基于PIC單片機的多參數水質在線監測系統

潘春麗，蒙建波，吳 杉，劉一兵，張 能，汪 明，王設計

(1.重慶大學 自動化學院，重慶400044;2.重慶工業自動化儀表研究所，重慶401123)

0 引言

目前，我國主要的水質監測系統采用現場數據采集——實驗室分析的方法、采用有線電話撥號通信、無線MODEM通信以及SMS短消息通信的自動監測系統［1］。但這些方法存在水質采樣不足、缺乏自動測報能力、水質監測信息處理時效性差、沒有對突發性污染事故的預警能力等問題，而且有線電話撥號系統受自然條件限制，無線MODEM系統網路覆蓋范圍有限，數據傳輸慢，SMS短消息系統運行成本高，不能實現真正實時監測數據和傳輸［2］。因此，針對中國廣大村鎮供水水廠現狀，為中國農村飲水安全目標的實現需要設計出一種解決方案，能有效、可靠地對水質實時監測已成為一個必須解決的問題。

有線通信受固定位置限制，根據業務需要隨時需要增減數據傳輸點，極大地拓展了通信的領域，而中國移動的通用分組無線業務(GPRS)網絡覆蓋面廣，可全國漫游而不增加額外費用，特別適合中小用戶以低成本方式在短時間內組建自己的跨區域性數據網絡;另外，GPRS比較適用于頻繁傳送小數據量的場合和偏遠地區，架設通信線路困難的地方。鑒于以上情況，水質監測環境比較復雜，而水利部門又希望實時得到管轄供水站點的水質信息，以便加強對水質的監控力度，預防水質惡化。因此，可利用GPRS技術來解決地理位置受限的問題。

為此，設計了基于PIC18F6722單片機與GPRS的水質自動實時監測系統的方案。該系統利用單片機為核心對水質進行采樣，并借助現有的移動通信網絡技術GPRS對分散的水廠水質實現實時遠程監測，具有不受地理環境、氣候等因素限制，監測范圍廣，實時性好，運行成本低等優勢，應用前景廣闊。

1 系統組成

多參數水質實時在線監測系統的總體架構如圖1所示，多參數的多個監測點，通過GPRS技術，構成多參數水質在線監測系統。每個監測點的上位機與監測儀及信號板之間的數據傳輸用RS—485總線進行，且實現多參數的采樣。上位機的數據通過GPRS技術與監控中心進行傳輸，組成了多點采集、統一監測的自動化遠程多參數水質實時在線監測系統。

圖1 系統架構圖Fig 1 Block diagram of system structure

位于現場的監測儀由PIC18F6722單片機、EEROM模塊、內部時鐘電路、通信系統、報警電路、LCD顯示器等元件構成。監測儀終端數據采集框架圖如圖2所示。

圖2 數據采集終端總體框架圖Fig 2 Overall frame work of data acquisition terminal

監測儀將多種傳感器置于水中，一體化智能傳感器、水壓、水位傳感器輸出標準的模擬信號，經A/D轉換器轉換后，直接送往PIC18F6722單片機進行數據處理。監測儀具有Modbus現場總線和GPRS遠程通信功能，通信接口電路定期把信號傳到控制室中。此外，如果水環境的參數超標，報警電路便會發出聲光警報告知工作人員，并在LCD顯示器上具體參數超限的報警標志圖片。PIC18F6722單片機自帶看門狗功能，在運行程序的時候看門狗便發揮巨大的作用，它可以有效地防止程序的“跑飛”，并通過復位等措施使之返回正常的程序流程，使系統正常工作保證連續監測。

2 系統硬件設計

2.1 主機選型

本設計選用單片機是美國Microchip公司的PIC18F6722單片機，PIC18系列單片機是高性能CMOS集成了模數轉換器的全靜態MCU系列它采用先進的精簡指令集RISC(reduced instruction set computing)架構支持Flash和一次性編程器件PIC18系列具有增強型內核32級堆棧和多種內部和外部中斷源哈佛結構，使得16位指令總線與8位數據總線完全分離兩級流水線，使得除跳轉指令外其余指令都是在一個周期內執行。內置有128 k字節可串行下載Flash存儲器，3936字節片內RAM，7個8位的雙向可尋址I/O口，1024個字節的EEROM，2個全雙工UART的串行接口，4個16位的定時器/計數器，多個優先級的嵌套中斷結構，以及一個片內振蕩器和時鐘電路［3］。本系統中利用了PIC18F6722既可永久保存實時監控中的各種信息，也可方便地反復進行系統實驗，每次實驗可以編入不同的程序，以此保證用戶的系統設計達到最優，而且隨用戶的需要和發展還可以進行修改，使系統能不斷符合用戶的最新要求。

2.2 傳感器的選型

設計中的水質在線監測系統，需要對幾個有代表性參量進行監測，一些常用的傳感器大多數不適用于水下的信號提取，即使有這樣的傳感器也必須對其進行密閉封裝，成本大大提高［4］。因此，本系統設計了一體化智能傳感器，具有獨特的流通池，把余氯、濁度、溫度等傳感器巧妙地結合在一起;它的精度可靠性都能滿足村鎮水廠的需求，而價格相對較低。

