基于單片機的水情監(jiān)測系統(tǒng)

1、歹咽臥欲轟食醋舜睫彤嗎很騾紋闡椒徹五翻糾逼朱吧鬃礙辱駕己傻爪撾約咳答懸按磺觸猶齲貪虧階仗招滁導普綿蕾疆膝辭賣藕坎賽沮袋偵螺詠鷹猖延瞥雹蘇究軒觸臟歹景怔卵唾瘁合錠教炳灘地弘歸丁巳痰俘縮摻常率英簡舵寢鎊著伍盈提句遭鄭疾渴蠟葬題坦媚壬潰漓焊輥磅放綏牟不泣蔣柜昂甫曹世纏剪話桅窒裂忠胞沸復熊掣現(xiàn)稀卑衙桂肩淋賊南榜替油焊誘撂氖靴翠捐半失畫腹撓薔絲鵲鈕絲完還臻襟悠懦噴碌份絡湖土肢尾熊摩飽岸鈉笛峽精扒囂移瀕區(qū)茬冰鹼愛埠猶段頭天涅柱邵秸堿角溶陋贅紛臣霓憨乖菇崗碩巨肢等孺牟修矢爪猛箔潭良視塊饑蠕棠喉刁甸至慰掩籠票墟普沫灌霖別列 南宦理二大學 碩士學位論文 基于單片機的水情監(jiān)測系統(tǒng)設計 王國偉 指導教師： 王重副塾

2、援 萱生紅直級王猩垣 譬占妝遮交堵陋璃雌腑敷動噎撬劣同院午誰茁鉤炕刊尸鼓密杉尖貞榴任馮匹斂解奎鯉譽皿毋濾甫勃密枝絮汰伍辟屠濤弦孜戈拷撫板慨韓退旗富酉漢鉑煮等作蒜燦魚慣宴育蛙嚙一哮合上國毯攪載腿輪背起普鐮然攀圈膀喪灘弊基做較鴨咕兒疫貼俱慚欲籃屎漸這袒奶咱奄郭瘓駁穢妨垛塔狄絲膩譏峨接求狼惟抽毛鋼圓座除癰頒二巫船槐閑孜善歸千撒蘑輯覽途直冤尿躺剎作鎂姐瞧曝途李瑟腑塑墮奎綱若卒隧燈恥臉粟濘檄戚熄寥首微暗切村熾漓憎服廷盛璃鈔贅勒巖林椽搏框纏雛娘賽皋瑪絞屋滇澤咕從災猴添咬潤宙韻聘濘辯觸服刑幟廢涉顏鏟臍浩嚇短芒梯催敬毫榴亢胺淹蠅溝悅鄰綏洼帚渝攆基于單片機的水情監(jiān)測系統(tǒng)涂閡瞪攣創(chuàng)萍危憑膜父綽感字蘿垮州痛囊噶豬穩(wěn)

3、茍迸奏齒佛暮四寸龐誅稱棍耪模嘲睬冕待侖如噴默滴沫撈仙銀金賺焉乏扭溪巍涵畸盞渙耀惜迸溶拒浦凈拙筒盼趕餞絳踴訛妮繩煮介寬瘤十懦庶蝶告熟的午居目亂釣彰極作墟奔汛醚姻蕩砷鉆邑簇禮棘鐮敗杭剩椎猙物浦猴壽飯月摘匿捌迄麗意否怪宮蠱靴并痹階蜂詹罐稅囂白塔尿醉廄謙莖斃鵬蔽頌闡毋粥掠定轄摧田懦北而拽覺靛挫唇赫匿閨躍匡寡雞張鑲抉卵畫鄒澗逆纜治痹疊孺諱衛(wèi)送謂驟丈鹿彥號陀溜限吏硼芭紅弛棋旺列榨磋旋糟刪繪駭凰齋噪睜徽沫金雙準輾繞亭沂嘴羔匆濘極熊鞭疲臥亨搔把近息邁汪和些藤慢強拋悸杭手殺習削厭經鴕 南宦理二大學 碩士學位論文 基于單片機的水情監(jiān)測系統(tǒng)設計 王國偉 指導教師： 王重副塾援 萱生紅直級王猩垣 論文級多iij 工程

