
────┼────────────────────────┼─── 密封件
│ ┌──────────────┐ │
│ │ 硅胶密封圈 ×2 │ │ ← O 型圈 × 2（双道密封）
│ │ (食品级) │ │
│ └──────────────┘ │
────┼────────────────────────┼─── 法兰盖（POM / PP / 尼龙）
│ │
│ ～～～～～～ │ ← 液面以上
═══════╪════════════════════════╪═══ 容器壁
│ ～～～～～～ │ ← 液面以下
│ │
│ ▌ 探针（不锈钢棒） │
│ ▌ │
│ ▌ │
└───┴────────────────────┘

密封要点：

4.4 探针长度计算

"""
探针长度计算示例
容器高度 200mm，4 档检测 + 公共电极
"""

# 容器参数
tank_height = 200.0 # 容器总高 (mm)
probe_count = 4 # 检测档位数量
min_immersion = 10.0 # 最小浸没深度 (mm)，保证可靠导通

# 档位液位目标（容器底部 = 0）
target_levels = [50, 100, 150, 200] # 25%, 50%, 75%, 100%

# 探针从底部向上伸出的长度
probe_lengths = [level + min_immersion for level in target_levels]
# → [60, 110, 160, 210] mm

# 公共电极 — 保证始终浸没（通常比最高探针略长）
com_length = max(probe_lengths) + 20 # 230 mm

4.5 安装方式

方案 A：顶部法兰安装 方案 B：底部法兰安装
(探针向下伸入液体) (探针向上伸入液体)

┌──┐法兰 ═══ 容器底 ═══
═══│ │═══ 容器盖 ┌──┐法兰
│ │ │ │
│ ▌探针 │ ▌探针 ↑
│ ▌ │ ▌
│ ▌ │ ▌
│ ▌ │ ▌
│ ▌ └──┘
└──┘

优点：密封在液面以上 优点：密封在容器最低处
缺点：探针悬臂长，需刚性 （若有泄漏正好排空）
适用：小容器、密封罐 缺点：密封承受全液位压力
适用：需要排空维护的场景

📌 推荐方案 A。密封件不长期浸泡在液体中，寿命长得多。探针悬臂问题通过选择足够粗的探针解决。

五、信号检测电路设计

5.1 经典直流检测电路

VCC (3.3V 或 5V)
│
├── R1 ──┬── R2 ──┬── R3 ──┬── R4 ──┐
│ │ │ │ │
100kΩ 100kΩ 100kΩ 100kΩ 100kΩ (上拉电阻)
│ │ │ │ │
├─ ADC0 ├─ ADC1 ├─ ADC2 ├─ ADC3 ├─ ADC4
│ │ │ │ │
Probe1 Probe2 Probe3 Probe4 COM
(最短) … (最长) (公共)
│ │ │ │ │
├────────┼────────┼────────┼────────┤
│ │
～～～～～～～ 液体 ～～～～～～～
(COM 接 GND，各探针通过液体 → COM 形成回路)

上拉电阻取值：

5.2 带保护的工业级电路

实际产品中，需要考虑 ESD 静电防护、浪涌保护：

VCC
│
R1 (100kΩ)
│
├─────────────→ MCU ADC
│
R2 (1kΩ, 限流)
│
├── D1 (TVS, 5V) ── GND
│
├── C1 (10nF) ── GND (低通滤波，去噪声)
│
探针

• TVS 管（如 SMAJ5.0CA）：防静电和浪涌，保护 MCU 引脚
• 1kΩ 限流电阻：限制 TVS 动作时的电流
• 10nF 电容：滤除工频 50Hz 干扰（液体充当天线会引入噪声）
• 100nF 可选：更强的滤波，但响应变慢

5.3 多路复用电路（节省 ADC 通道）

当探针数量很多（如 8~16 档）时，用模拟开关或 IO 扩展：

方案 A：CD4051 模拟开关 (8 选 1)
优点：1 个 ADC 口 + 3 个控制 IO → 8 路探针
成本：￥1.5

方案 B：PCF8574 I2C IO 扩展 + 分时上拉
优点：2 根 I2C 线 → 8 路 GPIO
每个 GPIO 轮流输出高电平（上拉），其他为输入
成本：￥2.0

