基于STC12C5A60S2的道路積水監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張 兵，房紅兵，劉 軍

(1.南京理工大學(xué) 電光學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223001)

隨著全球變暖的加劇，各地暴雨頻發(fā)，如2021年6月15新疆和田地區(qū)一天的降雨量就達(dá)到了當(dāng)?shù)啬昶骄涤炅康?倍。暴雨導(dǎo)致城市積水嚴(yán)重，尤其道路、立交橋、隧道等地方是重災(zāi)區(qū)，有必要設(shè)計一套道路積水監(jiān)測系統(tǒng)來消除安全隱患。目前，我國很多城市對積水的監(jiān)測主要采用人工方式，反應(yīng)滯后，智能性差，不利于對數(shù)據(jù)的分析與管理。為此，結(jié)合我國大部分城市的道路，隧道、立交橋等場合的水情監(jiān)測現(xiàn)狀，設(shè)計了本系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于STC12C5A60S2對水文傳感器的終端進(jìn)行設(shè)計，STC12C5A60S2單片機(jī)具有高速、低功耗的特點，內(nèi)部自帶瞬間擦除、改寫等功能，開發(fā)簡單，寫入單片機(jī)的程序可修改，可以連續(xù)不間斷工作。

1 系統(tǒng)設(shè)計的整體方案

道路監(jiān)測系統(tǒng)的終端彼此之間不進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保持裝置相互獨立。每個終端通過GPRS把采集的數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)中心站，中心站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，當(dāng)某個終端上傳的數(shù)據(jù)超過設(shè)定值，終端LED顯示器上會收到中心站下發(fā)的指令，提醒行人注意積水情況。中心站會保存數(shù)據(jù)，供后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與管理，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2 終端采集設(shè)備選型

本次選用非接觸式傳感器為終端器件，該傳感器在高危監(jiān)控區(qū)域依然能可靠工作，能對水文數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差率極低的測量；選用受環(huán)境干擾較小的激光傳感器為雨量、水位測量裝置，把探頭設(shè)置在測量介質(zhì)的上端，外部配有套管保護(hù)，防止外界腐蝕。

為了提高測量準(zhǔn)確度，選用上、下截面積之比為10∶1的雨量測量裝置，即測量高度值為雨量的10倍。

由于本系統(tǒng)所監(jiān)測的流體中附著有數(shù)量不定的固體顆粒物或氣泡等物質(zhì)，本設(shè)計采用多普勒效應(yīng)法，基于信號頻差，根據(jù)流速估算得出流量。

若波束為C，與測量介質(zhì)運動方向成θ角，固體顆粒物運介質(zhì)動速度均為u。假設(shè)在管軸線的位置上，波束與顆粒物相遇，則認(rèn)為該顆粒物的偏離速度為ucosα，與發(fā)射時相比顆粒物接收到的超聲波頻率產(chǎn)生差值：

(1)

最終流量qv可寫為：

(2)

A為管道截面積，Δf為多普勒頻移，α為波束與管軸線夾角。

2.1 終端電路的硬件設(shè)計

本次選用宏晶STC12C5A60S2，外圍電路有電源電路、存儲電路、時鐘電路、顯示電路、數(shù)據(jù)調(diào)理電路、GPRS遠(yuǎn)程傳輸電路。考慮到道路積水水情監(jiān)測通常缺乏交流供電，本設(shè)計采用太陽能板為采集終端供電，以確保現(xiàn)場終端的正常運行；終端所采集的水情數(shù)據(jù)可通過GPRS模塊與互聯(lián)網(wǎng)連接而轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心計算機(jī)，用戶也能夠使用遙控器控制屏幕顯示歷史存儲數(shù)據(jù)，同時終端具有進(jìn)一步擴(kuò)充新的采集器件的能力。

2.2 主控單元電路

在道路積水現(xiàn)場監(jiān)測終端中，需選用耗能低、可靠性高的高速主控處理器芯片。STC12C5A60S2芯片內(nèi)部集成了MAX810，2路PWM，8路AD轉(zhuǎn)換(250KB/s)。STC12C5A60S2的I/O口有4種工作模式，部RC振蕩器頻率區(qū)間為[11 MHZ，17 MHZ]，可倍頻，但易出現(xiàn)誤差。若對時鐘的精度要求較高，則可以外接晶振，本次設(shè)計外接11.0605MHZ晶振。考慮到終端通過12MHZ晶振獲取穩(wěn)定的時鐘頻率，所以采用了外接阻容復(fù)位。