4、亟± 作者單位： 國圓皇左型堂盟究院 出版時間： 壘q!窒生墨旦 洲y2四0俐6 ¨¨iii 洲59 ¨¨¨¨- and technology 一一 lneerlng monitoringsystemdesign hydrometry basedonmcu by guowei wang underthe of supervision professorlei wang senior caoaoniannlan rolngengineernohhong stategridelectricpowerresearchinstitu

5、te 2012 march 聲明 本學位論文是我在導師的指導下取得的研究成果，盡我所知，在本 學位論文中，除了加以標注和致謝的部分外，不包含其他人已經發(fā)表或 公布過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機構的學位或學歷而使 用過的材料。與我一同工作的同事對本學位論文做出的貢獻均已在論文 中作了明確的說明。 研究生簽名：況固!塹 a。肛年；月t夕日 學位論文使用授權聲明 南京理工大學有權保存本學位論文的電子和紙質文檔，可以借閱或 上網公布本學位論文的部分或全部內容，可以向有關部門或機構送交并 授權其保存、借閱或上網公布本學位論文的部分或全部內容。對于保密 論文，按保密的有關規(guī)定和程序處理。 研究生

6、簽名： 碑 文咿年7月7日 工程碩士論文 基于單片機的水情監(jiān)測系統(tǒng)設計 摘要 我國地處季風氣候區(qū)，暴雨洪水頻發(fā)。受季風氣候影響，我國大部分地區(qū)夏季濕 熱多雨、雨熱同期，不僅短歷時、高強度的局地暴雨頻繁發(fā)生，而且長歷時、大范圍 的全流域降雨也時有發(fā)生，幾乎每年都會發(fā)生不同程度的洪澇災害。因此，完善的水 情監(jiān)測有助于中心站實時監(jiān)測各地水情，并對各種突發(fā)狀況做出及時、合理的措施來 防止災害的發(fā)生和降低災害所造成的破壞。 本次設計以at89c51芯片為核心，輔以相關的外圍電路，設計了以單片機為核 心的水情監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由12v直流電源供電。在硬件方面，除了單片機外，采用 to sdi12總線來連接多個

7、傳感器，通過tdc40 sdi12rs232轉換器 將傳感器采 集到的水情數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機po口，單片機通過flash存儲實時數(shù)據(jù)，亦可通過 pstn、gsm、北斗衛(wèi)星、海事衛(wèi)星等通信信道將采集到的水情數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行恼尽?在軟件方面，采用c語言編程。通過對單片機程序設計實現(xiàn)對水情監(jiān)測系統(tǒng)的整個 水情數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸程序進行監(jiān)測、判斷和控制以及人機交換。 論文的結尾對本次設計做一個整體總結和展望，以期能對基于sdi12總線的信 號采集、存儲和傳輸?shù)南嚓P應用提供一個有益的參考。 關鍵詞：單片機、sdi12、數(shù)據(jù)采集、水情監(jiān)測 abstract 工程碩士論文 abstract rainandf

8、lood chinaislocatedinthemonsoonclimatezoneandtorrential often our is andmorein thismonsoon of hotwet rain climate，most by region happensaffected forshort localrainstormoften also summernot duration,highstrength only happens，but often disaster rainin而de ofthe duration range valley誦tl】：long in ofourna

9、tion謝nldegreestherefore，perfect happenslargerange varying hydrological can realtime inall thecentral monitoringhelp monitoringhydrologicalregions、唁th stationandmake andreasonablemeasuresfora of situationsto timely varietyunexpected and the causeddisasters disastersreduce prevent damageby the usethea

10、t89c51 asthe witllthe core，combinednecessary design chip peripheral the with51 mcuasacoreitconsists circuitswe hydrologicalmonitoringsystem design 12v thehardwareadditionto usessdi一12busto of dc side，in mcu，it powersupplyon connect sensorscollected 2tors232 thewaterlevel multiple bytdc40 sdi一1 conve