方案 C：HC595 移位寄存器 + 单 ADC
优点：3 根线 → N 路，可级联
成本：￥0.8

六、Arduino 驱动开发

6.1 基本四档液位检测

/**
* 电阻式液位检测 – 4 档基本版
* 探针: 4 根不锈钢探针 + 1 根公共电极
* 检测: GPIO + ADC 双重判断
*
* 接线:
* Probe 1 (25%) → A0
* Probe 2 (50%) → A1
* Probe 3 (75%) → A2
* Probe 4 (100%) → A3
* COM → GND
*/

// ==================== 配置 ====================
#define PROBE_COUNT 4

// 探针对应的 ADC 引脚
const uint8_t probePins[PROBE_COUNT] = {A0, A1, A2, A3};

// 上拉电阻 (Ω)
#define PULLUP_RESISTOR 100000

// 干态基准值（上电初始化时采样）
uint16_t dryBaseline[PROBE_COUNT];

// 导通判断阈值（电压下降百分比，0.0 ~ 1.0）
// 0.30 = 下降 30% 以上判定为导通
#define WET_THRESHOLD 0.30f

// ==================== 初始化 ====================
void setup() {
Serial.begin(115200);
Serial.println("=== 电阻式液位检测 (4档) ===");
Serial.println();

// 上电时（确保容器为空或探针干燥），采样干态基准
// 如果无法确定空液，可以用上一次保存的 EEPROM 中的值
calibrateDryBaseline();

Serial.println("探针\\t干态ADC\\t当前ADC\\t状态");
Serial.println("—-\\t——-\\t——-\\t—-");
}

// ==================== 主循环 ====================
void loop() {
// 读取每个探针
for (int i = 0; i < PROBE_COUNT; i++) {
uint16_t adc = analogRead(probePins[i]);
bool isWet = isProbeWet(i, adc);

Serial.print("P");
Serial.print(i + 1);
Serial.print("\\t");
Serial.print(dryBaseline[i]);
Serial.print("\\t");
Serial.print(adc);
Serial.print("\\t");
Serial.println(isWet ? "● 导通 (湿)" : "○ 断开 (干)");
}

// 计算液位档位
int level = getLevel();
Serial.print("当前液位档位: ");
Serial.print(level);
Serial.print(" / ");
Serial.println(PROBE_COUNT);

Serial.println("—");
delay(1000);
}

// ==================== 核心函数 ====================

/**
* 采样干态基准值
* 应在容器为空、探针干燥时调用
*/
void calibrateDryBaseline() {
Serial.println("正在采样干态基准值…");

for (int i = 0; i < PROBE_COUNT; i++) {
pinMode(probePins[i], INPUT);

// 多次采样取平均（减小噪声）
uint32_t sum = 0;
for (int j = 0; j < 32; j++) {
sum += analogRead(probePins[i]);
delay(5);
}
dryBaseline[i] = (uint16_t)(sum / 32);

Serial.print(" 探针 ");
Serial.print(i + 1);
Serial.print(": 干态基准 = ");
Serial.println(dryBaseline[i]);
}
Serial.println("采样完成\\n");
}

/**
* 判断探针是否被液体导通
* 使用相对变化率而非绝对阈值
*/
bool isProbeWet(int probeIndex, uint16_t currentADC) {
// 电压下降比例
float dropRatio = 1.0f – (float)currentADC / dryBaseline[probeIndex];

// 下降超过阈值 → 导通
return dropRatio > WET_THRESHOLD;
}

/**
* 获取液位档位（0~PROBE_COUNT）
* 0 = 全部干燥（低于最低探针）
* N = 第 N 根探针导通（液位 ≥ 第 N 档）
*/
int getLevel() {
int level = 0;
for (int i = 0; i < PROBE_COUNT; i++) {
uint16_t adc = analogRead(probePins[i]);
if (isProbeWet(i, adc)) {
level = i + 1; // 记录最高导通的探针
}
}
return level;
}

6.2 带 OLED 和蜂鸣器告警版

/**
* 电阻式液位计 – OLED 显示 + 告警
* 探针 4 档 + 最高最低告警
*/

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

#define PROBE_COUNT 4
#define SCREEN_WIDTH 128
#define SCREEN_HEIGHT 64

const uint8_t probePins[PROBE_COUNT] = {A0, A1, A2, A3};
#define PIN_BUZZER 5
#define PIN_LED_LOW 6 // 低液位告警灯
#define PIN_LED_HIGH 7 // 高液位告警灯

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, –1);

uint16_t dryBaseline[PROBE_COUNT];
const float WET_THRESHOLD = 0.30f;

void setup() {
Serial.begin(115200);
Wire.begin();

