基于MSP430單片機(jī)的智能水位計(jì)設(shè)計(jì)

摘要：為解決我國(guó)水位監(jiān)測(cè)野外條件下長(zhǎng)期無(wú)人看守的問(wèn)題，研制開(kāi)發(fā)了基于MSP430單片機(jī)的智能水位計(jì)。從其組成到各功能分別進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，該智能水位計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了水位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄和定期采集等多種工作模式，而且提高了水位監(jiān)測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)了水位監(jiān)測(cè)的智能化。
關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)；水位監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程控制；智能儀器

    隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，引起了儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革，以微型計(jì)算機(jī)為主體，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，組成新一代“智能化儀表”，在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化方面與傳統(tǒng)儀表的常規(guī)測(cè)量電路相比較，取得了巨大進(jìn)展。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問(wèn)題，還能簡(jiǎn)化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實(shí)現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。水位監(jiān)測(cè)廣泛應(yīng)用于水利、電力、城市供水、防洪等多領(lǐng)域，但是目前的水位觀測(cè)方法精度不高，不能全自動(dòng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，因此，在綜合研究目前水位監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況以及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代電子技術(shù)，特別是單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種通用性好、可靠性高、維護(hù)方便，可適用于多種監(jiān)測(cè)環(huán)境的多模式智能水位計(jì)具有重要的實(shí)際意義。

1 智能水位計(jì)系統(tǒng)組成
    該智能水位計(jì)以單片機(jī)為核心，由主控系統(tǒng)、水位采集模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、控制顯示模塊與上位機(jī)通信模塊組成，完成水位測(cè)量、存儲(chǔ)、控制與實(shí)時(shí)顯示等功能。也可作為終端，通過(guò)單片機(jī)的串口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)終端遙控和水位遙測(cè)。組成框圖如圖1所示。

    主控系統(tǒng)對(duì)各個(gè)模塊起到控制作用，是各個(gè)模塊正常工作的基礎(chǔ)，主要由單片機(jī)完成。
    水位信息采集模塊是水位計(jì)的核心部分，采集到的水位信息的精度是衡量水位計(jì)質(zhì)量的重要參數(shù)。由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)完成。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊由外部非易失存儲(chǔ)器和單片機(jī)完成，水位計(jì)定時(shí)采集水位信息，并保存在外存上。記錄可通過(guò)液晶屏讀出。
    控制與顯示模塊由鍵盤(pán)和液晶屏完成，提供人機(jī)接口。
    與上位機(jī)通信部分是智能儀表的必要條件，主要由MAX3485和MSP430單片機(jī)的串口部分實(shí)現(xiàn)。

2 各模塊功能實(shí)現(xiàn)
2．1 主控系統(tǒng)
    主控系統(tǒng)對(duì)各個(gè)模塊的供電、使能，工作等起到控制作用，是各個(gè)模塊正常工作的基礎(chǔ)，主要由MSP430單片機(jī)完成。
    相比于MCS和PIC等系列，MSP430系列單片機(jī)是超低功耗、功能強(qiáng)大的16位單片機(jī)。本系統(tǒng)選用的是MSP430F435，工作電壓范圍1．8～3．6 V；5種節(jié)電模式，每1 MHz功耗電流0．1～400 μA，同時(shí)能夠在實(shí)現(xiàn)液晶顯示的情況下只耗電0．8μA。此外MSP430單片機(jī)片上資源豐富，集成度高，能夠滿(mǎn)足智能遙測(cè)終端機(jī)對(duì)體積功耗的需求。
2．2 數(shù)據(jù)采集模塊
    水位信息采集模塊是水位計(jì)的核心部分，采集到的水位信息的精度是衡量水位計(jì)質(zhì)量的重要參數(shù)。水位采集模塊主要由ADS1110和傳感器完成。ADS1110是一種精密、可連續(xù)自校準(zhǔn)的串行A／D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率，測(cè)量的電壓誤差為0．001 V，精度高。其串行接口為I2C總線。單片機(jī)可通過(guò)軟件模擬I2C總線實(shí)現(xiàn)與ADS1110的連接。具體方法是將單片機(jī)的I／O接口連接至I2C的數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL。通過(guò)軟件控制時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的傳輸。水位采集流程如圖2所示。

2．3 數(shù)據(jù)保存模塊
    水位數(shù)據(jù)保存模塊及復(fù)位電路都通過(guò)X4043實(shí)現(xiàn)。X4043也采用I2C接口，SDA，SCL連接方法與ADS1110相同。
    水位計(jì)每小時(shí)記錄一次，緩沖區(qū)可保留一天24次的記錄信息，新的信息覆蓋舊的信息。每條記錄由水位值和采樣的時(shí)間組成。
    水位信息保存程序流程圖如圖3所示。

