基于.单片机的水情监测系统设计.docx

南宦理二大学硕士学位论文基于单片机的水情监测系统设计王国伟指导教师:王重副塾援萱生红直级王猩垣论文级多IIJ.工程亟士作者单位:出版时间:国圆皇左型堂盟究院垒Q!窒生墨旦iiI洲5I119-andTechnologyIneerlngMonitoringSystemDesignHydrometryBasedonMCUByGuoWeiWangUndertheofSupervisionProfessorLeiWangSeniorCaoaoNianNlanrolngEngineernoHHongStateGridElectricpowerResearchInstitute2012March声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的局部外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的奉献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：况固！堑a。肛年/；月t夕日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的局部或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的局部或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：碑文咿年7月7日工程硕士论文基于单片机的水情监测系统设计摘要我国地处季风气候区，暴雨洪水频发。受季风气候影响，我国大局部地区夏季湿热多雨、雨热同期，不仅短历时、高强度的局地暴雨频繁发生，而且长历时、大范围的全流域降雨也时有发生，几乎每年都会发生不同程度的洪涝灾害。因此，完善的水情监测有助于中心站实时监测各地水情，并对各种突发状况做出及时、合理的措施来防止灾害的发生和降低灾害所造成的破坏。本次设计以AT89C51芯片为核心，辅以相关的外围电路，设计了以单片机为核心的水情监测系统。系统由12V直流电源供电。在硬件方面，除了单片机外,采用toSDI.12总线来连接多个传感器，通过TDC40SDI.12RS232转换器将传感器采集到的水情数据发送到单片机PO口，单片机通过FLASH存储实时数据，亦可通过PSTN、GSM、北斗卫星、海事卫星等通信信道将采集到的水情数据传输到中心站。在软件方面，采用C语言编程。通过对单片机程序设计实现对水情监测系统的整个水情数据的采集、存储和传输程序进展监测、判断和控制以及人机交换。论文的结尾对本次设计做一个整体总结和展望，以期能对基于SDI.12总线的信号采集、存储和传输的相关应用提供一个有益的参考。关键词：单片机、SDI.12、数据采集、水情监测Abstract工程硕士论文AbstractrainandfIoodChinaislocateciinthemonsoonclimatezoneandtorrentialoftenourisandmoreinthismonsoonofhotwetrainclimate,mostbyregionhappens.AffectedforshortIocalrainstormoftenalsobutsummer. Notonlyduration, highstrengthhappens,oftendisasterrainin 而 de ofthedurationrange valley i til： longinofournation 谢 nldegrees. Therefore, Perfecthappenslargerangevaryinghydrologicalcan real-timeinallthecentralmonitoringhelpmonitoringhydrologicalregions "唁 thStationandMake andreasonablemeasuresforaofSituationstotimelyVarietyunexpectedand theCauseddisasters.disastersreducepreventdamagebyThe usetheAT89C51asthewitllthecore,Combinednecessarychipdesignperipheralthewith51MCUasacore.Itconsistscircuits.Wehydrologicalmonitoringsystemdesign12VthehardwareadditiontousesSDI 