// GPIO
pinMode(PIN_BUZZER, OUTPUT);
pinMode(PIN_LED_LOW, OUTPUT);
pinMode(PIN_LED_HIGH, OUTPUT);

// OLED
display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);
display.clearDisplay();
display.setTextColor(SSD1306_WHITE);

// 开机画面
display.setTextSize(2);
display.setCursor(15, 10);
display.println("Resistive");
display.setCursor(15, 35);
display.println("Level Meter");
display.display();
delay(1500);

calibrateDryBaseline();
}

void loop() {
// 读取状态
bool probeState[PROBE_COUNT];
int level = 0;

for (int i = 0; i < PROBE_COUNT; i++) {
uint16_t adc = analogRead(probePins[i]);
probeState[i] = isProbeWet(i, adc);
if (probeState[i]) level = i + 1;
}

// 告警判断
bool alarmLow = (level == 0); // 全部干燥 = 没水了
bool alarmHigh = (level >= PROBE_COUNT); // 全导通 = 满了

digitalWrite(PIN_LED_LOW, alarmLow);
digitalWrite(PIN_LED_HIGH, alarmHigh);

if (alarmLow || alarmHigh) {
tone(PIN_BUZZER, alarmHigh ? 2000 : 1000, 200);
}

// OLED 显示
display.clearDisplay();

// 标题
display.setTextSize(1);
display.setCursor(0, 0);
display.println("Resistive Level");

// 液位条
int barY = 12;
int barH = 30;
int barW = 20;
int gap = 8;
for (int i = 0; i < PROBE_COUNT; i++) {
int x = 10 + i * (barW + gap);
// 从下往上填
int fillH = probeState[i] ? barH : 0;
display.drawRect(x, barY, barW, barH, SSD1306_WHITE);
display.fillRect(x, barY + barH – fillH, barW, fillH, SSD1306_WHITE);
display.setCursor(x + 5, barY + barH + 2);
display.print(i + 1);
}

// 档位文字
display.setTextSize(2);
display.setCursor(15, 48);

if (level == 0) {
display.println("EMPTY!");
} else if (level >= PROBE_COUNT) {
display.println("FULL!");
} else {
display.print("Level: ");
display.print(level);
display.print("/");
display.print(PROBE_COUNT);
}

display.display();
delay(500);
}

void calibrateDryBaseline() {
for (int i = 0; i < PROBE_COUNT; i++) {
pinMode(probePins[i], INPUT);
uint32_t sum = 0;
for (int j = 0; j < 32; j++) {
sum += analogRead(probePins[i]);
delay(5);
}
dryBaseline[i] = (uint16_t)(sum / 32);
}
}

bool isProbeWet(int idx, uint16_t adc) {
return (1.0f – (float)adc / dryBaseline[idx]) > WET_THRESHOLD;
}

七、STM32 驱动开发

7.1 硬件配置

探针 1 (25%) → PA0 (ADC1_IN0)
探针 2 (50%) → PA1 (ADC1_IN1)
探针 3 (75%) → PA2 (ADC1_IN2)
探针 4 (100%) → PA3 (ADC1_IN3)
COM → GND

7.2 HAL 库驱动代码

level_probe.h

#ifndef __LEVEL_PROBE_H__
#define __LEVEL_PROBE_H__

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

/* 配置 */
#define PROBE_COUNT 4
#define ADC_SAMPLES 32 // 每次采样次数
#define WET_THRESHOLD 0.30f // 导通判定阈值 (30%)

/* 探针句柄 */
typedef struct {
ADC_HandleTypeDef *hadc;
uint32_t adc_channels[PROBE_COUNT];
uint16_t dry_baseline[PROBE_COUNT]; // 干态基准
bool probe_state[PROBE_COUNT]; // 当前状态
uint8_t level; // 档位 (0~PROBE_COUNT)
} LevelProbe;

/* API */
void LevelProbe_Init(LevelProbe *lp, ADC_HandleTypeDef *hadc);
void LevelProbe_Calibrate(LevelProbe *lp); // 采样干态基准
void LevelProbe_Update(LevelProbe *lp); // 更新所有探针状态
uint8_t LevelProbe_GetLevel(LevelProbe *lp);
bool LevelProbe_IsWet(LevelProbe *lp, uint8_t idx);

#endif

level_probe.c

#include "level_probe.h"

