基于單片機控制的水位遠程監控系統

摘要：針對目前農業灌溉中水位無法精確測量以及監控不及時的問題，開發設計了基于AT89S51單片機控制的水位遠程監控系統。從下位機系統和上位機系統組成到各功能模塊選型及功能進行了詳細的介紹。該系統不僅能夠精確地檢測水位的數值，還可以利用485總線進行上位機和下位機的通信，實現了水位的實時檢測、記錄和監控。

關鍵詞：單片機 水位 檢測 監控 485總線

0 引言

在農業生產中，農業灌溉用水占到全國總用水量的一半以上，實施節水灌溉在水資源合理開發、高效利用中占有舉足輕重的地位。而在這其中，對水位的檢測和遠程監控是推廣節水灌溉政策中一項基礎而又關鍵的技術。本文介紹利用AT89S51單片機、ADC0809模數轉換芯片、AT24C系列存儲芯片以及485總線等器件組成一個遠程監控系統，監控灌溉水渠中水位變化情況，并能記錄存儲。整個系統由下位機系統和上位機系統組成，下位機系統是一個基于單片機控制的水位監測系統，分布在需要監測水位的采集點，負責采集水位信息并轉換為數字量進行處理；上位機系統也是單片機控制系統，主要負責通過485總線收集各個采集點的數據并顯示、存儲及控制。

1 設計思路及設計流程

由于整個系統是由下位機系統和上位機系統組成，分別完成不同的功能，因此在設計時要分別設計。

1.1 下位機系統總體設計

1.2 上位機系統總體設計

根據上位機系統的功能，上位機可分為單片機模塊，按鍵模塊，通信模塊，顯示模塊和存儲模塊。單片機模塊中仍然采用AT89S51單片機作為控制核心，負責上位機的通信、顯示及存儲等功能；按鍵模塊主要實現切換定點顯示和循環顯示，只需一個按鍵，采用獨立按鍵方式；通信模塊用于從下位機上傳信息，采用485總線通信；存儲模塊用來存儲采集來的數據信息，由于單片機內部存儲空間有限，所以采用串行存儲器AT24C256。上位機系統模塊圖如圖2所示。

2 硬件電路設計

通過對整個系統的分析，選擇合適的芯片進行電路設計，由于本系統中主要芯片是存儲芯片AT24C256和模數轉換芯片ADC0809，在下文中進行對其原理及電路設計重點講解，其他電路例如AT89S51單片機電路，數碼管電路及驅動芯片，按鍵電路等可以參考常見教材里的內容，此文不再贅述。

2.1 存儲模塊

由于上位機需要存儲采集來的水位值，并且要求斷電后數據能保存，因此采用非易失性串行存儲器。AT24C256串行EEPROM是Atmel公司推出的低功耗CMOS存儲器，具有工作電壓寬、擦寫次數多、寫入速度快等特點，其容量為256kb，內存組織形式為32768×8，頁寫入方式64B，使用I2C總線協議，100000編程擦寫周期，可保存數據100年，8腳PDIP、SOIC封裝。本系統采用8腳PDIP封裝，其引腳圖如圖3所示。

硬件連接時，A0、A1與地相連，NC與WP懸空，SCL與SDA分別與單片機上的兩個IO引腳相連，通過程序模擬I2C總線協議。

2.2 水位采集模塊

下位機的水位采集裝置使用密封的塑料管，內部均勻的放置10個干簧管，間隔5cm，每個干簧管與一個電阻串聯，阻值分別是100Ω到1KΩ，不同干簧管導通，產生的阻值不同。塑料管外部套一個浮子，浮子上安裝一個條形磁鐵，磁鐵長度為6cm，當水位上升或下降時，浮子上的磁鐵也跟著上下移動，使得不同位置的干簧管閉合或斷開，這樣塑料管內部對外輸出的電阻阻值也就發生變化，兩端連上電源就會得到相對應的電壓值，通過測量電壓值，就可得到浮子的位置即水位。

水位采集裝置得到的電壓值需要經過模數轉換芯片轉換成數字量，本設計采用市場上常見的ADC0809芯片將模擬量轉換成數字量。ADC0809是8位八通道逐次逼近式A/D轉換器，主要由輸入通道，逐次逼近式A/D轉換器和三態輸出鎖存器組成。在硬件上將采集到的電壓輸入某一個通道，通過程序打開此通道將模擬量進行輸入采集，之后通過查詢方式查詢轉換是否完成，最后通過數據輸出線將數據讀走。

3 軟件程序設計

軟件設計也分為下位機軟件設計和上位機軟件設計兩部分。為了保證它們之間數據傳輸的準確性，采用以下的通信協議：主機讀取數據時，先發送讀命令，指定的從機向主機返回數據，若規定時間內，主機未收到或收到的數據有誤，則重發讀命令。下位機程序主要包括：水位采集子程序，顯示子程序，數據傳輸子程序和最后集成的主程序。上位機程序主要包括：顯示子程序，按鍵子程序，數據傳輸子程序，存儲子程序和最后集成的主程序。

4 結束語

本設計詳細介紹了基于AT89S51單片機、ADC0809模數轉換器和AT24C256串口存儲芯片開發的一個水渠水位遠程監控系統，可以在農業灌溉中推廣使用。此系統具有擴展性強，遠距離數據傳輸穩定，費用低廉，覆蓋范圍廣等優點，如果和無線傳輸技術相結合，更可以大大節約施工成本。另外，此系統的設計對遠程監控其它物理量具有指導性意義。

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作者簡介：劉瑞濤（1979-），男，河北石家莊人，實訓室主任，講師，主要從事微控制技術應用。