基于單片機的水位、閘門測控系統

賀鋒

（韶山灌區工程管理局 湘潭市 411401）

1 概 述

韶山灌區是以灌溉為主、兼顧發電和城鎮工礦供水等綜合效益的大型水利工程，灌溉3市7縣（市、區）。灌區水位觀測點和閘門多，且大多建立在偏僻地方。汛期，雷雨比較頻繁，入渠道水多，管理員到現場觀測水位和開關閘門，不僅難做到實時掌握水位變化情況，并及時開關閘門調節渠道水位，確保渠道安全，而且大雷和狂風對管理員的生命安全也構成了威脅。因此了解渠道實時水位和閘位值，確保渠道安全運行，改善管理員的工作環境，減輕工作強度，提高反映速度，成為灌區的重要工作之一。

現以右干渠進口水位、閘門測控系統為例，對基于單片機的水位、閘門測控系統進行探討。

2 系統功能和結構

右干渠進口水位、閘門測控系統是集散式控制系統（SDCS），由兩臺8031單片機組成，分別對水位、閘位實時采集并對閘門遠程控制，采樣數據通過485傳輸到中央控制室的微機。為了方便用戶維修測控系統和現場操作閘門，水位、閘位數據可以在現場通過LED顯示屏顯示。管理員在中央控制室輸入右干閘位數據，PC機將數據傳輸到控制閘門的8031單片機上，8031再將傳輸來的數據與采樣的閘位數據比較，當傳輸值大于采樣值時，開閘；當傳輸值小于采樣值時，關閘，直到傳輸值等于采樣值時，閘門才停止動作。系統結構如圖1所示。

圖1 右干渠進口水位、閘門測控系統結構

3 系統硬件

系統硬件由水位測量電路、閘門測控電路和閘門電氣回路三部分組成。

3.1 水位測量電路

水位測量電路由主機、水位數據采集、顯示和通訊四部分組成。

主機由單片機8031和4KB的程序存儲器2732構成。8031的時鐘頻率fosc為11.0592MHz。由于系統數據計算簡單，8031提供的80個字節的一般RAM區足以滿足要求，因此系統不接片外RAM了。

水位數據采集部分由水位傳感器、16選1數據選擇器74150構成。下大到暴雨時，水位變化不特別快，水位數據采集頻率為4Hz，可以滿足要求。傳感器為浮子式循環碼盤數字傳感器，輸出12路+5V電平；采用格雷碼編碼；在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼，電源切斷后位置信息不會丟失；抗干擾能力強，沒用累積誤差，沒有電量的轉換誤差，具有較高的穩定性和可靠性，其特性為：分辨力1cm，量程（0～9.99）m，綜合誤差1cm+0.0012cm/M℃。

通訊部分由MAX485E芯片和光電耦合器TⅠL117構成。MAX485具有ESD（靜電放電）保護功能，其主要特征為：半雙工通信方式，波特率可高達2.5Mbps，±15kV靜電放電保護，通信總線可掛接32個收發器。由于工程環境比較復雜，現場常有各種形式的干擾源，為了保護485收發器，在485總線的傳輸端采用穩壓管D1、D2組成吸收回路。考慮到線路的特殊情況（如某1臺分機的485芯片被擊穿短路），在485信號輸出端串聯兩個20Ω的電阻R10、R11，本機的硬件故障不會使整個總線的通信受到影響。在RS-485網絡傳輸線的始端和末端接1只120Ω匹配電阻R8，以減少線路上傳輸信號的反射。為了使8031單片機不會被誤中斷而收到亂字符，在485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻R7、R9（見圖2），使RXD的電平在485總線不發送期間（總線懸浮時）呈現唯一的高電平。系統中單片機工作在野外，受高溫、雷擊等天氣的影響而出現異常情況，如死機，造成485總是處于發送狀態，占用通信總線，從而使整個系統通信崩潰。因此在485的DE端接電阻R6后再接入地。當8031復位時，Ⅰ/O口輸出高電平，使485的DE端電位總為“0”。

圖2 通訊電路圖

3.2 閘門測控電路

閘位測控電路由主機、閘位數據采集、人機接口、通訊和控制五部分組成。

右干進水閘采用絲桿式啟閉機啟動，閘門上升和下降都緩慢，閘位數據采集頻率設為4Hz可以滿足要求。傳感器為齒輪式循環碼盤數字傳感器。

控制部分由三態輸出的四總線緩沖門74LS125和交流固態繼電器LRSSR1-5A構成。采用74LS125是為了保證交流固態繼電器有足夠的輸入電壓，使繼電器可靠地工作，同時也防止8031誤發信號引起閘門誤動作。LRSSR1-5A起著弱電控制強電的作用，電氣參數為：輸入電壓（3～32）VDC，輸入電流＜15mA，接通電流5mA，工作電壓380VAC，工作電流5A，絕緣電壓≥2500VAC。

3.3 閘門電氣回路

當閘位測控系統出現故障不能自動啟動閘門時，管理員可以在中央控制室或現場手動控制閘門的開關。閘門電氣控制分為現場手動控制、控制室手動控制和計算機自動控制控制方式，由位于中央控制室的轉換開關SA決定。

4 系統軟件

系統的軟件設計均采用模塊化設計方法，使程序結構清晰，便于今后進一步擴展、修改系統的功能。系統軟件分為水位測量軟件和閘門測控軟件。

4.1 水位測量軟件

水位測量軟件由以下模塊構成：主程序、水位數據采集子程序、格雷碼轉BCD碼子程序、顯示子程序和通訊子程序。

主程序主要完成系統初始化。流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

系統中，微機與8031以中斷方式進行主從式串行異步通信，其中8031的串行口定義為方式3，11位異步收發，即起始位1位（0）、數據8位（低位在前）、1位可編程位（第9數據位）和1位停止位（1），波特率為19.2k。

4.2 閘門測控軟件

閘位測控軟件由以下模塊構成：主程序、閘位數據采集子程序、格雷碼轉BCD碼子程序、顯示子程序、鍵盤中斷子程序、通訊子程序和閘門控制子程序。

為了防止出現閘門因電氣、機械等故障而未啟動或傳感器與閘門沒齒合好等現象發生，使程序總是執行開閘或關閘指令，進入死循環，從而造成閘門開關事故。因此在閘門控制子程序中設置了2秒內采樣值有無變化的判斷，當采樣值無變化時，說明閘門沒有啟動或傳感器與閘門沒齒合好等故障，標志位7FH設置為1，用于報警。程序流程圖如圖4所示。

圖4 閘門控制流程圖

5 結 語

基于單片機的水位、閘門測控系統建成后，能穩定地運行在野外。工作人員在控制室內能看到實時水位、閘位數據，并能可靠地控制閘門。系統不僅經濟實用、操作簡單、維護方便，而且它的建成改善了工作環境，減輕了勞動強度，提高了調度人員對水位的響應速度。

1 胡漢才.單片機原理及其接口技術［M］.北京：清華大學出版社，1996.

2 王錦標，方崇智.過程計算機控制［M］.北京：清華大學出版社，1996.

3 王福瑞，等.單片微機測控系統設計大全［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1998.