/**
* 读取单个 ADC 通道
*/
static uint16_t readADC(LevelProbe *lp, uint8_t idx) {
// 选择通道 + 采样时间
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
sConfig.Channel = lp->adc_channels[idx];
sConfig.Rank = 1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5;

HAL_ADC_ConfigChannel(lp->hadc, &sConfig);

// 启动 + 等待 + 读取
HAL_ADC_Start(lp->hadc);
HAL_ADC_PollForConversion(lp->hadc, 10);
uint16_t val = HAL_ADC_GetValue(lp->hadc);

return val;
}

/**
* 多次采样取平均
*/
static uint16_t readADCAverage(LevelProbe *lp, uint8_t idx) {
uint32_t sum = 0;
for (int i = 0; i < ADC_SAMPLES; i++) {
sum += readADC(lp, idx);
HAL_Delay(2);
}
return (uint16_t)(sum / ADC_SAMPLES);
}

/**
* 初始化
*/
void LevelProbe_Init(LevelProbe *lp, ADC_HandleTypeDef *hadc) {
lp->hadc = hadc;

// 配置 ADC 通道（根据实际引脚设置）
// PA0→CH0, PA1→CH1, PA2→CH2, PA3→CH3
for (int i = 0; i < PROBE_COUNT; i++) {
lp->adc_channels[i] = ADC_CHANNEL_0 + i; // CH0~CH3
}
}

/**
* 标定干态基准值
* 必须在容器为空且探针干燥时调用
*/
void LevelProbe_Calibrate(LevelProbe *lp) {
for (int i = 0; i < PROBE_COUNT; i++) {
lp->dry_baseline[i] = readADCAverage(lp, i);
}
}

/**
* 更新所有探针状态
*/
void LevelProbe_Update(LevelProbe *lp) {
uint8_t highest_wet = 0;

for (int i = 0; i < PROBE_COUNT; i++) {
uint16_t adc = readADCAverage(lp, i);

// 相对变化率判断
float drop = 1.0f – (float)adc / lp->dry_baseline[i];
lp->probe_state[i] = (drop > WET_THRESHOLD);

if (lp->probe_state[i]) {
highest_wet = i + 1;
}
}
lp->level = highest_wet;
}

/**
* 获取当前液位档位
*/
uint8_t LevelProbe_GetLevel(LevelProbe *lp) {
return lp->level;
}

/**
* 查询某根探针是否导通
*/
bool LevelProbe_IsWet(LevelProbe *lp, uint8_t idx) {
if (idx >= PROBE_COUNT) return false;
return lp->probe_state[idx];
}

main.c 使用示例：

#include "level_probe.h"

LevelProbe lp;
char buf[128];

int main(void) {
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_ADC1_Init();
MX_USART1_UART_Init();

// 初始化液位探针
LevelProbe_Init(&lp, &hadc1);

// 上电标定（假设此时容器为空）
printf("Calibrating dry baseline…\\r\\n");
LevelProbe_Calibrate(&lp);
printf("Calibration done.\\r\\n\\r\\n");

while (1) {
LevelProbe_Update(&lp);

sprintf(buf, "Level: %d/%d | States: ",
LevelProbe_GetLevel(&lp), PROBE_COUNT);

for (int i = 0; i < PROBE_COUNT; i++) {
sprintf(buf + strlen(buf), "%c ",
LevelProbe_IsWet(&lp, i) ? 'W' : 'D');
}
strcat(buf, "\\r\\n");

HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buf, strlen(buf), 100);
HAL_Delay(500);
}
}

八、交流激励：解决电解腐蚀的关键

8.1 直流检测的问题

如果你用前面说的直流方案给一根不锈钢探针通上 5V 直流，把它泡在自来水里，你会发现：

• 一周后：探针表面开始变暗
• 一个月后：探针表面有锈斑
• 三个月后：探针变细了，有些地方出现了凹坑

这就是直流电解腐蚀。直流电压下，探针和水之间形成了一个电解池——探针（阳极）的金属离子持续溶解到水中。

8.2 交流激励原理

解决办法是：不要一直通电。用短暂的正负交替脉冲来检测。

直流（会腐蚀）: 交流（不腐蚀）:
+5V ──────────────── +5V ─┐ ┌─
→ 电解 │ │
GND ──────────────── GND ─┘ └─
检测脉冲 (μs~ms 级)
正负交替，平均电压 = 0