一ofDCside,inMCU,Itpowersupply.Onconnectsensors.Collected2toRS232thewaterlevelmultiplebyTDC40SDI一1ConverteOandSensordataissenttotheMCUPO.TheMCUuseFLASHtostorereal-timedataportsthecolIectedwaterleveldatatothecentralstationtransportthroughasSatelliteandSOon.Onthethechannel,suchPSTN,GSM,COMPASSsateHite,maritimesoftwareuseCforontheside,weMCU,we1anguageprogramming.Byprogrammingrealizefortheentiredatahydrologicalmonitoringsystemhydrologicalandfordetermineandcontrolandhumantransportproceduresmonitoring,toexchange,anabouttheandforwardnewAttheentireend»thepapergivessummarydesignputsandviewstoabenef icialreferencetotheusedtoprovideprospectsapplicationsignalbasedonSDI.12businthefuture.andtransmissionacquisition,storagewords：MCU、SDI一12、datalevelKeyacquisitionWatermonitoringII基于单片机的水情监测系统设计.IIIIII1112国内外研究现状.113本课题的主要内容2131研究内容。2132内容安排22系统设计指标与总体方案421系统设计指标411技术指标42.1.2基本功能422总体方案5雨量遥测站设计方案5站设计方站设计方2.2.2水库监测案62.2.3水文遥测案.7本章小结83基于单片机的水情监测技术93.1单片机原理及接口技术9311单片机的选择9312AT89C51内部构造93.1.3AT89C51引脚及功能103.1.4时钟振荡电路设123.1.5开关式复位电路设计12316电源电路电路设计1232SDI12总线.1332ISDI12电气接口143.2.2SDI.12通讯协议143.2.3SDI12的命令和响应153.2.47SDI12的时序1III目录工程硕士论文3. 2.5SDI12的流程图173.2.6SDI12与RS.23219本章小结204监测站硬件系统设计O214.1监测站硬件设计思路和系统框图214.2A/D转换模块设计224.2.1A/D转换芯片选择224.2.2MAX197D转换的基本原理234.2.3MAX197与单片机的硬件接口设计o：O2443存储模块设计25431存储芯片选择254.3.244串口扩展设计28451。口扩.29结。315监测站软件系统设计3251总体软件设计O325.1.1雨量站系统软件设计流程325.1.2水库站系统软件设计流程.345.1.3水文位站系统软件设计流程365. 2A/D数据采集模块软件设计375.3FLASH数据存储模块软件设计O385.3.1无效块的识别39532页O39533页编程40534擦除编程415 4本章小结426 总结与展望4361工作总结4362研究展望43致说I"OoOO.O.(0*000O45参考文献.46IV工程硕士论文基于单片机的水情监测系统设计1绪论1.1选题背景我国地域辽阔，地形复杂，又地处亚洲季风区，气候异常，河流来水量变化剧烈，暴雨洪水频发。如1998年长江流域、松花江和嫩江流域发生的大面积特大洪水造成了历史上罕见的水灾【1】，给人民的生命财产造成了严重的损失。究其原因除了有植被及天然蓄洪湖泊遭到严重破坏，现有土建防洪工程尚缺乏以抗衡特大暴雨洪峰以外，报汛不及时，水情不明也是导致灾情加重的重要原因【2】。水情检测系统采用现代科技对水文信息进展实时采集、存储和传输的专门技术，有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理利用的先进手段，是水文现代化的开展方t3j。如假设在三峡区域设计一个基于水库、水文、雨量的水情监测系统，可以综合分析三峡区域水情，可以实时了解三峡水情来实现三峡区域水情的合理调控。