基于電流環(huán)的水位遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

摘 要：介紹一種采用20mA電流環(huán)驅(qū)動(dòng)方式的高樓供水水位遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．此系統(tǒng)能進(jìn)行遠(yuǎn)距離、高速度通信，并且有較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)抗干擾和噪聲抑制能力。通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞较蛑行陌l(fā)送水位信息。實(shí)現(xiàn)了水位監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵詞：無線數(shù)據(jù)傳輸；自動(dòng)監(jiān)測(cè)；電流環(huán)；串行通信

1 引言
隨著生活水平的不斷提高，人們追求舒適、便利的居住環(huán)境的要求越來越高。水池的溢流、建筑污水井的污水不能排放等還是經(jīng)常出現(xiàn)并難以處理的問題。因此及早發(fā)現(xiàn)并有效地對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)該是智能管理系統(tǒng)的重要內(nèi)容之一。目前，城市樓頂蓄水池和農(nóng)村居民自建房頂蓄水箱的水位監(jiān)測(cè)仍然采用傳統(tǒng)的方法，這些方法早已不能滿足需求。為了及時(shí)掌握水位情況．在監(jiān)控中心建立一套高樓供水水位遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的，它可以進(jìn)行大范圍多點(diǎn)監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水位動(dòng)態(tài)參數(shù)的同步、快速、準(zhǔn)確的觀測(cè)。

2 系統(tǒng)的基本工作原理與構(gòu)成
本監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是對(duì)水箱水位的控制及監(jiān)測(cè)。具有自動(dòng)檢測(cè)水泵入水口水源狀況和蓄水箱水位狀況的功能。前者是為了保證水泵電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。后者是在水泵工作時(shí)防止發(fā)生蓄水箱缺水和溢水。此系統(tǒng)一般在無人值守情況下工作，所以單片機(jī)必須能自動(dòng)對(duì)水箱水位進(jìn)行采樣，對(duì)水位輸入信號(hào)進(jìn)行分析．并與設(shè)置好的水位參數(shù)進(jìn)行比較，控制電機(jī)水泵的開啟和停機(jī)．實(shí)現(xiàn)水位的調(diào)節(jié)。用水量在不同季節(jié)有很大的變化．改變水位參數(shù)可更好地滿足供水需求。另外。將水位動(dòng)態(tài)參數(shù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送到中心控制室。基于以上要求，此系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 硬件電路的設(shè)計(jì)
本監(jiān)控系統(tǒng)可靠性高，適應(yīng)長(zhǎng)期室外水浸的惡劣環(huán)境，水位信號(hào)檢測(cè)裝置等不易銹蝕。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、故障率低、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、大小適中．安裝時(shí)不需特殊設(shè)備和工具。發(fā)射部分的硬件電路采用20mA電流環(huán)驅(qū)動(dòng)方式，如圖2所示。

單片機(jī)2與無線發(fā)射模塊采用串口通信．而普遍采用的MCS51和PIC系列單片機(jī)通常只有1個(gè)(或沒有)UART異步串行通信接口，通常的方法是擴(kuò)展1個(gè)8251或8250通用同步，異步接收發(fā)送電路(US-ART)。需額外占用單片機(jī)的I／O資源。下面也將介紹一種用單片機(jī)普通：I／O口實(shí)現(xiàn)串行通信的方法。接收電路較簡(jiǎn)單，水位信息可在點(diǎn)陣陣列中簡(jiǎn)單顯示。也可在PC上顯示。

3．1 20mA電流環(huán)通信原理
20mA電流環(huán)是一種非正式的串行通信標(biāo)準(zhǔn)。它以20mA電流流過通信環(huán)路表示數(shù)據(jù)信號(hào)的傳遞(邏輯1)，無電流為空號(hào)(邏輯0)，在接收端由光電耦合器件將電流還原為微機(jī)可以讀的電平信號(hào)。

3．2 普通I／O口實(shí)現(xiàn)串行通信
由于電流環(huán)方式是通過環(huán)路中電流的有無來表示邏輯值“1”和“O”，而不是用電平的高低表示邏輯值，加上在收發(fā)二端采用光電隔離技術(shù)，因此與電平方式相比，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)不易衰減、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳輸距離可達(dá)幾千米。其中一組的電路如圖3所示。

在圖3中．主機(jī)89C2051的P3．1為串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送端，P3．0為接收端；從機(jī)89C2051的P1．4為模擬發(fā)送端，P1．5為模擬接收端。

在工業(yè)檢測(cè)中，檢測(cè)信號(hào)受外界各種干擾較大．特別是電平信號(hào)，受通信線路產(chǎn)生的電、磁干擾及線路本身的分布電容的影響特別大。在本電路中由單片機(jī)來的電平信號(hào)通過TILll7型光電耦合器變換為20mA電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過長(zhǎng)線傳輸?shù)竭_(dá)接收端后，將其重新轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)。在這一過程中．光電耦合器有利于隔離長(zhǎng)線傳輸中信號(hào)所受到的干擾。因?yàn)楣怆婑詈掀魇馆斎肱c輸出隔離，從而避免共地環(huán)路，消除和抑制了各類干擾信號(hào)；再有．噪聲的輸出阻抗較大，即使電平很高的噪聲，其電流也很小，不足以使二極管發(fā)光，因此，光電耦合器件只傳輸了有效信號(hào)，隔離了噪聲。同時(shí)，由于光電耦合器件具有單向傳輸性，使輸出端信號(hào)和干擾信號(hào)不會(huì)反饋到輸入端。本電路采用的是MO―TOROLA公司的TILll7型普通光電耦合器，采用這種光電耦合器，實(shí)際通信速率可以達(dá)到9600b／s。光電耦合器必須使用二組獨(dú)立電源，方能起到隔離、抗干擾的作用。

4 接口程序設(shè)計(jì)
在軟件設(shè)計(jì)中，主要采用普通1/O口模擬串口進(jìn)行異步串口通信。若主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式為N．8．1，發(fā)送時(shí)，先判斷P3．0是否有從機(jī)接收數(shù)據(jù)完畢后的高電平，如有，則開始發(fā)送：先發(fā)送1個(gè)起始位(低電平)，接著按低位在先的順序發(fā)送8位數(shù)據(jù)，最后發(fā)送停止位。從機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，先判斷P1．5是否有起始低電平．如有，則按低位在先的順序接收8位數(shù)，最后判斷P1．5是否有停止高電平，如有，則完成1個(gè)數(shù)據(jù)的接收，否則繼續(xù)等待。然后置P1．4為高電平，通知主機(jī)接收數(shù)據(jù)完畢，可再發(fā)下1個(gè)數(shù)據(jù)。其中軟件的編寫嚴(yán)格按照異步通信的時(shí)序進(jìn)行，每位傳送時(shí)間間隔按通信速率1 200bit／s計(jì)算為833μs。模擬串行通信的單字節(jié)部分參考程序如下所示：

甲機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)程序：

5 結(jié)束語

本檢測(cè)系統(tǒng)可以進(jìn)行大范圍多點(diǎn)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多點(diǎn)水位動(dòng)態(tài)參數(shù)的同步、快速、準(zhǔn)確的觀測(cè)。利用配備的打印/通信接口，還可以設(shè)定打印時(shí)間，把檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)列表打印或送至計(jì)算機(jī)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，不需要專門維護(hù)保養(yǎng)。