交流激励的核心思想：

8.3 Arduino 交流激励实现

/**
* 交流激励式液位检测 – 防止电解腐蚀
*
* 每个检测周期：
* Phase 1: IO 输出高电平 → 短暂延时 → 读 ADC (V_high)
* Phase 2: IO 输出低电平 → 短暂延时 → 读 ADC (V_low)
* Phase 3: IO 设为高阻输入（断开，节省功耗）
*
* 导通判定：|V_high – V_low| > 阈值
*/

#define PROBE_COUNT 4
const uint8_t probePins[PROBE_COUNT] = {A0, A1, A2, A3};

// 干态差值基准
uint16_t dryDiff[PROBE_COUNT];
#define WET_THRESHOLD_DIFF 0.25f // 差值下降 25% → 导通

// 检测间隔（不需要一直检测，间歇采样即可）
#define SAMPLE_INTERVAL_MS 500 // 每 500ms 检测一次

void setup() {
Serial.begin(115200);
calibrateAC();
}

void loop() {
checkAllProbesAC();
delay(SAMPLE_INTERVAL_MS);
}

/**
* 交流检测单个探针
* 返回：正向和反向读数的差值
*/
uint16_t acReadProbe(uint8_t pin) {
uint16_t vHigh, vLow;

// Phase 1: 正向充电
// 内部上拉 + 数字输出高
pinMode(pin, OUTPUT);
digitalWrite(pin, HIGH);
delayMicroseconds(100); // 等待稳定（液体电容充电）
vHigh = analogRead(pin);

// Phase 2: 反向放电
digitalWrite(pin, LOW);
delayMicroseconds(100);
vLow = analogRead(pin);

// Phase 3: 断开（高阻态，停止电流）
pinMode(pin, INPUT);

// 返回差值
return (vHigh > vLow) ? (vHigh – vLow) : (vLow – vHigh);
}

/**
* 标定干态差值基准
*/
void calibrateAC() {
Serial.println("AC 标定中…（确保探针干燥）");
for (int i = 0; i < PROBE_COUNT; i++) {
uint32_t sum = 0;
for (int j = 0; j < 16; j++) {
sum += acReadProbe(probePins[i]);
delay(10);
}
dryDiff[i] = (uint16_t)(sum / 16);
Serial.print(" 探针 ");
Serial.print(i + 1);
Serial.print(": 干态差值 = ");
Serial.println(dryDiff[i]);
}
Serial.println("标定完成\\n");
}

/**
* 交流检测所有探针
*/
void checkAllProbesAC() {
Serial.print("液位: ");

int highestWet = 0;
for (int i = 0; i < PROBE_COUNT; i++) {
uint16_t diff = acReadProbe(probePins[i]);

// 差值相对下降（导通后差值变小，因为上拉/下拉能力被液体分流）
float drop = 1.0f – (float)diff / dryDiff[i];
bool wet = (drop > WET_THRESHOLD_DIFF);

if (wet) highestWet = i + 1;

Serial.print(wet ? "●" : "○");
}

Serial.print(" → 档位: ");
Serial.print(highestWet);
Serial.print("/");
Serial.println(PROBE_COUNT);
}

8.4 用 GPIO 推挽输出的纯数字交流方案

/**
* 极简交流激励 — 纯 GPIO，无需 ADC
*
* 原理：
* 两个相邻 GPIO 组成一对，交替推挽输出
* GPIO_A 输出高、GPIO_B 输出低时 → 正向电流
* GPIO_A 输出低、GPIO_B 输出高时 → 反向电流
* 检测电流大小 = 判断是否导通
*
* 此法不需要 ADC，用比较器或看 GPIO 上升时间即可
*/

void acDrivePair(uint8_t pinA, uint8_t pinB) {
// 正半周
pinMode(pinA, OUTPUT); digitalWrite(pinA, HIGH);
pinMode(pinB, OUTPUT); digitalWrite(pinB, LOW);
delayMicroseconds(50);

// 反半周
digitalWrite(pinA, LOW);
digitalWrite(pinB, HIGH);
delayMicroseconds(50);

// 断开
pinMode(pinA, INPUT);
pinMode(pinB, INPUT);
}

📌 量产建议：对于寿命要求 > 3 年的产品，强烈建议使用交流激励方案。直流方案在验证原型和短期项目中没问题，但长期运行必腐蚀。

九、故障诊断与自检

作为一个负责任的产品，不能只会在正常时读数，还要能在出问题时自己知道出问题了。

9.1 常见故障模式

9.2 自检代码

/**
* 探针自检系统
*/

typedef enum {
PROBE_OK = 0,
PROBE_OPEN, // 断线
PROBE_SHORT_GND, // 短路到地
PROBE_SHORT_VCC, // 短路到电源
PROBE_UNSTABLE // 读数不稳定（可能是接触不良或结垢）
} ProbeFault;

typedef struct {
ProbeFault fault;
float confidence; // 置信度 0.0~1.0
} ProbeDiagnosis;

