基于單片機(jī)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：提出了一種基于單片機(jī)的水質(zhì)監(jiān)測儀系統(tǒng)，系統(tǒng)與上位機(jī)采用Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。介紹了基本的功能模塊的電路設(shè)計，并給出了軟件程序流程圖。實際應(yīng)用表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功耗低，有一定的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：Modbus；單片機(jī)；水質(zhì)監(jiān)測；RS485

    水質(zhì)監(jiān)測是水資源管理與保護(hù)的重要基礎(chǔ)，液體的含氧量、溫度、酸堿度、電導(dǎo)率等特性參數(shù)可以反映液體的許多物理、化學(xué)特性，因此測量液體的特性參數(shù)可以有效地監(jiān)測水質(zhì)，具有重要的現(xiàn)實意義。本文設(shè)計了一種結(jié)合單片機(jī)與RS485總線的多點水質(zhì)檢測系統(tǒng)，理論上在上位機(jī)(PC機(jī)或者觸摸屏)可以監(jiān)測255點的水質(zhì)情況，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    監(jiān)測系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，系統(tǒng)主要包括單片機(jī)模塊、電源模塊、時鐘模塊、傳感器模塊、RS485接口模塊以及鍵盤／顯示模塊等。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)工作過程如下：傳感器模塊定時采集水質(zhì)參數(shù)，然后存入存儲器并且在顯示模塊顯示，在特定的控制信號作用下，通過RS485接口上傳到上位機(jī)，完成水質(zhì)監(jiān)測。作為控制核心的單片機(jī)選擇C8051F040，該芯片是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有與MCS-51指令集完全兼容的內(nèi)核，在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，有利于簡化電路設(shè)計。

1．1 電源模塊
    系統(tǒng)的輸入電壓是直流5 V，由外部提供，由于C8051F040需要3．3 V的電源供電，考慮到系統(tǒng)的功耗較低。電流不大，所以可以通過電源轉(zhuǎn)換芯片SPX1117將+5 V轉(zhuǎn)換為3．3 V，電路如圖3所示。電源的濾波電路由電容、電感和電阻構(gòu)成，在制版的時候需要將它們盡可能地靠近芯片。

1．2 傳感器模塊
    傳感器模塊就是利用各種傳感器測量水質(zhì)參數(shù)，由于系統(tǒng)采用的是多機(jī)通信，為了簡化數(shù)據(jù)通信要求，提高通信的可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計中將測量的水質(zhì)參數(shù)首先存儲到雙口RAM DS1609。DS1609是具有256字節(jié)的雙端口隨機(jī)存取存儲器，它在一個存儲器器件上連接了兩個可異步操作的地址總線數(shù)據(jù)總線，兩個端口都有各自獨(dú)立的RAM控制信號，可以無限制地訪問所有256字節(jié)的存儲單元。DS1609與C8051F040接口如圖4所示。

1．3 RS485接口模塊
    本系統(tǒng)通信采用RS485總線技術(shù)，接口電路采用MAX483E作為收發(fā)器。MAX483E采用單一的5 V電源供電，是適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下RS485通信的低功率收發(fā)器，它包括一個驅(qū)動器和一個接受器。每一個驅(qū)動器輸出和接受器輸入都具有保護(hù)，能抗15 kV靜電放電，在高達(dá)250 kbps速率下可實現(xiàn)無誤差的數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2．1 Modbus通信協(xié)議
    設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)通信方式是采用RS-485總線的Modbus協(xié)議。Modbus是一種串行通信協(xié)議，此協(xié)議定義了一個消息結(jié)構(gòu)。在應(yīng)用層上，Modbus是一個請求／應(yīng)答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務(wù)。Modbus分為兩種傳輸模式，ASCII和RTU模式。Modbus協(xié)議在一個網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備，都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信模式采用RTU模式。
2．2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程
    上電后，上位機(jī)主動發(fā)送握手幀給下位機(jī)。如果連接正確，上位機(jī)會收到下位機(jī)的握手應(yīng)答幀，收到后進(jìn)入正常的通訊模式。如果收不到或者出錯，上位機(jī)在連續(xù)發(fā)送10次后產(chǎn)生報警信息，說明通信出故障了。在正常的通信模式，上位機(jī)根據(jù)地址依次查詢各監(jiān)測機(jī)的狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測機(jī)處于聯(lián)機(jī)狀態(tài)時，則發(fā)送操作指令，否則轉(zhuǎn)去查詢下一臺監(jiān)測機(jī)的聯(lián)機(jī)狀態(tài)。在監(jiān)測系統(tǒng)平臺上，軟件流程圖如圖5所示。

2．3 監(jiān)測系統(tǒng)地址確認(rèn)
    主從機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信之前，需要進(jìn)行地址確認(rèn)，目的就是讓上位機(jī)知道采集的水質(zhì)參數(shù)來自哪一個監(jiān)測系統(tǒng)。
    上位機(jī)首先發(fā)送地址編號到所有監(jiān)測系統(tǒng)，各監(jiān)測系統(tǒng)核對地址，若地址不匹配，就繼續(xù)等待上位機(jī)的呼叫，若地址匹配，則向上位機(jī)發(fā)送應(yīng)答地址。

3 結(jié)束語
    本文結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和RS485總線技術(shù)實現(xiàn)了對多點水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，在實驗調(diào)試中驗證了本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和通信的可靠性。本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實用性和可擴(kuò)展性，而且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，功耗較低，易于實現(xiàn)，具有一定的應(yīng)用價值。