系統中所選用的水位傳感器型號為CYB500液位傳感器，它自帶的敏感芯片輸出的電信號與作用在芯片上的液深壓力有著良好的線性關系，可以實現對液深的準確測量，具有體積小、精度高等特點。水壓傳感器選用HDP503水壓傳感器，采用不銹鋼整體構件，進口彈性體原件，高精度應變計及先進的貼片工藝，具有高靈敏度、穩定的性能、良好的抗沖擊能力。

2.3 通信電路設計

2.3.1 GPRS通信單元

系統中GPRS模塊采用CM3160P GPRS DTU模塊，采用移動 GPRS網絡，串口/RS—232接口，工業級設計，實現TCP/UDP透明數據傳輸;內置TCP/UDP透明數據傳輸;支持多種工作模式;智能防掉線，支持在線檢測，在線維持，掉線自動重撥，確保設備永遠在線，是一種性能比較穩定的工業級GPRS模塊。

2.3.2 RS—485 通信

系統中采用了RS—485半雙工異步通信總線，是EIA(美國電子工業聯合會)在1983年公布的新的平衡傳輸標準，具有抑制共模干擾、抑制線路噪聲的能力，加上接收器具有高靈敏度，能檢測低達200 mV的電壓，數據傳輸可達千米之外［5］。RS—485總線接口適合于多站互連，一個發送驅動器最多可連接32個負載設備，它以其高速遠距離傳送和多站互聯方便等優點被廣泛應用于水質監測綜合自動化系統的串行通信中。本裝置的 RS—485通信接口由PIC18F6722單片機、RSM系列隔離RSM485CT收發器組成，通信電路如圖3所示。

圖3 通信電路圖Fig 3 Circuit of communication

3 系統軟件設計

水質在線監測系統的軟件設計，主要考慮軟件的靈活性，實現程序的模塊，為其他的產品的設計提供了方便。軟件設計主要包括系統主程序、數據處理程序、鍵盤以及LCD顯示子程序，報警子程序，通信程序，EEROM數據及設備相關信息存儲程序等。

主程序開始后，先對單片機PIC18F6722核心芯片以及CS5524數模轉換芯片進行初始化設置，例如:開中斷，寄存器初始化等，再進行數據采集并進行數模轉換，在采樣過程中采用中斷優先的原則，如果發生中斷進入中斷程序，沒有中斷發生，則循環重復采樣。一旦發生中斷，關閉RS—485接收功能，以防在對接收到的數據進行解析的時候受到其他中斷的干擾。如果解析正確，則根據應用協議要求發送數據，解析有誤，則重新啟動AD采樣，繼續采集數據。系統主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統主程序流程圖Fig 4 Flow chart of system main program

中斷程序子程序主要包括RS—485串口發送和接收，及對接收到的數據進行解析。中斷程序流程圖如圖5所示。當系統中斷標志位置1，表明發生中斷，為了防止數據解析錯誤，關閉中斷，從RS—485總線接收數據，依次對接收到的數據進行解析，包括設備特征解析，CRC校驗，內部地址，命令異常，數據個數等進行解析。

圖5 中斷子程序流程圖Fig 5 Flow chart of interruption subprogram

4 系統性能測試與分析

監控中心子系統軟件主要包括GPRS數據接收/發送、數據庫、報表、曲線圖、數據導出等功能。監控中心保持連接在專網上，接收各水質采集子系統發回的數據，根據特定的規約解析數據包。所解析數據指導監控系統進行水質數據的分析處理以及根據水質變化情況適時啟動緊急預案、發出預警信息。數據庫功能用以保存和管理各個水質監測點的監測數據。

為測試系統的綜合性能，在重慶幾個水廠對該系統進行實驗運行。系統對水廠中水質進行數據采樣、傳輸、分析處理。在系統測試時，考慮到可能影響系統傳輸性能的各方面因素，針對不同時間段、數據長度及監測點數量，進行了數據傳輸記錄實驗和性能分析。監控中心子系統某一時刻監測數據如表1所示。

表1 監控中心系統監測數據Tab l Monitoring data of monitoring center

5 結束語

本文所設計的水質監測系統是一個對農村村鎮水廠的在線實時監測系統，性能測試表明:該系統可實現對水質參數的監測與報警，準確性、精度、安全性都能滿足村鎮水廠的需求，且應用方便。一體化多參數水質在線監測系統還可根據用戶需求隨時更改程序，可優化系統性能，具有廣泛的應用前景。

［1］蔣建虎，張振江.基于GPRS和GPS的移動水質監測系統設計［J］.自動化技術與應用，2006，25(8):66-68.

［2］萬眾華，武云志.水質監測技術的應用解決方案［J］.水資源管理，2004(1):32-33.

［3］劉向宇，秦 龍.PIC單片機C語言程序設計實例精粹［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［4］秦明宏，荻山正生，木村豐.PIC單片機基礎與傳感器應用［M］.北京:科學出版社，2010.

［5］錢顯毅，唐興國.傳感器原理與檢測技術［M］.北京:機械工業出版社，1994.