    保存數(shù)據(jù)時(shí)，先保存水位值，再依次保存時(shí)間。確定保存地址時(shí)，用最初的地址加上偏移量。偏移量為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度乘以個(gè)數(shù)。
    在定時(shí)器中斷中，每個(gè)整點(diǎn)時(shí)間，定時(shí)器都會(huì)把保存數(shù)據(jù)的標(biāo)志變量置有效。在主循環(huán)中判斷，如果標(biāo)志位有效，就調(diào)用保存水位信息的函數(shù)。
2．4 控制與顯示模塊
    控制與顯示模塊由鍵盤(pán)，液晶屏LCD12232和SD2300完成，提供人機(jī)接口。鍵盤(pán)可設(shè)置水位計(jì)參數(shù)，安裝高度，誤差，量程等，當(dāng)有鍵按下時(shí)水位計(jì)顯示相應(yīng)菜單。不在設(shè)置狀態(tài)時(shí)，水位計(jì)終端顯示主界面：上行顯示當(dāng)前水位，下行顯示實(shí)時(shí)時(shí)間。智能水位計(jì)在啟動(dòng)時(shí)讀取SD 2300時(shí)間，再通過(guò)定時(shí)器中斷保證時(shí)間的更新。
2．5 與上位機(jī)通信模塊
    工作時(shí)，在一條總線上可掛接一個(gè)上位機(jī)和多個(gè)水位計(jì)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的水位采集，如圖4所示。水位計(jì)與上位機(jī)通過(guò)單片機(jī)的串口通信，上位機(jī)能夠獲得水位計(jì)實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)，可以為流域的水雨情測(cè)報(bào)、預(yù)報(bào)、報(bào)汛及水庫(kù)大壩分洪瀉洪、抵抗自然災(zāi)害、水資源的管理和調(diào)度提供快速準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)和科學(xué)決策依據(jù)，同時(shí)上位機(jī)也能夠獲取和修改水位計(jì)工作參數(shù)實(shí)現(xiàn)遙控，無(wú)需專(zhuān)人值守。

    智能水位計(jì)中使用MAX3485和單片機(jī)串口實(shí)現(xiàn)這一功能，協(xié)議采用MODBUS協(xié)議。
    數(shù)據(jù)包收發(fā)程序放在單片機(jī)中斷服務(wù)程序中，接收完成后把標(biāo)志位置有效，在主循環(huán)中不斷掃描標(biāo)志位，發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位有效，會(huì)調(diào)用數(shù)據(jù)包處理函數(shù)。水位計(jì)協(xié)議包格式如表1所示。

    功能碼主要有：
    功能碼0x03：Read Holding Registers讀取寄存器數(shù)據(jù)(系統(tǒng)時(shí)間或配置)。功能碼0x04：Read Input Register讀輸入寄存器(遙測(cè))。功能碼0x10：Write Multiple Registers寫(xiě)多個(gè)寄存器(系統(tǒng)時(shí)間、參數(shù))。
    工作模式共有3種：實(shí)時(shí)，分時(shí)，變幅上報(bào)。
    在實(shí)時(shí)模式下，水位計(jì)時(shí)刻打開(kāi)串口電源，準(zhǔn)備接收上位機(jī)信息，作出處理。
    分時(shí)模式下，只有在定時(shí)時(shí)間到的時(shí)候打開(kāi)串口電源，等待上位機(jī)信息。
    變幅模式下，當(dāng)水位計(jì)采集到的水位值和前一次的差的絕對(duì)值大于一個(gè)閾值時(shí)再打開(kāi)串口電源。
    由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且沒(méi)有沖突退避算法，所以與上位機(jī)通信時(shí)采用應(yīng)答方式。不論水位計(jì)工作在實(shí)時(shí)、分時(shí)，還是變幅模式下，只有接收到上位機(jī)信息時(shí)才返回?cái)?shù)據(jù)包。

3 結(jié)束語(yǔ)
    該水位計(jì)在工作時(shí)可以靈活配接浮子式水位計(jì)或壓力式水位計(jì)等水位傳感器，能夠靈活適應(yīng)測(cè)量庫(kù)水位、電廠攔污柵壓差、河流等變化緩慢或劇烈的水位的需要，適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境，適用于無(wú)電源場(chǎng)合。水位采集站工作模式可靈活編程設(shè)定，通用性好，可靠性高，維護(hù)方便，是一種可適用于多種監(jiān)測(cè)環(huán)境的多模式水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。