基于MSP430水位监控系统的研究.doc

三 江 学 院本科生毕业设计（论文） 题 目 基于MSP430水位监控系统的研究 电气与自动化工程学院 院（系） 电气工程及其自动专业 学生姓名 曹春剖 学号 B08071057 指导教师 杨福猛 职称 副教授 起讫日期 2012.2-2012.6 设计地点 三江学院 摘 要为解决我国水位监测野外条件下长期无人看守的问题，研制开发了基于MSP430单片机的智能水位计。从其组成到各功能分别进行了详细的介绍，该智能水位计不仅实现了水位数据的实时监测、记录和定期采集等多种工作模式，而且提高了水位监测精度，实现了水位监测的智能化。并且随着微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展。智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。其中水位监测广泛应用于水利、电力、城市供水、防洪等多领域，但是目前的水位观测方法精度不高，不能全自动、实时动态监测，因此，在综合研究目前水位监测的实际情况以及特点的基础上，利用现代电子技术，特别是单片机技术和传感器技术，设计开发一种通用性好、可靠性高、维护方便，可适用于多种监测环境的多模式智能水位计具有重要的实际意义。关键词：MSP430单片机；水位监测；远程控制；智能仪器AbstractTo solve the water-level monitoring field in our country condition for a long time, the problem of no keeping and developed, based on the single chip microcomputer intelligent water meter MSP430. From its component to each function were introduced in detail, the intelligent water meter not only realize water level of data real-time monitoring, recording and regular collection, many kinds of work mode, but improve the water level monitoring precision to realize the water level of the intelligent monitoring. And along with the microelectronics technology and development of computer technology, cause the fundamental reform of the instrument structure, microcomputer as the main body, will the computer technology and the testing technology organic combination of a new generation of intelligent instruments, in the measurement process automation, the measurement data processing and function diversity and traditional instrumentation compared to conventional measurement circuit, made great progress. Intelligent instrument can not only solve traditional instruments not easy or cant solve the problem, still can simplify the instrument circuit, improve the reliability of the instrument, the more easy to realize high precision, high performance and multi-function purpose. Water levels monitoring is widely used in water conservancy, electric power, the urban water supply, flood control and other fields, but the current water level measurement methods on precision is not high, not fully automatic, dynamic monitoring, therefore, the comprehensive research is the actual situation of water-level monitoring and based on the characteristics of, use the modern electronic technology, especially of single chip microcomputer and sensor technology