劉立軍

(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009)

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基于STC15F2K60S2單片機(jī)無線通訊水庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉立軍

(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009)

介紹了一種基于STC15F2K60S2單片機(jī)無線通訊水庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)鞲衅魉杉降乃畮?kù)參數(shù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)進(jìn)行處理，然后將處理的結(jié)果，經(jīng)CC1100無線模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)端，經(jīng)過上位機(jī)分析處理后將分析結(jié)果反饋到下位機(jī)端，下位機(jī)端接收到反饋信息后，由單片機(jī)輸出脈沖，來控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)的流量和水位的實(shí)時(shí)控制，保證水庫(kù)的安全。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；無線模塊；流量；水位

在水資源利用方面，對(duì)流量、水質(zhì)等參數(shù)的測(cè)量非常重要，但很多水庫(kù)資源在高山地區(qū)，難以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。無線通訊技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了理想的平臺(tái)，因此越來越多的水文站把基于無線通訊技術(shù)[1]的監(jiān)控系統(tǒng)作為水利系統(tǒng)自動(dòng)化管理的新手段。而隨著水利自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展，水利系統(tǒng)的自動(dòng)化水平逐步提高，各水庫(kù)都能通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)逐漸實(shí)現(xiàn)少人、無人監(jiān)管的管理模式，以提高生產(chǎn)效益。

1 水庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：數(shù)據(jù)的采集、單片機(jī)運(yùn)算控制、數(shù)據(jù)的無線收發(fā)、上位機(jī)端的監(jiān)測(cè)分析，整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

水庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將傳感器所采集到的水庫(kù)參數(shù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)進(jìn)行處理，然后將處理的結(jié)果，經(jīng)CC1100無線模塊[2]傳輸?shù)缴衔粰C(jī)端，再通過串口通訊技術(shù)將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)上，在上位機(jī)上通過編譯的界面可以清楚地知道水庫(kù)的情況，然后對(duì)所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將分析結(jié)果反饋到下位端，下位機(jī)端接收到反饋信息后，由單片機(jī)輸出脈沖，來控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)(相當(dāng)于控制閥門開/關(guān))，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)的流量和水位的實(shí)時(shí)控制，保證水庫(kù)的安全。為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)分兩個(gè)部分，一個(gè)是單片機(jī)獨(dú)立控制,二是人為的遠(yuǎn)程控制。整個(gè)過程完全自動(dòng)運(yùn)行，不需要人為地實(shí)地監(jiān)控，這樣就保證了控制速度和精確度。采用遠(yuǎn)程控制，可以容易地對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行更換擴(kuò)展，這樣就避免了因系統(tǒng)的老化而可能產(chǎn)生的系統(tǒng)損壞或無法正常工作等問題,從而使系統(tǒng)能持續(xù)地正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減少了系統(tǒng)故障的發(fā)生。

2 水庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC15F2K60S2單片機(jī)簡(jiǎn)介

STC15F2K60S2[3]是宏晶科技公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，它具有高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，其速度比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)快8到12倍。STC15系列單片機(jī)內(nèi)部機(jī)集成高精度R/C時(shí)鐘，可配置時(shí)鐘的范圍是5 MHz～35 MHz，同時(shí)STC15系列單片機(jī)內(nèi)部集成了高可靠復(fù)位電路，因此STC15F2K61S2最小系統(tǒng)是不需要外部晶振和時(shí)鐘電路，可用在高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾等場(chǎng)合。STC15F2K60S2具有3路CCP/PWM/PCA，8路10位高速A/D，內(nèi)置2K大容量SRAM，2組超高速異步串行通信口和1組高速同步串行通信端口SPI，性價(jià)比比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)要高很多。同時(shí)它也支持串口ISP下載調(diào)試功能，具有使用方便、設(shè)計(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 CC1100無線模塊接口電路

CC1100單片無線收發(fā)器[4]工作在433/868/915 MHZ的ISM頻段，由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器、一個(gè)帶解調(diào)器的接收器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。工作特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC可以很容易通過SPI 接口進(jìn)行編程配置，電流消耗低。CC1100無線模塊的接口電路圖如圖2所示, CC1100接口電路的引腳特性如表1所示。

2.3 數(shù)碼管顯示電路

顯示模式采用的是四位七段LED數(shù)碼管顯示，電路圖如圖3所示。該系統(tǒng)電路中也使用了兩塊數(shù)碼管，它們的功能分別是：下位端的數(shù)碼管是用來顯示傳感器所采集的信號(hào)，通過其顯示的方波信號(hào)來計(jì)算時(shí)間差，求出水位，以及顯示由流量傳感器所采集的水流量的大?。簧衔欢说臄?shù)碼管用來監(jiān)測(cè)CC1100模塊無線通訊是否成功，如果它顯示的數(shù)字和下位端數(shù)碼管一樣，就證明無線發(fā)送/接收成功。

表1 CC1100接口電路的引腳特性

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)中CC1100的工作電壓是3.3 V,為了給其提供穩(wěn)定的電壓，使用了LM1117[5]電壓調(diào)節(jié)器，它能產(chǎn)生3.3 V的穩(wěn)定電壓；該電源模塊中還包括上電顯示，給步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)供電的5V電壓(見圖4)。

