基于RS-485通信的溫度水位遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)

摘要：為滿足太陽能熱水工程遠(yuǎn)距離測(cè)控的需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)控制的溫度和水位遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的主機(jī)和從機(jī)均以ATmega16為控制器，二者通過RS-485通信，距離可以超過1 km。用NTC熱敏電阻作測(cè)溫元件，使用單片機(jī)內(nèi)置的10位A／D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)多路溫度的測(cè)量。通過非對(duì)稱式多諧振蕩器電路把水位轉(zhuǎn)換為振蕩頻率，再用計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率來實(shí)現(xiàn)水位的測(cè)量。給出了主機(jī)和從機(jī)的完整電路及功能，較詳細(xì)地介紹了水位和溫度的測(cè)量電路以及傳感器參數(shù)。
關(guān)鍵詞：RS-485；ATmega16；水位；溫度；遠(yuǎn)程

    目前，與太陽能集熱熱水工程配套的控制器基本上都是單機(jī)工作，需要安裝在離太陽能熱水工程現(xiàn)場(chǎng)較近的位置，而太陽能熱水工程一般是安裝在工廠、賓館和居民樓的樓頂上，因此管理人員必須爬上樓頂才能完成信息查看和功能操作，管理和操作十分便。為滿足太陽能熱水工程遠(yuǎn)距離測(cè)控的需求，本設(shè)計(jì)采用ATmega16單片機(jī)，利用RS-485通信技術(shù)、NTC熱敏傳感器和多諧振蕩器測(cè)量水位方法，研制開發(fā)了溫度水位遠(yuǎn)距離測(cè)控系統(tǒng)，解決了太陽能熱水工程需要遠(yuǎn)距離測(cè)控的問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
    遠(yuǎn)距離溫度和水位測(cè)控系統(tǒng)用于選擇功能，設(shè)置參數(shù)，測(cè)量和顯示太陽能熱水工程儲(chǔ)水箱中的水溫和水位、集熱器的溫度、溫差循環(huán)管道溫度和出水溫度，控制上水、溫差循環(huán)換能、輔助電加熱、管道防凍等。系統(tǒng)主要由主機(jī)、從機(jī)、溫度和水位傳感器及電氣控制部分組成，遠(yuǎn)程溫度和水位測(cè)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主機(jī)以ATmega16單片機(jī)為控制芯片，通過RS-485與從機(jī)通信，完成基本功能設(shè)置，用LCD顯示工作狀態(tài)、水位、多路溫度等數(shù)據(jù)，并把設(shè)置的參數(shù)和控制信息傳送給從機(jī)。從機(jī)也是以ATmega16為控制芯片，主要負(fù)責(zé)完成水位、溫度等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和電氣控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    ATmega16單片機(jī)內(nèi)置10位A／D模塊，可直接實(shí)現(xiàn)多達(dá)8個(gè)通道模擬信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換輸入，有兩個(gè)8位和一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，帶有512的E2PROM，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)掉電保護(hù)，ATmega16還帶有串行接口，可以接485轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)RS-485通信。
2．1 主機(jī)電路
    主機(jī)的主要功能是接收從機(jī)采集的儲(chǔ)水箱水位、4路溫度數(shù)據(jù)、在128x64的液晶上顯示水位、溫度和工作狀態(tài)。主機(jī)的另外一個(gè)功能是完成參數(shù)的設(shè)置，然后把設(shè)置的參數(shù)發(fā)送給從機(jī)。圖2是主機(jī)的電路圖，其主要由RS-485通信、鍵盤輸入和LCD顯示等幾個(gè)部分組成。

2．1．1 RS-485通信
    RS-485總線通信模式由于具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于樓宇控制、監(jiān)控報(bào)警等領(lǐng)域。但RS-485總線存在自適應(yīng)、自保護(hù)功能差等缺點(diǎn)，如一些細(xì)節(jié)處理不好，常會(huì)出現(xiàn)通信失敗等故障，因此提高RS-485總線的可靠性十分重要。在該電路中使用的接口芯片MAX485是Maxim公司的一種RS-485芯片，采用單+5 V電源工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式，它的結(jié)構(gòu)和引腳簡單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別是接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可。RE和DE端分別是接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)，當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳PD2控制這兩個(gè)引腳即可。A端和B端分別是接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1，當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻R9，一般可選120 Ω的電阻。在圖2中使用四位一體的光電耦合器TLP521讓單片機(jī)與MAX485之間實(shí)現(xiàn)了完全的電隔離，消除了相互干擾，提高了電路的可靠性。
2．1．2 鍵盤輸入和輸出顯示電路
    液晶顯示選用的OCM128x64是128x64點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖形，可顯示四行漢字，滿足本設(shè)計(jì)的要求，可與單片機(jī)直接接口，具有8位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線、6條控制線及電源線。鍵盤輸入和顯示輸出電路如圖2中所示，LCD與單片機(jī)的連接使用數(shù)據(jù)串行輸入方法，數(shù)據(jù)通過PA7和LCD串行輸入端輸入，PA4、PA5為片選信號(hào)，PA6為讀寫使能信號(hào)。輸入按鍵為8個(gè)，用2x4鍵盤接PC0～PC5實(shí)現(xiàn)。
2．2 從機(jī)電路
    從機(jī)的主要功能是完成一路水位和四路溫度的測(cè)量，并通過RS-485通信將這些數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)，接收主機(jī)發(fā)送來的參數(shù)和控制信息，通過繼電器組控制上水、溫差循環(huán)、輔助電加熱、管道防凍和恒溫供水等。從機(jī)電路如圖3所示。

