石德太，羅 敏

(1.恩施州生產力促進中心，湖北恩施445000;2.湖北民族學院理學院，湖北恩施445000)

水質監(jiān)測是水資源管理與保護的重要基礎，液體的含氧量、溫度、酸堿度、電導率等特性參數(shù)可以反映液體的許多物理、化學特性，因此測量液體的特性參數(shù)可以有效地監(jiān)測水質，具有重要的現(xiàn)實意義［1］。本文設計了一種結合單片機與RS485總線的多點水質檢測系統(tǒng)，理論上在上位機(PC機或者觸摸屏)可以監(jiān)測255點的水質情況，系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構

1 系統(tǒng)硬件設計

監(jiān)測系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，系統(tǒng)主要包括單片機模塊、電源模塊、時鐘模塊、傳感器模塊、RS485接口模塊以及鍵盤/顯示模塊等。水質監(jiān)測系統(tǒng)工作過程如下:傳感器模塊定時采集水質參數(shù)，然后存入存儲器并且在顯示模塊顯示，在特定的控制信號作用下，通過RS485接口上傳到上位機，完成水質監(jiān)測。作為控制核心的單片機選擇C8051F040，該芯片是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有與MCS－51指令集完全兼容的內核，在一個芯片內集成了構成一個單片機數(shù)據采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設及其他功能部件，有利于簡化電路設計［2，3］。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖

1.1 電源模塊

系統(tǒng)的輸入電壓是直流5 V，由外部提供，由于C8051F040需要3.3 V的電源供電，考慮到系統(tǒng)的功耗較低。電流不大，所以可以通過電源轉換芯片SPX1117將+5 V轉換為3.3 V，電路如圖3所示。電源的濾波電路由電容、電感和電阻構成，在制版的時候需要將它們盡可能地靠近芯片。

圖3 電源轉換電路

1.2 傳感器模塊

傳感器模塊就是利用各種傳感器測量水質參數(shù)，由于系統(tǒng)采用的是多機通信，為了簡化數(shù)據通信要求，提高通信的可靠性，在系統(tǒng)設計中將測量的水質參數(shù)首先存儲到雙口RAM DS1609。DS1609是具有256字節(jié)的雙端口隨機存取存儲器，它在一個存儲器器件上連接了兩個可異步操作的地址總線數(shù)據總線，兩個端口都有各自獨立的RAM控制信號，可以無限制地訪問所有256字節(jié)的存儲單元。DS1609與C8051F040接口如圖4所示。

1.3 RS485 接口模塊

圖4 DS1609接口電路

本系統(tǒng)通信采用 RS485總線技術，接口電路采用MAX483E作為收發(fā)器。MAX483E采用單一的5 V電源供電，是適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下RS485通信的低功率收發(fā)器，它包括一個驅動器和一個接受器。每一個驅動器輸出和接受器輸入都具有保護，能抗15 kV靜電放電，在高達250 kbps速率下可實現(xiàn)無誤差的數(shù)據傳輸。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 Modbus通信協(xié)議

設計的水質監(jiān)測系統(tǒng)通信方式是采用RS－485總線的Modbus協(xié)議。Modbus是一種串行通信協(xié)議，此協(xié)議定義了一個消息結構。在應用層上，Modbus是一個請求/應答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務［4］。Modbus分為兩種傳輸模式，ASCII和RTU模式。Modbus協(xié)議在一個網絡上的所有設備，都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)，本系統(tǒng)的數(shù)據通信模式采用RTU模式［4］。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程

上電后，上位機主動發(fā)送握手幀給下位機。如果連接正確，上位機會收到下位機的握手應答幀，收到后進入正常的通訊模式。如果收不到或者出錯，上位機在連續(xù)發(fā)送10次后產生報警信息，說明通信出故障了。在正常的通信模式，上位機根據地址依次查詢各監(jiān)測機的狀態(tài)，當監(jiān)測機處于聯(lián)機狀態(tài)時，則發(fā)送操作指令，否則轉去查詢下一臺監(jiān)測機的聯(lián)機狀態(tài)。在監(jiān)測系統(tǒng)平臺上，軟件流程圖如圖5所示。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)地址確認

主從機在進行數(shù)據通信之前，需要進行地址確認，目的就是讓上位機知道采集的水質參數(shù)來自哪一個監(jiān)測系統(tǒng)。上位機首先發(fā)送地址編號到所有監(jiān)測系統(tǒng)，各監(jiān)測系統(tǒng)核對地址，若地址不匹配，就繼續(xù)等待上位機的呼叫，若地址匹配，則向上位機發(fā)送應答地址。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程圖

3 結束語

本文結合單片機技術和RS485總線技術實現(xiàn)了對多點水質進行監(jiān)測，在實驗調試中驗證了本系統(tǒng)采集數(shù)據的準確性和通信的可靠性。本系統(tǒng)具有較強的實用性和可擴展性，而且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，功耗較低，易于實現(xiàn)，具有一定的應用價值。

［1］馬福昌，馮道訓.ZigBee和GPRS技術在水文監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究［J］.自動化與儀器儀表，2008，3(3):18－20.

［2］郭昌東，姚舜才.基于C8051F040單片機的CAN總線系統(tǒng)設計［J］.山西電子技術，2011(1):3－4.

［3］潘琢金.C8051F單片機應用解析［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2002.

［4］尤慧芳.用MODBUS實現(xiàn)觸摸屏與單片機的通信［J］.工業(yè)控制計算機，2008，21(12):63 －66.