technique, the design development a universal performance, high reliability, easy maintenance, can be applied to a variety of monitoring environmental models intelligent water meter has important practical meaning for.Keywords: MSP430 microcontroller; Water levels monitoring; the remote control; intelligent instrument目录第一章 绪 论11.1课题背景概述11.2课题目的和意义11.3课题研究的控制要求1第二章 硬件的介绍22.1单片机的特点和应用22.2 MSP430单片机简介与发展前景32.3 MSP430单片机的特点42.4 MSP430单片机主要功能部件5第三章 系统设计方案73.1 系统设计原则73.2 总体框图73.3 工作原理83.4 水位传感器的选择83.5 通信方式的选择83.6 有线传输方式和无线传输方式9第四章 水位采集器的原理分析和设计104.1微处理器的特点104.2水位采集系统104.2.1 超声波水位传感器工作原理104.2.2 超声波传感器的特点114.2.3 水位采集系统的组成114.3水位信号调理电路124.4单片机最小系统124.4.1采样样模块144.4.2复位电路144.4.3通信接口电路设计154.4.4基于GPRS技术的数据传输系统方案设计15第五章 系统软件设计165.1水位采集系统的软件设计思路165.2低功耗控制165.3主程序设计175.4中断服务程序设计185.5 RS485通信的实现195.6水位数据管理软件设计20结束语21致 谢22参考文献23三江学院2012届本科生毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1课题背景概述现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹，在工业、国防、科研等许多应用领域，智能检测系统正发挥着越来越大的作用。检测设备就像神经和感官，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。 在工农业生产、日常生活的许多场合需要用容器储水，太阳能热水器等，如何得知内部水位的高低，实现自动水位控制是摆在人们面前的现实问题， 因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统，我们所研究的就是这方面的课题。1.2课题目的和意义目的在于用成本低廉的电极式传感器配以单片机技术对生产实际中的储水箱、无压锅炉、太阳能热水器等的水位进行自动检测与控制。 本装置电路简单、实用性强、性价比高、电极寿命长（只在检测的瞬时通电，其他时间断电），水位控制灵活，显示直观醒目。可广泛应用于工、农业生产，家庭生活等对储水罐、无压锅炉、太阳能热水器的水位显示与控制，具有良好的市场前景,并且对社会主义发展起到很重要的作用。1.3课题研究的控制要求1. 能够循环检测水位并能显示水位。2. 无水时自动开启水泵加水，水满时自动停止。3. 当水位处在最低和最高水位之间时，可由手动启动或停止上水。第二章 硬件的介绍2.1单片机的特点和应用微处理器的发展：一是朝着面向数据运算、信息处理等功能的系统单片机方向发展。二是系统单片机以速度快、功能强、存储量大、软件丰富、输入/输出设备齐全为主要特点，采用高级语言编程，适用于数据运算、文字信息处理、人工智能、网络通信等场合.其中在一些应用领域中，如智能化仪器仪表、电讯设备、自动控制设备、汽车乃至家用电器等，要求的运算、控制功能相对并不很复杂，但对体积、成本、功耗等的要求却比较苛刻。为适应这方面的需求，产生了一种将中央处理器、存储器、I/O接口电路以及连接它们的总线都集成在一块芯片上的计算机，即所谓的单片微型计算机，简称单片机（Single Chip Microcomputer）。并且单片机在设计上主要突出了控制功能，使其调整了接口配置，在单一芯片上制成了结构完整的计算机，因此，单片机也称为微控制器（MCU）单片机，它涵盖了小巧灵活、成本低、易于产品化，能方便地组装成各种智能式控制设备以及各种智能仪器仪表等特点。有面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳性能价格比。其中MSP430-20022004 -5有抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣环境下都能可靠地工作，这是其他机型无法比拟的，有可以很方便地实现多机和分布式控制。使整个系统的效率和可靠性大为提高。单片机的应用工业控制：单片机的结构特点决定了它特别适用于各种控制系统。例如：用于各种机床控制、电机控制、工业机器人、各种生产线、各种过程控制、各种检测系统等。在军事工业中：导弹控制、鱼类制导控制、智能武器装置、航天导航系统等。在汽车工业中：点火控制、变速器控制、防滑刹车、排气控制等。有智能化的仪器仪表：单片机用于包括温度、湿度、流量、流速、电压、频率、功率、厚度、角度、长度、硬度、元素测定等和各类仪器仪表中，使仪器仪表数字化、智能化、微型化，功能大大提高。