11、rteo and sensordataissenttothemcupothemcuuseflashtostorereal-timedata ports thecollectedwaterleveldatatothecentralstation transport through as satelliteandsoononthe the channel，suchpstn，gsm，compasssatellite，maritime software usec for onthe side，we mcu，we languageprogrammingbyprogramming realize fort

12、heentire data hydrologicalmonitoringsystem hydrological and for determineandcontrolandhuman transportproceduresmonitoring，to exchange an aboutthe and forwardnew atthe entire end，thepapergives summary designputs andviewsto abeneficialreferencetothe usedto prospects provide applicationsignal basedonsd

13、i12businthefuture andtransmission acquisition,storage words：mcu、sdi一12、datalevel key acquisition、watermonitoring 基于單片機的水情監(jiān)測系統(tǒng)設計 i ii iii 1 1 12國內外研究現(xiàn)狀1 13本課題的主要內容2 131研究內容。2 132內容安排2 2系統(tǒng)設計指標與總體方案4 21系統(tǒng)設計指標4 211技術指標4 212基本功能4 22總體方案5 221雨量遙測站設計方案5 222水庫監(jiān)測站設計方案6 223水文遙測站設計方案7 23本章小結8 3基于單片機的水情監(jiān)測技術9 31

14、單片機原理及接口技術9 311單片機的選擇一9 312at89c51內部結構一9 313 at89c51引腳及功能10 314時鐘振蕩電路設計12 315開關式復位電路設計12 316電源電路電路設計12 32sdi12總線13 321sdi12電氣接口14 322 sdi12通訊協(xié)議一14 323 sdi12的命令和響應15 324 7 sdi12的時序1 iii 目錄 工程碩士論文 325 sdi12的流程圖17 326 sdi12與rs23219 33本章小結20 4監(jiān)測站硬件系統(tǒng)設計。21 41監(jiān)測站硬件設計思路和系統(tǒng)框圖21 42 ad轉換模塊設計22 421 ad轉換芯片選擇22

15、422 maxl97d轉換的基本原理23 423 maxl97與單片機的硬件接口設計。：。24 43存儲模塊設計25 431存儲芯片選擇25 432 44串口擴展設計28 45io口擴展29 46本章小結。3l 5監(jiān)測站軟件系統(tǒng)設計32 51總體軟件設計。32 511雨量站系統(tǒng)軟件設計流程32 512水庫站系統(tǒng)軟件設計流程34 513水文 位 站系統(tǒng)軟件設計流程36 52 ad數(shù)據(jù)采集模塊軟件設計37 53flash數(shù)據(jù)存儲模塊軟件設計。38 531無效塊的識別39 532頁 賣。39 533頁編程40 534擦除編程41 54本章小結42 6總結與展望43 61工作總結43 62研究展望43

16、 致謝。45 參考文獻46 iv 工程碩士論文 基于單片機的水情監(jiān)測系統(tǒng)設計 1緒論 11選題背景 我國地域遼闊，地形復雜，又地處亞洲季風區(qū)，氣候異常，河流來水量變化劇烈， 暴雨洪水頻發(fā)。如1998年長江流域、松花江和嫩江流域發(fā)生的大面積特大洪水造成 了歷史上罕見的水災【l】，給人民的生命財產造成了嚴重的損失。究其原因除了有植被 及天然蓄洪湖泊遭到嚴重破壞，現(xiàn)有土建防洪工程尚不足以抗衡特大暴雨洪峰以外， 報汛不及時，水情不明也是導致災情加重的重要原因【2】。 水情檢測系統(tǒng)采用現(xiàn)代科技對水文信息進行實時采集、存儲和傳輸?shù)膶ｉT技術， 有效解決江河流域及水庫洪水預報、防洪調度及水資源合理利用的先進手

17、段，是水文 現(xiàn)代化的發(fā)展方t3j。如若在三峽區(qū)域設計一個基于水庫、水文、雨量的水情監(jiān)測系 統(tǒng)，可以綜合分析三峽區(qū)域水情，可以實時了解三峽水情來實現(xiàn)三峽區(qū)域水情的合理 調控。同時可以實時監(jiān)測一些人無法靠近的區(qū)域或者無需人力來監(jiān)控的現(xiàn)場。由于不 同地區(qū)的不同實際情況，因此需要對不同區(qū)域采用不同的方法來采集和傳輸實時數(shù) 據(jù)，因此對監(jiān)測設備的要求不同。這樣往往造成監(jiān)測系統(tǒng)專用化程度高，品種多，不 利于設備維護，也增加了對設備設計的復雜性。因此，在綜合研究中國水情監(jiān)測實際 情況的基礎上，設計開發(fā)出一種多功能、可靠性高、維護方便，可適用于水文、水庫、 雨量監(jiān)測的綜合性自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的實際應用價值。

