基于MSP430單片機(jī)的智能水位計(jì)設(shè)計(jì)

陶 潔，遲權(quán)德，肖桂鳳

（解放軍炮兵學(xué)院基礎(chǔ)部 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，安徽 合肥 230031）

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，引起了儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革，以微型計(jì)算機(jī)為主體，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測技術(shù)有機(jī)結(jié)合，組成新一代“智能化儀表”，在測量過程自動化、測量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化方面與傳統(tǒng)儀表的常規(guī)測量電路相比較，取得了巨大進(jìn)展[1]。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問題，還能簡化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實(shí)現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。

水位監(jiān)測廣泛應(yīng)用于水利、電力、城市供水、防洪等多領(lǐng)域，但是目前的水位觀測方法精度不高，不能全自動、實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測[2]，因此，在綜合研究目前水位監(jiān)測的實(shí)際情況以及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代電子技術(shù)，特別是單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)一種通用性好、可靠性高、維護(hù)方便，可適用于多種監(jiān)測環(huán)境的多模式智能水位計(jì)具有重要的實(shí)際意義。

1 智能水位計(jì)系統(tǒng)組成

該智能水位計(jì)以單片機(jī)為核心，由主控系統(tǒng)、水位采集模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、控制顯示模塊與上位機(jī)通信模塊組成，完成水位測量、存儲、控制與實(shí)時(shí)顯示等功能。也可作為終端，通過單片機(jī)的串口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)終端遙控和水位遙測。組成框圖如圖1所示。

主控系統(tǒng)對各個(gè)模塊起到控制作用，是各個(gè)模塊正常工作的基礎(chǔ)，主要由單片機(jī)完成。

水位信息采集模塊是水位計(jì)的核心部分，采集到的水位信息的精度是衡量水位計(jì)質(zhì)量的重要參數(shù)。由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)完成。數(shù)據(jù)存儲模塊由外部非易失存儲器和單片機(jī)完成，水位計(jì)定時(shí)采集水位信息，并保存在外存上。記錄可通過液晶屏讀出。

控制與顯示模塊由鍵盤和液晶屏完成，提供人機(jī)接口。

與上位機(jī)通信部分是智能儀表的必要條件，主要由MAX3485和MSP430單片機(jī)的串口部分實(shí)現(xiàn)。

2 各模塊功能實(shí)現(xiàn)

2.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)對各個(gè)模塊的供電、使能，工作等起到控制作用，是各個(gè)模塊正常工作的基礎(chǔ)，主要由MSP430單片機(jī)完成。

相比于MCS和PIC等系列，MSP430系列單片機(jī)是超低功耗、功能強(qiáng)大的16位單片機(jī)。本系統(tǒng)選用的是MSP430F435，工作電壓范圍 1.8～3.6 V；5種節(jié)電模式，每 1 MHz功耗電流0.1～400 μA，同時(shí)能夠在實(shí)現(xiàn)液晶顯示的情況下只耗電0.8 μA。此外MSP430單片機(jī)片上資源豐富，集成度高，能夠滿足智能遙測終端機(jī)對體積功耗的需求[3]。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

水位信息采集模塊是水位計(jì)的核心部分，采集到的水位信息的精度是衡量水位計(jì)質(zhì)量的重要參數(shù)。水位采集模塊主要由ADS1110和傳感器完成。ADS1110是一種精密、可連續(xù)自校準(zhǔn)的串行A／D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率，測量的電壓誤差為0.001 V，精度高。其串行接口為I2C總線。單片機(jī)可通過軟件模擬I2C總線實(shí)現(xiàn)與ADS1110的連接。具體方法是將單片機(jī)的I／O接口連接至I2C的數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL。通過軟件控制時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的傳輸。水位采集流程如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)保存模塊

水位數(shù)據(jù)保存模塊及復(fù)位電路都通過X4043實(shí)現(xiàn)。X4043也采用I2C接口，SDA，SCL連接方法與ADS1110相同。

水位計(jì)每小時(shí)記錄一次，緩沖區(qū)可保留一天24次的記錄信息，新的信息覆蓋舊的信息。每條記錄由水位值和采樣的時(shí)間組成。

水位信息保存程序流程圖如圖3所示。

保存數(shù)據(jù)時(shí)，先保存水位值，再依次保存時(shí)間。確定保存地址時(shí)，用最初的地址加上偏移量。偏移量為數(shù)據(jù)長度乘以個(gè)數(shù)。

在定時(shí)器中斷中，每個(gè)整點(diǎn)時(shí)間，定時(shí)器都會把保存數(shù)據(jù)的標(biāo)志變量置有效。在主循環(huán)中判斷，如果標(biāo)志位有效，就調(diào)用保存水位信息的函數(shù)。

