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基于ATmega16的多路水文參數(shù)采集及無線傳輸系統(tǒng)

作者:中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室 盧長曉 時間:2008-12-24 來源:世界電子元器件 收藏

引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/90451.htm

  為適應(yīng)防汛和水利調(diào)度的現(xiàn)代化、信息化要求,水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)進入了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化階段。在許多重點水域(重點河流、湖泊、水庫、水利工程等),往往需要監(jiān)測多個水文數(shù)據(jù)才能滿足實際需求,包括流速、水位、水質(zhì)、流量、溫度、降水量等。這就為多路數(shù)據(jù)采集提出了應(yīng)用需求。另外,大壩上下、河流交匯處、汛情多發(fā)地段、引水隧洞等不同地段水文參數(shù)往往也各不相同,這就需要進行多點組網(wǎng)實時數(shù)據(jù)采集和傳輸。為此設(shè)計了一套數(shù)據(jù)采集和無線傳輸系統(tǒng)。

系統(tǒng)總體設(shè)計

  該系統(tǒng)由若干個監(jiān)測點組成無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),如圖1a所示。監(jiān)控中心向各監(jiān)測點發(fā)出的各項指令由無線電臺發(fā)送出去,各監(jiān)測點在接收到指令后先進行身份識別,當確認本身被選中時便開始執(zhí)行相應(yīng)的指令,在執(zhí)行完指令后,通過無線電臺把采集到的數(shù)據(jù)返回監(jiān)控中心。其他沒被選中的監(jiān)測點則處于監(jiān)聽狀態(tài)。圖1b為各監(jiān)測點的原理框圖。各監(jiān)測點子系統(tǒng)由3路傳感器(水位、雨量、流量)、單片機、RS-485接口電路和無線數(shù)傳電臺組成。3路傳感器輸出的信號經(jīng)信號調(diào)理電路送入單片機,它利用內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器采集3路傳感器的數(shù)據(jù),將其經(jīng)由RS-485接口電路傳送給無線數(shù)傳電臺。


 
系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

單片機主要特征及片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器

  ATmega16單片機芯片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器以及工作存儲器;豐富強大的外部接口性能;特殊的微控制處理器性能。其主要優(yōu)點是芯片本身自帶看門狗電路,片內(nèi)程序Flash及8通道復(fù)用的10位A/D轉(zhuǎn)換器;通用I/O接口具有很強的驅(qū)動能力,可省去部分驅(qū)動電路,節(jié)約了系統(tǒng)成本;附帶同步和異步串行接收和轉(zhuǎn)發(fā)器(USART),可以實現(xiàn)與PC機和無線電臺的聯(lián)網(wǎng)通訊功能。ATmega16有一個10位的逐次比較的A/D轉(zhuǎn)換器,ADC與一個8通道的模擬多路復(fù)用器連接,能夠?qū)σ訮ORTA口作為ADC輸入引腳的8路單端電壓輸入進行采樣。

多路數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)

  A/D多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是本設(shè)計的關(guān)鍵之一,它主要由微處理器、A/D采集處理部分、參數(shù)設(shè)置、輸出單元和通訊接口等功能模塊組成。ADC包括樣保持電路,以確保輸入電壓在ADC轉(zhuǎn)換過程中保持恒定。ADC功能單元有獨立的專用模擬電源引腳AVCC供電。AVCC和VCC的電壓差別不能大于0.3V。ADC轉(zhuǎn)換的參考電源可采用外部的參考電源,外部參考電源由引腳AREF接入,同時AREF引腳外部并接一個0.1μF的電容來提高ADC的抗噪性能。

  采集的3路數(shù)據(jù)是0-15mA的電流信號,通過在輸出端加上匹配的負載電阻,可將電流值轉(zhuǎn)換為電壓值,電路連接如圖2所示。

 
  放大后的模擬信號利用微處理器提供的內(nèi)部ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理,并將10位轉(zhuǎn)換結(jié)果放在ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCH和ADCL中。在連續(xù)采樣模式下,ADC連續(xù)取樣,并不斷更新ADC數(shù)據(jù)寄存器。通過讀取ADC內(nèi)的數(shù)據(jù)即可得到所要采集數(shù)值的二進制值。

