基于電流環(huán)的水位遠程自動(dòng)監測系統的研制

摘 要：介紹一種采用20mA電流環(huán)驅動(dòng)方式的高樓供水水位遠程自動(dòng)監測系統．此系統能進(jìn)行遠距離、高速度通信，并且有較強的現場(chǎng)抗干擾和噪聲抑制能力。通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據傳輸的方式向中心發(fā)送水位信息。實(shí)現了水位監測的實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)數據傳輸；自動(dòng)監測；電流環(huán)；串行通信

1 引言
隨著(zhù)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(lái)越高。水池的溢流、建筑污水井的污水不能排放等還是經(jīng)常出現并難以處理的問(wèn)題。因此及早發(fā)現并有效地對控制對象進(jìn)行實(shí)時(shí)監控應該是智能管理系統的重要內容之一。目前，城市樓頂蓄水池和農村居民自建房頂蓄水箱的水位監測仍然采用傳統的方法，這些方法早已不能滿(mǎn)足需求。為了及時(shí)掌握水位情況．在監控中心建立一套高樓供水水位遠程自動(dòng)監測系統是非常必要的，它可以進(jìn)行大范圍多點(diǎn)監控，以實(shí)現對水位動(dòng)態(tài)參數的同步、快速、準確的觀(guān)測。

2 系統的基本工作原理與構成
本監控系統的主要功能是對水箱水位的控制及監測。具有自動(dòng)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(dòng)機的安全運行。后者是在水泵工作時(shí)防止發(fā)生蓄水箱缺水和溢水。此系統一般在無(wú)人值守情況下工作，所以單片機必須能自動(dòng)對水箱水位進(jìn)行采樣，對水位輸入信號進(jìn)行分析．并與設置好的水位參數進(jìn)行比較，控制電機水泵的開(kāi)啟和停機．實(shí)現水位的調節。用水量在不同季節有很大的變化．改變水位參數可更好地滿(mǎn)足供水需求。另外。將水位動(dòng)態(tài)參數通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊發(fā)送到中心控制室。基于以上要求，此系統的主體結構如圖1所示。

3 硬件電路的設計
本監控系統可靠性高，適應長(cháng)期室外水浸的惡劣環(huán)境，水位信號檢測裝置等不易銹蝕。系統工作穩定、可靠、故障率低、造價(jià)低、結構簡(jiǎn)單、緊湊、大小適中．安裝時(shí)不需特殊設備和工具。發(fā)射部分的硬件電路采用20mA電流環(huán)驅動(dòng)方式，如圖2所示。

單片機2與無(wú)線(xiàn)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(gè)(或沒(méi)有)UART異步串行通信接口，通常的方法是擴展1個(gè)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(shí)現串行通信的方法。接收電路較簡(jiǎn)單，水位信息可在點(diǎn)陣陣列中簡(jiǎn)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準。它以20mA電流流過(guò)通信環(huán)路表示數據信號的傳遞(邏輯1)，無(wú)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(shí)現串行通信
由于電流環(huán)方式是通過(guò)環(huán)路中電流的有無(wú)來(lái)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(diǎn)：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為串行通信的數據發(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(xiàn)路產(chǎn)生的電、磁干擾及線(xiàn)路本身的分布電容的影響特別大。在本電路中由單片機來(lái)的電平信號通過(guò)TILll7型光電耦合器變換為20mA電流信號，電流信號經(jīng)過(guò)長(cháng)線(xiàn)傳輸到達接收端后，將其重新轉換為電平信號。在這一過(guò)程中．光電耦合器有利于隔離長(cháng)線(xiàn)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(lèi)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(shí)，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(huì )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(shí)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 接口程序設計
在軟件設計中，主要采用普通1/O口模擬串口進(jìn)行異步串口通信。若主機發(fā)送數據的幀格式為N．8．1，發(fā)送時(shí)，先判斷P3．0是否有從機接收數據完畢后的高電平，如有，則開(kāi)始發(fā)送：先發(fā)送1個(gè)起始位(低電平)，接著(zhù)按低位在先的順序發(fā)送8位數據，最后發(fā)送停止位。從機接收數據時(shí)，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，最后判斷P1．5是否有停止高電平，如有，則完成1個(gè)數據的接收，否則繼續等待。然后置P1．4為高電平，通知主機接收數據完畢，可再發(fā)下1個(gè)數據。其中軟件的編寫(xiě)嚴格按照異步通信的時(shí)序進(jìn)行，每位傳送時(shí)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部分參考程序如下所示：

甲機發(fā)送數據程序：

5 結束語(yǔ)

本檢測系統可以進(jìn)行大范圍多點(diǎn)監控，實(shí)現了對多點(diǎn)水位動(dòng)態(tài)參數的同步、快速、準確的觀(guān)測。利用配備的打印/通信接口，還可以設定打印時(shí)間，把檢測結果自動(dòng)列表打印或送至計算機。結構簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，抗干擾能力強，測量精度高，性能穩定，不需要專(zhuān)門(mén)維護保養。