2.3 時鐘電路

2.4 無線接收電路等其他外圍電路

采集終端可以按順序存儲100條現(xiàn)場數(shù)據(jù)，受限于顯示屏幕的大小，設(shè)計采用以編解碼集成電路配合發(fā)射/接收模塊的模式以支持翻頁查看。

本次遙控通信芯片選用PT2262/PT2272其中超再生接收電路PC-RH5A，可方便地利用中間引腳與解碼電路相連，實現(xiàn)定制開發(fā)。超再生接收電路PC-RH5A實質(zhì)上可以視為一種開發(fā)組件，二次開發(fā)靈活便捷。

選用JLX12864G-378型液晶模塊，其配置有中、英文及數(shù)字字庫，具有圖形功能，可根據(jù)需要使用指令自編完成多種輸入組合。

如果將每年的降水天數(shù)合計以160d計，降水時每隔20min一次存儲數(shù)據(jù)，則單月存儲量約等于7.7K字節(jié)，且每月依次覆蓋之前記錄。因此，設(shè)計選用串行I2C AT24C02。

3 電源電路設(shè)計

考慮到終端控制級有時會用在缺乏交流電源供電的環(huán)境中，系統(tǒng)配置了太陽能供電單元。一般情況，蓄電池的放電深度不超過82%，同時為保證在日光線較足的8h內(nèi)完成電池的電量補(bǔ)充，同時兼顧到如產(chǎn)品體積、性價比等條件，設(shè)計選用15W，17V/1A的光伏板，配合12V/24Ah鉛酸蓄電池。

監(jiān)測終端主控單元及其外圍設(shè)備的工作電壓取值為5V、3.3V和3.6V，電壓轉(zhuǎn)換模塊選擇7805三端穩(wěn)壓集成IC與LM317。

本設(shè)計引入TPS78601進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，以確保GPRS模塊的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，同時，提高了模塊的工作壽命。

為了使得系統(tǒng)功能能夠按需擴(kuò)展，監(jiān)測終端配置了應(yīng)用廣泛的RS485接口電路，其單鏈路負(fù)載站點多，通信速率高、距離遠(yuǎn)，組網(wǎng)性能極佳。

本次采用RS485電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3485。MAX3485與主控單元的讀、寫操作引腳互聯(lián)，主控單元可用單個引腳實現(xiàn)對/RE、DE的復(fù)合控制。A、B端口線上及線間接電阻能夠防止芯片損壞、減少信號放射。

4 GPRS通信模塊及現(xiàn)場控制級軟件設(shè)計

本設(shè)計以GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)作為采集終端與Internet網(wǎng)絡(luò)之間可靠的中間媒介，將水情數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心站計算機(jī)。目前，各個國家生產(chǎn)的GPRS 模塊用法相似，功能相近，以標(biāo)準(zhǔn)AT 指令為主。在兼顧考慮了產(chǎn)品價格、售后服務(wù)等多方面因素后，本設(shè)計選用了駿曄科技的GPRS 模塊 GM3。

基于硬件架構(gòu)與實際使用需求，現(xiàn)場控制終端以模塊化設(shè)計思想，完成C程序的編制工作。

流程包括：水情參數(shù)采集程序、超限報警程序、GPRS通信程序分別設(shè)置為定時器中斷程序、外部中斷、串口中斷子程序。其中，由于監(jiān)測終端可以顯示系統(tǒng)時間，時鐘不間斷運行，所以定時器中斷常開。監(jiān)控中心計算機(jī)有隨時調(diào)用現(xiàn)場數(shù)據(jù)的功能，所以串口終端常開。

終端傳感器的輸出信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入STC外部中斷口，繼而觸發(fā)中斷信號，該信號經(jīng)主控芯片識別后，進(jìn)行分析與處理操作。

5 結(jié)束語

基于STC12C5A60S2道路監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)多次現(xiàn)場調(diào)試、優(yōu)化，具備了如下特征：①采用太陽能直流供電方式；②終端有LED顯示屏，能實時發(fā)出警示信息；③水位測量精度高達(dá)1cm；④系統(tǒng)數(shù)據(jù)運行暢通不堵塞，已到達(dá)預(yù)期設(shè)計要求。通過比較終端采集數(shù)值與實際測量數(shù)值，驗證了該監(jiān)測系統(tǒng)能夠與我國市政、交通的實際需求情況相匹配，為市民出行提供參考，為城市防洪提供技術(shù)保障。