基于MT8880的水库水位监测系统设计

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本文介绍了一种地下水位实时监测系统的设计方案。该系统主要包括信号采集、无线模块、数据处理及存储三部分。该方案对提高监测系统的便携性，降低成本和能耗，有一定的参考价值。
　　对上游水库水情的可靠准确掌握是实现灌区配水调度、科学管理的先决条件，水情信息主要是靠人工完成，人为因素影响较大，做不到准确及时的掌握。因此，某灌区管理局拟对其上游三座水库进行水库水位的远程遥测，鉴于水库均处于山区，用无线传输的方式使用方便，但信号强度可能不稳定，因而采用有线方式。有线方式种类较多，主要有双绞线（如网线、电话线）、同轴电缆和光纤等，专用电缆的铺设一次性投资较高，运行期间需专业人员维护。本方案在通信方式上采用租用电话线，即PSTN方式。
　　1 系统组成
　　本遥测系统由超声波水位传感器、采集前端机、电信交换机和调度站遥测终端组成，如图1所示。超声波传感器采集水位信息，采集前端机对超声波传感器测到的水位信号进行编码，并通过电话线传送到调度中心，前端机工作模式为被动式，即不进行自动上报水位，等待调度站的遥测指令；调度站遥测终端由人工操作，只要按下招测键即可在液晶显示器上显示水库水位。本文研究遥测终端的通讯部分，采集终端和遥测终端的电路类似。
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　　2 单元电路
　　2.1 硬件系统组成
　　本系统主要分2部分，即遥测终端和采集前端机，两者之间双工通讯，其通讯电路基本相同，本文主要对其通信电路进行详细的论述。每个单元电路框图如图2所示，主要包括CPU、电话来电振铃检测、模拟摘机、编码和解码、语音提示电路以及其他电路。其他电路包括液晶显示驱动电路、键盘扫描电路和数据采集电路。下面对几个主要模块电路详细地进行论述。
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　　2.2 振铃检测电路
　　公用电话网的传输线路为二线模拟线路，采用直流环路信号方式，能向模拟话机提供直流馈电、振铃信号、话音数据、音频数据、双音频数据等。我国规定的标准为，话机在不通话时，电话线中的直流电压是48 V.当有电话呼入时，同时还有（25±15）V、25 Hz的正弦信号加在电话线上，所以向用户振铃的铃流电压为（75±15）V、25 Hz的交流电压。光电耦合器输出的信号可以直接被CPU检测。
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　　2.3 模拟摘机电路
　　当系统检测到有振铃，且振铃次数为3次，就"接通"电话，这里采用模拟摘机电路，如图4所示。用户话机的摘挂机状态，是通过对直流环路上电流的通断来实现的。图4中，NPN三极管VQ202接收到CPU控制端发出的高电平就开通，然后将PNP三极管VQ201的基极电位拉低，VQ201开通，即直流环路接通，R203（300 Ω）是限流电阻，b201是整流桥，保证VQ201一直开通。
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2.4 编码译码电路
　　在计算机硬件中，编码（coding）是在一个主题或单元上为数据存储，管理和分析的目的而转换信息为编码值（典型地如数字）的过程。在软件中，编码意味着逻辑地使用一个特定的语言如C或C++来执行一个程序。在密码学中，编码是指在编码或密码中写的行为。用预先规定的方法将文字、数字或其他对象编成数码，或将信息、数据转换成规定的电脉冲信号。编码在电子计算机、电视、遥控和通讯等方面广泛使用。 编码是根据一定的协议或格式把模拟信息转换成比特流的过程。
　　编码译码电路采用MITEL公司的低功耗、高稳定性芯片MT8880,这是一个带有呼叫处理滤波器的单片DTMF信号收发器。DTMF信号的接收部分采用DTMF信号接收单片机MT8870的工业制造标准；发送部分采用开关电容进行D/A转换发送高精度、低畸变的DTMF信号。IN+、IN-分别为内部放大器的同相输入端和反相输入端，即接收DTMF信号的输入端，本设计采用单端输入；信号的耦合方式上采用阻容隔离，由C10来实现；OSC1和OSC2是TDMF时钟输入端，Y1是石英晶体时钟，频率为3.579 545 MHz;TONE是双音频信号输出端；R/W是读写控制端，RS0是内部寄存器控制端，用于操作内部寄存器；在呼叫处理模式（CP）且检测到有效信号音时，该端输出方波；D0-3是写入命令或读出状态的数据线。
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　　2.5 CPU及其最小系统
　　CPU采用silicom公司的单片机C8051F021,这是一款混合信号ISP FLASH、高速8051内核的微控制器。片内集成多路12位和8位ADC,为数据采集提供方便；4个8位双向IO口可直接控制键盘输入、液晶输出、声音播放、模拟摘机、振铃检测、译码和解码芯片而无需外扩IO口；片内JTAG调试电路可进行非侵入式、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。图6是单片机的最小系统。U1是单片机；P1口主要完成和MC8880的通讯；P2口和部分P3和ISD1420相连；AD口可连接传感器；另外，还有复位电路，J1接口是JTAG接口用于调试和下载程序，振荡电路。
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　　2.6 其他电路
　　除了上述的CPU和PSTN通讯部分电路外，本系统还有电源电路、信号调理部分、存储电路和串口电平转换电路，由于篇幅有限不在这里论述。
　　3 结论
　　本文提出的方案和具体电路在陕西某灌区进行了试验，经过30天的不间断工作，结果表明，该方案是可行的也是可靠的，硬件电路是正确的，可达到无人值守或少人值守的要求，为后续进一步生产推广提供技术保障。