在其日常生活中的电器产品：单片机可用于电子秤、录像机、录音机、彩电、洗衣机、高级电子玩具、冰箱、照相机、家用多功能报警器等。在计算机网络与通信方面：单片机可用BIT BUS、CAN、以太网等构成分布式网络的系统，还可以用于调制解调器、各种智能通信设备（例如小型背负式通信机、列车无线通信等）、无线遥控系统等。在计算机外部设备：单片机可以用于温氏硬盘驱动器、微型打印机、图形终端、CRT显示器等。特别的是MSP430系列单片机具有低功耗强大的处理能力。2.2MSP430单片机简介与发展前景MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996年问世以来，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。回忆MSP430系列单片机的发展过程，可以看出有这样三个阶段：开始阶段：从1996年推出MSP430系列开始到2000年初，这个阶段首先推出有33x、32x、31x等几个系列，而后于2000年初又推出了11x、11x1系列。其中MSP430的33x、32x、31x等系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）、和EPROM型（E）等芯片。EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。这也表明了这几个系列的开发模式，即：用户可以用EPROM型开发样机；用OTP型进行小批量生产；而ROM型是进行大批量生产的产品。2000年推出了11x/11x1系列。这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。这个时期的MSP430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。它的许多重要特性，如：片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等，只有33x系列才具备。33x系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时，33x并不一定是最适合的。而片内高精度A/D转换器又只有32x系列才有。寻找突破，引入Flash技术：随着Flash技术的迅速发展，TI公司也将这一技术引入MSP430系列中。在2000年7月推出F13x/F14x系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41x、F43x、F44x，这些全部是Flash型单片机。其中F41x单片机是目前应用比较广的单片机，它有48个I/O口，96段LCD驱动。F43x、F44x系列是在13x、14x的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动LCD的段数由3xx系列的最多120段增加到160段。并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间。MSP430系列由于具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。TI公司推出具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430x110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。这种以Flash技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序。这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可达到32个字节的长度。蓬勃发展阶段：在前一阶段，引进新技术和内部进行调整之后，为MSP430的功能扩展打下了良好的基础。于是TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15x和F16x系列的产品。在这一新的系列中，有了两个方面的发展。一是从存储器方面来说，将RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。这样一来，希望将实时操作系统（RTOS）引入MSP430的，就不会因RAM不够而发愁了。二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块。在2003年中，TI公司还推出了专门用于电量计量的MSP430FE42x和用于水表、气表、热表上的具有无磁传感模块的MSP430FW42x单片机。我们相信由于MSP430的开放性的基本架构和新技术的应用，新的MSP430的产品品种必将会不断出现。2.3 MSP430单片机的特点MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点：强大的处理能力MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（32768Hz）,有的使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA。系统工作稳定上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置。