基于MSP430 的水池水溫、水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田芳明，譚峰，趙文陽

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶 163319）

在我國東北三江平原上，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化正在逐步改善當(dāng)中，在這個(gè)過程中，解決水利問題是刻不容緩的。三江平原地帶水源豐富，但是，如果要將水資源合理的利用到田地里，還需要經(jīng)過一番合理計(jì)劃與安排，例如水稻的灌溉，在灌溉之前要了解江水的溫度，如果溫度過低會(huì)導(dǎo)致植物生長過慢，間接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，所以，在引用江水灌溉之前需要將江水引入曬水池中，利用太陽光的熱能將水的溫度升高，當(dāng)達(dá)到適合農(nóng)作物生長的溫度時(shí)再進(jìn)行灌溉，這種做法有利于農(nóng)作物的生長，進(jìn)而提高產(chǎn)量。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集江水的溫度、曬水池的水溫和水位以及主渠中的水溫和水位，并通過無線數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曬水池的水溫和水位情況，及時(shí)進(jìn)行注水和灌溉，為實(shí)行精細(xì)農(nóng)業(yè)提供技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)，還可以節(jié)約人力資源，不需親臨現(xiàn)場(chǎng)亦可對(duì)曬水池的情況了如指掌，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

系統(tǒng)是由多個(gè)下位機(jī)和PC 機(jī)構(gòu)成的分布式多點(diǎn)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。下位機(jī)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集水溫、水位信息，通過無線數(shù)傳電臺(tái)將采集數(shù)據(jù)傳送給PC 機(jī)，最終采集到的數(shù)據(jù)在PC 機(jī)上由DELPHI 語言編寫的軟件進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)及打印等。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 The system total diagram

2 下位機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)由水溫傳感器、水位傳感器、無線數(shù)傳電臺(tái)、電源模塊及MSP430 單片機(jī)構(gòu)成。

2.1 微控制器

針對(duì)微控制器使用環(huán)境和各種微控制器性能比較，選擇了TI 公司生產(chǎn)的MSP430f149 作為微控制器[1]。MSP430f149 是具有16 位總線、自帶FLASH 的單片機(jī)，有統(tǒng)一的中斷管理、豐富的片上外圍模塊、片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16 位定時(shí)器、一個(gè)8路的12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、6 路P 口、兩路USART 通信端口、一個(gè)比較器、一個(gè)DCO 內(nèi)部振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘，而且，該單片機(jī)可在超低功耗模式下工作，可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境，其最小工作系統(tǒng)如圖2 所示[2]。

圖2 MSP430f149 的最小系統(tǒng)Fig.2 Minimum system of MSP430f149 mcu

其中，MAX809S 為復(fù)位芯片，由于MSP430f149的復(fù)位門檻較高，為了提高系統(tǒng)的可靠性，在復(fù)位電路中采用專用復(fù)位芯片MAX809S 實(shí)現(xiàn)其復(fù)位功能。JTAG 為在線下載口，該下載口通過并口下載，能夠在線調(diào)試，有效的加快了系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試進(jìn)程。

2.2 傳感器的選擇

系統(tǒng)中共需要兩種傳感器，一種為水溫傳感器，另外一種為水位傳感器，由于兩種傳感器都需要長時(shí)間放在水中進(jìn)行測(cè)量，因此要求傳感器的防水性能可靠，水位傳感器的精度要求在厘米范圍內(nèi)。綜合上述考慮，溫度傳感器采用昆侖中大公司生產(chǎn)的輸出為4～20 mA 的Pt100 兩線制傳感器[3]。水位傳感器采用燁立公司生產(chǎn)的輸出也是4～20 mA 的兩線制液位變送器。這兩種傳感器均為兩線制、4～20 mA 電流輸出的模擬傳感器。傳感器輸出的電流變換為電壓后傳送到MSP430f149 單片機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換接口。單片機(jī)將采集來的電壓值進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)化成溫度值和水位值。然后，單片機(jī)再將溫度值和水位值也十六進(jìn)制的形式送入到無線模塊發(fā)送出去。上位機(jī)則處理由無線模塊接受來的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的溫度和水位，并在電腦上顯示出來。

2.3 無線數(shù)傳電臺(tái)

