基于無線通信的液位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

聶茹

基于無線通信的液位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

聶茹

在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中液位對(duì)象是一種十分普遍的研究對(duì)象，對(duì)液位對(duì)象的監(jiān)測與控制是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能必不可少的環(huán)節(jié)。液位的高低直接影響著工業(yè)過程控制的安全性，如果超出范圍，很可能會(huì)釀成危險(xiǎn)的后果。在過去，液位的監(jiān)控裝置多數(shù)是使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制和顯示，工作人員必須到工業(yè)現(xiàn)場操作這些儀器，且單片機(jī)功能十分有限，只能完成一些相對(duì)簡單的操作。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，基于無線通信的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制和管理的有效集成，能及時(shí)了解現(xiàn)場信息，快速進(jìn)行決策，并省去了很多人力。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無線通信的液位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將無線通信技術(shù)與液位測量相結(jié)合。選用壓力傳感器對(duì)液位進(jìn)行測量，采用AT89S52單片機(jī)作為中央處理單元，對(duì)液位信號(hào)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、報(bào)警等工作。

無線通信；報(bào)警器；液位；單片機(jī)；壓力；傳感器

0　引言

我國工業(yè)控制界對(duì)無線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的研究工作始于90年代初期，由于當(dāng)時(shí)無線射頻技術(shù)與國外相比具有極其巨大的差距，使得采用國內(nèi)技術(shù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性極差，國內(nèi)無線通信技術(shù)最高的電子部第50所和電子部第36所，其所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的均采用新西蘭大吉無線電臺(tái)，而硬件平臺(tái)清一色采用單位片機(jī)技術(shù)，但均未形成具有核心競爭力的產(chǎn)品。由于公共無線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)的大量搭建，降低了開發(fā)無線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)門檻，但同時(shí)亦提出了更高的其它方面的技術(shù)。自從1987年我國引入蜂窩移動(dòng)通信以來，用戶數(shù)量一直保持高速地增長，尤其在最近十年中，移動(dòng)通信技術(shù)快速發(fā)展，通信網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)從模擬網(wǎng)向數(shù)字網(wǎng)的轉(zhuǎn)換。中國移動(dòng)和中國聯(lián)通公司通過近些年來不斷拓展網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)建立了覆蓋全國所有大中城市，絕大部分縣市鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)的公用性移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，能夠?yàn)橛脩籼峁┱Z音、數(shù)據(jù)、視頻和多媒體等全面的綜合性服務(wù)。這些服務(wù)可以充分滿足無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸通信過程中對(duì)通信媒介質(zhì)量、數(shù)據(jù)傳輸速度、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性以及通信成本方面的種種要求。移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展空間十分廣闊，將移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用于無線遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域，為無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬起到了不斷促進(jìn)的作用[1]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無線通信的液位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將無線通信技術(shù)與液位測量相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1液位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了基于壓力傳感器的遠(yuǎn)程液位監(jiān)控系統(tǒng)，以AT89S52單片機(jī)為核心，配合傳感器等外圍電路完成信號(hào)的采集，液位高度的顯示，聲音報(bào)警等功能。通過壓力傳感器檢測到液位高度，如果超過或低于預(yù)設(shè)液位高度，則將發(fā)出警報(bào)，系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示：

圖1　液位遠(yuǎn)程監(jiān)控框圖

1.2液位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

1.2.1MCU的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用的是AT89S52單片機(jī)。AT89S52是一款低功耗、高性能的8位微控制器，內(nèi)部具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器可在線重新編程，亦適于通用的編程器。通用的8位CPU與在系統(tǒng)可編程 Flash集成在一塊芯片上，從而使AT89S52功能更加完善，應(yīng)用更加靈活；具有較高的性價(jià)比，使其在嵌入式控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景[2]。