ProbeDiagnosis diagnoseProbe(uint8_t pin, uint16_t dryBaseline) {
ProbeDiagnosis diag = {PROBE_OK, 1.0f};

// 连续采样，计算均值和方差
const int N = 32;
uint16_t samples[N];
uint32_t sum = 0;

for (int i = 0; i < N; i++) {
samples[i] = analogRead(pin);
sum += samples[i];
delay(5);
}

float mean = (float)sum / N;

// 计算方差
float variance = 0;
for (int i = 0; i < N; i++) {
variance += (samples[i] – mean) * (samples[i] – mean);
}
variance /= N;

// 判断
if (mean < 10) {
// ADC 读数接近 0 → 短路到 GND
diag.fault = PROBE_SHORT_GND;
diag.confidence = 0.95f;
} else if (mean > 4080) {
// ADC 读数接近 4095
// 如果干态基准也接近 4095 → 正常（确实干了）
// 如果干态基准正常但当前值接近 4095 → 可能短路到 VCC
if (dryBaseline < 3000) {
diag.fault = PROBE_SHORT_VCC;
diag.confidence = 0.90f;
}
} else if (mean < 200 && dryBaseline > 500) {
// 读数异常低（不是 GND 短路但比干态低太多）
diag.fault = PROBE_OPEN;
diag.confidence = 0.70f;
} else if (variance > 5000) {
// 读数波动大
diag.fault = PROBE_UNSTABLE;
diag.confidence = 0.60f;
}

return diag;
}

void printDiagnosis(ProbeDiagnosis diag, int probeNum) {
const char *faultNames[] = {"OK", "OPEN", "SHORT_GND", "SHORT_VCC", "UNSTABLE"};

Serial.print("探针 ");
Serial.print(probeNum);
Serial.print(": ");

if (diag.fault == PROBE_OK) {
Serial.println("✅ 正常");
} else {
Serial.print("⚠️ ");
Serial.print(faultNames[diag.fault]);
Serial.print(" (置信度: ");
Serial.print(diag.confidence * 100, 0);
Serial.println("%)");
}
}

十、项目实战：电热水器水位控制器

10.1 需求分析

10.2 探针设计

水箱高度 400mm，5 档 + 公共电极：

探针 1: 50mm — 空档（最低水位告警，禁止加热）
探针 2: 120mm — 低档（允许加热最低水位）
探针 3: 200mm — 中档
探针 4: 300mm — 高档
探针 5: 380mm — 满档（停止进水）
COM: 430mm — 公共电极（最长，始终浸到水）

探针材质: 316L 不锈钢棒，直径 3mm
密封: 双 O 型圈 + PTFE 法兰
工作温度: -20 ~ 105℃

10.3 原理图

┌──────────────────────────────────────────┐
│ MCU Board (STM32F103) │
│ │
220V AC ────┐ │ ┌─────────┐ ┌──────────┐ │
│ │ │ 3.3V LDO│ │ 继电器×2 │── 进水阀 │
├───┼───┤ AC-DC │ │ │── 加热管 │
│ │ │ 5V→3.3V│ └──────────┘ │
│ │ └─────────┘ │
│ │ │ │
│ │ ┌────┴────┐ │
┌──────┐ │ │ │ MCU │─── OLED (水位 + 温度) │
│探针1 │───────────┼───┤ ADC0~4│─── 蜂鸣器 │
│探针2 │───────────┼───┤ GPIO │─── 进水阀控制 │
│探针3 │───────────┼───┤ │─── 加热管控制 (互锁) │
│探针4 │───────────┼───┤ UART │─── 调试串口 │
│探针5 │───────────┼───┤ │ │
│ COM │───────────┼───┤ GND │ │
└──────┘ │ │ └─────────┘ │
│ └──────────────────────────────────────────┘
│
└── 漏电保护器 (必须！)