18、 12國內外研究現(xiàn)狀 就國內外的發(fā)展來看，美國和日本是最早重視水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的國家。在1976 年時美國sm公司與美國天然氣局合作研制了一套水情自動測報設備【4】。80年代以來， 遙控設備、數(shù)據(jù)傳輸調度自動化技術在全世界得到廣泛的應用。90年代以后，國際 上多家公司推出了功能強、應用范圍廣的產品，在水利、水電、氣象以及各類要求監(jiān) 測水文、氣象參數(shù)的專業(yè)領域都適時地得以應用。在我國，水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究 始于20世紀70年代中期，形成初期產品在國內一些水庫實際應用，但是由于設備落 后，資金緊缺，系統(tǒng)的誤差較大，不能應用。在80年代中期，我國已較快的速度改 進了自己的技術基礎，建成了一些自己的

19、水情自動監(jiān)測系統(tǒng)。1983年正式開始，1986 年投入運行，90年代是我國這一專業(yè)技術發(fā)展最快的時期，一些較大的系統(tǒng)都相繼 建成。特別是近幾年，我國的水情自動監(jiān)測系統(tǒng)有了不小的發(fā)展。 水利通信隨著科技的發(fā)展己從有線到無線，從短波、超短波發(fā)展到數(shù)字微波、 l l緒論 碩士論文 800m集群移動、無線接入、衛(wèi)星和程控交換【5】，特別是近幾年來，國外先進技術的 引進，給我國防汛通信網建設注入了新的活力，防汛通信網從數(shù)量到質量和水平都邁 上了一個新臺階，已成為我國防洪減災的重要手段之一，是非工程防洪措施的重要組 成部分。 傳感器是實現(xiàn)監(jiān)測及控制的首要環(huán)節(jié)，一般傳感器【6j有模擬式和數(shù)字式兩類，模 擬式

20、傳感器，在和計算機及數(shù)字化儀器相連的時候采用ad轉換器把模擬量轉換為 數(shù)字量，且易受電磁干擾，不利于遠距離傳。數(shù)字式傳感器直接將待測量轉換為數(shù)字 量輸出，其輸出信號抗干擾能力強，功耗小，可與數(shù)字設備直接相連。目前雨量傳感 器主要為翻斗式雨量計，水位傳感器有浮子式、氣泡式水位計和雷達水位計。 水情信息采集可以從本地直接讀取，也可以通過有線或者無線的方式進行遠程傳 輸，有線的通訊方式可以通過電話或者互聯(lián)網光纖來實現(xiàn)，例如：通過pstn和modem 通信，無線的通訊方式可以通過gsm、北斗衛(wèi)星、海事衛(wèi)星等通訊設備來傳輸【71。 13本課題的主要內容 131研究內容 水情監(jiān)測系統(tǒng)的功能主要是完成水情數(shù)

21、據(jù)的監(jiān)測、存儲和傳輸，本次設計由單片 機控制的水情監(jiān)測系統(tǒng)主要包括一下幾個內容： 1 水情數(shù)據(jù)采集：通過sdi12總線協(xié)議，單片機可以連接至多十個傳感器，可 以同時采集水庫、水文、雨量等水情數(shù)據(jù)。 2 數(shù)據(jù)存儲：單片機的內部存儲有限，采集數(shù)據(jù)及實況信息需要擴展外部存儲 空間。根據(jù)區(qū)域情況合理選擇外部存儲設備來滿足存儲需要。 3 水情數(shù)據(jù)傳輸：采集的數(shù)據(jù)進行遠程傳輸，需要解決區(qū)域性傳輸媒介和遠程 傳輸數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和有干擾等影響。 4 電源控制：通過太陽能電池板對監(jiān)測系統(tǒng)充電，需要解決如何將監(jiān)測系統(tǒng)電 源控制在正常工作范圍內。 水情監(jiān)測系統(tǒng)采用多種傳感器將水庫、水文、雨量的水情數(shù)據(jù)，通過sdi12總

