基于單片機(jī)的水位、閘門測(cè)控系統(tǒng)

賀鋒

（韶山灌區(qū)工程管理局 湘潭市 411401）

1 概 述

韶山灌區(qū)是以灌溉為主、兼顧發(fā)電和城鎮(zhèn)工礦供水等綜合效益的大型水利工程，灌溉3市7縣（市、區(qū)）。灌區(qū)水位觀測(cè)點(diǎn)和閘門多，且大多建立在偏僻地方。汛期，雷雨比較頻繁，入渠道水多，管理員到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)水位和開關(guān)閘門，不僅難做到實(shí)時(shí)掌握水位變化情況，并及時(shí)開關(guān)閘門調(diào)節(jié)渠道水位，確保渠道安全，而且大雷和狂風(fēng)對(duì)管理員的生命安全也構(gòu)成了威脅。因此了解渠道實(shí)時(shí)水位和閘位值，確保渠道安全運(yùn)行，改善管理員的工作環(huán)境，減輕工作強(qiáng)度，提高反映速度，成為灌區(qū)的重要工作之一。

現(xiàn)以右干渠進(jìn)口水位、閘門測(cè)控系統(tǒng)為例，對(duì)基于單片機(jī)的水位、閘門測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行探討。

2 系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)

右干渠進(jìn)口水位、閘門測(cè)控系統(tǒng)是集散式控制系統(tǒng)（SDCS），由兩臺(tái)8031單片機(jī)組成，分別對(duì)水位、閘位實(shí)時(shí)采集并對(duì)閘門遠(yuǎn)程控制，采樣數(shù)據(jù)通過485傳輸?shù)街醒肟刂剖业奈C(jī)。為了方便用戶維修測(cè)控系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)操作閘門，水位、閘位數(shù)據(jù)可以在現(xiàn)場(chǎng)通過LED顯示屏顯示。管理員在中央控制室輸入右干閘位數(shù)據(jù)，PC機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂崎l門的8031單片機(jī)上，8031再將傳輸來的數(shù)據(jù)與采樣的閘位數(shù)據(jù)比較，當(dāng)傳輸值大于采樣值時(shí)，開閘；當(dāng)傳輸值小于采樣值時(shí)，關(guān)閘，直到傳輸值等于采樣值時(shí)，閘門才停止動(dòng)作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 右干渠進(jìn)口水位、閘門測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件由水位測(cè)量電路、閘門測(cè)控電路和閘門電氣回路三部分組成。

3.1 水位測(cè)量電路

水位測(cè)量電路由主機(jī)、水位數(shù)據(jù)采集、顯示和通訊四部分組成。

主機(jī)由單片機(jī)8031和4KB的程序存儲(chǔ)器2732構(gòu)成。8031的時(shí)鐘頻率fosc為11.0592MHz。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算簡(jiǎn)單，8031提供的80個(gè)字節(jié)的一般RAM區(qū)足以滿足要求，因此系統(tǒng)不接片外RAM了。

水位數(shù)據(jù)采集部分由水位傳感器、16選1數(shù)據(jù)選擇器74150構(gòu)成。下大到暴雨時(shí)，水位變化不特別快，水位數(shù)據(jù)采集頻率為4Hz，可以滿足要求。傳感器為浮子式循環(huán)碼盤數(shù)字傳感器，輸出12路+5V電平；采用格雷碼編碼；在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼，電源切斷后位置信息不會(huì)丟失；抗干擾能力強(qiáng)，沒用累積誤差，沒有電量的轉(zhuǎn)換誤差，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，其特性為：分辨力1cm，量程（0～9.99）m，綜合誤差1cm+0.0012cm/M℃。

通訊部分由MAX485E芯片和光電耦合器TⅠL117構(gòu)成。MAX485具有ESD（靜電放電）保護(hù)功能，其主要特征為：半雙工通信方式，波特率可高達(dá)2.5Mbps，±15kV靜電放電保護(hù)，通信總線可掛接32個(gè)收發(fā)器。由于工程環(huán)境比較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)常有各種形式的干擾源，為了保護(hù)485收發(fā)器，在485總線的傳輸端采用穩(wěn)壓管D1、D2組成吸收回路?？紤]到線路的特殊情況（如某1臺(tái)分機(jī)的485芯片被擊穿短路），在485信號(hào)輸出端串聯(lián)兩個(gè)20Ω的電阻R10、R11，本機(jī)的硬件故障不會(huì)使整個(gè)總線的通信受到影響。在RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端接1只120Ω匹配電阻R8，以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。為了使8031單片機(jī)不會(huì)被誤中斷而收到亂字符，在485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻R7、R9（見圖2），使RXD的電平在485總線不發(fā)送期間（總線懸浮時(shí)）呈現(xiàn)唯一的高電平。系統(tǒng)中單片機(jī)工作在野外，受高溫、雷擊等天氣的影響而出現(xiàn)異常情況，如死機(jī)，造成485總是處于發(fā)送狀態(tài)，占用通信總線，從而使整個(gè)系統(tǒng)通信崩潰。因此在485的DE端接電阻R6后再接入地。當(dāng)8031復(fù)位時(shí)，Ⅰ/O口輸出高電平，使485的DE端電位總為“0”。