10.4 安全逻辑

┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ 安全控制逻辑 │
│ │
│ IF 液位 ≤ 空档 (探针1 干): │
│ → 强制关闭加热管（禁止干烧） │
│ → 打开进水阀 │
│ → 蜂鸣器告警 │
│ │
│ IF 空档 < 液位 < 满档: │
│ → 允许加热（有水了） │
│ → 进水阀状态由用户设定决定 │
│ │
│ IF 液位 ≥ 满档 (探针5 导通): │
│ → 强制关闭进水阀 │
│ → 蜂鸣器提示 │
│ → 加热可继续 │
│ │
│ 探针故障诊断: │
│ → 探针 1 和 2 同时异常 → 禁止加热 (保守策略) │
│ → 探针 5 异常 → 关闭进水阀 (保守策略) │
│ → 上报故障代码到上位机 │
└─────────────────────────────────────────────────────┘

10.5 核心控制代码

/**
* 电热水器水位控制器 – 完整逻辑
*/

// ==================== 状态定义 ====================
enum WaterLevel {
LEVEL_EMPTY = 0, // 空（所有探针干）
LEVEL_LOW = 1, // 低（仅探针 1 导通）
LEVEL_MID = 2, // 中（探针 1~2 导通）
LEVEL_HIGH = 3, // 高（探针 1~3 导通）
LEVEL_FULL = 4, // 满（探针 1~4 导通）
LEVEL_OVER = 5 // 溢出（探针 5 导通）
};

enum SystemState {
STATE_IDLE, // 待机
STATE_FILLING, // 正在进水
STATE_HEATING, // 正在加热（有水）
STATE_HEATING_FULL, // 正在加热（水满）
STATE_ALARM, // 告警（干烧风险）
STATE_FAULT // 故障
};

// ==================== 全局变量 ====================
SystemState sysState = STATE_IDLE;
WaterLevel waterLevel = LEVEL_EMPTY;
bool valveOpen = false;
bool heaterOn = false;
unsigned long lastStateChange = 0;

// ==================== 主控制循环 ====================
void controlLoop() {
// 1. 读取液位
waterLevel = readWaterLevel();

// 2. 诊断探针
bool probesOK = diagnoseAllProbes();

// 3. 安全逻辑
if (!probesOK) {
// 探针故障 → 安全状态
setHeater(false);
setValve(false);
sysState = STATE_FAULT;
return;
}

switch (waterLevel) {
case LEVEL_EMPTY:
// 无水 → 严禁加热
setHeater(false);
setValve(true); // 自动进水
sysState = STATE_FILLING;
break;

case LEVEL_LOW:
case LEVEL_MID:
// 有水 → 允许加热
sysState = STATE_HEATING;
// 进水阀取决于用户设定（手动/自动）
break;

case LEVEL_HIGH:
// 水量充足 → 加热 + 停进水
setValve(false);
sysState = STATE_HEATING;
break;

case LEVEL_FULL:
case LEVEL_OVER:
// 水满 → 停进水
setValve(false);
sysState = STATE_HEATING_FULL;
break;
}

// 4. 用户交互
updateDisplay();
handleAlarm();
}

十一、跟其他方案比一比

11.1 横向对比表（扩容版）

11.2 我选方案的真实决策过程

产品经理问你：“我们做个水箱液位检测，精度不需要太高，但要便宜可靠，你说怎么做？”

我的回答顺序是这样的：

1. 先问液体是什么？
├─ 自来水/饮用水 → 电阻探针方案，最直接
├─ 去离子水 → 不能用电阻式，换电容方案
├─ 油类/有机溶剂 → 同上，换电容或超声波
└─ 酸碱腐蚀液体 → 探针方案需选材（钛合金/石墨）

2. 再问需要连续量还是分档就行？
├─ 分档就够 (如 3~5 档) → 电阻探针，完美
└─ 需要连续量 (0~100% 任意值) → 电容或压力式

3. 问能不能开孔？
├─ 能开孔 → 电阻探针或压力式
└─ 不能开孔 → 电容外贴或超声波

4. 最后问预算？
├─ 极低 (< ￥5) → 电阻探针，没有比这更便宜的了
├─ 低 (￥5~20) → 电阻探针 或 电容外贴
└─ 中等 (￥20+) → 超声波 / 压力式

