PDF《远距离水位智能监控系统的研究与实现》

远距离水位智能监控系统的研究与实现! 郝迎吉 高红红 王 燕!西安科技大学 西安 [ # $ $ P 摘要 介绍一种基于单片机

8 U K J M ! $ P #和调制解调器 /

6 / [ P # ! 7的远距离智能水位监控系统#该系统以普通电话线为通信 线路$ 实现了相距# # ?

9 的蓄水池与水库泵站间水位数据的实时传输% 数字显示和自动控制# 关键词 单片机 水 位 调制解调器

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1 = 引 言 针对陕西华县金堆城钼业公司生产% 生活供水的 实际情况$ 设计了一套远距离智能水位监控系统#其 工况为 蓄水池与泵站相距##?9$ 使用K台功率为##$?4 的水泵供水$ 以前蓄水池与泵站之间的供水 控制是通过人工拨打电话的方式来完成$ 值班人员稍 不注意就会出现失控$ 给公司生产% 生活带来不便和 经济损失#这里所介绍的单片机水位智能监控系统 仅利用一对普通电话线$ 将数据采集仪采集到的蓄水 池水位数据实时传送给安装在泵站的接收控制仪$ 接 收控制仪将数据处理后输出给可编程控制器和变频 器$ 分别控制水泵的启停及其数量% 微调总流量的变 频器频率$ 实现对水位的远距离实时监控#在此主要 介绍数据采集% 远距离通信% 水位控制和实时显示等 部分# >

系统概述 该系统主要由数据采集仪和接收控制仪两部分 组成$ 系统原理框图如图#所示#系统主控芯片采用 8U/E Q 公司的K J M ! $ P #单片机#数据采集仪安装 在水池监测房$ 前端的液位变送器采集蓄水池的水位 信号并将其转换成 !! $

98 的标准电流信号$ 经过 # K $

9 的传输后到监测房的数据采集仪$ 经模数转换 !

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N 得到数字信号送给K J M ! $ P #控制数码管实时 显示$ 并通过调制解调器将数字量调制成模拟量后送 到电话线上#水库泵站的接收控制仪的调制解调器 对接收 的模拟量进行解调得到水位数字信号$ 经KJM!$P#处理后输出控制信号$ 控制水泵的启停和微 调泵的变频器频率$ 实现多台水泵的变流量自动供 水# 第! P卷第O期 仪 器 仪 表 学 报 $ $ 年# !月!本文于! $ $ !年# !月收到# 万方数据 图# 系统原理框图 A 系统硬件组成 A ? = 通信模块 系统通信传输信号线路简单! 仅利用一对普通电 话线! 两端的调制解调器 /e N E/# 采用 eL H公司 的/6 / [ P # ! 7! 它具有抗干扰能力强$ 功耗低$ 外围 电路简单$ 可靠性高等优点%以接收控制仪的 /e B N E/ 为例! 其应用电路如图!所示% 图! /

6 / [ P # ! 7应用电路图 耦合变压器 U # 的输入端用两个稳压二极管起 过压保护作用%电容 M # 和电阻 '

# 用来隔离信号中 的直流成分! 并将输入工作点钳位在! X P 左右! 从 而使 /6 / [ P # !

7 的输入 放大器能够使用单一的VP电源% /6 / [ P # !

7 有两个工作模式选择端/e N #和/e N !! 可选择四种工作模式%其中! 模式 $为# ! $ $ C ( =发送方式&

模式#为#!$$C(=接 收和[PC(=发送方式&

模式!和模式Z分别为自环测试模 式和低功耗模式%接收控制仪的 /6 / [ P # ! 7采用工 作模式#! 发送使能端 '

6接高电平! 所以为# ! $ $ C ( = 接收方式% A ? >

数据采集仪 数据采集仪通过 a M

7 B P型静压密封应变式液位 变送器采集水池水位%该变送器采用静压测量原理! 当测量端放入液体中时! 设大气压力为 % $! 液位高度 为,! 液体密度为+ ! 当地重力加速度为

1 ! 则测量端 的压力为'

%T% $V+

1 , 测量电桥将压力信号转变成满量程为# $ 9 的 电压信号! 经精密运算和电流变换集成电路

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# $ P 放大和转换! 输出 !! $

98 的标准电流信号%该信 号经 电阻取样$

8 ( N 转换后变成数字信号送给KJM!$P#! 如图Z所示%系统测量水位高度上限为P9! 所以电流

98 测量电桥和6 U '

# $ P的最小工作 电流# 对应高度为$ 9! ! $

98 对应P 9! 根据水位控制 的实际需要! 取采集仪的分辨率为 # <

9! 则水位 P

9 对应的数据为P*# $ $* ! $

98 ( # O 98# TO ! P! 因此 采用分辨率为# $位的

8 ( N 转换器 U Q M # P Z就可以 满足要求%U Q M # P Z 为#$位转换精度 最大l#Q67线性误 差# $ # # 路模拟输入的串行8(N转换器! 最大转换结果为# $ ! ! 数据接口为6 % H 同步串行 外设接口# %由于K J M ! $ P #不带

6 % H接口! 所以用软 件合成与 U Q M # P Z的6 % H接口%由于系统水位测量 随机误差为l# <

9! 为了消除数字的频繁变化! 在单 片机软件中采用统计处理方法%将当前采集值与显 示水位值做多次) 差# * 比较判断! 若多次判断值相差 都为# 或W# 根据本系统的要求! 相应时间控制在 # =内# ! 则认为水位有变化! 否则显示水位值不变! 即 认为它是干扰数据% U Q M # P Z的8HbJ和

