基于单片机的水情监测系统设计.doc

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 作者单位： 国圆皇左型堂盟究院 出版时间： 垒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 stategridelectricpowerresearchinstitute 2012 march 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部分外，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贡献均已在论文 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部分或全部内容，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部分或全部内容。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，我国大部分地区夏季湿 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 to sdi12总线来连接多个传感器，通过tdc40 sdi12rs232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、存储和传输程序进行监测、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sdi12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、sdi12、数据采集、水情监测 abstract 工程硕士论文 abstract rainandflood 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诵tl】：long in ofournation谢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 usetheat89c51 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 converteo 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 fortheentire 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 basedonsdi12businthefuture andtransmission acquisition,storage words：mcu、sdi一12、datalevel key acquisition、watermonitoring 基于单片机的水情监测系统设计 i ii iii 1 1 12国内外研究现状1 13本课题的主要内容2 131研究内容。2 132内容安排2 2系统设计指标与总体方案4 21系统设计指标4 211技术指标4 212基本功能4 22总体方案5 221雨量遥测站设计方案5 222水库监测站设计方案6 223水文遥测站设计方案7 23本章小结8 3基于单片机的水情监测技术9 31单片机原理及接口技术9 311单片机的选择一9 312at89c51内部结构一9 313 at89c51引脚及功能10 314时钟振荡电路设计12 315开关式复位电路设计12 316电源电路电路设计12 32sdi12总线13 321sdi12电气接口14 322 sdi12通讯协议一14 323 sdi12的命令和响应15 324 7 sdi12的时序1 iii 目录 工程硕士论文 325 sdi12的流程图17 326 sdi12与rs23219 33本章小结20 4监测站硬件系统设计。21 41监测站硬件设计思路和系统框图21 42 ad转换模块设计22 421 ad转换芯片选择22 422 maxl97d转换的基本原理23 423 maxl97与单片机的硬件接口设计。：。24 43存储模块设计25 431存储芯片选择25 432 44串口扩展设计28 45io口扩展29 46本章小结。3l 5监测站软件系统设计32 51总体软件设计。32 511雨量站系统软件设计流程32 512水库站系统软件设计流程34 513水文 位 站系统软件设计流程36 52 ad数据采集模块软件设计37 53flash数据存储模块软件设计。38 531无效块的识别39 532页 卖。39 533页编程40 534擦除编程41 54本章小结42 6总结与展望43 61工作总结43 62研究展望43 致谢。45 参考文献46 iv 工程硕士论文 基于单片机的水情监测系统设计 1绪论 11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【l】，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不足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行实时采集、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 现代化的发展方t3j。如若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 情况的基础上，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。 12国内外研究现状 就国内外的发展来看，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【4】。80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 进了自己的技术基础，建成了一些自己的水情自动监测系统。1983年正式开始，1986 年投入运行，90年代是我国这一专业技术发展最快的时期，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发展。 水利通信随着科技的发展己从有线到无线，从短波、超短波发展到数字微波、 l l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 成部分。 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ad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行远程传 输，有线的通讯方式可以通过电话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【71。 13本课题的主要内容 131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sdi12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：采集的数据进行远程传输，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，需要解决如何将监测系统电 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sdi12总 线经rs232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。 132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，并对方案进行了详细分析。 第四章给出了水情监测系统的硬件设计，着重研究了ad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。 第六章对论文进行总结，并给出研究结论。 2系统设计指标与总体方案 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，进行水库调度方案的 计算和分析比较，为水库调度提供支持。 21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。 211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ad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10v-16v，静电电流小于2ma，具有良好的电源管理能力； 能在温度-400c600c，湿度99环境下正常工作。 212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，进行水文参数的采集、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； 4 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，信道选择和重发等嗍； 22总体方案 根据监测站所测量的水文参数不同，遥测站的电气结构和机械结构也不同。按水 文参数分类，本系统监测站共有-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21所示： 表21雨量站、水库站、水文 位 站项目设计对照表 项目 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 有雨则发送，无雨不发送 均匀，固定时刻 均匀，固定时刻 平安信号 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 221雨量遥测站设计方案 。 图21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21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 5 2系统设计指标与总体方案 工程硕士论文 图21雨量遥测站设计方案 222水库监测站设计方案 图22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22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22水库监测站设备结构图 223水文遥测站设计方案 图23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23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 7 2系统设计指标与总体方案 工程硕士论文 图23水文 位 遥测站设备结构图 23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 体设计奠定基础。 8 基于单片机的水情监测系统设计 机为核心，通过sdi12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。 31单片机原理及接口技术 311单片机的选择 将运算器、控制器、存储器和各种io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，选择合适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行选择，否则，将会 影响系统的功能造价。目前，市场芯片资源丰富，且价格便宜，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atmel公司的at89c51芯片。 312 at89c51内部结构 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i0口，用于实现单片机和微机之间的串行通讯；4个8位并行i0接口pop3， 每个口即可以用作输入，也可以用作输出。图31是at89c51的内部结构图【101。 9 3基于单片机的水情监测技术 工程硕士论文 图31at89c51的内部结构图 313 at8