多数饮水机、热水器、加湿器、水处理设备的场景，答案都落在电阻探针上。

十二、量产中踩过的坑

坑一：探针间距太近导致"水桥"误判

现象：两根探针之间距离只有 3mm。液位下降后，探针之间挂着一滴水珠（表面张力），导致本来应该断开的两根探针依然导通——MCU 以为还有水，实际上已经没水了。

教训：

• 探针间距 至少 8mm 以上
• 探针末端做锥形尖头（减少挂水面积）
• 软件做去抖动——连续 N 次采样都干才判定为干

坑二：热水导致电导率变化

现象：同一个水箱，水温 20℃ 时液位判断正常，水温升到 80℃ 时探针全部导通了（读数偏低）。

原因：水的电导率随温度升高而增大。80℃ 自来水的电导率大约是 20℃ 时的 3~4 倍。

教训：

• 需要一个**温度传感器（NTC 或 DS18B20）**放在 COM 电极附近测液温
• 根据液温动态调整 WET_THRESHOLD：

float getThresholdForTemp(float tempC) {
// 温度越高，水电导率越高，导通电压降越大
// 因此阈值要相应调整
if (tempC < 30) return 0.30f;
if (tempC < 60) return 0.25f;
return 0.20f; // 高温时阈值降低（更容易判断为导通）
}

坑三：水垢是电阻探针的头号杀手

现象：硬水地区（北方为主），用了半年后探针表面结一层白色水垢。水垢是不导电的——明明探针泡在水里，但因为被水垢包裹，测出来是"干"的。

教训：

• 硬水地区用交流激励（交流能一定程度穿透薄水垢层）
• 探针表面做镜面抛光（光滑表面水垢附着力差）
• 设计中预留定期维护手段（探针可拆卸清洁）
• 或者干脆告诉客户：水质硬度 > 300mg/L 的建议选其他方案（如电容式）

坑四：公共电极不能接"真正的地"

现象：有人直接把 COM 电极接到电路板的 GND 上，省了一根 ADC 口。然后有一天，220V 漏电通过水路传过来，把整块板烧了。

教训：

• COM 电极通过一个 100kΩ 电阻接到 GND，不能直连
• 所有探针和 COM 对 GND 都要加 TVS 保护
• 交流供电设备必须有漏电保护器
• 直流低压设备（电池/USB 供电）风险小，但也不建议 COM 直连 GND

坑五：密封胶水的选择

现象：用普通 704 硅橡胶密封探针法兰，三个月后硅胶发白、变脆、漏水。

教训：

• 普通 704 硅橡胶在水中长期浸泡会水解
• 必须选用食品级 RTV 硅胶或氟橡胶 O 型圈
• O 型圈的寿命远高于胶水密封
• 不要为了省事用胶水。机械密封（O 型圈 + 法兰压紧）才是正道

十三、总结与金句

核心结论

这种方案的核心竞争力就三个字：简单、可靠。

没有复杂的模拟前端，没有 DSP 算法，没有温度补偿的烦恼（交流激励方案下），没有射频干扰的困扰。几根不锈钢棒、几个电阻、一个 ADC，就能做出寿命十年以上的工业级产品。

四条金句

① “最好的技术，是你敢把它放在客户家里十年不用管的那个。” 电阻探针方案就是这样的技术。

② “分档有时候比连续量更有用。” 工业控制里，“没水了”"水满了"两个信号比"水位 67.3%"有用得多。不要为了"连续"而牺牲可靠性。

③ “直流通电的探针就是一根牺牲阳极。” 不想让探针慢慢溶解在水里，就老老实实用交流激励。

④ “一个 O 型圈的成本 ￥0.5，密封失效的代价可能是整机报废。” 结构工艺是电阻式方案最容易翻车的地方，马虎不得。

技术要点速查

✅ 原理：水导电 → 探针+COM通过水导通 → ADC测电压下降 → 判断液位档位
✅ 探针材料：304不锈钢（通用）/ 316L（食品级）/ 钛合金（强腐蚀）
✅ 探针直径：家用 2mm / 工业 3~4mm
✅ 探针间距：≥ 8mm（防"水桥"误判）
✅ 密封方案：双 O 型圈 + 法兰压紧（优先于胶水）
✅ 电路配置：100kΩ 上拉 + TVS 保护 + 低通滤波电容
✅ 激励方式：交流激励（长寿命）/ 直流（短期验证）
✅ 判断方法：ADC 相对变化率 > 阈值（不用绝对值）
✅ 必须自检：断线/短路/不稳定诊断
✅ 安全设计：COM 不能直连 GND，需串电阻

适用场景清单

如果对你有帮助，欢迎点赞、收藏、转发。有问题评论区见，我会回复。🔧

发布于 CSDN | 技术交流欢迎私信