同时可以实时监测一些人无法靠近的区域或者无需人力来监控的现场。由于不同地区的不同实际情况，因此需要对不同区域采用不同的方法来采集和传输实时数据，因此对监测设备的要求不同。这样往往造成监测系统专用化程度高，品种多，不利于设备维护，也增加了对设备设计的复杂性。因此，在综合研究中国水情监测实际情况的根基上，设计开发出一种多功能、可靠性高、维护方便，可适用于水文、水库、雨量监测的综合性自动化监测系统具有重要的实际应用价值。1.2国内外研究现状就国内外的开展来看，美国和日本是最早重视水情自动监测系统的国家。在1976年时美国SM公司与美国天然气局合作研制了一套水情自动测报设备4180年代以来，遥控设备、数据传输调度自动化技术在全世界得到广泛的应用。90年代以后，国际上多家公司推出了功能强、应用范围广的产品，在水利、水电、气象以及各类要求监测水文、气象参数的专业领域都适时地得以应用。在我国，水情自动监测系统的研究始于20世纪70年代中期，形成初期产品在国内一些水库实际应用，但是由于设备落后，资金紧缺，系统的误差较大，不能应用。在80年代中期，我国已较快的速度改进了自己的技术根基，建成了一些自己的水情自动监测系统。1983年正式开场,1986年投入运行，90年代是我国这一专业技术开展最快的时期，一些较大的系统都相继建成。特别是近几年，我国的水情自动监测系统有了不小的开展。水利通信随着科技的开展己从有线到无线，从短波、超短波开展到数字微波、11绪论硕士论文800M集群移动、无线接入、卫星和程控交换5,特别是近几年来，国外先进技术的引进，给我国防汛通信网建设注入了新的活力，防汛通信网从数量到质量和水平都迈上了一个新台阶，已成为我国防洪减灾的重要手段之一，是非工程防洪措施的重要组成局部。传感器是实现监测及控制的首要环节，一般传感器【6J有模拟式和数字式两类，模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相连的时候采用A/D转换器把模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传。数字式传感器直接将待测量转换为数字量输出，其输出信号抗干扰能力强，功耗小，可与数字设备直接相连。目前雨量传感器主要为翻斗式雨量计,水位传感器有浮子式、气泡式水位计和雷达水位计。水情信息采集可以从本地直接读取，也可以通过有线或者无线的方式进展远程传输，有线的通讯方式可以通过或者互联网光纤来实现，例如：通过PSTN和Modem通信，无线的通讯方式可以通过GSM、北斗卫星、海事卫星等通讯设备来传输71o1.3本课题的主要内容1.3.1研究内容水情监测系统的功能主要是完成水情数据的监测、存储和传输，本次设计由单片机控制的水情监测系统主要包括一下几个内容：1水情数据采集：通过SDI.12总线协议，单片机可以连接至多十个传感器，可以同时采集水库、水文、雨量等水情数据。2数据存储：单片机的内部存储有限，采集数据及实况信息需要扩展外部存储空间。根据区域情况合理选择外部存储设备来满足存储需要。3水情数据传输：采集的数据进展远程传输，需要解决区域性传输媒介和远程传输数据不稳定和有干扰等影响。4电源控制：通过太阳能电池板对监测系统充电，需要解决若何将监测系统电源控制在正常工作范围内。水情监测系统采用多种传感器将水库、水文、雨量的水情数据，通过SDI.12总线经RS.232串口传送至单片机存储；单片机将采集到的水情数据以及监测系统的实况信息通过PSTN、GSM、北斗卫星、海事卫星等通信信道传输到远程中心站，从而实现水情监测系统的实时监测、存储和传输功能。1. 3.2内容安排本文的章节内容安排如下：第一章介绍了水情监测系统的背景、研究现状等，并介绍了本文研究的方法和研2工程硕士论文基于单片机的水情监测系统设计究目标、意义。第二章分析了系统的设计指标，给出系统设计要求，并根据系统设计要求给出具体总体设计方案。第三章给出了基于单片机的水情监测系统方案，并对方案进展了详细分析。第四章给出了水情监测系统的硬件设计，着重研究了A/D转换芯片、存储器等核心器件的选择、特点、工作原理以及具体设计。第五章给出了水情监测系统的软件设计方案，设计了具体软件流程。第六章对论文进展总结，并给出研究结论。2系统设计指标与总体方窠工程硕士论文2系统设计指标与总体方案本章主要介绍系统设计的指标以及总体设计方案。水情监测系统功能主要包括：/准确、实时地自动采集所在区域的水雨情信息，并将数据发送到中心站；/中心站通过各个监测站采集上来的这些水雨情信息，以及实时地气象信息，做出短、中、长期水文预报；/根据水情信息和水文预报，按照枢纽综合利用的要求，进展水库调度方案的计算和分析比较，为水库调度提供支持。