基于MSP430 的水池水温、水位监测系统设计

田芳明，谭峰，赵文阳

（黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆 163319）

在我国东北三江平原上，农业自动化正在逐步改善当中，在这个过程中，解决水利问题是刻不容缓的。三江平原地带水源丰富，但是，如果要将水资源合理的利用到田地里，还需要经过一番合理计划与安排，例如水稻的灌溉，在灌溉之前要了解江水的温度，如果温度过低会导致植物生长过慢，间接影响农作物的产量，所以，在引用江水灌溉之前需要将江水引入晒水池中，利用太阳光的热能将水的温度升高，当达到适合农作物生长的温度时再进行灌溉，这种做法有利于农作物的生长，进而提高产量。系统能够实时采集江水的温度、晒水池的水温和水位以及主渠中的水温和水位，并通过无线数传电台发送到上位机进行显示、存储。系统可以实时监测晒水池的水温和水位情况，及时进行注水和灌溉，为实行精细农业提供技术基础，同时，还可以节约人力资源，不需亲临现场亦可对晒水池的情况了如指掌，具有广阔的应用前景。

1 系统总体结构设计及工作原理

系统是由多个下位机和PC 机构成的分布式多点无线数据采集系统，具体结构如图1 所示。下位机采集系统实时采集水温、水位信息，通过无线数传电台将采集数据传送给PC 机，最终采集到的数据在PC 机上由DELPHI 语言编写的软件进行显示、存储及打印等。

图1 系统整体框图Fig.1 The system total diagram

2 下位机系统硬件设计

下位机系统由水温传感器、水位传感器、无线数传电台、电源模块及MSP430 单片机构成。

2.1 微控制器

针对微控制器使用环境和各种微控制器性能比较，选择了TI 公司生产的MSP430f149 作为微控制器[1]。MSP430f149 是具有16 位总线、自带FLASH 的单片机，有统一的中断管理、丰富的片上外围模块、片内有精密硬件乘法器、两个16 位定时器、一个8路的12 位的模数转换器、6 路P 口、两路USART 通信端口、一个比较器、一个DCO 内部振荡器和两个外部时钟，而且，该单片机可在超低功耗模式下工作，可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境，其最小工作系统如图2 所示[2]。

图2 MSP430f149 的最小系统Fig.2 Minimum system of MSP430f149 mcu

其中，MAX809S 为复位芯片，由于MSP430f149的复位门槛较高，为了提高系统的可靠性，在复位电路中采用专用复位芯片MAX809S 实现其复位功能。JTAG 为在线下载口，该下载口通过并口下载，能够在线调试，有效的加快了系统设计调试进程。

2.2 传感器的选择

系统中共需要两种传感器，一种为水温传感器，另外一种为水位传感器，由于两种传感器都需要长时间放在水中进行测量，因此要求传感器的防水性能可靠，水位传感器的精度要求在厘米范围内。综合上述考虑，温度传感器采用昆仑中大公司生产的输出为4～20 mA 的Pt100 两线制传感器[3]。水位传感器采用烨立公司生产的输出也是4～20 mA 的两线制液位变送器。这两种传感器均为两线制、4～20 mA 电流输出的模拟传感器。传感器输出的电流变换为电压后传送到MSP430f149 单片机的A/D 转换接口。单片机将采集来的电压值进行计算，转化成温度值和水位值。然后，单片机再将温度值和水位值也十六进制的形式送入到无线模块发送出去。上位机则处理由无线模块接受来的数据，将其转换成十进制的温度和水位，并在电脑上显示出来。

2.3 无线数传电台

因江边距离控制室较远（直线距离3 000 m），有线铺设不仅浪费资源，铺设不便，考虑到现场实际需求，最终选择采用通信距离在3 000 m 以上的无线方式进行通信，为确保数据的靠传送，经比对后确定采用JZ878 中功率数传电台。JZ878 型无线数传电台具有如下功能特点：发射功率与高接收灵敏度，发射功率5 W/8 W，高接收灵敏度-123 dbm；低功耗，接收电流<45 mA，发射电流<2 A；频段工作频率，调制方式：GFSK，载频频率433 MHz；高抗干扰能力和低误码率传输距离远，在视距情况下，天线高度>8 m，可靠传输距离（BER=10-3/1200 bps）>20 000 m，（BER=10-3/9 600 bps）>10 000 m；提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议；空中速率大于串口速率时可连续传输无限大的数据，空中速率小于或等于串口速率时，一帧可传输512 字节的数据。经测试，该数传电台在空旷处传输距离可达到5 000 m，数据传输成功率达99%，完全满足系统的需求。

2.4 电源电路

由于MSP430 单片机采用的是3.3 V 电源供电，而市面上用的最多的是5 V 电源。因此，需要采用3.3 V 稳压芯片将5 V 电源转换成3.3 V 电源供给单片机使用。设计中采用的稳压芯片是TPS76033。该稳压芯片是一个50 mA 的低压差稳压器，能够将5 V电源直接转换成3.3 V 稳压电源。TPS76033 的电压转换原理图如图3 所示。

图3 TPS76033 的电压转换原理图Fig.3 Voltage conversion principle diagram of TPS76033

3 水位、水温监测系统软件设计

3.1 下位机软件设计

下位机采用IAR EW430 软件C 语言开发[4]，主程序流程图如图4 所示。系统上电后首先读取单片机内部FLASH 中的采集器地址数据，然后将单片机的看门狗关闭。初始化单片机的定时器、A/D 转换器、USART0 等模块，打开中断，单片机的CPU 则进入低功耗模式，直到某个模块发生中断时再唤醒CPU 进行工作。

图4 主程序流程图Fig.4 The main program flow chart

3.2 上位机软件设计

上位机软件采用Boland 公司的基于Object Pascal 语言的Delphi 7.0 开发[5]，该系统能直观的显示江水温度、蓄水池水温及水位、主渠水温及水位。并使用SQL2000 作为系统后台数据库，对采集到数据进行存储，能够查询历史数据、对比数据、导出Excel 数据文件。该系统以一种统一的、直观的图形化界面使得操作人员能方便地运用鼠标和键盘进行操作，在试验与推广时显得更加方便、灵活，系统监测界面如图5 所示。

图5 主程序流程图Fig.5 System monitoring interface

4 结束语

电路结构简单，应用界面更加人性化，设计中充分地利用了MSP430 单片机的性能和资源，可方便地进行扩展，根据特定应用目标构建了整个软硬件平台，上位机实时监测测量结果，动态跟踪水位、水温的变化，实现了高性价比、低功耗的目标，该系统实验室进行试验后，又在黑龙江逊克农场水稻种植区进行安装使用，实现了水池水温、水位的无线监测功能，效果好，具有广阔的应用前景。

［1］ 秦龙.MSP430 单片机应用系统开发典型实例［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［2］ 王鹏，谭峰.低功耗水稻育秧秧棚监测系统的设计［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2011,23（3）：78-81.

［3］ 陈杰，黄鸿.传感器与检测技术［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［4］ 马忠梅，籍顺心，张凯，等.单片机的C 语言应用程序设计［M］.北京航空航天大学出版社，2009.

［5］ 刘瑞新，万朝阳，董淑娟.Delphi 程序设计教程［M］.机械工业出版社，2009.