基于ATmega128L的潛水泵遠(yuǎn)程控制器設(shè)計

行明濤 吳華芹

摘要：這里介紹一種新型的潛水泵遠(yuǎn)程控制器設(shè)計方案，它采用ATmega128L芯片作為主控制器,使用AD轉(zhuǎn)換電路將采集的潛水泵電壓、電流模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號與水源水位數(shù)字信號一起傳送到主控制器，主控制器可以實時監(jiān)控，防止欠電壓、過電壓、缺相、過電流或缺水等故障對潛水泵的損壞；同時控制器具有GSM遠(yuǎn)程通信的功能，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警和控制，提高管理者的工作效率。

關(guān)鍵詞：潛水泵；AVR；ATmega128L；A/D轉(zhuǎn)換；GSM

中圖分類號：TN402文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)23-5715-03

Remote Controller of diving pump based on ATmega128L microcontroller

XING Ming-tao1, WU Hua-qin2

(1.Zhengzhou Huali Information Technology CO..Ltd, Zhengzhou 450006, China; 2.Henan Vocation College of Chemical Technology, Zhengzhou 450042, China)

Abstract: A new fashioned remote controller of diving pump is introduced here, the ATmega128L chip was adopted as main controller, it using the AD converter circuit converts the diving pump voltage and current analog signals into a digital signal, and water level digital sig? nals to deliver to the host controller together. The main controller can provide real-time monitoring and prevent the absent voltage, over-voltage, open-phase, overcurrent and water shortage; controller has a GSM remote communications capabilities, it can realize remote alarm and control, raise the governors work efficiency.

Key words: diving pump; AVR; ATmega128L; A /D converter; GSM

潛水泵已經(jīng)非常普遍應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉和生活供水中，由于潛水泵長期工作環(huán)境惡劣和缺乏對潛水泵運(yùn)行狀況的監(jiān)控、管理，造成電動機(jī)燒壞的事故時有發(fā)生，甚至威脅到人身安全。怎樣更好的預(yù)防和減少潛水泵的故障發(fā)生機(jī)率，延長潛水泵使用壽命，減少潛水泵日常維護(hù)費(fèi)用是科技人員一直探索的課題。該文充分利用AVR單片機(jī)的特點，設(shè)計一種基于ATmega128L單片機(jī)的潛水泵遠(yuǎn)程控制器，實現(xiàn)了對潛水泵實時監(jiān)控，達(dá)到預(yù)防報警和遠(yuǎn)程控制的目的。

圖1潛水泵遠(yuǎn)程控制器設(shè)計方案

潛水泵遠(yuǎn)程控制器總體設(shè)計如圖1所示。MCU模塊通過繼電器控制電路控制潛水泵的啟動和停止，通過水位檢測電路和三相

2.1 MCU模塊

MCU模塊采用Atmel公司基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗的8位微處理器ATmega128L[1]。它具有128KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、4KB的EEPROM[2]、4KB片內(nèi)SRAM、53個可編程的I/O口、2個8位和2個16位定時器/計數(shù)器、2個UASRT口、1個I2C口、一個SPI接口、8路10位A/D、JTAG片上調(diào)試和編程接口、8個外部中斷接口、6種可以通過軟件選擇的省電模式以及2.7- 5.5V寬范圍的工作電壓，最高運(yùn)行速度可達(dá)8MHz[3]。ATmega128L芯片內(nèi)部集成AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash，他可為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了易學(xué)、靈活、好用且成本低的方案[4]。

ATmega128L采用兩個中斷信號檢測潛水泵的上、下水位狀態(tài)，一個中斷信號檢測外部電源斷電報警、一個I2C口用于采集時間信息、一路模擬的I2C口用于接收按鍵指令、一個SPI口用于數(shù)據(jù)存儲、一個模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)和一路A/D通道組成8路分時復(fù)用的A/D轉(zhuǎn)換通道，采集三相電壓和電流實時數(shù)據(jù)、一個串口分時復(fù)用控制液晶顯示器顯示和讀取電表數(shù)據(jù)信息、一個串口專用于GSM模塊通訊、一路A/C通道采集電池電量信息作為控制電池的通斷和充電的依據(jù)，采用其中一種省電運(yùn)行模式延長設(shè)備的工作時間和節(jié)約電能。