1.2.2壓力傳感器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用BH350-3A型康銅金屬箔電阻應(yīng)變片，壓力使得圓形金屬筒以及電阻應(yīng)變片變形，從而使電阻應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生變化。電橋失去平衡，在電橋間產(chǎn)生微小電位差。壓阻式傳感器的滿量程輸出信號(hào)為 70～350mV不等,其輸出阻抗很高,這就要求放大電路須有更高的輸入阻抗,不從傳感器輸出端吸收電流,以免破壞傳感器的工作狀態(tài)。

1.2.3信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用LM324芯片，LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，內(nèi)部包含4組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，4組運(yùn)放相互獨(dú)立。由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。這一電路具有很高的輸入阻抗和很高的共模抑制比和開環(huán)增益，失調(diào)電流、電壓、噪聲和漂移都很小[3]。

1.2.4轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用LC2543芯片，LC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成 A/D轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源；且價(jià)格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。

1.2.5無線通信模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了NRF2401芯片，NRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4 ～ 2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有 10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其DuoCeiverTM 技術(shù)使NRF2401可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。NRF2401適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控開鎖、遙控玩具等。

NRF2401有工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。NRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三個(gè)引腳決定。電路圖如圖2所示：

圖2　NRF2401無線通信模塊

1.2.6顯示模塊設(shè)計(jì)

顯示模塊由液位顯示電路和液位狀態(tài)指示電路組成。液位值顯示電路采用四位共陽極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示被測數(shù)值，使用三極管8550進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使數(shù)碼管亮度變亮，便于觀察測量液位狀態(tài)指示電路由紅、綠兩個(gè)LED分別指示。

1.2.7報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

由AT89S52的21腳實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警控制。當(dāng)有人進(jìn)入或可燃性氣體濃度、溫度超過限定值時(shí)，三極管導(dǎo)通，揚(yáng)聲器發(fā)出鳴叫報(bào)警。當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中，蜂鳴器的報(bào)警聲音不能滿足要求，可以改用其他功率較大的報(bào)警器件，如大功率警鈴等可以滿足要求。

1.2.8電源模塊設(shè)計(jì)

由于52單片機(jī)，TLC2543和電路中其他模塊需要5V電源才能正常工作，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)5V直流電源。我國市電為頻率為 50HZ的 220V交流電，為了能得到可用的DC5V電源，需要將220V交流電經(jīng)降壓變壓器降為12V的低壓交流電，經(jīng)橋式整流器和電容濾波后得到 10.8V（12*0.9V）的直流電，但這個(gè)直流電不太穩(wěn)定，為了使電路穩(wěn)定工作，可以在10.8V直流電后面加一個(gè)7805集成穩(wěn)壓塊和一個(gè)相對(duì)較大的電容作為儲(chǔ)能用，使輸出電壓不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而產(chǎn)生太大紋波。

電源要求3.3V-4.8V，通話時(shí)瞬態(tài)峰值電流2A以上?？山与姵鼗蚱渌绷麟娫?。電源對(duì)模塊的工作非常重要，如果不能夠嚴(yán)格按照要求，則可能造成模塊的非正常關(guān)機(jī)。由于模塊是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)小系統(tǒng)，所以在正常情況下必須使用AT指令“AT^SMSO”來關(guān)閉模塊，同時(shí)必須監(jiān)測模塊VDD引腳，確認(rèn)模塊關(guān)機(jī)后才能切斷電源。如果系統(tǒng)會(huì)經(jīng)常斷電，則一定要有備用電池，以保證模塊的正常關(guān)機(jī)流程。在此設(shè)計(jì)的電源為5伏后加一個(gè)TR1972-33，這樣出來的電壓大約4.4伏，然后接上一個(gè)470微法的電解電容。具體電路如圖3所示：

圖3　電源模塊

2　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1主程序設(shè)計(jì)

主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化及任務(wù)的創(chuàng)建，基本流程如圖4所示：

