基于89C2051单片机和20mA电流环实现水位远程监测系统的设计

1、引言

随着生活水平的不断提高，人们追求舒适、便利的居住环境的要求越来越高。水池的溢流、建筑污水井的污水不能排放等还是经常出现并难以处理的问题。因此及早发现并有效地对控制对象进行实时监控应该是智能管理系统的重要内容之一。目前，城市楼顶蓄水池和农村居民自建房顶蓄水箱的水位监测仍然采用传统的方法，这些方法早已不能满足需求。为了及时掌握水位情况．在监控中心建立一套高楼供水水位远程自动监测系统是非常必要的，它可以进行大范围多点监控，以实现对水位动态参数的同步、快速、准确的观测。

2、系统的基本工作原理与构成

本监控系统的主要功能是对水箱水位的控制及监测。具有自动检测水泵入水口水源状况和蓄水箱水位状况的功能。前者是为了保证水泵电动机的安全运行。后者是在水泵工作时防止发生蓄水箱缺水和溢水。此系统一般在无人值守情况下工作，所以单片机必须能自动对水箱水位进行采样，对水位输入信号进行分析．并与设置好的水位参数进行比较，控制电机水泵的开启和停机．实现水位的调节。用水量在不同季节有很大的变化．改变水位参数可更好地满足供水需求。另外。将水位动态参数通过无线数据传输模块发送到中心控制室。基于以上要求，此系统的主体结构如图1所示。

3、硬件电路的设计

本监控系统可靠性高，适应长期室外水浸的恶劣环境，水位信号检测装置等不易锈蚀。系统工作稳定、可靠、故障率低、造价低、结构简单、紧凑、大小适中．安装时不需特殊设备和工具。发射部分的硬件电路采用20mA电流环驱动方式，如图2所示。

单片机2与无线发射模块采用串口通信．而普遍采用的MCS51和PIC系列单片机通常只有1个（或没有）UART异步串行通信接口，通常的方法是扩展1个8251或8250通用同步，异步接收发送电路（US-ART）。需额外占用单片机的I／O资源。下面也将介绍一种用单片机普通：I／O口实现串行通信的方法。接收电路较简单，水位信息可在点阵阵列中简单显示。也可在PC上显示。

3．1 20mA电流环通信原理

20mA电流环是一种非正式的串行通信标准。它以20mA电流流过通信环路表示数据信号的传递（逻辑1），无电流为空号（逻辑0），在接收端由光电耦合器件将电流还原为微机可以读的电平信号。

3．2 普通I／O口实现串行通信

由于电流环方式是通过环路中电流的有无来表示逻辑值“1”和“O”，而不是用电平的高低表示逻辑值，加上在收发二端采用光电隔离技术，因此与电平方式相比，具有明显的优点：信号不易衰减、抗干扰能力强、传输速率高、传输距离可达几千米。其中一组的电路如图3所示。

在图3中．主机89C2051的P3．1为串行通信的数据发送端，P3．0为接收端；从机89C2051的P1．4为模拟发送端，P1．5为模拟接收端。

在工业检测中，检测信号受外界各种干扰较大．特别是电平信号，受通信线路产生的电、磁干扰及线路本身的分布电容的影响特别大。在本电路中由单片机来的电平信号通过TILll7型光电耦合器变换为20mA电流信号，电流信号经过长线传输到达接收端后，将其重新转换为电平信号。在这一过程中．光电耦合器有利于隔离长线传输中信号所受到的干扰。因为光电耦合器使输入与输出隔离，从而避免共地环路，消除和抑制了各类干扰信号；再有．噪声的输出阻抗较大，即使电平很高的噪声，其电流也很小，不足以使二极管发光，因此，光电耦合器件只传输了有效信号，隔离了噪声。同时，由于光电耦合器件具有单向传输性，使输出端信号和干扰信号不会反馈到输入端。本电路采用的是MO—TOROLA公司的TILll7型普通光电耦合器，采用这种光电耦合器，实际通信速率可以达到9600b／s。光电耦合器必须使用二组独立电源，方能起到隔离、抗干扰的作用。

4、接口程序设计

在软件设计中，主要采用普通1/O口模拟串口进行异步串口通信。若主机发送数据的帧格式为N．8．1，发送时，先判断P3．0是否有从机接收数据完毕后的高电平，如有，则开始发送：先发送1个起始位（低电平），接着按低位在先的顺序发送8位数据，最后发送停止位。从机接收数据时，先判断P1．5是否有起始低电平．如有，则按低位在先的顺序接收8位数，最后判断P1．5是否有停止高电平，如有，则完成1个数据的接收，否则继续等待。然后置P1．4为高电平，通知主机接收数据完毕，可再发下1个数据。其中软件的编写严格按照异步通信的时序进行，每位传送时间间隔按通信速率1 200bit／s计算为833μs。模拟串行通信的单字节部分参考程序如下所示：

甲机发送数据程序：