毕业设计（论文）-振弦式水位测量系统的设计--上位机数据库处理软件.doc

东南大学成贤学院毕业设计报告 i 东南大学成贤学院东南大学成贤学院 毕业设计报告（论文）毕业设计报告（论文） 课题名称：课题名称： 振弦式水位测量系统的设计振弦式水位测量系统的设计 -上位机数据库处理软件 所在系别：所在系别： 电电 子子 工工 程程 系系 专专 业：业： 自自 动动 化化 学生姓名：学生姓名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 起讫日期：起讫日期： 2008.2.182008.2.182008.5.302008.5.30 设计地点：设计地点： 东东 南南 大大 学学 成成 贤贤 学学 院院 东南大学成贤学院毕业设计报告 i 摘要摘要 本文通过对振弦式传感器的工作原理的研究以及在硬件系统中的实现，设计了基于振弦式 传感器的智能水位计，主要由下位机系统和上位机监控软件组成，实现了对水位数据的实时采 集、显示、处理。同时，还可以通过串行通信方式将数据传给计算机，由计算机对数据进行存 储、打印。 本文首先介绍振弦式传感器的工作原理，然后根据其工作原理设计系统的硬件电路和软件。 传感器的激振采用硬件扫频激振技术，传感器的测振采用等精度测频方法。考虑到温度对水位 数据的影响，采用icl7135积分型a/d转换器实现温度的测量，从而实现温度的补偿。在硬件 设计的基础上，对系统进行了软件设计，软件部分包括下位机单片机程序的设计和上位机监控 软件的设计.最后在硬件和软件两个方面对整个系统的抗千扰性进行了优化，使得系统具有很 好的抗干扰性。 关键词: 振弦式传感器 智能水位计 激振技术 东南大学成贤学院毕业设计报告 i abstract by researching the principle of vibrating wire sensor and its realization, the paper is designed intelligent water-level meter based vibrating wire sen- sor，it is mainly composed with the system for the slave device and the inspe- ction software running on the pc. the level data are real-time acquired,eisp- layed。at the same time，the measured data can be transmitted to the pc and can be processed and printed。 firstly，the paper is studied the principle of vibrating wire sensor, then designs the system hardware and software according to its principle. it is used to excite vibrating wire sensor using technology of hardware sweeping frequency。it is used to equally accurate measuring frequency. considered the effect of water level data of temperature, icl7135 a/d converter is used to measure the temperature, to realize commensuration of temperature。based on the hardware, we have finished software in the slave device and supervision software on the master pc. finally, both hardware and software of the whole system have been optimized to make the system have excellent interference-immunity key words: vibrating w ire sensor intelligent water-level meter，technology of sweeping frequency to excite coil. 东南大学成贤学院毕业设计报告 ii 目录目录 摘要摘要.i abstract.i 目录目录 .ii 第一章第一章 前言前言.1 1.1 背景及研究的意义 42 1 1.2 水位仪器的研究现状及其存在的问题 434445 1 1.3 本设计应解决的主要问题 .3 第二章第二章 设计方案论证设计方案论证.3 2.1 总体方案 .3 2.2 设计原则及基本功能 .4 2.3 系统功能要求 .4 2.4 系统部分方案的优化 .5 2.4.1 传感器的选择5 2.4.2 串行通信协议的选择 403919 5 2.4.3 上位机部分的选择.8 第三章第三章 方案的设计（下位机部分）方案的设计（下位机部分）.9 3.1 硬件电路的总体设计.9 3.2 振弦式传感器.9 3.2.1. 振弦式传感器的基本原理 467 10 3.2.2 振弦式传感器的激振 7 .11 3.3 时钟电路的设计 3635342615 12 3.3.1 ds1302 简介12 3.3.2 水位计中有关 ds1302 的程序设计.13 3.4 单片机软件设计 154039121 .14 3.4.1 单片机主程序实现.15 3.4.2 与上位微机通信部分的程序设计.15 第四章第四章 方案的设计（上位机部分）方案的设计（上位机部分）.16 4.1.