圖2 通訊電路圖

3.2 閘門測(cè)控電路

閘位測(cè)控電路由主機(jī)、閘位數(shù)據(jù)采集、人機(jī)接口、通訊和控制五部分組成。

右干進(jìn)水閘采用絲桿式啟閉機(jī)啟動(dòng)，閘門上升和下降都緩慢，閘位數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)為4Hz可以滿足要求。傳感器為齒輪式循環(huán)碼盤數(shù)字傳感器。

控制部分由三態(tài)輸出的四總線緩沖門74LS125和交流固態(tài)繼電器LRSSR1-5A構(gòu)成。采用74LS125是為了保證交流固態(tài)繼電器有足夠的輸入電壓，使繼電器可靠地工作，同時(shí)也防止8031誤發(fā)信號(hào)引起閘門誤動(dòng)作。LRSSR1-5A起著弱電控制強(qiáng)電的作用，電氣參數(shù)為：輸入電壓（3～32）VDC，輸入電流＜15mA，接通電流5mA，工作電壓380VAC，工作電流5A，絕緣電壓≥2500VAC。

3.3 閘門電氣回路

當(dāng)閘位測(cè)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能自動(dòng)啟動(dòng)閘門時(shí)，管理員可以在中央控制室或現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制閘門的開關(guān)。閘門電氣控制分為現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、控制室手動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制控制方式，由位于中央控制室的轉(zhuǎn)換開關(guān)SA決定。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)均采用模塊化設(shè)計(jì)方法，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展、修改系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)軟件分為水位測(cè)量軟件和閘門測(cè)控軟件。

4.1 水位測(cè)量軟件

水位測(cè)量軟件由以下模塊構(gòu)成：主程序、水位數(shù)據(jù)采集子程序、格雷碼轉(zhuǎn)BCD碼子程序、顯示子程序和通訊子程序。

主程序主要完成系統(tǒng)初始化。流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

系統(tǒng)中，微機(jī)與8031以中斷方式進(jìn)行主從式串行異步通信，其中8031的串行口定義為方式3，11位異步收發(fā)，即起始位1位（0）、數(shù)據(jù)8位（低位在前）、1位可編程位（第9數(shù)據(jù)位）和1位停止位（1），波特率為19.2k。

4.2 閘門測(cè)控軟件

閘位測(cè)控軟件由以下模塊構(gòu)成：主程序、閘位數(shù)據(jù)采集子程序、格雷碼轉(zhuǎn)BCD碼子程序、顯示子程序、鍵盤中斷子程序、通訊子程序和閘門控制子程序。

為了防止出現(xiàn)閘門因電氣、機(jī)械等故障而未啟動(dòng)或傳感器與閘門沒齒合好等現(xiàn)象發(fā)生，使程序總是執(zhí)行開閘或關(guān)閘指令，進(jìn)入死循環(huán)，從而造成閘門開關(guān)事故。因此在閘門控制子程序中設(shè)置了2秒內(nèi)采樣值有無變化的判斷，當(dāng)采樣值無變化時(shí)，說明閘門沒有啟動(dòng)或傳感器與閘門沒齒合好等故障，標(biāo)志位7FH設(shè)置為1，用于報(bào)警。程序流程圖如圖4所示。

圖4 閘門控制流程圖

5 結(jié) 語(yǔ)

基于單片機(jī)的水位、閘門測(cè)控系統(tǒng)建成后，能穩(wěn)定地運(yùn)行在野外。工作人員在控制室內(nèi)能看到實(shí)時(shí)水位、閘位數(shù)據(jù)，并能可靠地控制閘門。系統(tǒng)不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，而且它的建成改善了工作環(huán)境，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了調(diào)度人員對(duì)水位的響應(yīng)速度。

1 胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1996.

2 王錦標(biāo)，方崇智.過程計(jì)算機(jī)控制［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1996.

3 王福瑞，等.單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.