基于AT89S52的水情遥测终端设计与实现

随着水文现代化进程的不断推进，水情测报作为水文工作的重要手段也在迅速发展。水情测报应用遥测、计算机、控制和通信等先进科技对水文信息进行实时遥测、传送和处理，其系统主要由遥测站、中继站和中心站3部分组成。遥测站利用水情遥测终端(RTU)完成各种水文传感器数据的采集和处理，最终与中心站进行双向通信，实现水情的预报或调度决策。遥测终端是整个测报系统的信息和决策依据来源，因此如何构建功能完善、可靠性高、通用灵活、易维护的遥测终端成为设计的关键。
    目前，水情遥测终端的设计基本采用MCS51、MSP430及ARM等系列单片机作为控制芯片，配置各种外围电路实现系统功能。本文设计了一种基于AT89S52单片机的低功耗水情遥测终端，其功能完善、性能稳定，能为控制中心提供准确、综合全面的水情信息。

1 系统总体设计
    系统采用模块化设计，根据功能，整个遥测终端可分为单片机模块、数据采集模块、数据通信模块、人机交互模块和电源供电模块等部分，该系统结构如图1所示。

    系统工作流程：单片机读取雨量、水位、闸位等参数，进行处理、存储和编码，在自报或召报方式下，经调制解调器后通过无线数传电台发送至中继站或中心站。该系统具有良好的人机交互功能，可通过键盘操作实现参数的设置和数据实时动态显示。

2 系统硬件电路设计
    从遥测终端的功能需求、成本、接口电路及程序复杂度等方面综合考虑，选用ATMEL公司的AT89S52单片机为控制核心，它带有8 kB的Flash存储器和256字节RAM，支持全静态操作及空闲、掉电两种可选节电模式。整个系统在硬件逻辑结构上由数据采集接口电路、通信接口电路、人机接口电路、实时时钟电路、存储扩展电路及电源电路组成。
2．1 数据采集接口电路设计
    本文仅以雨量、水位的数据采集为例。
    雨量采集采用翻斗式雨量计，当降雨量达到1 mm，雨量计翻动1次发出1个脉冲信号触发中断0，唤醒处于低功耗状态的单片机，对雨量进行累加、存储和即时发送。由于雨量计的干簧管开关吸合会出现抖动现象，为了确保雨量记录的准确无误，雨量计输出脉冲信号须经过脉冲整形方能送入后继单元进行处理。整形电路如图2所示，MC14538是可重复触发和复位的单稳态触发器件，R2、R3为保护电阻。在非跳变期间，脉冲的不规则变化保持在一定范围，VD1、VD2的比较结果相同，触发器不工作，使输出脉冲保持稳定。

    系统设计2路水位采集，浮子式水位计的输出为12位并行格雷码，为节省单片机I／O口资源，经两片MC14021移位寄存器锁存，将并行数据转换为串行数据后逐位输出至单片机进行处理。串并转换电路如图3所示，接上拉保护电阻以增强电路的稳定性。

2．2 通信接口电路设计
    遥测终端的最终目标是将采集的水情数据处理成帧，利用无线数传电台进行远距离传输后传送至中心站。使用RS-232作为与电台连接的接口，它亦可连接SMS／GSM、GPRS等通信模块，以满足不同应用环境下的需求，提高了系统的通用性。
    调制解调采用全双工低速MODEM芯片MC145442，它含有完整的频率变换调变(FSK)调制器、解调器和滤波器，提供300波特率的FSK信号的双向数据传输，支持呼叫模式和应答模式。通信接口电路结构如图4所示，串口电平转换使用MAX232芯片，MC145442的RXD、TXD、RXA1／RXA 2、TXA端口分别为数据接收端、数据发送端、载波接收端和载波发送端。

2．3 人机接口电路设计
    为体现系统友好的人机接口界面，便于输入和显示控制参数等，采用1602字符型液晶显示模块作为输出显示器件。1602显示模块内置控制驱动器HD44780，显示和驱动工作均由此控制器和外围电路完成。配置4x4键盘，负责快速、准确、方便地设置参数和实现各种控制功能。键盘直接由P1口的高、低字节构成，采用中断输出，即列线连接与门器件接外部中断1，置行线和列线分别为高电平和低电平，当有键按下时，电路输出低电平，触发中断后进入中断例程，判断哪个键被按下。
2．4 其他扩展电路
    本系统选用低功耗的CMOS AT24C08芯片作为扩充存储器，该芯片是带有I2C总线接口的8 kB的串行EEPROM，电路上将P2．3、P2．4与SCL和SDA相连。该存储器中保存设置参数、历史水情数据和数据采集的时间标记，用户可通过按键进行显示、查阅。
    数据采集的时间标记和报平安时间间隔计算则采用DS1302实时时钟芯片来实现。DS1302提供年、月、周、日、时、秒的数据信息，采用SPI与CPU进行通信，接口简单，只需RST复位、I／O数据线、SCLK串行时钟线分别于P2．5、P2．6、P2．7相连。
    遥测终端安装在野外，没有持续的电力供给，为实现长期无人值守环境下的自动监测，采用20 W／12 V的太阳能板和蓄电池供电系统。