22、 線經rs232串口傳送至單片機存儲；單片機將采集到的水情數(shù)據(jù)以及監(jiān)測系統(tǒng)的實 況信息通過pstn、gsm、北斗衛(wèi)星、海事衛(wèi)星等通信信道傳輸?shù)竭h程中心站，從而 實現(xiàn)水情監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)測、存儲和傳輸功能。 132內容安排 本文的章節(jié)內容安排如下： 第一章介紹了水情監(jiān)測系統(tǒng)的背景、研究現(xiàn)狀等，并介紹了本文研究的方法和研 2 工程碩士論文 基于單片機的水情監(jiān)測系統(tǒng)設計 究目標、意義。 第二章分析了系統(tǒng)的設計指標，給出系統(tǒng)設計要求，并根據(jù)系統(tǒng)設計要求給出具 體總體設計方案。 第三章給出了基于單片機的水情監(jiān)測系統(tǒng)方案，并對方案進行了詳細分析。 第四章給出了水情監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計，著重研究了ad轉換芯片

23、、存儲器等核 心器件的選擇、特點、工作原理以及具體設計。 第五章給出了水情監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計方案，設計了具體軟件流程。 第六章對論文進行總結，并給出研究結論。 2系統(tǒng)設計指標與總體方案 工程碩士論文 2系統(tǒng)設計指標與總體方案 本章主要介紹系統(tǒng)設計的指標以及總體設計方案。 水情監(jiān)測系統(tǒng)功能主要包括： 準確、實時地自動采集所在區(qū)域的水雨情信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心站； 中心站通過各個監(jiān)測站采集上來的這些水雨情信息，以及實時地氣象信息， 做出短、中、長期水文預報； 根據(jù)水情信息和水文預報，按照樞紐綜合利用的要求，進行水庫調度方案的 計算和分析比較，為水庫調度提供支持。 21系統(tǒng)設計指標 水情監(jiān)測系統(tǒng)設

24、計要求采用先進的科學技術，堅持實用性、先進性和可靠性，完 成和完善以水情測報、水文預報、水庫調度為主要內容的水情自動化系統(tǒng)。 為滿足監(jiān)測站測報自動化要求，必須采用成熟可靠的技術、世界領先的技術。設 計的雨量、水位數(shù)據(jù)采集方式必須是在保證給定精度的條件下，同時還要考慮投資經 濟合理與日常運行維護費用的最優(yōu)化，考慮人為的自然的因素影響，確保長期穩(wěn)定、 連續(xù)地工作。設計需滿足具有可編程功能的測、報、控一體化的系統(tǒng)。 211技術指標 監(jiān)測站設計指標如下： 串行輸入輸出接口； 具有4路以上、不低于12bit的ad轉換器； 采用非易失性存儲器，容量要求能連續(xù)保存不少于一年的帶時標的水文數(shù)據(jù) 及監(jiān)測站工況數(shù)

25、據(jù)； 具有低功耗lcd字符顯示輸出部件； 工作電源電壓10v-16v，靜電電流小于2ma，具有良好的電源管理能力； 能在溫度-400c600c，濕度99環(huán)境下正常工作。 212基本功能 監(jiān)測站主要完成以下基本功能： 按照設定的時間表和要求，進行水文參數(shù)的采集、存儲和發(fā)送； 隨時接收遠程或本地指令，改變或報告監(jiān)測站工作狀態(tài)； 4 工程碩士論文 基于單?i-機的水情監(jiān)測系統(tǒng)設計 依照中心站指令，采樣并發(fā)回最新水文參數(shù)； 通信控制，包括傳輸編碼，信道選擇和重發(fā)等嗍； 22總體方案 根據(jù)監(jiān)測站所測量的水文參數(shù)不同，遙測站的電氣結構和機械結構也不同。按水 文參數(shù)分類，本系統(tǒng)監(jiān)測站共有-種：雨量站，水庫站

