1 引言

在現(xiàn)代工業(yè)及民用領(lǐng)域中，單片機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車電子、安防、電機(jī)控制、家電控制、工業(yè)測控、電動工具等場合。其中，選用合理的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，往往能以較低的成本，極低的功耗，搭建可靠的單片機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)需要的功能。

2 設(shè)計(jì)背景

本文介紹了某磷礦供水系統(tǒng)無線監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)過程。該磷礦在山區(qū)，儲水池位于山頂，容量約3000立方米，向廠區(qū)提供生產(chǎn)用水及生活區(qū)用水。水源地和水泵房位于山腰平緩地帶，儲水池與水泵房直線距離約450米，高差約120米。為了正常供水，必須保證水池水位高于出水口、低于水池上限。該水池曾經(jīng)進(jìn)行過自動化改造，采用電纜傳回水位信號，控制水泵房水泵自動運(yùn)行與停止。

但該方案多次由于礦山周邊閑雜人員盜割電纜，鼠害損毀電纜等原因造成停水或溢水，嚴(yán)重的時候甚至造成生產(chǎn)區(qū)停工，后改為人工值守。但人工值守需24小時值班，工作環(huán)境差，人力成本高。經(jīng)過建議，礦山方面同意試用遠(yuǎn)程無線監(jiān)控裝置對供水系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造，但要求裝置具有低成本高可靠性的特點(diǎn)。

3 方案設(shè)計(jì)

儲水池取消人工值守后，水池處無電力供應(yīng)，水池水位監(jiān)控及無線傳輸裝置全部需要電池提供電源，設(shè)計(jì)采用3節(jié)AA堿性電池供電，設(shè)計(jì)電池使用壽命一年。

單片機(jī)采用筆者一貫采用并且已經(jīng)比較熟悉的51系列單片機(jī)，出于抗干擾及低成本的考慮，選用宏晶公司生產(chǎn)的STC11L04E單片機(jī)。

該單片機(jī)具有4K Flash程序存儲器，256字節(jié)SRAM，1K EEPROM，具有掉電外部中斷喚醒與低電壓復(fù)位，最高時鐘頻率35MHz。

無線通訊部分采用飛思卡爾無線串口模塊以降低開發(fā)成本及提高可靠性。水池水位變化相對于單片機(jī)處理速度是一極緩慢變化過程，因此采用定期檢測水位發(fā)送信息的間斷工作模式。

3.1 硬件原理

電路原理見圖1。單片機(jī)工作于斷續(xù)狀態(tài)，工作周期可用兩位8421編碼的撥碼盤設(shè)置為1~99分鐘。為了實(shí)現(xiàn)低功耗，非檢測期間單片機(jī)必須工作于掉電狀態(tài)，而為了實(shí)現(xiàn)定時檢測水位，裝置必須進(jìn)行計(jì)時。

為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)掉電期間的計(jì)時及定時喚醒，加入一低能耗的PCF8563時鐘芯片。單片機(jī)進(jìn)入掉電前對PCF8563進(jìn)行定時設(shè)置，隨后進(jìn)入掉電狀態(tài)。設(shè)定時間到后，由PCF8563喚醒單片機(jī)繼續(xù)下一個檢測周期。

圖1水位監(jiān)測裝置電原理圖

為了提高可靠性，同時也為了降低成本，采用電極式水位傳感器，僅需要兩根線頭裸露的電線即可實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測，無機(jī)械活動部件，對水質(zhì)適應(yīng)性好，成本低可靠性高。水位傳感器信號放大整形部分應(yīng)用電源管理，僅檢測瞬間供電，降低裝置功耗。8563與單片機(jī)之間通過I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

I2C總線需要加上拉電阻，有文章指出為了避免電流損耗，進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)時I2C上拉電阻需要加電源管理，但筆者經(jīng)過分析與實(shí)踐證實(shí)，單片機(jī)IO口設(shè)置為開漏輸出狀態(tài)時，該上拉電阻不會在非工作期間造成電流損耗。為減少幅面，水位傳感器僅畫出其中一個，實(shí)際共兩個，上限與下限水位傳感器各一個。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

普通8051單片機(jī)進(jìn)入掉電模式后，只能由外部復(fù)位喚醒單片機(jī)，復(fù)位后程序從起始位置開始執(zhí)行，而宏晶STC11系列單片機(jī)提供5個外部引腳，可設(shè)置其下降沿喚醒單片機(jī)。該裝置在每個檢測周期開始時，由PCF8563喚醒單片機(jī)，繼續(xù)執(zhí)行掉電指令的下一條指令后，轉(zhuǎn)入執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，一個典型的檢測周期如圖2所示。由于STC11系列單片機(jī)沒有I2C接口，因此需要用兩個引腳通過軟件模擬I2C總線。

