基于宏晶單片機的無線 遠程狀態(tài)監(jiān)控裝置設(shè)計

程晉然 郭世明

（西南交通大學電氣工程學院，成都 610031）

1 引言

在現(xiàn)代工業(yè)及民用領(lǐng)域中，單片機廣泛應(yīng)用于汽車電子，安防，電機控制，家電控制，工業(yè)測控，電動工具等場合。其中，選用合理的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計，往往能以較低的成本，極低的功耗，搭建可靠的單片機系統(tǒng)，實現(xiàn)需要的功能。

2 設(shè)計背景

本文介紹了某磷礦供水系統(tǒng)無線監(jiān)控裝置的設(shè)計思路與設(shè)計過程。該磷礦在山區(qū)，儲水池位于山頂，容量約3000m3，向廠區(qū)提供生產(chǎn)用水及生活區(qū)用水。水源地和水泵房位于山腰平緩地帶，儲水池與水泵房直線距離約450m，高差約120m。為了正常供水，必須保證水池水位高于出水口、低于水池上限。該水池曾經(jīng)進行過自動化改造，采用電纜傳回水位信號，控制水泵房水泵自動運行與停止。但該方案多次由于礦山周邊閑雜人員盜割電纜，鼠害損毀電纜等原因造成停水或溢水，嚴重的時候甚至造成生產(chǎn)區(qū)停工，后改為人工值守。但人工值守需24h值班，工作環(huán)境差，人力成本高。經(jīng)過建議，礦山方面同意試用遠程無線監(jiān)控裝置對供水系統(tǒng)進行自動化改造，但要求裝置具有低成本高可靠性的特點。

3 方案設(shè)計

儲水池取消人工值守后，水池處無電力供應(yīng)，水池水位監(jiān)控及無線傳輸裝置全部需要電池提供電源，設(shè)計采用3節(jié)AA堿性電池供電，設(shè)計電池使用壽命一年。單片機采用筆者一貫采用并且已經(jīng)比較熟悉的51系列單片機，出于抗干擾及低成本的考慮，選用宏晶公司生產(chǎn)的STC11L04E單片機，該單片機具有4K Flash程序存儲器，256字節(jié)SRAM，1K EEPROM，具有掉電外部中斷喚醒與低電壓復(fù)位，最高時鐘頻率35MHz。無線通信部分采用飛思卡爾無線串口模塊以降低開發(fā)成本及提高可靠性。水池水位變化相對于單片機處理速度是一極緩慢變化過程，因此采用定期檢測水位發(fā)送信息的間斷工作模式。

3.1 硬件原理

電路原理見圖1。單片機工作于斷續(xù)狀態(tài)，工作周期可用兩位 8421編碼的撥碼盤設(shè)置為1～99min。為了實現(xiàn)低功耗，非檢測期間單片機必須工作于掉電狀態(tài)，而為了實現(xiàn)定時檢測水位，裝置必須進行計時。為了實現(xiàn)單片機掉電期間的計時及定時喚醒，加入一低能耗的PCF8563時鐘芯片。單片機進入掉電前對PCF8563進行定時設(shè)置，隨后進入掉電狀態(tài)。設(shè)定時間到后，由PCF8563喚醒單片機繼續(xù)下一個檢測周期。

圖1 水位監(jiān)測裝置電原理圖

為了提高可靠性，同時也為了降低成本，采用電極式水位傳感器，僅需要兩根線頭裸露的電線即可實現(xiàn)水位監(jiān)測，無機械活動部件，對水質(zhì)適應(yīng)性好，成本低可靠性高。水位傳感器信號放大整形部分應(yīng)用電源管理，僅檢測瞬間供電，降低裝置功耗。8563與單片機之間通過I2C總線進行數(shù)據(jù)通信。I2C總線需要加上拉電阻，有文章指出為了避免電流損耗，進行低功耗設(shè)計時I2C上拉電阻需要加電源管理，但筆者經(jīng)過分析與實踐證實，單片機IO口設(shè)置為開漏輸出狀態(tài)時，該上拉電阻不會在非工作期間造成電流損耗。為減少幅面，水位傳感器僅畫出其中一個，實際共兩個，上限與下限水位傳感器各一個。

3.2 軟件設(shè)計

普通8051單片機進入掉電模式后，只能由外部復(fù)位喚醒單片機，復(fù)位后程序從起始位置開始執(zhí)行，而宏晶STC11系列單片機提供5個外部引腳，可設(shè)置其下降沿喚醒單片機。該裝置在每個檢測周期開始時，由PCF8563喚醒單片機，繼續(xù)執(zhí)行掉電指令的下一條指令后，轉(zhuǎn)入執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，一個典型的檢測周期如圖2所示。由于STC11系列單片機沒有I2C接口，因此需要用兩個引腳通過軟件模擬I2C總線。