为了保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间，然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。丰富的片上外围模块MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A（Timer A）、定时器B（Timer B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、I2C总线直接数据存取（DMA）、端口0（P0）、端口16（P1P6）、基本定时器（Basic Timer）等。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer A和Timer B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达6*8条I/O口线；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA）模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。目前适应工业级运行环境MSP430系列器件均为工业级的，运行环境温度为-40+85摄氏度，在工业产业中发挥了重要的作用，当然在其他领域也有应用。2.4 MSP430单片机主要功能部件CPU：MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430的实时处理能力。存储器：存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。有程序存储器和数据存储器。对程序存储器访问总是以字形取得代码，而对数据可以用字或字节方式访问。其次上面也介绍过MSP430各个系列单片机的程序存储器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。MSP430-20022004 -12有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。外围模块：经过MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。MSP430不同系列产品所包含外围模块的种类及数目可能不同。它们分别是以下一些外围模块的组合：时钟模块、看门狗、定时器A、定时器B、比较器A、串口0、1、硬件乘法器、液晶驱动器、模数转换、数模转换、端口、基本定时器、DMA控制器等。第三章 系统设计方案3.1 系统设计原则水位监控管理系统是一种不需要工作人员到达现场,采用一定的通信方式将河道的水位数据传送到的水位信息管理平台,有元件对数据进行统计分析与计算的系统。水位监控管理系统的主要优点包括一下几个方面：（1） 通信数据传输网络组网方便。（2） 定时或实时的自动采集水位数据，可以减轻人工劳动强度，提高经济效益。（3） 克服人工测量中的不确定因素，提高体统采集数据的准确性。（4） 通过上位机管理系统，可以进行实时监控。（5） 上位机数据管理方便，报表能自动生成。水位监测系统设计应该考虑以下几个原则：（1） 数据传输可靠性高。（2） 功耗要低。（3） 维护要方便。3.2 总体框图水位监控管理系统包括上机系统和下机系统两大部分。下机系统位于水位监测点现场，主要有水位传感器，供电电路，微控器等构成，上机系统位于监控中心，具有水位数据存储、显示、查询、打印等功能。其中总框图如图3.1所示:图3.1 水位检测系统总体框图3.3 工作原理系统工作时，监控中心发出水位采集信号指令，通过RS-485数据传输方式送到MSP430F169后，微控制器发出采样时钟冲给水位传感器，水位传感器立刻响应，将采集的水位数据送到微控制器进行存储、处理，再将处理好的水位数据发送给监控中心，监控中心的管理员可以通过水位数据平台对数据进行查询，打印，保存等操作。考虑到水位采集现场地处河道周围，下位机供电电路采用太阳讷讷感供电，同时，通过继电器的导通和截止来控制超声波水位传感器电源的通断，以此来降低功耗。3.4 水位传感器的选择当前应用比较多的传感器有浮子式水位传感器、电容式水位传感器、压力式水位传感器，它们都存在一定的缺陷。超声波传感器虽然体积小，但是有其它大型传感器所具有的功能,安装、使用方便，可选择模拟量或开关量输出，供电电压为10-30V，输出电压0-10V,输出电流为4ma-20ma,精度可达0.5mm测量。它能克服温度、空气压强、磁场、电场等环境的影响，因此，检测的准确性、可靠性比较高。3.5 通信方式的选择水位检测系统中数据通信是非常关键的问题，目前国内外主要有以下几种传送的方式，如图3.2所示：图3.2 通信方式 第四章 水位采集器的原理分析和设计水位采集器硬件主要有微处理器、水位器、通信接口和电源四个模块构成，从而实现信息的采集、处理和传输。水位采集系统结构如4.1图所示：图4.1 水位采集系统的硬件结构框图4.1水位采集系统 4.1.1 超声波水位传感器工作原理超声波从一个介质入射到另一种介质时，发生在两种介质之间的传播速度不一样，所以会发生反射、折射、和波形转换等现象。超声波水位传感器的原理;收发公用换能器发射一声脉冲、经过空气传送到水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。