基于STC15F2K60S2单片机无线通讯水库监测系统的设计

刘立军

(辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009)



基于STC15F2K60S2单片机无线通讯水库监测系统的设计

刘立军

(辽宁机电职业技术学院，辽宁 丹东 118009)

介绍了一种基于STC15F2K60S2单片机无线通讯水库监测系统，该系统能够将传感器所采集到的水库参数，经A/D转换器送入单片机进行处理，然后将处理的结果，经CC1100无线模块传输到上位机端，经过上位机分析处理后将分析结果反馈到下位机端，下位机端接收到反馈信息后，由单片机输出脉冲，来控制步进电机正反转，从而实现对水库的流量和水位的实时控制，保证水库的安全。

监测系统；无线模块；流量；水位

在水资源利用方面，对流量、水质等参数的测量非常重要，但很多水库资源在高山地区，难以对其进行实时监测。无线通讯技术的迅速发展和普及，为远程监控系统的实现提供了理想的平台，因此越来越多的水文站把基于无线通讯技术[1]的监控系统作为水利系统自动化管理的新手段。而随着水利自动化技术不断发展，水利系统的自动化水平逐步提高，各水库都能通过远程监控系统逐渐实现少人、无人监管的管理模式，以提高生产效益。

1 水库监测系统总体设计

水库监测系统结构主要由四部分组成：数据的采集、单片机运算控制、数据的无线收发、上位机端的监测分析，整体设计如图1所示。

水库监测系统是将传感器所采集到的水库参数，经A/D转换器送入单片机进行处理，然后将处理的结果，经CC1100无线模块[2]传输到上位机端，再通过串口通讯技术将数据传到上位机上，在上位机上通过编译的界面可以清楚地知道水库的情况，然后对所监测到的数据进行分析，将分析结果反馈到下位端，下位机端接收到反馈信息后，由单片机输出脉冲，来控制步进电机正反转(相当于控制阀门开/关)，从而实现对水库的流量和水位的实时控制，保证水库的安全。为了提高系统的可靠性，系统分两个部分，一个是单片机独立控制,二是人为的远程控制。整个过程完全自动运行，不需要人为地实地监控，这样就保证了控制速度和精确度。采用远程控制，可以容易地对硬件设备进行更换扩展，这样就避免了因系统的老化而可能产生的系统损坏或无法正常工作等问题,从而使系统能持续地正常运转，减少了系统故障的发生。

2 水库监测系统硬件设计

2.1 STC15F2K60S2单片机简介

STC15F2K60S2[3]是宏晶科技公司设计生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，它具有高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，其速度比传统的8051单片机快8到12倍。STC15系列单片机内部机集成高精度R/C时钟，可配置时钟的范围是5 MHz～35 MHz，同时STC15系列单片机内部集成了高可靠复位电路，因此STC15F2K61S2最小系统是不需要外部晶振和时钟电路，可用在高速通信、智能控制、强干扰等场合。STC15F2K60S2具有3路CCP/PWM/PCA，8路10位高速A/D，内置2K大容量SRAM，2组超高速异步串行通信口和1组高速同步串行通信端口SPI，性价比比传统的8051单片机要高很多。同时它也支持串口ISP下载调试功能，具有使用方便、设计成本低等优点。

2.2 CC1100无线模块接口电路

CC1100单片无线收发器[4]工作在433/868/915 MHZ的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体震荡器和一个调节器组成。工作特点是自动产生前导码和CRC可以很容易通过SPI 接口进行编程配置，电流消耗低。CC1100无线模块的接口电路图如图2所示, CC1100接口电路的引脚特性如表1所示。

2.3 数码管显示电路

显示模式采用的是四位七段LED数码管显示，电路图如图3所示。该系统电路中也使用了两块数码管，它们的功能分别是：下位端的数码管是用来显示传感器所采集的信号，通过其显示的方波信号来计算时间差，求出水位，以及显示由流量传感器所采集的水流量的大小；上位端的数码管用来监测CC1100模块无线通讯是否成功，如果它显示的数字和下位端数码管一样，就证明无线发送/接收成功。

表1 CC1100接口电路的引脚特性

2.4 电源模块设计

由于本系统中CC1100的工作电压是3.3 V,为了给其提供稳定的电压，使用了LM1117[5]电压调节器，它能产生3.3 V的稳定电压；该电源模块中还包括上电显示，给步进电机和单片机供电的5V电压(见图4)。

2.5 CC1100无线模块及串口通讯电路

图5为CC1100接收模块及串口通讯电路。在图5中，只显示了上位机的CC1100接收模块，因为发送模块的连接方法是一样的，为了避免重复，所以没有给出。上位端接收从CC1100无线发射模块传来的信号，再将收集的信号传送到单片机上。由MX232串口通讯电路，把单片机中的数据信号传到上位机中去，通过上位机显示水库的实时参数，并对数据进行分析反馈。