圖4　主程序流程圖

主控單元的軟件設(shè)計(jì)主要包括定時(shí)中斷模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊等。系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，需人為進(jìn)行開啟，系統(tǒng)會(huì)定時(shí)采集水位數(shù)據(jù)，在傳感器將水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)后，單片機(jī)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理將其還原成水位數(shù)據(jù)并進(jìn)行發(fā)送。主程序開機(jī)就在不間斷的循環(huán)，永不停止，直到掉電。程序在各個(gè)部分不會(huì)停下來等待某一部分的結(jié)果，而是繼續(xù)運(yùn)行到下一個(gè)循環(huán)再來查詢是否得到了相應(yīng)結(jié)果，是則馬上處理，否則繼續(xù)循環(huán)。這種運(yùn)行機(jī)制保證了程序執(zhí)行的準(zhǔn)確可靠，尤其對(duì)于需要周期性采樣的系統(tǒng)[4]。

2.2數(shù)據(jù)采集子程序

數(shù)據(jù)采集子程序在主程序接收到啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集過程命令字后運(yùn)行。為提高水位采樣信號(hào)的真實(shí)度，本系統(tǒng)利用程序?qū)λ恍畔⒃诿?0分鐘連續(xù)采樣5次，然后將采樣值從小到大排隊(duì)，再取中間值為真實(shí)信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，為了準(zhǔn)確測量，一般在水庫中投放多個(gè)采集點(diǎn)，可在軟件設(shè)計(jì)中進(jìn)行輸入端的選擇，得到不同地點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)。

2.2A/D轉(zhuǎn)換程序

接收模塊接收到的信息要經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換，其主程序中將會(huì)調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換程序，A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖5所示：

圖5　A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖

3　總結(jié)

遠(yuǎn)程液位監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)中非常有前景的一項(xiàng)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)在了解了遠(yuǎn)程液位監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用背景及發(fā)展現(xiàn)狀之后，提出了基于 MPXM2010GS傳感器和 AT89S52單片機(jī)為控制核心的液位監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案。本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括液位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。硬件方面完成了基于壓力傳感器測量電路、單片機(jī)控制電路、LCD數(shù)碼顯示器電路、按電源電路的設(shè)計(jì)。軟件方面完成了單片機(jī)控制程序、顯示程序、程序的設(shè)計(jì)，并給出了相應(yīng)的程序流程圖。通過硬件和軟件的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于壓力傳感器對(duì)液體液位測量、讀取并加以顯示報(bào)警等功能。

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Liquid Level Remote Monitoring System Based on Wireless Communication

Nie Ru
(Guangzhou College of South China University of Technology,Guangzhou 510800,China)

Liquid level is a very common object in industrial process control,so the monitoring and control of it is an essential part of the system function. The position of liquid level directly affects the security of industrial process control. It would lead to dangerous consequences if the liquid level was out of range. In the past,liquid level monitoring devices mostly used single-chip to realize point-to-point control and display so that the working staffs must operate the instruments in the industrial field. And at the same time,the function of single-chip is very limited,so it can only complete some relatively simple operations. With the development of wireless communication technologies,the use of wireless communication technology in the field of industrial control is increasing. The remote monitoring and control system based on wireless communication for the effective integration of remote monitoring,control and management can inform the scene information timely and make decisions quickly by which it can save a lot of manpower. This paper designs a remote monitoring system of the liquid level based on wireless communication,it combines the wireless communication technology with liquid level measure. The system selects the pressure sensor for liquid level measurement,and then it uses AT89S52 single-chip as the central processor unit to do the work to the liquid level signals,such as acquisition,data processing,display,alarm and so on.

Wireless Communication; Divulging Alarm; Liquid Level；Microcomputer Unit; Pressure Sensor

TN91

A

1007-757X(2016)03-0067-03

聶 茹（1982-05），女，江西，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電子信息工程學(xué)院，碩士，講師，研究方向：智能控制，廣州，510800

（2015.10.13）