2.1系统设计指标水情监测系统设计要求采用先进的科学技术，坚持实用性、先进性和可靠性，完成和完善以水情测报、水文预报、水库调度为主要内容的水情自动化系统。为满足监测站测报自动化要求，必须采用成熟可靠的技术、世界领先的技术。设计的雨量、水位数据采集方式必须是在保证给定精度的条件下，同时还要考虑投资经济合理与日常运行维护费用的最优化，考虑人为的自然的因素影响，确保长期稳定、连续地工作。设计需满足具有可编程功能的测、报、控一体化的系统。2.1.1技术指标监测站设计指标如下：串行输入/输出接口；/具有4路以上、不低于12bit的A/D转换器；/采用非易失性存储器，容量要求能连续保存不少于一年的带时标的水文数据及监测站工况数据；/具有低功耗LCD字符显示输出部件；/工作电源电压IoVT6V,静电电流小于2mA,具有良好的电源管理能力；/能在温度-400C.600C,湿度99%环境下正常工作。2.1.2基本功能监测站主要完成以下基本功能：/按照设定的时间表和要求，进展水文参数的采集、存储和发送；/随时接收远程或本地指令，改变或报告监测站工作状态；工程硕士论文基于单?i-机的水情监测系统设计/依照中心站指令，采样并发回最新水文参数；/通信控制，包括传输编码，信道选择和重发等哪；2.2总体方案根据监测站所测量的水文参数不同，遥测站的电气构造和机械构造也不同。按水文参数分类，本系统监测站共有一.种：雨量站，水库站和水文库站。三种类型监测站的异同之处如表2.1所示:表2.1雨量站、水库站、水文位站工程设计对照表工程雨量站水库站水文位站传感器配置雨量传感器水位传感器雨量+水位传感器测量间隔6分钟，可编程6分钟，可编程6分钟，可编程发送间隔有雨那么发送，无雨不发送均匀，固定时刻均匀，固定时刻安全信号有，定时主动发送无无信道配置GSM短信+北斗GSM短信+北斗PSn-北斗卫星2.2.1雨量遥测站设计方案图2.1为雨量遥测站设计方案。雨量遥测站主要负责检测站点的雨量信息，并将检测到的雨量信息及时的发送到中心处理站点，其必须具有高可靠性和备份的通讯机制。从图2.1可以看出，雨量遥测站设计方案特点为t/单片机作为系统的核心处理芯片/太阳能控制板作为系统电源来源/GSM或卫星通信作为通信手段/雨量计作为探测传感器/其他外围辅助芯片2系统设计指标与总体方案工程硕士论文图2.1雨量遥测站设计方案2.2.2水库监测站设计方案图2.2为水库检测站设计方案。水库检测站主要负责检测站点的水库水位信息，并将检测到的水位信息及时的发送到中心处理站点，其必须具有高可靠性和备份的通讯机制。从图2.2可以看出，水库检测站设计方案特点为：/单片机作为系统的核心处理芯片/太阳能控制板作为系统电源来源/PSTN或卫星通信作为通信手段/水位传感器作为探测传感器/其他外围辅助芯片6工程硕士论文基于单片机的水情监测系统设计图2.2水库监测站设备构造图2.2.3水文遥测站设计方案图2.3为水文遥测站设计方案。水文遥测站主要负责检测站点的水库水位以及雨量信息，并将检测到的水位信息以及雨量及时的发送到中心处理站点，其必须具有高可靠性和备份的通讯机制。水文遥测站兼具雨量遥测站和水库检测站的功能。从图2.3可以看出，水文遥测站设计方案特点为：/单片机作为系统的核心处理芯片/太阳能控制板作为系统电源来源/PSTN或卫星通信作为通信手段/水位传感器以及雨量计作为探测传感器/其他外围辅助芯片72系统设计指标与总体方案工程硕士论文图2.3水文位遥测站设备构造图2.3本章小结本章主要研究水情检测系统的主要技术指标，并给出总体设计方案，根据系统的不同要求，分别给出雨量遥测站、水库检测站和水文遥测站的设计方案，为后面的具体设计奠定根基。8基于单片机的水情监测系统设计机为核心，通过SDI.12总线将多个传感器采集到的雨量、水库、水文位数据传输到单片机串口，单片机可以将采集到的数据到中心站。完成实时数据采集、存储、传输的功能。3.1单片机原理及接口技术3.1.1单片机的选择将运算器、控制器、存储器和各种I/O接口等计算机的主要部件集成在一块芯片上，就能得到一个单芯片的微型计算机。它虽然只是一个芯片，但在组成和功能上己且可靠性高，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和监测系统的前端装置。单片机的种类繁多，选择适宜的单片机是单片机系统设计的关键，即选择适当字长的单片机。按字长单片机可分为4位机、8位机、16位机、32位机等。位数越长，单片机的功能越强，但成本将增高。