2．2．1 水位測(cè)量
    先用非對(duì)稱式多諧振蕩器電路把水位傳感器的阻值大小轉(zhuǎn)換為振蕩信號(hào)的頻率，再用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器測(cè)量信號(hào)的頻率來測(cè)量水位。如圖4所示，非對(duì)稱式多諧振蕩器電路由74HC04、C1、R5～R7和水位傳感器的電阻Rw組成。該振蕩器的振蕩頻率為f=1／[2．2(R5+R6+Rw)C1]?？蛇x用四個(gè)電阻相串聯(lián)，在電阻引線處引出5個(gè)水位探測(cè)電極，作為4水位測(cè)量傳感器。由于水有導(dǎo)電性，水位的變化引起水位探測(cè)電極間的短路，改變水位傳感器的電阻Rw的阻值，使振蕩頻率f發(fā)生變化。該振蕩信號(hào)經(jīng)非門隔離后接單片機(jī)的引腳PB1，由Tmega16片內(nèi)16位計(jì)數(shù)器T1對(duì)振蕩信號(hào)的頻率f計(jì)數(shù)來測(cè)量水位高低。通過大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)上述多諧振蕩器電路和參數(shù)，當(dāng)選用阻值分別為30、10、10、10 kΩ的4個(gè)電阻串聯(lián)組成測(cè)量水位傳感器時(shí)，振蕩信號(hào)的頻率f的值在60～415 Hz之間，用于水位測(cè)量，效果很好。

2．2．2 溫度測(cè)量
    四路測(cè)溫電路完全相同，選用NTC熱敏電阻器測(cè)溫傳感器，每一路都是用一個(gè)阻值固定的電阻(如R1)與一個(gè)熱敏電阻(如RT1)串聯(lián)，對(duì)5 V電源電壓分壓，利用熱敏電阻上的壓降隨溫度變化而變化實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。在圖4中，四個(gè)熱敏電阻RT1～RT4上的電壓分別接到引腳AD0～AD3上。通過ATmega16內(nèi)置的多通道10位A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后由程序讀取，分別用于測(cè)量儲(chǔ)水箱水溫、集熱器溫度、溫差循環(huán)管道溫度和供水溫度。NTC熱敏電阻具有電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，體積小，響應(yīng)速度快，能進(jìn)行精密溫度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是熱電特性非線性現(xiàn)象嚴(yán)重。如使用TG408503(25℃時(shí)，阻值50kΩ，B值4050K，玻璃封裝)NTC熱敏電阻，在0～99℃范圍內(nèi)，電阻的靈敏度約為8500～100Ω／℃。因此使用時(shí)一般要進(jìn)行線性補(bǔ)償。通過計(jì)算和分析，在RT1～RT4選用玻璃封裝。精度為50 kΩ±0．5％，B值為4 050K±1％的NTC熱敏電阻，電阻R1～R4選用精度為20 kΩ±0．5％的金屬膜電阻時(shí)，測(cè)溫精度可達(dá)±1℃。
2．2．3 控制電路
    從機(jī)通過PB0、PB2～PB4控制4路繼電器，分別用來控制溫差循環(huán)泵、輔助電加熱、防凍電伴熱帶、上水電磁閥等。如在主機(jī)按“上水”鍵，主機(jī)將把信號(hào)發(fā)給從機(jī)，從機(jī)再將PB4置高，啟動(dòng)手動(dòng)上水，再次按“上水”鍵，程序使PB4輸出低電平口，手動(dòng)關(guān)閉上水。其它功能和“上水”，基本相同。在PB0、PB2～PB4與繼電器之間加入光電耦合器TLP521，用于隔離繼電器的干擾。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    測(cè)控系統(tǒng)的程序用C語言編寫，程序并不復(fù)雜，主要包含有LCD顯示，RS-485通信，行列鍵盤輸入，A／D數(shù)據(jù)處理，繼電器控制等幾個(gè)程序模塊。在該設(shè)計(jì)中雖然只是雙機(jī)通信，但是為了將來擴(kuò)展的需要，通信采用輪詢方式。首先主機(jī)發(fā)送指令，從機(jī)接收指令，根據(jù)指令，判斷執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。指令總共3種，所以用兩位二值代碼，代碼有：00為查詢，01為設(shè)置參數(shù)，02為手動(dòng)指令傳輸。485通信流程如下：主機(jī)隔
50 ms發(fā)查詢幀一>從機(jī)返回傳感器數(shù)值數(shù)據(jù)幀；設(shè)置參數(shù)、狀態(tài)等：主機(jī)發(fā)設(shè)置參數(shù)幀，啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)20 ms一>從機(jī)返回設(shè)置確認(rèn)幀；若在定時(shí)時(shí)間內(nèi)沒有收到從機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)，則重新發(fā)送，一直等到從機(jī)返回正確數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論
    太陽能集熱熱水工程現(xiàn)已大量安裝于工廠、賓館、居民樓等需要提供大量熱水的場(chǎng)所，與其配套使用的控制系統(tǒng)是不可缺少的部分。本系統(tǒng)以ATmega16為控制芯片，使用RS-485通信，主機(jī)和從機(jī)之間通信距離可達(dá)1 km以上。系統(tǒng)采用NTC熱敏電阻和A／D轉(zhuǎn)換測(cè)溫的方案，電路簡單，能滿足太陽能集熱熱水工程中多路測(cè)溫的精度要求。用非對(duì)稱多諧振蕩器電路測(cè)量水位的辦法，水位傳感器制作容易，成本低，可以實(shí)現(xiàn)水位的可靠測(cè)量。本系統(tǒng)功能實(shí)用，人機(jī)對(duì)話界面直觀，操作簡便，測(cè)控可靠，較好地解決了太陽能熱水工程或其它一些場(chǎng)合對(duì)水位、溫度的遠(yuǎn)距離測(cè)控的問題。