基于AVR和GPRS的远程水情监控系统设计

位分辨率为1 cm，结构简单、精度高、稳定性同时价格较便宜，更重要的是它是无源的，不易受外界干扰，无掉电、雷击危险，长期准确运行时不需要特别的维护。其工作原理是：在水位测站水位计井台的测井中，安装一个浮子，作为水位感测元件。水位发生变化时，浮子灵敏地响应水位变化并作相应的涨落运动，同时把此水位涨落的直线运动借助悬索传递给水位轮，使水位轮产生圆周运动，并准确地将直线位移换为相应的角位移量。水位轮枢轴就是轴角编码器输入轴，因此，当水位旋转的同时，轴角编码器已将水位模拟量A转换，并编码成相应的数字编码D。

5.1.2 单片机

单片机作为节点内部的控制中心，主要负责节点的数据采集以及闸门启闭控制。因此，MCU必须考虑指令执行速度、功率消耗、强大的外围电路和可用存储空间等因素。

综合节点设计要求，对于MCU的主要要求为：1)由于系统是建立是实时采集的基础上，因此对于单片机的处理速度要求比较高;2)系统采用周期性休眠唤醒的工作调度方式，而大部分时间来讲，节点是处于休眠状态的，因此对于睡眠模式的功耗尽量要低;3)节点供电方式为蓄电池供电，因此芯片功耗应尽可能低。

本系统选用Atmega169L，电源管理方面，Atmega169L采用3.3 V供电电压，已具备基本低功耗要求，对于典型功耗情况，WDT关闭时为100hA，适用于电池供电的应用设备。Atmega169L单片机以时钟周期为指令周期，16 MHz时性能可达16MIPS。单片机的FLASH、EEPROM蓄存器都可以反复烧写、支持在ISP在线编程(烧写);片内集成多种功能电路，电路设计非常简单;单片机具有休眠省电功能(POWERDOWN)及闲置(IDLE)低功耗功能，一般耗电在1～2.5 mA，电源抗干扰性强，可降低一般8位机中软件抗干扰的设计工作量和硬件的使用量。本系统主要用到功能包括SPI、USART、中断、定时器/计数器等。

5.2 主节点硬件设计

监控终端针对分布距离远且分散的系统，承载着数据接收、存储和通信控制等任务。传感器输出的信号转化为数字量经无线收发模块发送后，进入监控终端MCU的数字量输入口。其主要由AVR微处理器、无线收发模块、GPRS模块、显示模块、时钟模块等构成，由无线收发模块采集到各监测点的无线电信号后，输送到AVR微处理器转化成数字信息，经GPRS模块发射到监控中心;监控中心发来的控制信号由GPRS模块接收，传送到AVR微处理器转化成相应的数字信号，监控终端再将这些命令传送至从节点，完成取数或设备控制的操作。可实现连续不间断地对监控对象实时远程监控，适用于地理环境恶劣、无人值守的监控环境。由于监控终端的功能要求较高，因此在单片机选型上，选择功能更为强大的ATmega1280，总体结构如图3所示。

5.3 人机接口模块

监控系统中，为方便管理人员查询已经采集到的数据以及检查设备的运行状态，可以通过键盘对终端设备内部的参数、功能等进行快速设置，再加上液晶显示屏的数据显示，体现了人机交互的友好性。

5.3.1 键盘

系统采用了简单键盘进行时间调整、菜单选择和输入控制参数等操作，键值与按键功能对应关系为OK、FUNCTION、UP、DOWN、LEFT、RIGHT和ESC。由于芯片I/O口有限，系统将选用PCF8574作为I/O输出的扩展芯片。PCF8574是单片的CMOS电路，具有8位准双向口和I2C总线接口。具有功耗低，输出锁存，驱动能力大等特点，同时存在中断请求线，可直接连到单片机的中断输入端。

5.3.2 LCD显示

为了更直观的看到采集到的信息，系统使用LCD显示器用于显示水位、雨量、采集时间、站号和通讯设备状态等信息。为满足系统显示要求，专门定做了4x40的LCD显示屏，电路设计时，使用单片通用低复用率LCD驱动器PCF8576D，它可为任何静态或多路LCD提供驱动信号，带电压跟随缓冲器的内部LCD偏压电路，40x4的RAM显示数据存储器，含有4路背电极输出和40路段输出，同时无需连接外部元器件，通过双向“二线”的I2C总线与MCU进行通信，电路更加简单。将芯片的OSC与VSS引脚相连来使用内部振荡，器件内部可产生多路复用LCD所需的合适偏压。最后将各种电源信号以及所选的LCD电源输入连接好就可完成系统应用的连接。电路如图4所示。

5.4 时钟电路

RTC(实时时钟)芯片的主要功能是对年、月、日、时、分、秒等的计时，通过外部接口为MCU系统提供日历和时钟，因此实时时钟芯片最基本的部件应该包含;电源电路、实时时钟、时钟信号产生电路、数据存储器、通信接口、控制逻辑电路等，同时大多数的实时时钟还会提供一些额外的RAM。实时时钟的具体结构组成如图5所示。

5.5 GPRS通信模块

监控终端站数据采