單片機與數(shù)傳電臺的通信

  RS-232串口標準是低速率串行通訊中的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式,即單端通訊,其收發(fā)端的數(shù)據(jù)信號都是相對于地信號的,所以共模抑制能力差,再加上雙絞線的分布電容,傳輸距離最大約為15米。由于本系統(tǒng)需要工作在室外,氣候環(huán)境相對惡劣,且需要長距離傳輸,針對RS-232串口的局限性,所以系統(tǒng)采用具有極強的抗共模干擾能力的RS-485接口。單片機的RS-485接口電路原理圖如圖3所示,RS-485的A、B為總線接口,DI是發(fā)送端,RO是接收端,/RE、DE為RS-485收發(fā)使能端,由單片機的PD4口控制。


 
通信網(wǎng)絡(luò)

  監(jiān)控中心和若干監(jiān)測點的數(shù)傳電臺聯(lián)網(wǎng)組成無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),通過應(yīng)答式通信協(xié)議可實時監(jiān)測不同地域的水情。本系統(tǒng)采用GD230V-8電臺,該電臺的主要參數(shù)如下:(1)調(diào)制方式:MSK/FSK;(2)接收靈敏度:≤0.25μV;(3)輸出功率:8W ;(4)頻率范圍:220-240MHz;(5)信道速率:2400/1200bps(MSK方式),0-1200bps(FSK方式);(6)數(shù)據(jù)接口:異步傳輸,EIA-232/ EIA - 485 /TTL。

  監(jiān)控中心在向各監(jiān)測點發(fā)出指令前先發(fā)送一組地址信息,各監(jiān)測點收到地址信息后首先需要進行身份,如果收到的地址信息與自身相符便給監(jiān)控中心返回一應(yīng)答信號,監(jiān)控中心收到應(yīng)答信號后即可發(fā)出各項指令,被選中的監(jiān)測點便開始執(zhí)行相應(yīng)的指令,并把數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心,從而實現(xiàn)多點聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。 
 

系統(tǒng)軟件設(shè)計

  軟件編程也是實現(xiàn)該多路數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵之一,本文主要介紹數(shù)據(jù)采集部分。系統(tǒng)上電后執(zhí)行初始化程序,復(fù)位各個端口。當處于監(jiān)聽狀態(tài)時,各監(jiān)測點數(shù)據(jù)采集模塊處于3路自動巡回監(jiān)測狀態(tài),系統(tǒng)開始對0~3通道間隔1s時間采集一次電壓值;當接收到監(jiān)控中心發(fā)送來的指令便選中相應(yīng)的采集通道執(zhí)行數(shù)據(jù)采集,調(diào)用數(shù)字濾波子程序進行濾波得到精確的數(shù)值。再通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理后送微處理器的數(shù)據(jù)存儲器,等待數(shù)傳電臺的讀取,其工作流程如圖4所示。

A/D采集子程序

 

 
結(jié)束語

  ATmega16單片機本身帶有多路10位精度的逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器,在該多回路數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)中可以顯著地降低成本。由于ATmega16的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度比較高,可以采取一些數(shù)字濾波算法來得到較為精確和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果。利用C語言編程,使該多回路數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)的硬件設(shè)計變得簡單,A/D采集處理編程也更為容易,大大縮短了開發(fā)周期。該方案可應(yīng)用在河道水文、湖泊水庫和沿海潮汛潮位等監(jiān)測項目上,經(jīng)山西某水文站實際使用,結(jié)果表明:系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,具有建網(wǎng)費用低、建設(shè)周期短、維護量小等優(yōu)點。



關(guān)鍵詞: ATmega16

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