通过测量声波在空气中的传播时间的现场的声速，计算出换能发射平面到水面的距离，依据换能器安装基准面和水位零点算出水位值，其水位测量原理如图4.2所示：图4.2 水位测量原理图 4.1.2超声波传感器的特点(1）传感器在量程范围内没有精度下降，比起一般的检测方法，精度提高0.15%。 (2) 有掉电保护功能，忽然掉电后参数信息不会丢失。 （3）外壳经久耐用。 （4）测量周期可以根据实际情况的需要来进行设定。 （5）多种输出信号，方便用户选择使用。 4.1.3 水位采集系统的组成水位采集系统是由声学探头、声路总成、外保护管总成、水位采集器和电源等部分组成。传感器将非电量信号变为模拟的电信号，经放大器放大后送入微控制器进行处理。范围内温度不均匀，就会产生测量误差。所以，为了提高水位测量的准确度，采集水位的同时，还要采集声程数点的温度值，在数据处理时可以对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量难确度。声速与传播声音的介质和温度有关。在空气中，声速和温度的关系为： C=331.4+0.607T (4-1-3)常温下，声速约为345m/s。式中：T为温度()。温度变化 1，将影响声速变化约 018%，从公式 4-1-3可以看出，温度的影响是产生测量偏差的主要原因。在水位测量过程中，声音的不同位置测得的温度数据为非均匀变化，最大差值会达到6以上。经过温度修正，减小了声场温度影响产生的测量误差。4.2水位信号调理电路水位传感器信号输出范围是4-20mA电流，从传感器的资料来看，输出信号的线性度较好，无需非线性校正。但转换的电信号里仍掺杂着不同频率成分的干扰信号，如果干扰信号过强，会将要提取的有用信号给淹没掉。所以，需要设计一种信号调理电路来抑制无用的干扰信号，选出有用的频率信号进行放大。水位信号调理电路如图4.3所示。图4.3 水位信号调理电路4.3单片机最小系统单片机最小系统主要由MSP430F169处理器、时钟电路、电源电路、复位电路、串行通讯等模块、JTAG调试电路组成，MSP430最小系统硬件组成如图4.4所示。其中MSP430F16微处理器对超声波水位传感器取样电路发送来样时钟，采集与处理取样信号，通过RS-485总线传输方式进行数据传送，对电源进行优化管理。图4.4 MSP430最小系统硬件框图图4.5 变送器硬件原理图MSP430F169微控制器的主要端口定义：图4.6 主要端口定义与功能4.3.1采样模块MSP430F169微控制器的基本时钟系统由高速晶体振荡器，抵达晶体振荡器，数字控制振荡器等部件构成。各个振荡器产生的时钟信号可以通过软件的设置分配到ACLK，MCLK，SMCLK路重要的时钟信号通道上。一般来说，微控制器的时钟系统必须满足下列要求：（1）高频命用于系统硬件需求，运算和外部事件的快速响应。（2）低频分用于降低系统的电流消耗。（3）稳定的频轧 以满足定时的需要。微控制器的外围电路非常简单。本系统采用两个时钟输入,即一个32khz的时钟信号，另外一个为8mkz的时钟信号。本模块采用辅助时钟，直接由MSP430F169微控制器的p2.0端口输出32k频率、3.3V采样时钟脉冲到水位传感器信号取样电路中。4.3.2复位电路在系统中，复位电路主要完成系统上电复位和系统在运行时用户的按键复住。上电时，系统的电源不是很稳定，有了复位电路，可以给做控制器提供复位信号，一直到系统电源稳定之后，再报销三位信号。为了使系统更加稳定地工作，电源稳定一段时间后才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。同时，当电源电压降到某一电压值以下或失效时，复位电路也要保证系统能正常复位。正常工作时，微控制器RST引脚应该处于高电平状态。本系统设计时采用PHILIPS半导体公司生产的MAX810芯片来实现复位它的体积小、功耗低、可保障系统在不同的异常条件下可靠复位防止系统失控。图 4.7中的可以实现手动复位，无需该功能时可把Reset端直接与单片机的RST端相莲最大限度地简化外围电路。图4.7 复位电路4.3.3通信接口电路设计通常的微处理器都集成有1路或多路硬件UART通道， 可以非常方便地实现串行通讯。在工业控制、电力通讯、智能仅表等领域中，也常常使用简便易用的串行通讯方式作为数据交换的手段。主要的通讯方式主要有RS-232、RS-422、RS-485。水位数据采集器大多数应用于偏远地区，合理地选择通信方式非常得重要。使用RS-232通讯时经常因外界的电气干扰而导致信号传输错误；RS-232通讯的最大传输距离在不增加缓冲器的情况下只可以达到15米最高速率为20kb/s，并且RS-232是点对点的通讯设计。RS-422改善了RS-232通信偏离短信，将速度提高到了10Mbps，传输距离也处长到1200米。IS-485通信方式可以稳定的传输1200米以上，最大传输速率达到10Mbps，同时，扩展了应用范围增加了多点、双向通信能力，是理想的数据传输方式。4.3.4基于GPRS技术的数据传输系统方案设计水位监控信息的传输有多种方法，距离较近时可直接使用本文所提及的R8485等手段，距离较远时可根据具体环境条件，使用常规的有线或无线传输工具，例如，有线/无线电话线路，或直接使用普通互联网接口等。其中比较重要的一点是信息的24小时可靠传输，GPRS通信技术在该设计中起到很重要的作用。第五章 系统软件设计5.1水位采集系统的软件设计思路本文在水位采集系统软件设计时，结合采集器具备的功能，首先考虑了以下几个问题（1）程序承担的任务：任何一个程序的设计，都有其具体的应用场合和明确的工艺要求，程序设计的首要任务就是确定程序承担的任务。