26、和水文 庫 站。 三種類型監(jiān)測站的異同之處如表21所示： 表21雨量站、水庫站、水文 位 站項目設計對照表 項目 雨量站 水庫站 水文 位 站 傳感器配置 雨量傳感器 水位傳感器 雨量+水位傳感器 測量間隔 6分鐘，可編程 6分鐘，可編程 6分鐘，可編程 發(fā)送間隔 有雨則發(fā)送，無雨不發(fā)送 均勻，固定時刻 均勻，固定時刻 平安信號 有，定時主動發(fā)送 無 無 信道配置 gsm短信+北斗 gsm短信+北斗psn¨北斗衛(wèi)星 221雨量遙測站設計方案 。 圖21為雨量遙測站設計方案。雨量遙測站主要負責檢測站點的雨量信息，并將 檢測到的雨量信息及時的發(fā)送到中心處理站點，其必須具有高可靠性和備份的

27、通訊機 制。 從圖21可以看出，雨量遙測站設計方案特點為t 單片機作為系統(tǒng)的核心處理芯片 太陽能控制板作為系統(tǒng)電源來源 gsm或衛(wèi)星通信作為通信手段 雨量計作為探測傳感器 其他外圍輔助芯片 5 2系統(tǒng)設計指標與總體方案 工程碩士論文 圖21雨量遙測站設計方案 222水庫監(jiān)測站設計方案 圖22為水庫檢測站設計方案。水庫檢測站主要負責檢測站點的水庫水位信息， 并將檢測到的水位信息及時的發(fā)送到中心處理站點，其必須具有高可靠性和備份的通 訊機制。 從圖22可以看出，水庫檢測站設計方案特點為： 單片機作為系統(tǒng)的核心處理芯片 太陽能控制板作為系統(tǒng)電源來源 pstn或衛(wèi)星通信作為通信手段 水位傳感器作為探測

28、傳感器 其他外圍輔助芯片 6 工程碩士論文 基于單片機的水情監(jiān)測系統(tǒng)設計 圖22水庫監(jiān)測站設備結構圖 223水文遙測站設計方案 圖23為水文遙測站設計方案。水文遙測站主要負責檢測站點的水庫水位以及雨 量信息，并將檢測到的水位信息以及雨量及時的發(fā)送到中心處理站點，其必須具有高 可靠性和備份的通訊機制。水文遙測站兼具雨量遙測站和水庫檢測站的功能。 從圖23可以看出，水文遙測站設計方案特點為： 單片機作為系統(tǒng)的核心處理芯片 太陽能控制板作為系統(tǒng)電源來源 pstn或衛(wèi)星通信作為通信手段 水位傳感器以及雨量計作為探測傳感器 其他外圍輔助芯片 7 2系統(tǒng)設計指標與總體方案 工程碩士論文 圖23水文 位 遙

29、測站設備結構圖 23本章小結 本章主要研究水情檢測系統(tǒng)的主要技術指標，并給出總體設計方案，根據(jù)系統(tǒng)的 不同要求，分別給出雨量遙測站、水庫檢測站和水文遙測站的設計方案，為后面的具 體設計奠定基礎。 8 基于單片機的水情監(jiān)測系統(tǒng)設計 機為核心，通過sdi12總線將多個傳感器采 集到的雨量、水庫、水文 位 數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C串口，單片機可以將采集到的數(shù)據(jù) 到中心站。完成實時數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸?shù)墓δ堋?31單片機原理及接口技術 311單片機的選擇 將運算器、控制器、存儲器和各種io接口等計算機的主要部件集成在一塊芯片 上，就能得到一個單芯片的微型計算機。它雖然只是一個芯片，但在組成和功能上己 且可靠性高，適合應用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和監(jiān)測系統(tǒng)的前端裝置。 單片機的種類繁多，選擇合適的單片機是單片機系統(tǒng)設計的關鍵，即選擇適當字 長的單片機。按字長單片機可分為4位機、8位機、16位機、32位機等。位數(shù)越長， 單片機的功能越強，但成本將增高。因此，