遠程液位監控系統設計

朱常榮,呂 寧,詹躍東

(1.昆明理工大學信息工程與自動化學院,云南 昆明 650504; 2.昆明理工大學計算中心,云南 昆明 650504;3.昆明理工大學信息工程與自動化學院,云南 昆明 650504)

0 引言

隨著計算機技術的飛速發展，單片機(single chip microcomputer；SCM)已廣泛應用于智能儀表、工業控制、家用電器、電子玩具等各個領域[1]。許多工業控制系統、自然科學研究都需要監測水位。比如海洋環境的監測，它是獲取長期、連續的海洋環境資料的唯一途徑。沿海工程、港口建設、交通運輸、海洋生物資源開發、海洋環境監測、濕地保護及近岸海洋開發為海洋研究、評估和運營提供了參考。

工業控制系統對水位的監測要求也很高。它可以在正常運行和啟停過程中快速計算出機組的有效數據，并可以在顯示器上顯示當前水位值。單片機控制模塊可以快速計算出機組在正常運行和啟停過程中的有用數據，并能在顯示器上顯示運行的水位值。在生產領域中，實現水位自動檢測和控制是工業過程控制的一項關鍵技術，對于提高工業過程控制的自動化水平有著重要的意義。在生活領域，供水方式過去是由人力控制的，容易造成水資源的浪費。如今人們越來越關注水資源問題。目前，水位控制系統應用廣泛。水位控制可以有多種實現方法，如機械控制、邏輯電路控制、機電控制、傳感器控制等。本文使用的是邏輯電路控制方法。

1 系統硬件設計

1.1 遠程液位監控系統總體方案設計

本設計通過單片機和無線發射模塊來實現水箱液位無線監控[2]。該系統主要由單片機的最小系統電路、水位檢測電路、水位顯示電路、水泵驅動電路和軟件設計組成。運用上位機軟件界面控制下位機進水，時刻監視水位狀態，保持水位處在健康狀態。當水箱里的水位下降時，通過該程序，顯示器可以實時顯示水箱中的水位值。水位傳感器采集來的水位信號經過下位機處理后，經由無線模塊將水位信號傳輸給與上位機通信的下位機；通過串口通信的方式，水位傳感器將采集到的液位信息經下位機處理之后發送給上位機；上位機接收到數據后根據接收到的數據進行分析判斷，以確定當前液位是否達到液位閥值。當達到水位最高值時，蜂鳴器報警一聲，同時停止水泵進水；當達到液位最低值時，蜂鳴器報警兩聲，同時控制水泵進水。系統還增加了無線通信模塊，實現了數據的無線通信。這樣不但可以做到遠程傳輸數位信號，而且避免了連接導線帶來的不便。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

1.2 液位遠程監控系統硬件電路設計

1.2.1 單片機的設計

本設計使用STC12C5A60S2單片機。它是新一代8051單片機[3]，具有高速/低功耗和超強抗干擾能力。速度是同一外部晶體振蕩器下8051單片機的8～12倍。因此，本文設計選擇使用速度更快的STC12C5A60S2單片機。

1.2.2 無線發射模塊

本單元由單片機運算單元、水位信號采集模塊和無線發射模塊組成。無線發射模塊安放在遠處的水箱上。其主要作用是檢測當前液位，將采集來的數據交由下位機主控制單元進行處理后發送給接收部分。

1.2.3 無線接收模塊

本單元由單片機運算單元、LCD顯示模塊、LED指示燈模塊、繼電器控制模塊、報警模塊、MAX232和無線接收模塊組成。該單元的主要任務是接收發射模塊發送的水箱的水位信息，然后將水箱的信息顯示在上位機上，并對水箱的信息進行判斷分析。當水箱的水位低于設定值時，控制繼電器閉合給水泵供電，水泵給水箱加水；當水箱水位達到設定值后，控制繼電器斷開，停止水泵加水。