圖2 軟件流程圖

檢測到當前狀態(tài)后，單片機對數(shù)據(jù)添加校驗值并封包，生成完整的報文，通過無線模塊發(fā)送到水泵房。為了以后便于擴展，筆者自定義了以下的報文格式。其中數(shù)據(jù)字節(jié)可以擴充，其數(shù)量由第四個字節(jié)決定，最大不超過255字節(jié)，當前使用的監(jiān)控裝置默認數(shù)據(jù)長度為1個字節(jié)。

表1 無線數(shù)據(jù)報格式

3.3 無線通信方案

無線模塊采用飛思卡爾串口通信模塊。最大發(fā)射功率27dBm，調(diào)制方式為FSK，工作頻率選擇為433MHz，接收靈敏度-114dBm，該模塊發(fā)射功率及頻段滿足國家無線電管制要求，可以免執(zhí)照運行。同時，由于礦山地處偏僻地區(qū)，且傳輸距離較近，受到其他業(yè)余無線電臺干擾的可能性非常小，即使受到干擾，接收方報文校驗失敗，可以及時向水泵房值班人員報警避免造成損失，因此，采用該模塊可以滿足裝置的設(shè)計要求。該模塊支持波特率由1.2kbps至38.4kbps共6種速率，但根據(jù)筆者以往的經(jīng)驗，降低波特率可以提高模塊的接收靈敏度，因此實際使用的波特率為2.4kbps。

3.4 功耗評估

每個檢測周期喚醒后，單片機等待32768個時鐘周期以使時鐘穩(wěn)定振蕩，隨后對無線模塊和水位傳感器上電，延時100ms后讀傳感器信息，隨后關(guān)閉傳感器電源，數(shù)據(jù)封包后發(fā)送到無線模塊，當前使用的數(shù)據(jù)報長度為7個字節(jié)，以2400bps的速率發(fā)送，大約需要30ms，但為了讓無線模塊有充分的時間發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機發(fā)送數(shù)據(jù)后延時100ms關(guān)閉無線模塊電源，設(shè)置PCF8563喚醒倒計時后單片機隨即進入掉電狀態(tài)。以毫安·秒為單位對每個檢測周期耗電量進行計算，當裝置檢測周期設(shè)置為10min時，每周期耗電量大約為17mA·s，年耗電量小于250mA·h。以電池容量1000mA·h估算，扣除電池自放電及其他損耗，可以滿足裝置工作一年的設(shè)計要求。相關(guān)器件的功耗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 器件功耗數(shù)據(jù)

4 接收裝置簡介

接收裝置位于水泵房，接收儲水池裝置發(fā)來的信息，分析處理后控制相應(yīng)的輸出，并將當前狀態(tài)進行顯示。接收裝置在規(guī)定時間內(nèi)接收不到校驗正確的報文，則判斷為通信中斷或設(shè)備故障，并通過聲光報警提醒水泵房值班人員，避免造成其他損失。接收裝置位于水泵房，有充足的電力供應(yīng)，處于持續(xù)工作狀態(tài)，因此硬件設(shè)計比較簡單，不再贅述。接收裝置內(nèi)部電路板實物如圖3所示。

圖3 接收裝置電路板實物圖

5 結(jié)論

該裝置于2010年5月在使用現(xiàn)場進行測試。

對于無線通信，當通信距離達到2000m時，裝置依然可以正常進行數(shù)據(jù)收發(fā)，當距離達到2500m時，數(shù)據(jù)丟包率開始增大。因此，在450m的實際使用環(huán)境中，認為無線模塊具有充足的的發(fā)射功率與接收靈敏度。

裝置安裝就位后，進行了兩個月的不間斷測試，測試期間沒有觀察到裝置出現(xiàn)誤動作或不動作的情況。對數(shù)據(jù)包的校驗和記錄表明，測試過程中，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)包校驗失敗或數(shù)據(jù)包丟失的情況。單片機工作可靠，沒有出現(xiàn)死機、程序跑飛、無法喚醒等故障。在經(jīng)歷兩個月測試后，向設(shè)備供電的3節(jié)堿性電池測量電壓仍然有4.65V，預(yù)計可以滿足一年的供電需求。

裝置選用的STC11L04E單片機，零售價格僅數(shù)元，加上其他外圍器件，總材料費用仍然十分低廉。

綜上所述，初步認為裝置功能與性能滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)了低功耗、低成本的遠程狀態(tài)監(jiān)控。

[1] 李正軍.現(xiàn)場總線及其運用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.1.

[2] 顧海洲，馬雙武.PCB電磁兼容技術(shù)——設(shè)計實踐[M].北京：清華大學出版社,2009.

[3] 王幸之.單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M].北京：航空航天大學出版社,2000.

[4] 張培仁等.基于C語言MSC-51單片機原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社,2003.

[5] 尹勇，李宇.μVision2單片機應(yīng)用程序開發(fā)指南[M].北京：科學出版社,2005.