3 系统软件设计
    遥测终端实现的主要功能有：根据规约(产生1 mm雨量：水位每变化1 cm，且满足时间间隔5 min)采集各种传感器数据和电源状态参数信息，并进行存储和发送；无参数发送时终端处于值守状态下，按自报周期(缺省值为8 h)向中心站全量发送数据，以指示遥测站正常工作，实现报平安功能：招报方式下，响应中心站的数据要求指令，采集各种数据并全量发送：响应键盘指令，接收和更新参数的设置与修改，动态显示水情数据、终端状态信息等；通话功能，工作人员可现场通过电台与中继站或中心站联系，为指挥调度、现场维护提供话务功能。
    系统软件的主程序流程如图5所示：系统初始化，确保系统处于正常工作状态：默认进入休眠模式，以降低终端系统功耗；等待外部中断唤醒系统，进行数据采集、传送，实现各种控制功能。实现功能的硬中断例程主要包括雨量中断例程、定时器中断例程(图5)、键盘中断例程(图5)。雨量中断例程完成雨量的累加、存储和发送。定时器中断例程首先采集水位数据，检查测量值变化是否超过1 cm，是则存储数据并重新采集雨量、水位、闸位等水情数据及电源电压参数后发送；否则读取实时时钟的值，计算时间间隔，若达报平安周期，则进行各种数据的采集和发送。键盘中断例程主要负责接受键盘命令，进行相应处理，包括实时显示和参数设置。例程中定时器的作用是规定最大按键操作时间(一般2～3 min)，即在按键超时后强行进入低功耗状态，防止无操作而无限的键盘扫描循环。

    上述软件流程中主要包括数据采集、数据存储、数据发送和实时显示等功能模块。数据采集的重点是水位采集，浮子式水位计输出12位格雷码为统一存储和发送格式，须将其转换为BCD码。由于测量水位时波浪冲击会引起瞬时干扰，为提高准确性采用软件滤波进行防浪处理，方法是对水位信息连续采样5次，将采样值从小到大排列，取中间3次取平均值为最终测量值。数据存储包括数据存入和数据读出，水情数据的存储格式为：特征字、数据、时间标志。特征字用来区别数据是雨量、水位还是闸位，时标是在数据读入前先读取实时时钟为数据进行的时间标记。数据发送首先根据缓冲区数据长度计算校验字节，连同站号、参数特征码和数据等整合成帧，送入MODEM进行调制后发送。
    系统标准的数据帧格式如图6所示，单一数据发送采用格式1，每次发送1个参数数据，通过数据特征区别；全量发送采用格式2。为了提高通信的可靠性，采用CRC-16信道编码方式。

    显示模块和按键配合，用于测站终端的参数设置，如测站编号、采样时间间隔、发送时间间隔等；同时可用于测站的检测维护。

4 结束语
    基于AT89S52单片机实现的低功耗水情遥测终端硬件设计简单灵活，软件架构合理，功能与性能满足水情测报的技术要求，可实时采集雨量、水位、闸位等多种水文数据和气象参数，并进行固态存储，同时具有水位防浪和报平安功能。系统通过采用低功耗的外围器件和休眠、外部中断唤醒的工作方式降低耗电量，实现低功耗。设计的RS-232通信接口，可连接多种通信模块，提高了RTU的通用性。
    该遥测终端可广泛应用于水文水利、城市防洪、给排水、环境与气象监测等方面，实际应用中该RTU在值守状态下的整机电流<60μA，已存参数可掉电保持50年以上。由于系统功能相对完善，性能可靠，投入使用以来工作正常，取得了良好的效果。此外，针对不同项目需求和应用环境不同，需结合实际对系统进行进一步的完善和改进，如优化防雷击、软硬件抗干扰保护设计，增加各种新型的数字和模拟接口以扩展测报参数范围，加强信道侦听以提高数据传输质量等。