因此，必需根据具体任务进展选择，否那么，将会影响系统的功能造价。目前，市场芯片资源丰富，且价格廉价，生产单片机的厂商不本系统在数据处理上速度要求不是很高，8位单片机即可，又因本系统需要处理数量较大的数据，程序占用空间也较大，而对定时器/计数器和中断源的数量要求不多。本系统选用AtmeI公司的AT89C51芯片。3.1.2AT89C51内部构造只读存储器的8位CMoS微控制器，使用高密度、非易失存储器技术制造。其内部资源分配如下：1个8位的微处理器CPU；2个16位定时器/计数器；5个中断源；的串行I/O口，用于实现单片机和微机之间的串行通讯；4个8位并行I/0接口POP3,每个口即可以用作输入，也可以用作输出。图3.1是AT89C51的内部构造图IOlo3基于单片机的水情监测技术工程硕士论文图3.1AT89C51的内部构造图3.1.3AT89C51引脚及功能AT89C51芯片引脚如图3.2所示：-rV&Po_笛ADOPo.1,AD,确21乒。童P晓掣芦ID3冈.射ADl1：10.gA05阳.斟A06t健11缸&jlDuAL目W即IN七INE自屹KAGEALE>S出PZ7踉15PZ尉A14P撇'3p2射A'2pZWA,PZ2IA1DP21珀国P2.ofA8图3.2AT89C51芯片引脚工程硕士论文基于单片机的水情监测系统设计AT89C51引脚说明：1 .电源引脚：/Vcc40脚：电源引脚+5V/Vss20脚：地引脚2 .外部晶振：/XI、X2分别与晶体两端相连接/当采用外部时钟信号时，X2接振荡信号，Xl接地3 .输入输出口引脚：以及与不扩展FO口时，那么可以作为准双向输入/输出口。而在扩展PO口或者接有片外存储器时，那么PO口可以传递低8位地址信号和双向数据信号使用；在扩展PO口或者接有片外存储器时，那么PO口可以传递低8位地址信号和双向数据信号El由P3.0.P3.7共8位组成。除作为准双向I/El使用/P3口第10.17脚：P3外，还可以使用第二功能P3的第二功能如表3.1所示：表3.1P3的第二功能P3引脚兼用功能P3.0串行通讯输入IUP3.1串行通讯输出TXDP3.2外部中断0INTOP3.3外部中断1INTlP3.4定时器0输入ToP3.5定时器1输入TlP3.6外部数据存储器写选通WRP3.7外部数据存储器读选通RD制总线【12】。备用电源，可以实现掉电保护RAM信息不丧失ALE/PROG30脚：地址锁存信号输出端。第二功能：编程脉冲输入113基于单片机的水情监测技术工程硕士论文PSEN29脚：外部程序存储器读选通信号÷12V3.1.4时钟振荡电路设计AT89C51单片机有一个片内的振荡器电路【13】，由一个单级反相器组成,可用来作之间连一个石英晶体谐振器，并接两个电容到地，就组成了完整的并联谐振电路输出时钟信号。图3.3为时钟振荡电路：C22H.i.L卜一IITXr'AL：30PI一？:jL一，'，1184M4X11?XlA上五C21YlIIIl30P图3.3时钟振荡电路3.1.5开关式复位电路设计复位电路是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期即两个机器周期以上，可以实现可靠的复位。C与R的值随着时钟频率的变化而变化，可由实验测得。在通电瞬间，RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，这样就从而使单片机复位，复位电路图如图3-4所示：图3.4开关式复位电路3.1.6电源电路电路设计1.电源选择原理12工程硕士论文基于单片机的水情监测系统设计电源类型分为DC/DC和LDO两种：DC/Dc电源：使用直流电，通过调整其PWM占空比来控制输出的有效电压的大小。是一种非线性电源，特点是成本较高，电源效率高，损耗小，但是其电源纹波特性差。当系统对电源纹波要求不高时，就可以选用Dc/Dc电源模块；如果当系统输出大电流时，由于DC/DC电源模块的效率高，因此就必须选用DC/Dc电源模块。1.DO电源：低压差线性稳压器，从输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压，是一种线性电源，特点是成本低，电源效率低，损耗大，但是其电源纹波特性较好。当系统对电源纹波要求高时，就可以选用LDO电源模块；如果当系统输出电流不大时，就可以选用LDO电源模块。2<divid=zzloadingAD,><divclass-,zad-bozz><divclass=,waiting,z><strong>文档加载中.<strong>广告还剩<emid="adtime"Xem>秒