2.6 步进电机控制电路

步进电机控制器是步进电机控制系统重要部分，控制器接收到上位机发送的指令，并根据指令下位机向各步进电机发出控制信号，电机的驱动器则将控制信号转变成直接驱动步进电机的电信号，实现步进电机的控制(见图6)。

系统选用的是28BYJ48四相八拍步进电机，工作电压为DC5V—DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度(一个步距角)。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单(单相绕组通电)四拍(A-B-C-D-A……)，双(双相绕组通电)四拍(AB-BC-CD-DA-AB-……)，八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A……)。步进电机驱动电路如图6所示。

在图6中可以看到，由于单片机引脚的电流驱动能力不够大，所以采用ULN2003步进电机驱动器件进行驱动[6]。ULN2003具体介绍见参考文献[6]，在此不进行说明。

3 水库监测系统软件设计

系统中，程序流程图可分为上位机端和下位机端两部分[7]。图7是上位机端的程序流程图，图8 是下位机端的程序流程图。

在本系统软件设计中采用了模块化设计方案，主要功能模块有: 初始化串口和无线模块、数据传输模块、数据处理模块、定时器模块、数码管显示模块、步进电机驱动模块等，由主程序统一调用和协调各模块正常有序工作。程序流程图分为上位机端程序流程图和下位机端程序流程图两大部分。在上位机端，是编译程序来完成上下位机之间的串口通讯[8]，以及实现数据在上下位机间的传送；而下位机端的程序流程图可以实现以下系统功能：一是实现传感器对模拟水库的实时参数的采集与处理，如水位、流量等；二是实现CC1100无线模块的无线通讯；三是实现STC15F2K60S2单片机对步进电机的控制。

4 系统测试

系统对模拟水库的水位和流量进行测试，其所测量的技术参数和误差精度以表格形式表示出来，如表2所示。

表2 模拟水库的水位和流量测试数据

从表2中可以看出，系统实际进行了三次有效测量。设定水位参数高度为90.000 mm、流量为6.000 L/min，第一次水位测量值为89.827 mm，流量测量值为5.891 L/min，水位误差为0.173 mm，流量误差为0.110 L/min。第二次水位测量值为89.798 mm，流量测量值为5.894 L/min，水位误差为0.202 mm，流量误差为0.106 L/min。第三次水位测量值为89.821 mm，流量测量值为5.897 L/min，水位误差为0.179 mm，流量误差为0.103 L/min。三次测量水位的平均值为89.815 mm，测量平均误差为0.185 mm，流量的平均值为5.894 L/min，测量平均误差为0.106 L/min。测量值和实际设定值测得的实际参数的误差非常小，精度较高。完全可以将其投入到实际应用当中去，结合先进的无线网络监控管理系统[9]的水文监测将会是未来水文监测控制管理的必然趋势。

5 结语

开发模拟水库自动远程监测系统，不仅能带来人力、物力的节约，更能及时、实时地了解水文数据，以利于对防洪、抗洪、抢险、救灾或供水供电工作的指挥决策，使水库在国民经济发展中发挥更重要的作用。

[1] 李翔,李璨，仝飞.基于STM32与CC1100的采煤机无线遥控系统的研究[J].微型机与应用, 2015(6):95-98.

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[3] 宏晶科技公司．STC15F2K32S2系列单片机器件手册[S].2014．

[4] 张献生,谭秋林,丁利琼,等.基于无线传输芯片信号源的设计[J].科学技术与工程，2013(04)：1029-1033.

[5] 聂冰.多级压降电源适配卡的设计[J].工业控制计算机， 2016(4):144-145.

[6] 冯娟，李燕君.基于步进电动机的智能电动窗帘设计与实现[J]微特电机，2014(10)：86-89.

[7] 王卫国,韦萌.基于CC1100的无线抄表系统[J]计算机与数字工程，2009(01)：171-173.

[8] 崔奎，胡纯栋，谢远来，等.支持多种温度传感器的多通道低温测量系统的设计[J].计算机测量与控制，2013(2)：38-41.

[9] 曾炼成.低功耗单跳无线网络实时数据采集系统设计[J].电子测量技术，2012(4)：120-122.

Design of Wireless Communication Reservoir Monitoring System Based on STC15F2K60S2 Single Chip Microcomputer

LIU Li-jun

(Liaoning Mechatronics College, Dandong 118009, Liaoning, China)

This paper introduces a STC15F2K60S2 microcontroller wireless monitoring system based on the reservoir. The reservoir system can be collected by the sensor parameters, processed by the A/D converter into the microcontroller, and then the processed results are transmitted to the computer terminal by CC1100 wireless transmission module. Through analyzing and processing, the PC gives the feedback analysis results to the lower machine end, then the lower computer receives feedback information after the pulse by the microcontroller output, to control the stepper motor, so as to realize the real-time control of the flow of the reservoir water level and ensure the safety of the reservoir.

monitoring system; wireless module; traffic; water level

2016-09-14

刘立军(1981-) ，男，辽宁朝阳人，讲师，硕士，研究方向为动态测试与智能仪器、电子技术，E-mail:liulijun318@163.com。

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1008-9446(2017)02-0024-05