因江邊距離控制室較遠(yuǎn)（直線距離3 000 m），有線鋪設(shè)不僅浪費(fèi)資源，鋪設(shè)不便，考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，最終選擇采用通信距離在3 000 m 以上的無線方式進(jìn)行通信，為確保數(shù)據(jù)的靠傳送，經(jīng)比對(duì)后確定采用JZ878 中功率數(shù)傳電臺(tái)。JZ878 型無線數(shù)傳電臺(tái)具有如下功能特點(diǎn)：發(fā)射功率與高接收靈敏度，發(fā)射功率5 W/8 W，高接收靈敏度-123 dbm；低功耗，接收電流<45 mA，發(fā)射電流<2 A；頻段工作頻率，調(diào)制方式：GFSK，載頻頻率433 MHz；高抗干擾能力和低誤碼率傳輸距離遠(yuǎn)，在視距情況下，天線高度>8 m，可靠傳輸距離（BER=10-3/1200 bps）>20 000 m，（BER=10-3/9 600 bps）>10 000 m；提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議；空中速率大于串口速率時(shí)可連續(xù)傳輸無限大的數(shù)據(jù)，空中速率小于或等于串口速率時(shí)，一幀可傳輸512 字節(jié)的數(shù)據(jù)。經(jīng)測(cè)試，該數(shù)傳電臺(tái)在空曠處傳輸距離可達(dá)到5 000 m，數(shù)據(jù)傳輸成功率達(dá)99%，完全滿足系統(tǒng)的需求。

2.4 電源電路

由于MSP430 單片機(jī)采用的是3.3 V 電源供電，而市面上用的最多的是5 V 電源。因此，需要采用3.3 V 穩(wěn)壓芯片將5 V 電源轉(zhuǎn)換成3.3 V 電源供給單片機(jī)使用。設(shè)計(jì)中采用的穩(wěn)壓芯片是TPS76033。該穩(wěn)壓芯片是一個(gè)50 mA 的低壓差穩(wěn)壓器，能夠?qū)? V電源直接轉(zhuǎn)換成3.3 V 穩(wěn)壓電源。TPS76033 的電壓轉(zhuǎn)換原理圖如圖3 所示。

圖3 TPS76033 的電壓轉(zhuǎn)換原理圖Fig.3 Voltage conversion principle diagram of TPS76033

3 水位、水溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用IAR EW430 軟件C 語言開發(fā)[4]，主程序流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)上電后首先讀取單片機(jī)內(nèi)部FLASH 中的采集器地址數(shù)據(jù)，然后將單片機(jī)的看門狗關(guān)閉。初始化單片機(jī)的定時(shí)器、A/D 轉(zhuǎn)換器、USART0 等模塊，打開中斷，單片機(jī)的CPU 則進(jìn)入低功耗模式，直到某個(gè)模塊發(fā)生中斷時(shí)再喚醒CPU 進(jìn)行工作。

圖4 主程序流程圖Fig.4 The main program flow chart

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用Boland 公司的基于Object Pascal 語言的Delphi 7.0 開發(fā)[5]，該系統(tǒng)能直觀的顯示江水溫度、蓄水池水溫及水位、主渠水溫及水位。并使用SQL2000 作為系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，能夠查詢歷史數(shù)據(jù)、對(duì)比數(shù)據(jù)、導(dǎo)出Excel 數(shù)據(jù)文件。該系統(tǒng)以一種統(tǒng)一的、直觀的圖形化界面使得操作人員能方便地運(yùn)用鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行操作，在試驗(yàn)與推廣時(shí)顯得更加方便、靈活，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面如圖5 所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 System monitoring interface

4 結(jié)束語

電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用界面更加人性化，設(shè)計(jì)中充分地利用了MSP430 單片機(jī)的性能和資源，可方便地進(jìn)行擴(kuò)展，根據(jù)特定應(yīng)用目標(biāo)構(gòu)建了整個(gè)軟硬件平臺(tái)，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量結(jié)果，動(dòng)態(tài)跟蹤水位、水溫的變化，實(shí)現(xiàn)了高性價(jià)比、低功耗的目標(biāo)，該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)后，又在黑龍江遜克農(nóng)場(chǎng)水稻種植區(qū)進(jìn)行安裝使用，實(shí)現(xiàn)了水池水溫、水位的無線監(jiān)測(cè)功能，效果好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 秦龍.MSP430 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實(shí)例［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［2］ 王鵬，譚峰.低功耗水稻育秧秧棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,23（3）：78-81.

［3］ 陳杰，黃鴻.傳感器與檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［4］ 馬忠梅，籍順心，張凱，等.單片機(jī)的C 語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［5］ 劉瑞新，萬朝陽，董淑娟.Delphi 程序設(shè)計(jì)教程［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2009.