1.2.4 信號發射接收模塊電路的設計

本設計使用的收發模塊是NRF905。NRF905由功率放大器、收發解調器、頻率合成器、調制器和晶體振蕩器組成。本設計運用的是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器，32引腳QFN封裝，工作電壓為1.9～3.6 V，工作頻率為433/868/915 MHz。

1.2.5 水位檢測電路的設計

NRF905有兩種操作模式：ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發送模式。NRF905的工作模式由TX_EN，TRX_CE和PWR_UP三個引腳決定，如表1所示。

表1 工作模式Tab.1 Operating mode

注：0 為低電平；1為高電平；×為任意電平

本系統使用電接觸方法收集液位信息。電接觸式是依靠水的導電性來采集水位信號，通過液位淹沒導線的個數來指示當前液位的高度。這種測量方法簡單易行，在水中通過12 V電壓即可實現。水位檢測原理如圖2所示。

圖2 水位檢測原理圖Fig.2 Water level detection schematic

1.2.6 繼電器控制模塊電路的設計

繼電器是一種電子控制裝置，通常用于自動控制電路。其工作原理是使用小電流來控制大電流的開關[5]。因此，它在電路中起到安全保護、自動調節和轉換電路的作用。電磁繼電器通常由接觸彈簧、電樞、線圈、鐵芯等組成。當電流在兩端流過線圈時，產生電磁效應，并且線圈將電樞吸引到鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點(常開觸點)吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會因彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點(常閉觸點)吸合。通過這樣的吸合、釋放，達到了在電路中的導通、切斷的目的。在該設計中，單片機的I/O端口通過控制三極管的通斷，來控制繼電器的吸和和關斷，從而控制電流的通斷，以控制水泵。

1.2.7 報警模塊的設計

報警電路非常簡單，通過單片機I/O口驅動三極管；上電時，蜂鳴器報警一次，提示上電成功。當液位達到設定值的最低液位時，報警兩次提示用戶當前液位過低；當達到最高液位時，蜂鳴器報警一次。

1.2.8 電源模塊設計

遠程液位監控系統中并不是完全都采用平常所用的5 V電壓供電。NRF905對供電要求為3.3 V，單片機要求最佳電壓為5 V，但是在水位測量部分選用12 V電壓進行供電，所以這里涉及到電壓的轉換。電源模塊原理如圖3所示。輸入電壓為12 V。12 V電壓主要用于向水中添加電壓并驅動泵。在通過LM7805之后，它變為5 V電壓，用于為微控制單元供電。

圖3 電源模塊原理圖Fig.3 Principle of power module

2 系統的軟件設計

2.1 系統軟件流程

在總體測量程序中，上位機作為主導，提供給使用者可視化的液位變化。其具體的軟件流程如圖4所示。

2.2 異步通信

系統使用異步通信[7]。為確保異步通信的正確性，在數據的的字符格式中加入了終止位和起始位，就是在數據正式的發送之前，首先發送起始字符表示數據將開始發送，當數據字符發送結束后再發一個停止位用來提示數據發送結束。當接收器檢測到起始位和終止位時就知道這組數據是何時接收何時停止接收。正是由于這種方式，通信協議依賴于起始位和停止位來實現內部字符同步。因此，它有時被稱為啟動-停止協議。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

大多數微控制器通過RS-232信號線連接到主機[8]。通信程序通過軟件握手完成通信過程。本文只采用了RS-232接口中的3根線，即 RXD、TXD、GND。 由于主機超出RS-232電平，但微控制器的電平為TTL電平。因此，當主機連接到微控制器時需要電平轉換電路。采用MAX232芯片進行電平轉換。接收數據通過電平轉換電路連接到MCU的RXD端口，主機數據通過RXD端口連接到MCU的TXD端。串口通信示意圖如圖5所示。