（2）程序的时序性：单片机是按时序运行的，所以程序设计要考虑到水位采集的执行顺序和时间要求。 （3）程序的适应性：要求设计出来的程序具有灵活性，主要考虑将来系统扩展时必要的修改，增加通用性。（4）程序的设计模式：程序的设计模式直接影响着程序的编制、纠错及测试的难易程度。本设计采用模块化设计思想，将一个完整的程序分成若干个可以独立完成某些任务的功能模块，各模块又分为若干子模块，各子模块之间相互独立，又受主程序模块的控制。使整个系统层次分明，逻辑清楚。便于程序的编制、调试、修改和查错。利用模块化技术，可以将错误局限在各个模块内部而不影响整体，提高了系统的可靠性、灵活性和可维护性。5.2低功耗控制低功耗是MSP430系列单片机的一个显著特点，考虑到MSP430应用系统的价格和电流消耗等因素，可以根据实际需要来选择合适的系统时钟频表从而合理的利用系统电源。实现整个系统的超低功耗。在程序设计时，CPU平时处于低功耗模式，当有中断发生时，唤醒加 进行中断处理，处理完成后又进入低功耗模式。当系统时钟发生器基本功能建立后，状态寄存器SR中的SCG1、SCG2、OSCOFF和CPUOFF是重要的低功耗控制住。这四个控制住可以由软件配置成一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0-LPM4）通过设置控制位MSP430可进入相应的低功耗模式，各种低功耗模式又可以通过中断方式返回活动模式。不同的工作模式耗电情况不同。具体如图5.1所示：图5.1 各工作模式的耗电情况低功耗应用原则：（1）最大化LMP3的时间，用32768KHZ晶振作为ACLK时钟，DCO用于CPU激活后突发短暂运行。（2）用接口模块代替软件驱动功能。（3）用中断控制程序运行。（4）用可计算的分支代替标志位测试产生的分支。（5）用快速查表代替冗长的软件计算。（6）避免频繁的子程序和函数调用。（7）在必要时才开启外围模块。5.3主程序设计系统程序总体结构流程图包括系统初始化模块、信号采集处理模块和数据发送块等，主程序的流程图如图5.2所示。主程序初始化后，微控制器向水住传感器发出取样脉冲信号，传感器接收到该信号后，将采集到的信号发送到微控制进行水位数据的处理、存储，再通过接口将数据发送出去。随后，开始判断系统是否进入休眠状态，如果不是，根控制器继续采集工作，直到系统要求进入休眠状态。等到上位机给激增制器发出采集信号时，系统从休眠进入唤醒状态，进行又一轮的数据采集。图5.2 水位采集系统流程框图5.4中断服务程序设计在MSP430系列单片机软件设计中，采用中断方式是降低功耗的重要手段。由于平时水位采集器处于低功耗模式，要进行数据采集、数据通信等工作时，程序就进入中断。当中断处理完成后，重新进入到低功耗模式。在本设计中，中断服务程序包括水位采集指令、通信指令等。中断服务程序的流程图如图5.3所示。 图5.3 中断服务程序的流程图当微控制器处于低功耗状态时，上位机发出采集数据的指令后，微控制器产生唤醒中断，经判断，确定是采集中断后，开始水位数据的采集，如果不是就继续判断是不是通信指令，如果是就接收命令，命令有效的话，将水位数据传送出去，否则进入中断三位，微控制器进行休眠状态。5.5 RS485通信的实现MSP430的串行通信模块每一种型号基本上都有，可以分为两种实现方式，一种是直接的硬件通用串行同步的异步模块，二是通过定时器模块的支持实现的串行通信功能。本论文使用USART1模块来实现RS-485通信，串口工作在RS-485模式时的初始化流程如图5.4所示：图5.4 串口初始化流程5.6水位数据管理软件设计 人机界面是应用系统中不可缺少的一部分，它直接关系到应用系统的实用性。菜单界面设计是近年来应用最为广泛的一种人机界面设计技术，本设计中的水位数据管理平台软件安装在监控中心，通过该人机界面。管理人员可以准确收集、分析和监测现场的实时水位数据，为管理调度提供有力的保障，在设计中人机界面的设计需要通过计算机来完成。结束语这次毕业设计的题目中的水位监控系统是比较理想的水位采集与管理系统,水位采集的准确性较高,功耗较低.整个系统采用的是特有的管理系统,使得水位测量方便、快捷。大大节省了人力、物力和财力，完成了对水位采集信号的低功耗设计并且水位数据的管理平台对水位数据进行显示、查询、存储、打印，非常方便，界面也非常地友好，其中特有的管理系统能够实时查询水位的状态，及时发现异常情况，其中对设计的水位检测系统已将满足了实际的使用的要求，但是还是存在许多问题，这个将有待研究，只有那样管理系统的功能更加全面，尽可能的满足实际的需求。如果能在设计基础上通过改进系统的软件，可以进一步的优化网络连接的可靠性，广泛应用水位监测系统，使其能够发挥较大的社会效益，为祖国的社会发展，社会的进步起到至关重要的责任。致 谢本论文是在杨福猛老师悉心指导下完成的，在老师的教导过程中我深深的感受杨老师学识渊博，学风严谨，对集成电路的理论及方法研究有独到的见解，使我在学业上受益匪浅。杨老师向我传授的不仅仅是专业知识，更多的是让我学会如何在学习的方法，如何有选择地吸收养分，提高自身的学习能力，这将是我一生享用不尽的宝贵财富,这将为我将来的学习和工作中起到至关重要的重用,在跟随杨老师做该设计的过程中，杨老师向我传达的发现问题，分析问题，解决问题的思想方法和严谨的作风，令我获益良多。在此谨向杨老师表示衷心的感谢。参考文献1毛慧和.水厂流量水位监测及控制系统的研究J,仪表技术,2001,(01)