煤矿MSP430单片机的水雨情遥测系统的设计

根据RS485总线协议向通风机下达下位机发出的控制指令，控制风机启停、运行速度，实现2台通风机的交替工作或突发状态下的同时开机。

（4）网络通信模块：485总线协议维持上位机、下位机、变频器、传感器等组件之间的通信联系，实现检测数据的上传和控制命令的下达。

（5）报警模块：采用西门子6SE7032报警模块，设置报警变量（风压、温度、瓦斯浓度、电机的运行状况等）的取值范围，一旦出现超范围异常波动则开启激发声光报警，并将报警代发显示于上位机用户界面中。

3结束语针对煤矿安全生产的实际需要，开发了基于西门子PLC S7-300（PC13C ）和西门子G150变频器的远程智能通风机监控系统。

可以实现对2台通风机运行状态的自主监控与转速调节，降低了设备的生产强度，延长了设备的使用寿命，减小了因通风机工作异常导致的瓦斯浓度超标风险。

整个系统技术成熟、设计简单，易于操作，投入小，易于煤矿企业利用现有设备进行升级改造。

参考文献：[1]于水娟,吴建.基于两级网络的煤矿通风机监控系统设计与实现[J].煤矿机械,2007(7):183-185.[2]周应兵,王旭光,赵永林.一种S7-226型PLC 与PC 机的通信方式的实现[J].微计算机信息,2005(9):24-25.[3]高鸿斌,孔美静,赫孟合.西门子PLC 与工业控制网络应用[M].北京:电子工业出版社,2006.[4]周万珍,高鸿斌.PLC 分析与设计应用[M].北京:电子工业出版社,2004.[5]邓作杰,谭小兰.基于S7-224和G150的煤矿风机监控系统设计[J].煤矿机械,2010(4):141-143.[6]武磊,李金宝.瓦斯综合监控系统的应用分析[J].煤炭技术,2009(10):94-95.（责任编辑王秀丽）收稿日期:2012-02-06;修订日期:2012-10-18作者简介:任二伟（1986-），男，安微萧县人，安徽理工大学电气与信息工程学院在读硕士生，研究方向：智能控制与综合自动化。

0前言本水雨情遥测系统采用美国德州仪器TI 公司的MSP430单片机作为基础进行开发。

其突出特点是强调超低功耗，非常适合于各种功率要求低的场合。

MSP430系列单片机是16位超低功耗微控制器。

该系列单片机具有运算速度快、功耗低、效率高等优点。

同时具有活动模式、备用模式等，各模式之间可以切换。

当系统处于备用模式时，从该模式唤醒仅用6μs 。

该系列单片机具备16-Bit RISC ，大量的寄存器以及片内数据存储器。

供电电压范围为1.8～3.6V ，在电压2.2V ，l MHz 的条件下运行时，电流仅有200μA ，极大地延长了电池寿命[1]。

1系统要求及组成1.1系统要求（1）超低功耗由于测量雨量、水位等水文设备一般都工作在野外，遥测系统基本采用独立供电的工作方式，大多使用蓄电池供电，同时使用太阳能电池板或风力发电机等来对蓄电池进行充电，但由于蓄电池的存储容量有限，所用的充电电力来源又受自然环境条件的约束，因此低功耗设计遥测系统就显得非常必要。

（2）可靠性第32卷第2期2013年2期煤炭技术Coal Technology Vol.32,No.02February,2013煤矿MSP430单片机的水雨情遥测系统的设计任二伟（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232000）摘要:介绍了该遥测系统的技术要求、系统组成及工作原理，详细介绍了硬件设计与软件程序设计。

实践表明，该遥测系统设计合理，功耗低，可靠性强，测量准确，很好地完成了水位和雨量数据的存储和发送。

关键词:MSP430单片机；低功耗；GPRS ；水雨情遥测系统中图分类号:TP36文献标识码:A 文章编号:1008-8725（2013）02-0025-03Design of MSP430Based Hydrological Telemetry SystemREN Er-wei（College of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232000,China ）Abstract:This paper introduces the telemetry system technical requirements,system compositionand working principle,introduces in detail the hardware design and software program design.Practice shows that,the telemetry system is reasonable in design,low power consumption,highreliability,accurate measurement,good completion of water level and rainfall data storage and transmission.Key words:single chip MSP430;low power;GPRS;hydrological telemetry system !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!图1遥测系统结构组成图2硬件结构组成图3MSP430F149外围电路本系统从以下方面提高系统可靠性。

在电路设计方面，直接焊接SMD 帖片元件，避免了由于插接接触不良造成的故障。

在雨量传感器接口、蓄电池接口、太阳能接口、水位传感器接口都设计了防雷电路。

系统工作状态通过单片机系统中的看门狗电路来进行监测，当受到强干扰而不能正常工作时,看门狗使单片机自动启动恢复工作[2]。

1.2系统的组成遥测系统的组成（图1）主要由GPRS 模块、MSP430单片机、水位传感器接口、雨量传感器接口、液晶显示、实时时钟电路、固态存储器、电话通信模块、电源模块、“看门狗”电路及避雷模块等部分组成。