圖5 串口通信示意圖Fig.5 Serial communication diagram

2.3 上位機的通信程序設計

本設計以液位監控系統為背景，給出了單片機和C++ Builder環境下的通信程序實例。傳輸數據采用十六進制數據，計算機與單片機之間采用主從通信。 上位機的通信程序用作整個系統中的主機，并且僅作為系統數據命令發布和分析。 本設計使用C++ Builder作為主機的開發軟件[9]。在C++ Builder中實現串行通信的方法有很多種。MSComm32.OCX需要注冊，可以輕松創建串行通信應用程序。

2.4 下位機的通信程序設計

本系統使用的單片機為STC12C5A60S2，振蕩頻率為12 MHz，主機接收的波特率為1 200 bit/s。在上位機和下位機通電后，完成串口初始化，微控制器初始化和上位機與下位機之間的無線模塊初始化。當所有的功能模塊初始化完成之后，下位機等待上位機發送指令；與此同時，下位機的信號將采集來的液位信號，通過無線模塊發送到接收端的下位計算機，接收端的下位計算機將上行鏈路發送到上位計算機；上位計算機在接收到數據后，在接口上顯示當前的液位。當下位機接收到主機發送的命令時，下位機需要做的第一項任務是檢測當前命令是否為命令字。如果是命令字，下位機根據命令字進行相應操作;如果不是命令字,那么下位機處于等待接收狀態。但是此過程并不影響當前液位信息的采集和傳輸。下位機通信流程如圖6所示。

圖6 下位機通信流程圖Fig.6 Lower computer communication flow chart

3 系統調試

3.1 上位機編譯過程

在上位界面新建一個工程，工程建立完成會出現兩層窗口，其中一層用于軟件的編寫，另外一層就是可視化的上位機界面[10]。

在standard中選擇當前程序需要的圖形，拖拉到TForm1中。此處的TForm1通過調整屬性可以直接改變命名，然后調整形狀大小。這類可視化界面的優點是，可以直觀地顯示當前液位高低，同時側欄會顯示出當前液位高低的具體值，可以更明確地展示液位的變化。除此之外，上位機界面給出了手動加水按鈕。手動加水的功能是當液位沒有達到預設的閥值水位時，可以手動加水使水箱保持健康的水量。在完全實現要求功能的同時，加入輔助功能，通過鍵入串口號來進行和下位機通信，設有發送包計數，接收包計數和正確包計數，以此反映當前接收是否出現異常情況。

3.2 下位機軟件調試

下位機軟件使用keil軟件進行C語言編程，下位機主要涉及水位信息的采集、水位信息的發送部分和接收部分。軟件寫好之后先進行人工檢查，不要立即刻錄微控制器。首先，手動檢查項目中的程序。由于C語言編程，可能會有一些語法錯誤，例如括號不匹配、缺少分號等，必須通過仔細檢查，找到并消除這些錯誤。人工檢查無誤后，上機調試。編譯時給出的語法錯誤信息。根據提示信息，找出程序中的錯誤并進行更改，并從上到下依次逐一糾正。應該注意的是，一些錯誤行并不是真正錯誤的行。當確認程序沒有語法錯誤或邏輯錯誤時，可以通過直接下載到微控制器來調試。采用自下而上的調試方法，即每個模塊單獨調整，然后連接成一個完整的系統調試。將程序刻錄到微控制單元后，觀察每個組件的工作是否正常，以及該功能是否已實現。

4 結論

在了解了遠程液位監測系統的應用背景和發展現狀后，本設計提出了基于STC12C5A60S2 微控制器的液位監測系統總體方案。STC12C5A60S2 單片機不僅控制簡單、接口方便、實時性強，而且速度是8051單片機的8～12倍。選用了C++ Builder 作為上位機的開發軟件，使用MSComm ActiveX 控件創建串行通信應用程序，并建立實時數據采集和處理系統，以便在傳感器接收外部信號時轉換、收集和顯示信號。