2.2電源模塊

電源模塊為整個設(shè)備提供電能，采用交流供電和鋰電池供電的兩種方式設(shè)計。由交流轉(zhuǎn)直流降壓電路、主備電源切換和電池充電供電電路組成。

交流轉(zhuǎn)直流降壓電路將交流220V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?V，作為控制器的主電源，為整個潛水泵遠(yuǎn)程控制器供電；并再次降壓為直流3.3V，為系統(tǒng)電路供電，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

主備電源切換電路是由電壓檢測電路和MOS管及外圍元器件組成，當(dāng)外部電源斷電時，電壓檢測電路產(chǎn)生掉電報警中斷，通知MCU主控模塊，MCU主控模塊根據(jù)工作的需要下發(fā)指令進(jìn)行開啟電池電源為系統(tǒng)供電；當(dāng)外部電源上電后，經(jīng)主備電源切換電路，會自動切換到外部電源供電，并斷開電池電源。

電池充電電路是由MOS管、電池充電管理芯片和一個通道的A/D轉(zhuǎn)換電路組成。當(dāng)MCU主控模塊的A/D轉(zhuǎn)換檢測到電池容量不足時，控制MOS管和電池充電管理芯片完成對電池的充電。2.3水位檢測電路

由于抽水是水源不足，常常會因為井中缺水而導(dǎo)致水泵電機(jī)繞組燒壞，據(jù)統(tǒng)計80%左右的水冷式水泵電機(jī)繞組燒壞，都是這個原因造成的[5]，因此水位檢測電路對潛水泵保護(hù)是一項非常重要的保護(hù)措施。本控制器的水位檢測電路是兩個微型水位開關(guān)及周圍元器件組成，分別連接到MCU模塊的外部中斷引腳，檢測潛水泵的工作水位。上當(dāng)水位低于上水位設(shè)定值時，產(chǎn)生水位降低預(yù)警中斷信號，當(dāng)水位低于下水位設(shè)定值時，產(chǎn)生缺水報警中斷信號，有MCU模塊完成對潛水泵停止運(yùn)行的控制，防止因缺水而導(dǎo)致水泵電機(jī)繞組燒壞。

2.4三相電壓電流檢測電路

三相電壓、電流檢測電路由6路4—20mA的模擬通道電路組成。電壓電流傳感器將各項電壓和電流轉(zhuǎn)換成4—20mA電流信號，傳送給模擬通道電路，經(jīng)MCU模塊循環(huán)選通各通道，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采集各項的電壓、電流信號。MCU模塊再進(jìn)行運(yùn)算和分析，判斷出潛水泵工作的電壓、電流狀態(tài)，預(yù)防事故的發(fā)生。圖2是A/C通道復(fù)用電路圖，R11將4—20mA電流信號，轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)電壓跟隨器U1，傳送給輸入8通道、輸出1通道的多路通道復(fù)用電路U10，U10將信號傳送給MCU模塊的A/D轉(zhuǎn)換通道輸入端，供MCU模塊數(shù)據(jù)采集。C11是4—20mA電流信號的干擾濾除電容，U1保證電壓信號的穩(wěn)定，U10經(jīng)對其9—11腳的控制，完成輸入8通道的選通。

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括主運(yùn)行程序模塊、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換采集程序模塊、讀寫時間及定時程序模塊、數(shù)據(jù)存儲程序模塊、鍵盤掃描顯示程序模塊、讀電表程序模塊和GSM模塊通訊程序等。其主程序設(shè)計流程如圖3所示。系統(tǒng)啟動后，先對各模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)處理程序。手動控制處理優(yōu)先級高于遠(yuǎn)程控制處理。系統(tǒng)先進(jìn)行按鍵判斷處理，再進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊檢測和命令處理，然后判斷控制潛水泵處理，采集分析潛水泵工作環(huán)境狀況，如有報警信息，先存儲，再顯示和發(fā)送遠(yuǎn)程報警信息通知管理員。對于非常危險（如缺相電壓、嚴(yán)重過流和缺水等）的報警，系統(tǒng)直接控制潛水泵停止工作。

該文提出了一種基于ATmega128L單片機(jī)的潛水泵遠(yuǎn)程控制器設(shè)計方案，利用AVR單片機(jī)的功能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、智能化的特點，對潛水泵的工作電壓、工作電流和工作水位等運(yùn)行參數(shù)為監(jiān)控任務(wù)，可預(yù)防潛水泵因缺水、缺相電壓、過電流、欠電壓、過電壓等

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