其工作过程如下：各个遥测系统采集当地的水情、雨情等数据，并对这些数据进行处理，然后GPRS 模块将各参数报送到数据中心，同时监控中心也通过GPRS 通信模块发送数据。

1.2.1硬件设计硬件部分（图2）的中央处理器为16位MSP430F149单片机，外围电路包括：显示、报警电路、前置放大电路、通道切换、线性隔离放大器等信号处理电路、控制输出、主通讯及智能口通讯等接口电路和数据存储电路。

（1）单片机系统。

单片机是遥测系统的核心，其外围核心电路主要有晶振电路、复位电路、下载接口电路等，其外围电路图如图3所示。

在实际应用中，MSP430单片机具有快速处理的能力，无需做过多的扩展，适用于实时处理系统，故可应用于对功耗和实时性要求很高的遥测设备中。

该单片机内的固态存贮器采用FLASH 存贮芯片，具有8M 字节的存贮容量，能够存贮水文原始数据长达4a 以上，仅在读写数据时需要供电，因此，对数据的保存无需后备电源，对数据的保存可达10a 以上，可靠性高，不易丢失[3]。

（2）主控模块。

为了降低功耗,只有主控模块和实时钟模块加电工作，其它模块处于掉电状态，只有在以下几种情况时，主控模块使用单片机系统上电启动：①单片机每隔6min 启动一次，控制外接水位计对水位进行采样，将水位变化值自动存入固态存贮器，当水位变化达到预计幅值时便自动将数据发送到分中心；②单片机在雨量计有触发信号产生时启动，将雨量数据存入到固态存贮器，当数据达到预设发送条件时，即自动将数据发送到分中心；③单片机在有电话呼叫拨入时启动，将拨入的号码与预设的分中心电话号码相比较，如果判断是分中心号码，则进行应答检测，传送数据或设置远程接收；④单片机在按动按键时启动，系统上电，对数据进行显示，可通过键盘来进行数据查询并对采集仪进行设置。

（3）实时时钟电路。

该单片机采用实时时钟芯片DS12C887来产生年、月、日、时、分、秒高精度实时时钟信号，将水文数据的准确采样时间记录并存入固态存贮器，可产生准确的时段信号，控制自动报讯，静态耗电仅有5mA 。

时钟的调整与校对可以用键盘设置，并且分中心的计算机仪器在每次与分中心的通讯中都对时钟进行自动调校。

（4）采集仪的参数设置密级管理。

系统采用密级管理以防止专业人员的误操作或非报讯工作人员对系统参数进行更改。

只有在输入正确口令后，才可对本报汛站的雨量计、测站类别、测站站号、发报段次、呼叫号码、原始报文、起报标准等一系列参数进行编辑修改或初始化。

在分中心，可通过有线或无线信号利用通信控制机对采集仪进行远程设置。

（5）通讯模块。

在GPRS 模块中专门设计有抽屉式SIM 卡座，插入SIM 卡时，首先放入SIM 抽屉内，再把卡的接触面面向电路板方向推入到SIM 卡座中，操作简单。

1.2.2软件设计系统软件主要包含两个部分：电源控制板软件和主工作软件。

当需要系统工作时，电源控制板一旦检测到该信号就给系统上电，当系统工作完成后，电源控制板检测到该命令，则关闭系统电源。

遥测系统在这个等待过程中有可能接收到数据中心下发的设置命令并作出处理，在需要时，将命令下发给电源控制板以进行相应设置[4]。

如图4所示为软件工作流程。

该程序全部采用查询式结构，由主程序和中断程序两部分组成。

主程序包括变量、端口和内部寄存器的初始化以及数据煤炭技术第32卷·26·图4软件流程图处理功能。

中断程序用于对事件的响应并对相应标志置位，再将参数返回给主程序进行处理。

唤醒微控制器从低功耗模式至激活模式的中断共有两类：外部中断和内部中断。

微控制器的外部中断用于响应雨量、水位等随机性事件。

由片内定时器产生内部定时中断，用于在无水位和雨量变化时定时发送数据。

系统自诊断：遥测系统一般工作在荒无人烟的野外，一旦出现故障后，去人维护的时间周期比较长，同时不知道什么故障类别，带配件及维修工具没有针对性。

遥测系统在软件中通过采集电池电压、传感器数据、内部各状态字及通信装置返回值来判断系统各部分的工作情况，因此当出现故障后，数据中心应该能够自诊断到故障类别，并派相应的技术人员及配套设备去现场维修。

自动报送模式：电源控制板是系统的变幅检测测报与定时测报的工作基础。

在系统与电源控制板间通信异常或者电源控制板异常时，即使系统正常，也会出现无法进行测报的情况。

为了防止这种情况的出现，在系统端软件中加入两种检测：第一用来判断与电源控制板间通信是否正常；第二用于系统发送工作信息完毕一段时间后检测是否断电，如果这两种检测出现异常，系统则会自动进入定时发送模式。

该检测按照预先设定的时间间隔来测量并报送。