8 H b # $分别作为采集水位 输入端和基准端! 液位变送器输出的零液位电流约为 98! 在硬件电路中! 用串联电阻采样%采集数零位 和输入放大倍数调节的具体步骤为'

## 在液位探头 放入水中前! 读取

8 ( N 转换结果&

!# 将液位探头放 入水深#

9 处! 调节电位器 N ! 使液位数据增加# $ $! 反复步骤 # # ! # 使采集输入端的变化范围也为# $ $&

Z# 调节电位器 N # 使基准端数据等于采集输入端零 液位的采样值! 用于数字调零% $ # K 仪 器 仪 表 学 报 第!P 卷 万方数据 图Z 数据采集仪原理图 在抗干扰方面! 该系统采用H ! M总线接口的看门 狗M8U # # O # 下面简称 M # # O ## ! 该芯片具有看门狗 定时器$ 电压监控和 E ! % '

e/ 三种功能! 复位时间为 # X O = %用它来克服系统运行过程中! 供电电压可能发 生波动而超出系统正常工作电压范围或者由于干扰 出现程序跑飞的现象%当系统正常工作时! 程序在看 门狗的复位时间内! 定时对看门狗清零! 使系统不会 复位&

而当程序跑飞或系统死机# X O =后! 看门狗使系 统自动 复位! K J M ! $ P # 通过%#X#和%#X$与M##O#的6 M Q和6 N

8 线接口% 为了随时观察水位的变化和线路的通断状态! 采用Z位数码管显示水位! 其驱动电路使用Z片串入并 出的[ dM # O ! 利用K J M ! $ P #的%#X[和 % # X O分别 作为[ dM # O 的时钟线和数据线! 采用移位寄存器 同步串口方式发送数据% 数据采集仪 的KJM!$P#通过串口USN % Z X ## 将水位信号发送给调制解调器 /6 / [ P # ! 7! 它将电 平数字信号调制成两种不同频率的模拟信号后从输 出端 8e 发送到电话线上% A ? A 接收控制仪 接收控制仪的 /6 / [ P # ! 7将从电话线上接收的 模拟信号解调后送给K J M ! $ P #! 如图 %K J M ! $ P #对 数据进行处理后! 一方面驱动数码管 Q E U# 显示水 位! 另一方面由 % # X $!% # X Z输出 路开关量控制信 号! 经光电耦合器 U Q % P ! # 隔离$ /M # # Z 驱动放大 后给可编程控制器的输入接点 传输距离约# $ $ 9! 可 编程采用V! 供电# ! 然后由可编程控制器的程序 控制水泵的启停及其数量% 当水位在$!P

9 变化时! 根据要求! 系统输出$ !# $ 的电压信号给变频器频率的控制端%这是由 K J M ! $ P #将$!P

9 的数字量给 U Q M P O ! $ 进行 N '

8 转换! 得到 $!P 模拟电压量! 再经过运算放大器 Q/ Z ! 放大!倍! 最后输出$!# $ 电压信号% 图 接收控制仪原理简图 为了防止输出接口外接设备的干扰! 采用了光电 耦合器 U Q % P ! #%光耦的输入回路和输出回路之间 通过光电转换来传送信号! 实现了信号电源的隔离! 提高了抗干扰效果% /M # # Z与可编程的 个接点处的开关量控制 水泵信号时序如图P所示% 当水位在 X O

9 以上时! 个接点均为高电平! 关 掉所有水泵! 停止供水&

当水位下降到 X O

9 时! 接点 1出现脉冲下降沿! 开启!台水泵 #台为微调泵# &

降到

9 时! 接点2出现脉冲下降沿! 再开启!台水 # # K 第O期 远距离水位智能监控系统的研究与实现 万方数据 泵! 降到Z X P

9 时 接点3出现脉冲下降沿 再开启! 台水泵! 降到! X P

9 时 接点4出现脉冲下降沿 再开 启!台水泵 此时 K台水泵都处于工作状态#当水 位上升时 按图P所示时序逐步关闭水泵# 图P 控制水泵信号时序图 若水位超过 X K

9 或电话线路发生中断等情况 时 通过编程使 Q E U 显示相应的故障符号 并由蜂鸣 器发出报警声 提示值班人员进行检查和维护#接收 控制仪的看门狗和 Q E U 显示部分与数据采集仪基本 相同 在此不再赘述# I 系统软件设计 I ? = H @ 3总线协议 U Q M # P Z采用

6 % H总线协议 K J M ! $ P # 与它接口是通过软件编程合成

6 % H来实现的#6 % H系统总 线有主次之分 仅需 根线$ 数据线和控制线% 即可扩 展具有6 % H接口的各种H &

e 器件#在实际应用中 各H &

e 芯片只能在收到 M % a 发出的使能命令后 当 时钟出现上升沿时 接收 M % a 的数据! 当时钟出现 下降沿时 向M%a传送数据并遵循'

高位$ /6 7% 在前 低位$ Q

6 7% 在后( 的数据传输格式 典型时序如图 O所示# 图O

6 % H串行总线典型时序图 这种串行总线除片选线需要专用控制口线外 其他H&

e口线可以复用 节省接口资源# I ? >

3 >

S总线 系统所采用的看门狗芯片 M # # O #是H ! M 总线接 口器件# H ! M总线是一种双向二线制$ 时钟线6 M Q和 数据线6 N 8% 的同步串行总线 可以挂接多个单........