基于電流環(huán)的水位遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)的研制

摘  要：介紹一種采用20mA電流環(huán)驅(qū)動方式的高樓供水水位遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)．此系統(tǒng)能進行遠距離、高速度通信，并且有較強的現(xiàn)場抗干擾和噪聲抑制能力。通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞较蛑行陌l(fā)送水位信息。實現(xiàn)了水位監(jiān)測的實時性。
關(guān)鍵詞：無線數(shù)據(jù)傳輸；自動監(jiān)測；電流環(huán)；串行通信

1 引言
    隨著生活水平的不斷提高，人們追求舒適、便利的居住環(huán)境的要求越來越高。水池的溢流、建筑污水井的污水不能排放等還是經(jīng)常出現(xiàn)并難以處理的問題。因此及早發(fā)現(xiàn)并有效地對控制對象進行實時監(jiān)控應(yīng)該是智能管理系統(tǒng)的重要內(nèi)容之一。目前，城市樓頂蓄水池和農(nóng)村居民自建房頂蓄水箱的水位監(jiān)測仍然采用傳統(tǒng)的方法，這些方法早已不能滿足需求。為了及時掌握水位情況．在監(jiān)控中心建立一套高樓供水水位遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的，它可以進行大范圍多點監(jiān)控，以實現(xiàn)對水位動態(tài)參數(shù)的同步、快速、準(zhǔn)確的觀測。

2 系統(tǒng)的基本工作原理與構(gòu)成
    本監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是對水箱水位的控制及監(jiān)測。具有自動檢測水泵入水口水源狀況和蓄水箱水位狀況的功能。前者是為了保證水泵電動機的安全運行。后者是在水泵工作時防止發(fā)生蓄水箱缺水和溢水。此系統(tǒng)一般在無人值守情況下工作，所以單片機必須能自動對水箱水位進行采樣，對水位輸入信號進行分析．并與設(shè)置好的水位參數(shù)進行比較，控制電機水泵的開啟和停機．實現(xiàn)水位的調(diào)節(jié)。用水量在不同季節(jié)有很大的變化．改變水位參數(shù)可更好地滿足供水需求。另外。將水位動態(tài)參數(shù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送到中心控制室?；谝陨弦?，此系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3  硬件電路的設(shè)計
    本監(jiān)控系統(tǒng)可靠性高，適應(yīng)長期室外水浸的惡劣環(huán)境，水位信號檢測裝置等不易銹蝕。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、故障率低、造價低、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、大小適中．安裝時不需特殊設(shè)備和工具。發(fā)射部分的硬件電路采用20mA電流環(huán)驅(qū)動方式，如圖2所示。

    單片機2與無線發(fā)射模塊采用串口通信．而普遍采用的MCS51和PIC系列單片機通常只有1個(或沒有)UART異步串行通信接口，通常的方法是擴展1個8251或8250通用同步，異步接收發(fā)送電路(US-ART)。需額外占用單片機的I／O資源。下面也將介紹一種用單片機普通：I／O口實現(xiàn)串行通信的方法。接收電路較簡單，水位信息可在點陣陣列中簡單顯示。也可在PC上顯示。

3．1 20mA電流環(huán)通信原理
    20mA電流環(huán)是一種非正式的串行通信標(biāo)準(zhǔn)。它以20mA電流流過通信環(huán)路表示數(shù)據(jù)信號的傳遞(邏輯1)，無電流為空號(邏輯0)，在接收端由光電耦合器件將電流還原為微機可以讀的電平信號。

3．2 普通I／O口實現(xiàn)串行通信
    由于電流環(huán)方式是通過環(huán)路中電流的有無來表示邏輯值“1”和“O”，而不是用電平的高低表示邏輯值，加上在收發(fā)二端采用光電隔離技術(shù)，因此與電平方式相比，具有明顯的優(yōu)點：信號不易衰減、抗干擾能力強、傳輸速率高、傳輸距離可達幾千米。其中一組的電路如圖3所示。

    在圖3中．主機89C2051的P3．1為串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送端，P3．0為接收端；從機89C2051的P1．4為模擬發(fā)送端，P1．5為模擬接收端。

    在工業(yè)檢測中，檢測信號受外界各種干擾較大．特別是電平信號，受通信線路產(chǎn)生的電、磁干擾及線路本身的分布電容的影響特別大。在本電路中由單片機來的電平信號通過TILll7型光電耦合器變換為20mA電流信號，電流信號經(jīng)過長線傳輸?shù)竭_接收端后，將其重新轉(zhuǎn)換為電平信號。在這一過程中．光電耦合器有利于隔離長線傳輸中信號所受到的干擾。因為光電耦合器使輸入與輸出隔離，從而避免共地環(huán)路，消除和抑制了各類干擾信號；再有．噪聲的輸出阻抗較大，即使電平很高的噪聲，其電流也很小，不足以使二極管發(fā)光，因此，光電耦合器件只傳輸了有效信號，隔離了噪聲。同時，由于光電耦合器件具有單向傳輸性，使輸出端信號和干擾信號不會反饋到輸入端。本電路采用的是MO—TOROLA公司的TILll7型普通光電耦合器，采用這種光電耦合器，實際通信速率可以達到9600b／s。光電耦合器必須使用二組獨立電源，方能起到隔離、抗干擾的作用。

4  接口程序設(shè)計
    在軟件設(shè)計中，主要采用普通1/O口模擬串口進行異步串口通信。若主機發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式為N．8．1，發(fā)送時，先判斷P3．0是否有從機接收數(shù)據(jù)完畢后的高電平，如有，則開始發(fā)送：先發(fā)送1個起始位(低電平)，接著按低位在先的順序發(fā)送8位數(shù)據(jù)，最后發(fā)送停止位。從機接收數(shù)據(jù)時，先判斷P1．5是否有起始低電平．如有，則按低位在先的順序接收8位數(shù)，最后判斷P1．5是否有停止高電平，如有，則完成1個數(shù)據(jù)的接收，否則繼續(xù)等待。然后置P1．4為高電平，通知主機接收數(shù)據(jù)完畢，可再發(fā)下1個數(shù)據(jù)。其中軟件的編寫嚴(yán)格按照異步通信的時序進行，每位傳送時間間隔按通信速率1 200bit／s計算為833μs。模擬串行通信的單字節(jié)部分參考程序如下所示：

甲機發(fā)送數(shù)據(jù)程序：

5 結(jié)束語

    本檢測系統(tǒng)可以進行大范圍多點監(jiān)控，實現(xiàn)了對多點水位動態(tài)參數(shù)的同步、快速、準(zhǔn)確的觀測。利用配備的打印/通信接口，還可以設(shè)定打印時間，把檢測結(jié)果自動列表打印或送至計算機。結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，抗干擾能力強，測量精度高，性能穩(wěn)定，不需要專門維護保養(yǎng)。