2.4 控制與顯示模塊

控制與顯示模塊由鍵盤，液晶屏LCD12232和SD2300完成，提供人機(jī)接口。鍵盤可設(shè)置水位計(jì)參數(shù)，安裝高度，誤差，量程等，當(dāng)有鍵按下時(shí)水位計(jì)顯示相應(yīng)菜單。不在設(shè)置狀態(tài)時(shí)，水位計(jì)終端顯示主界面：上行顯示當(dāng)前水位，下行顯示實(shí)時(shí)時(shí)間。智能水位計(jì)在啟動時(shí)讀取SD2300時(shí)間，再通過定時(shí)器中斷保證時(shí)間的更新。

2.5 與上位機(jī)通信模塊

工作時(shí)，在一條總線上可掛接一個(gè)上位機(jī)和多個(gè)水位計(jì)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的水位采集，如圖4所示。水位計(jì)與上位機(jī)通過單片機(jī)的串口通信，上位機(jī)能夠獲得水位計(jì)實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遙測，可以為流域的水雨情測報(bào)、預(yù)報(bào) 、報(bào)汛及水庫大壩分洪瀉洪 、抵抗自然災(zāi)害、水資源的管理和調(diào)度提供快速準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)和科學(xué)決策依據(jù)，同時(shí)上位機(jī)也能夠獲取和修改水位計(jì)工作參數(shù)實(shí)現(xiàn)遙控，無需專人值守。

智能水位計(jì)中使用MAX3485和單片機(jī)串口實(shí)現(xiàn)這一功能，協(xié)議采用MODBUS協(xié)議。

數(shù)據(jù)包收發(fā)程序放在單片機(jī)中斷服務(wù)程序中，接收完成后把標(biāo)志位置有效，在主循環(huán)中不斷掃描標(biāo)志位，發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位有效，會調(diào)用數(shù)據(jù)包處理函數(shù)。水位計(jì)協(xié)議包格式如表1所示。

表1 水位計(jì)協(xié)議包格式Tab.1 Water-level meter protocol pattern

功能碼主要有：

功能碼0x03：Read Holding Registers讀取寄存器數(shù)據(jù) （系統(tǒng)時(shí)間或配置）。功能碼 0x04：Read Input Register讀輸入寄存器（遙測）。功能碼0x10：Write Multiple Registers寫多個(gè)寄存器（系統(tǒng)時(shí)間、參數(shù)）。

工作模式共有3種：實(shí)時(shí)，分時(shí)，變幅上報(bào)。

在實(shí)時(shí)模式下，水位計(jì)時(shí)刻打開串口電源，準(zhǔn)備接收上位機(jī)信息，作出處理。

分時(shí)模式下，只有在定時(shí)時(shí)間到的時(shí)候打開串口電源，等待上位機(jī)信息。

變幅模式下，當(dāng)水位計(jì)采集到的水位值和前一次的差的絕對值大于一個(gè)閾值時(shí)再打開串口電源。

由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且沒有沖突退避算法，所以與上位機(jī)通信時(shí)采用應(yīng)答方式。不論水位計(jì)工作在實(shí)時(shí)、分時(shí)，還是變幅模式下，只有接收到上位機(jī)信息時(shí)才返回?cái)?shù)據(jù)包。

3 結(jié)束語

該水位計(jì)在工作時(shí)可以靈活配接浮子式水位計(jì)或壓力式水位計(jì)等水位傳感器，能夠靈活適應(yīng)測量庫水位、電廠攔污柵壓差、河流等變化緩慢或劇烈的水位的需要，適應(yīng)不同的監(jiān)測環(huán)境[4-5]，適用于無電源場合[6]。水位采集站工作模式可靈活編程設(shè)定，通用性好，可靠性高，維護(hù)方便，是一種可適用于多種監(jiān)測環(huán)境的多模式水位自動監(jiān)測系統(tǒng)。

[1]吳曉明.國內(nèi)外水文儀器發(fā)展綜述 [J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2008， 16（11）：1672-1675.WU Xiao-ming.Development of hydrological instruments at home and abroad [J].Computer Measurement﹠ Control，2008， 16（11）：1672-1675.

[2]毛黎虎.水利水電工程測量技術(shù)發(fā)展探討 [J].中國水運(yùn)，2009（9）：181-182.MAO Li-hu.Application of water resources and hydropower projects in measurement technology[J].China Waterway，2009（9）： 181-182.

[3]魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001：54-167.

[4]趙 利.多模式水位自動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001， 21（4）：1-5.ZHAO li.A designing and implementing of a water level automatic monitoring system based on multi-mode technique[J].Journal of Guilin Institute of Electronic Technology，2001， 21（4）： 1-5.

[5]祝玲，盧勝利，馬國華.智能浮子式水位計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（6）：52-54.ZHU Ling ，LU Sheng-li，MA Guo-hua.Intelligent water level meter by the buoy [J].Transducer and Microsystem Technologies，2006，25（6）：52-54.

[6]謝崇寶，黃斌，高占義.低功耗智能型自記式量水儀表[J].中國農(nóng)村水利水電，2004（5）：8-11.XIE Cong-bao， HUANG Bin， GAO Zhan-yi.Low power consumption intelligent water-metal[J].China Rural Water and Hydropower 2004（5）：8-11.