基于单片机的水情监测系统设计

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 RS232 19 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 AT89C51 引脚及功能 AT89C51 芯片引脚如图 32 所示： 厂 V& Po_甾 ADO Po1，AD 确 2l 乒。童 P 晓掣芦 ID3 冈射 ADI 1：10gA05 阳斟 A06 毽 1l 缸&jl DuAL 目 W 即 lN 七 lNE 自屹 KAGE ALE S 田 PZ7 踉 15 PZ 尉 A14 P 撇3 p2 射 A2 pZWA PZ2IAlD P21 珀国 P2ofA8 图 32AT89C51 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： Vcc 40 脚 ：电源引脚+5V Vss 20 脚 ：地引脚 2外部晶振： X1、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，X1 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 P0 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 P3OP37 共 8 位组成。除作为准 双向 IEl 使用 P3 口 第 1017 脚 ：P3 外，还可以使用第二功能 P3 口的第二功能如表 31 所示： 表 31P3