基于MSP430单片机的智能水位计设计

  摘要：为解决我国水位监测野外条件下长期无人看守的问题，研制开发了基于MSP430单片机的智能水位计。从其组成到各功能分别进行了详细的介绍，该智能水位计不仅实现了水位数据的实时监测、记录和定期采集等作模式多种工，而且提高了水位监测精度，实现了水位监测的智能化。
关键词：MSP430单片机；水位监测；远程控制；智能仪器

    随着微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展。智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。水位监测广泛应用于水利、电力、城市供水、防洪等多领域，但是目前的水位观测方法精度不高，不能全自动、实时动态监测，因此，在综合研究目前水位监测的实际情况以及特点的基础上，利用现代电子技术，特别是单片机技术和传感器技术，设计开发一种通用性好、可靠性高、维护方便，可适用于多种监测环境的多模式智能水位计具有重要的实际意义。

1 智能水位计系统组成
    该智能水位计以单片机为核心，由主控系统、水位采集模块、数据保存模块、控制显示模块与上位机通信模块组成，完成水位测量、存储、控制与实时显示等功能。也可作为终端，通过单片机的串口与上位机通信，实现终端遥控和水位遥测。组成框图如图1所示。

    主控系统对各个模块起到控制作用，是各个模块正常工作的基础，主要由单片机完成。
    水位信息采集模块是水位计的核心部分，采集到的水位信息的精度是衡量水位计质量的重要参数。由传感器、模数转换，单片机完成。数据存储模块由外部非易失存储器和单片机完成，水位计定时采集水位信息，并保存在外存上。记录可通过液晶屏读出。
    控制与显示模块由键盘和液晶屏完成，提供人机接口。
    与上位机通信部分是智能仪表的必要条件，主要由MAX3485和MSP430单片机的串口部分实现。

2 各模块功能实现
2．1 主控系统
    主控系统对各个模块的供电、使能，工作等起到控制作用，是各个模块正常工作的基础，主要由MSP430单片机完成。
    相比于MCS和PIC等系列，MSP430系列单片机是超低功耗、功能强大的16位单片机。本系统选用的是MSP430F435，工作电压范围1．8～3．6 V；5种节电模式，每1 MHz功耗电流0．1～400 μA，同时能够在实现液晶显示的情况下只耗电0．8μA。此外MSP430单片机片上资源丰富，集成度高，能够满足智能遥测终端机对体积功耗的需求。
2．2 数据采集模块
    水位信息采集模块是水位计的核心部分，采集到的水位信息的精度是衡量水位计质量的重要参数。水位采集模块主要由ADS1110和传感器完成。ADS1110是一种精密、可连续自校准的串行A／D转换器，带有差分输入和高达16位的分辨率，测量的电压误差为0．001 V，精度高。其串行接口为I2C总线。单片机可通过软件模拟I2C总线实现与ADS1110的连接。具体方法是将单片机的I／O接口连接至I2C的数据线SDA和时钟线SCL。通过软件控制时钟和数据的传输。水位采集流程如图2所示。

2．3 数据保存模块
    水位数据保存模块及复位电路都通过X4043实现。X4043也采用I2C接口，SDA，SCL连接方法与ADS1110相同。
    水位计每小时记录一次，缓冲区可保留一天24次的记录信息，新的信息覆盖旧的信息。每条记录由水位值和采样的时间组成。
    水位信息保存程序流程图如图3所示。

    保存数据时，先保存水位值，再依次保存时间。确定保存地址时，用最初的地址加上偏移量。偏移量为数据长度乘以个数。
    在定时器中断中，每个整点时间，定时器都会把保存数据的标志变量置有效。在主循环中判断，如果标志位有效，就调用保存水位信息的函数。

2．4 控制与显示模块
    控制与显示模块由键盘，液晶屏LCD12232和SD2300完成，提供人机接口。键盘可设置水位计参数，安装高度，误差，量程等，当有键按下时水位计显示相应菜单。不在设置状态时，水位计终端显示主界面：上行显示当前水位，下行显示实时时间。智能水位计在启动时读取SD 2300时间，再通过定时器中断保证时间的更新。
2．5 与上位机通信模块
    工作时，在一条总线上可挂接一个上位机和多个水位计实现多点的水位采集，如图4所示。水位计与上位机通过单片机的串口通信，上位机能够获得水位计实时水位数据实现遥测，可以为流域的水雨情测报、预报、报汛及水库大坝分洪泻洪、抵抗自然灾害、水资源的管理和调度提供快速准确的分析数据和科学决策依据，同时上位机也能够获取和修改水位计工作参数实现遥控，无需专人值守。

    智能水位计中使用MAX3485和单片机串口实现这一功能，协议采用MODBUS协议。
    数据包收发程序放在单片机中断服务程序中，接收完成后把标志位置有效，在主循环中不断扫描标志位，发现标志位有效，会调用数据包处理函数。水位计协议包格式如表1所示。

    功能码主要有：
    功能码0x03：Read Holding Registers读取寄存器数据(系统时间或配置)。功能码0x04：Read Input Register读输入寄存器(遥测)。功能码0x10：Write Multiple Registers写多个寄存器(系统时间、参数)。
    工作模式共有3种：实时，分时，变幅上报。
    在实时模式下，水位计时刻打开串口电源，准备接收上位机信息，作出处理。
    分时模式下，只有在定时时间到的时候打开串口电源，等待上位机信息。
    变幅模式下，当水位计采集到的水位值和前一次的差的绝对值大于一个阈值时再打开串口电源。
    由于整个网络采用总线型拓扑结构，且没有冲突退避算法，所以与上位机通信时采用应答方式。不论水位计工作在实时、分时，还是变幅模式下，只有接收到上位机信息时才返回数据包。

3 结束语
    该水位计在工作时可以灵活配接浮子式水位计或压力式水位计等水位传感器，能够灵活适应测量库水位、电厂拦污栅压差、河流等变化缓慢或剧烈的水位的需要，适应不同的监测环境，适用于无电源场合。水位采集站工作模式可灵活编程设定，通用性好，可靠性高，维护方便，是一种可适用于多种监测环境的多模式水位自动监测系统。