2.5 CC1100無線模塊及串口通訊電路

圖5為CC1100接收模塊及串口通訊電路。在圖5中，只顯示了上位機(jī)的CC1100接收模塊，因?yàn)榘l(fā)送模塊的連接方法是一樣的，為了避免重復(fù)，所以沒有給出。上位端接收從CC1100無線發(fā)射模塊傳來的信號(hào)，再將收集的信號(hào)傳送到單片機(jī)上。由MX232串口通訊電路，把單片機(jī)中的數(shù)據(jù)信號(hào)傳到上位機(jī)中去，通過上位機(jī)顯示水庫(kù)的實(shí)時(shí)參數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析反饋。

2.6 步進(jìn)電機(jī)控制電路

步進(jìn)電機(jī)控制器是步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)重要部分，控制器接收到上位機(jī)發(fā)送的指令，并根據(jù)指令下位機(jī)向各步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器則將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變成直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制(見圖6)。

系統(tǒng)選用的是28BYJ48四相八拍步進(jìn)電機(jī)，工作電壓為DC5V—DC12V。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度(一個(gè)步距角)。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見的通電方式有單(單相繞組通電)四拍(A-B-C-D-A……)，雙(雙相繞組通電)四拍(AB-BC-CD-DA-AB-……)，八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A……)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

在圖6中可以看到，由于單片機(jī)引腳的電流驅(qū)動(dòng)能力不夠大，所以采用ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[6]。ULN2003具體介紹見參考文獻(xiàn)[6]，在此不進(jìn)行說明。

3 水庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，程序流程圖可分為上位機(jī)端和下位機(jī)端兩部分[7]。圖7是上位機(jī)端的程序流程圖，圖8 是下位機(jī)端的程序流程圖。

在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中采用了模塊化設(shè)計(jì)方案，主要功能模塊有: 初始化串口和無線模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、定時(shí)器模塊、數(shù)碼管顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等，由主程序統(tǒng)一調(diào)用和協(xié)調(diào)各模塊正常有序工作。程序流程圖分為上位機(jī)端程序流程圖和下位機(jī)端程序流程圖兩大部分。在上位機(jī)端，是編譯程序來完成上下位機(jī)之間的串口通訊[8]，以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在上下位機(jī)間的傳送；而下位機(jī)端的程序流程圖可以實(shí)現(xiàn)以下系統(tǒng)功能：一是實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)模擬水庫(kù)的實(shí)時(shí)參數(shù)的采集與處理，如水位、流量等；二是實(shí)現(xiàn)CC1100無線模塊的無線通訊；三是實(shí)現(xiàn)STC15F2K60S2單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)對(duì)模擬水庫(kù)的水位和流量進(jìn)行測(cè)試，其所測(cè)量的技術(shù)參數(shù)和誤差精度以表格形式表示出來，如表2所示。

表2 模擬水庫(kù)的水位和流量測(cè)試數(shù)據(jù)

從表2中可以看出，系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)行了三次有效測(cè)量。設(shè)定水位參數(shù)高度為90.000 mm、流量為6.000 L/min，第一次水位測(cè)量值為89.827 mm，流量測(cè)量值為5.891 L/min，水位誤差為0.173 mm，流量誤差為0.110 L/min。第二次水位測(cè)量值為89.798 mm，流量測(cè)量值為5.894 L/min，水位誤差為0.202 mm，流量誤差為0.106 L/min。第三次水位測(cè)量值為89.821 mm，流量測(cè)量值為5.897 L/min，水位誤差為0.179 mm，流量誤差為0.103 L/min。三次測(cè)量水位的平均值為89.815 mm，測(cè)量平均誤差為0.185 mm，流量的平均值為5.894 L/min，測(cè)量平均誤差為0.106 L/min。測(cè)量值和實(shí)際設(shè)定值測(cè)得的實(shí)際參數(shù)的誤差非常小，精度較高。完全可以將其投入到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中去，結(jié)合先進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理系統(tǒng)[9]的水文監(jiān)測(cè)將會(huì)是未來水文監(jiān)測(cè)控制管理的必然趨勢(shì)。

5 結(jié)語

開發(fā)模擬水庫(kù)自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅能帶來人力、物力的節(jié)約，更能及時(shí)、實(shí)時(shí)地了解水文數(shù)據(jù)，以利于對(duì)防洪、抗洪、搶險(xiǎn)、救災(zāi)或供水供電工作的指揮決策，使水庫(kù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮更重要的作用。

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Design of Wireless Communication Reservoir Monitoring System Based on STC15F2K60S2 Single Chip Microcomputer

LIU Li-jun

(Liaoning Mechatronics College, Dandong 118009, Liaoning, China)

This paper introduces a STC15F2K60S2 microcontroller wireless monitoring system based on the reservoir. The reservoir system can be collected by the sensor parameters, processed by the A/D converter into the microcontroller, and then the processed results are transmitted to the computer terminal by CC1100 wireless transmission module. Through analyzing and processing, the PC gives the feedback analysis results to the lower machine end, then the lower computer receives feedback information after the pulse by the microcontroller output, to control the stepper motor, so as to realize the real-time control of the flow of the reservoir water level and ensure the safety of the reservoir.

monitoring system; wireless module; traffic; water level

2016-09-14

劉立軍(1981-) ，男，遼寧朝陽人，講師，碩士，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器、電子技術(shù)，E-mail:liulijun318@163.com。

TV698.1

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1008-9446(2017)02-0024-05