基于单片机控制的水位远程监控系统

摘要：针对目前农业灌溉中水位无法精确测量以及监控不及时的问题，开发设计了基于AT89S51单片机控制的水位远程监控系统。从下位机系统和上位机系统组成到各功能模块选型及功能进行了详细的介绍。该系统不仅能够精确地检测水位的数值，还可以利用485总线进行上位机和下位机的通信，实现了水位的实时检测、记录和监控。

关键词：单片机 水位 检测 监控 485总线

0 引言

在农业生产中，农业灌溉用水占到全国总用水量的一半以上，实施节水灌溉在水资源合理开发、高效利用中占有举足轻重的地位。而在这其中，对水位的检测和远程监控是推广节水灌溉政策中一项基础而又关键的技术。本文介绍利用AT89S51单片机、ADC0809模数转换芯片、AT24C系列存储芯片以及485总线等器件组成一个远程监控系统，监控灌溉水渠中水位变化情况，并能记录存储。整个系统由下位机系统和上位机系统组成，下位机系统是一个基于单片机控制的水位监测系统，分布在需要监测水位的采集点，负责采集水位信息并转换为数字量进行处理；上位机系统也是单片机控制系统，主要负责通过485总线收集各个采集点的数据并显示、存储及控制。

1 设计思路及设计流程

由于整个系统是由下位机系统和上位机系统组成，分别完成不同的功能，因此在设计时要分别设计。

1.1 下位机系统总体设计

1.2 上位机系统总体设计

根据上位机系统的功能，上位机可分为单片机模块，按键模块，通信模块，显示模块和存储模块。单片机模块中仍然采用AT89S51单片机作为控制核心，负责上位机的通信、显示及存储等功能；按键模块主要实现切换定点显示和循环显示，只需一个按键，采用独立按键方式；通信模块用于从下位机上传信息，采用485总线通信；存储模块用来存储采集来的数据信息，由于单片机内部存储空间有限，所以采用串行存储器AT24C256。上位机系统模块图如图2所示。

2 硬件电路设计

通过对整个系统的分析，选择合适的芯片进行电路设计，由于本系统中主要芯片是存储芯片AT24C256和模数转换芯片ADC0809，在下文中进行对其原理及电路设计重点讲解，其他电路例如AT89S51单片机电路，数码管电路及驱动芯片，按键电路等可以参考常见教材里的内容，此文不再赘述。

2.1 存储模块

由于上位机需要存储采集来的水位值，并且要求断电后数据能保存，因此采用非易失性串行存储器。AT24C256串行EEPROM是Atmel公司推出的低功耗CMOS存储器，具有工作电压宽、擦写次数多、写入速度快等特点，其容量为256kb，内存组织形式为32768×8，页写入方式64B，使用I2C总线协议，100000编程擦写周期，可保存数据100年，8脚PDIP、SOIC封装。本系统采用8脚PDIP封装，其引脚图如图3所示。

硬件连接时，A0、A1与地相连，NC与WP悬空，SCL与SDA分别与单片机上的两个IO引脚相连，通过程序模拟I2C总线协议。

2.2 水位采集模块

下位机的水位采集装置使用密封的塑料管，内部均匀的放置10个干簧管，间隔5cm，每个干簧管与一个电阻串联，阻值分别是100Ω到1KΩ，不同干簧管导通，产生的阻值不同。塑料管外部套一个浮子，浮子上安装一个条形磁铁，磁铁长度为6cm，当水位上升或下降时，浮子上的磁铁也跟着上下移动，使得不同位置的干簧管闭合或断开，这样塑料管内部对外输出的电阻阻值也就发生变化，两端连上电源就会得到相对应的电压值，通过测量电压值，就可得到浮子的位置即水位。

水位采集装置得到的电压值需要经过模数转换芯片转换成数字量，本设计采用市场上常见的ADC0809芯片将模拟量转换成数字量。ADC0809是8位八通道逐次逼近式A/D转换器，主要由输入通道，逐次逼近式A/D转换器和三态输出锁存器组成。在硬件上将采集到的电压输入某一个通道，通过程序打开此通道将模拟量进行输入采集，之后通过查询方式查询转换是否完成，最后通过数据输出线将数据读走。

3 软件程序设计

软件设计也分为下位机软件设计和上位机软件设计两部分。为了保证它们之间数据传输的准确性，采用以下的通信协议：主机读取数据时，先发送读命令，指定的从机向主机返回数据，若规定时间内，主机未收到或收到的数据有误，则重发读命令。下位机程序主要包括：水位采集子程序，显示子程序，数据传输子程序和最后集成的主程序。上位机程序主要包括：显示子程序，按键子程序，数据传输子程序，存储子程序和最后集成的主程序。

4 结束语

本设计详细介绍了基于AT89S51单片机、ADC0809模数转换器和AT24C256串口存储芯片开发的一个水渠水位远程监控系统，可以在农业灌溉中推广使用。此系统具有扩展性强，远距离数据传输稳定，费用低廉，覆盖范围广等优点，如果和无线传输技术相结合，更可以大大节约施工成本。另外，此系统的设计对远程监控其它物理量具有指导性意义。

参考文献：

[1]尹淑欣，王雪，曹洪军.灌区地下水水位远程监测系统上位机软件的设计与实现[J].黑龙江八一农垦大学学报，2012（10）：76-79.

[2]唐振，宋天武，金明.基于RS-485总线的分布式水位监测系统设计[J].湖北科技学院学报，2013（8）：211，212.

[3]张翼翔.基于单片机的高精度水位监控仪的设计[J].微计算机信息，2008（24）：155，156，144.

作者简介：刘瑞涛（1979-），男，河北石家庄人，实训室主任，讲师，主要从事微控制技术应用。