圖2 軟件流程圖

檢測到當(dāng)前狀態(tài)后，單片機(jī)對數(shù)據(jù)添加校驗(yàn)值并封包，生成完整的報(bào)文，通過無線模塊發(fā)送到水泵房。為了以后便于擴(kuò)展，筆者自定義了以下的報(bào)文格式。其中數(shù)據(jù)字節(jié)可以擴(kuò)充，其數(shù)量由第四個字節(jié)決定，最大不超過255字節(jié)，當(dāng)前使用的監(jiān)控裝置默認(rèn)數(shù)據(jù)長度為1個字節(jié)。

表1 無線數(shù)據(jù)報(bào)格式

3.3 無線通信方案

無線模塊采用飛思卡爾串口通信模塊。最大發(fā)射功率27dBm，調(diào)制方式為FSK，工作頻率選擇為433MHz，接收靈敏度-114dBm，該模塊發(fā)射功率及頻段滿足國家無線電管制要求，可以免執(zhí)照運(yùn)行。

同時，由于礦山地處偏僻地區(qū)，且傳輸距離較近，受到其他業(yè)余無線電臺干擾的可能性非常小，即使受到干擾，接收方報(bào)文校驗(yàn)失敗，可以及時向水泵房值班人員報(bào)警避免造成損失，因此，采用該模塊可以滿足裝置的設(shè)計(jì)要求。

該模塊支持波特率由1.2kbps至38.4kbps共6種速率，但根據(jù)筆者以往的經(jīng)驗(yàn)，降低波特率可以提高模塊的接收靈敏度，因此實(shí)際使用的波特率為2.4kbps。

3.4 功耗評估

每個檢測周期喚醒后，單片機(jī)等待32768個時鐘周期以使時鐘穩(wěn)定振蕩，隨后對無線模塊和水位傳感器上電，延時100ms后讀傳感器信息，隨后關(guān)閉傳感器電源，數(shù)據(jù)封包后發(fā)送到無線模塊，當(dāng)前使用的數(shù)據(jù)報(bào)長度為7個字節(jié)，以2400bps的速率發(fā)送，大約需要30ms，但為了讓無線模塊有充分的時間發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)后延時100ms關(guān)閉無線模塊電源，設(shè)置PCF8563喚醒倒計(jì)時后單片機(jī)隨即進(jìn)入掉電狀態(tài)。

以毫安·秒為單位對每個檢測周期耗電量進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)裝置檢測周期設(shè)置為10分鐘時，每周期耗電量大約為17mA.s，年耗電量小于250mA.h。以電池容量1000mA.h估算，扣除電池自放電及其他損耗，可以滿足裝置工作一年的設(shè)計(jì)要求。相關(guān)器件的功耗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 器件功耗數(shù)據(jù)

4 接收裝置簡介

接收裝置位于水泵房，接收儲水池裝置發(fā)來的信息，分析處理后控制相應(yīng)的輸出，并將當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行顯示。接收裝置在規(guī)定時間內(nèi)接收不到校驗(yàn)正確的報(bào)文，則判斷為通信中斷或設(shè)備故障，并通過聲光報(bào)警提醒水泵房值班人員，避免造成其他損失。

接收裝置位于水泵房，有充足的電力供應(yīng)，處于持續(xù)工作狀態(tài)，因此硬件設(shè)計(jì)比較簡單，不再贅述。接收裝置內(nèi)部電路板實(shí)物如圖3所示。

圖3 接收裝置電路板實(shí)物圖

5 結(jié)論

該裝置在使用現(xiàn)場進(jìn)行測試。對于無線通信，當(dāng)通信距離達(dá)到2000米時，裝置依然可以正常進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，當(dāng)距離達(dá)到2500米時，數(shù)據(jù)丟包率開始增大。因此，在450米的實(shí)際使用環(huán)境中，認(rèn)為無線模塊具有充足的的發(fā)射功率與接收靈敏度。

裝置安裝就位后，進(jìn)行了兩個月的不間斷測試，測試期間沒有觀察到裝置出現(xiàn)誤動作或不動作的情況。對數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)和記錄表明，測試過程中，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)包校驗(yàn)失敗或數(shù)據(jù)包丟失的情況。單片機(jī)工作可靠，沒有出現(xiàn)死機(jī)、程序跑飛、無法喚醒等故障。在經(jīng)歷兩個月測試后，向設(shè)備供電的3節(jié)堿性電池測量電壓仍然有4.65V，預(yù)計(jì)可以滿足一年的供電需求。

裝置選用的STC11L04E單片機(jī)，零售價格僅數(shù)元，加上其他外圍器件，總材料費(fèi)用仍然十分低廉。

綜上所述，初步認(rèn)為裝置功能與性能滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“ 基于宏晶單片機(jī)的無線遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)”，作者為程晉然、郭世明。）