上位机总体设计 16 4.2 上位机通讯程序的设计 1413 .17 4.2.1 相关主要控件介绍.17 4.2.2 发送单片机命令.19 东南大学成贤学院毕业设计报告 iii 4.2.3 接收数据.19 4.2.4 timer 控件的控制.20 4.2.5 自动接收、监视总线状态和通讯错误的处理.22 4.3 上位机数据处理程序的设计 .23 4.3.1 相关主要控件介绍23 4.3.3 access 在监控软件中的应用.25 4.3.4 生成报表、打印报表26 4.3.5 图形图象处理技术.28 第五章第五章 总结总结.29 5.1 结论 .29 5.2 设想 .30 致谢致谢.30 参考文献参考文献.31 附录附录.34 一、系统图 34 二、原理图 35 三、pcb 印制板图 .37 四、面板布置图 37 1.下位机系统面板图37 2.上位机系统界面的设计37 五、上位机程序清单 39 六、单片机程序清单 39 1.登录界面程序39 2.水位测量程序39 3.数据处理44 4.历史数据查询程序46 5.生成报表程序47 东南大学成贤学院毕业设计报告 1 第一章 前言 1.11.1 背景及研究的意义背景及研究的意义 42 水位监测是大坝安全监测中重要的监测项目之一，20世纪70年代以来，大坝安全自动化监 测系统得到了飞速发展，但水位自动化监测系统由于其设备运行环境恶劣、可靠性要求高，仍 是大坝安全自动化监测系统中存在问题较多的项目之一。20世纪50年代以来，随着计算机技术 的发展，遥感遥测技术的引用，一些新理论和边缘学科的渗透，加之人口膨胀、水资源紧张、 环境污染、气候变化，使水文科学面临着机遇与挑战，特别是近二三十年，国际水文学术活动 频繁，我国水文界也开展了大量的研究工作。促进水文科学发生了深刻的变革和发展，从而使 水文学进入了现代水文学的新阶段。水位作为指示河流、库区汛情的基本水文要素之一，是水 情信息的重要组成部分，也是防洪调度及洪水预报的重要依据，水位监测是船闸及大坝安全监 测的重要内容。但是目前的水位观测方法精度不高，不能全自动、实时动态监测，而且水位观 测作为水情信息系统的一部分，它们大都独立存在，不能实时地将水位信息用于船闸、大坝的 变形监测系统，并及时地进行安全分析及洪水的预测调度工作。研究和设计智能型水位计对于 水文仪器和水利水文自动化系统的发展，对于水文科学的发展显得更加重要。 1.21.2 水位仪器的研究现状及其存在的问题水位仪器的研究现状及其存在的问题 434445 建国以来，随着水利建设和水文事业的发展，水文仪器从无到有，从简单到复杂，从常规 仪器到应用新技术，经受了历次大洪水的严峻考验，己基本上满足我国水文测验工作的需要， 缩小了与世界发达国家在新技术应用上的差距。同时，随着计算机、通讯技术的迅猛发展，各 种为水利、水文事业服务的自动化系统也应运而生，日渐成熟，水利水文自动化系统的建立为 卓有成效地开展防汛、抗早、减灾工作，充分发挥水利工程措施地效益，合理利用与保护水资 源，打下了扎实的基础.不言而喻，水文仪器的研制、水利水文自动化系统的建设在水利建设 乃至整个国民经济建设中起着不可替代的作用。 其中，测量水位的仪器一一水位计从无到有，从简单到复杂，从常规仪器到应用新技术， 经历一个发展过程。从人工观侧水尺到浮子式、压力式、超声波、非接触式水位计，每一种水 东南大学成贤学院毕业设计报告 2 位计都其优点和缺点。 (1 ) 水尺。用于人工观读水位数据，是一切水位测量的基准。一个水位测量点的水位近似 真值都是依靠人工观读水尺取得的，所有其他水位仪器的水位校核都以水尺读数为依据。水尺 受外界因素影响很大，比如:风浪、环境、光线等，所以测量存在很大误差，而且人工观读费 时费力。 (2 )浮子式水位计。利用浮子感应水位的水位计。浮子式水位计是目前使用最多的水位计。 浮子式水位计的工作原理是用浮子感应水位。浮子漂浮在水位井内，随水位升降而升降。浮子 上的悬索绕过水位轮悬挂一平衡锤，由平衡锤自动控制悬索的位移和张紧。悬索在水位升降时 带动水位轮旋转，从而将水位的升降转换为水位轮的旋转，再传给水位记录或编码输出。 浮子式水位计记录方式绝大多数是采用记录纸上模拟划线记录方式，所记录的数据不能用 自动化方法处理。其结构可以分为水位感应、水位传动、水位记录三部分，加上外壳或安装基 座构成完整的仪器。浮子式水位计的水位测量误差主要来源于水位感应系统误差、水位传动系 统误差和水位记录系统误差。浮子式水位计测量系统安装比较麻烦，存在比较大误差，所以逐 渐被遥测水位计所替代。 (3) 遥测水位计。20世纪70年代以来，随着微电子技术特别是传感器技术的发展，出现了 各种各样的遥测水位计，其中有电阻式、电感式、电容式、刚弦式等多种。遥测水位计一般可 利用便携式数字仪表测量或自动采集测量记录水位数据。自动水位仪是一种高智能化的仪器， 内部设有微处理器，能将被测物理量转换成数字信号，可长年自动检测江、海、湖、河及水库 水位。特别是在汛期，可任意设定采样时间间隔，在无人值守情况下，昼夜连续自动打印记录 水位值。遥测和自动记录的接收仪表设置在观测站，将埋入地下或管路中的电缆与现场安装的 传感器相连接，自动测量和处理计算水位数据，必要时可采用光纤、微波或卫星等方式远距离 传输水位数据。 (4 )超声波式水位计。超声波水位计是一种把声学技术和电子技术相结合的水位测量仪器。 随着新技术的发展，超声波式水位计日趋受到人们的重视。 (5 ) 压阻式压力水位计和电容式水位计如果长时间工作，存在一定的零点漂移和灵敏度漂 移，所以并不很受工程人员的欢迎。 东南大学成贤学院毕业设计报告 3 1.31.3 本设计应解决的主要问题本设计应解决的主要问题 根据振弦式传感器的工作原理 传感器敏感部分所受的压力与传感器的固有频率成一定的函 数关系，设计的一种智能型振弦式水位计。吸收了国内外最新智能化仪表的设计经验，采用工 业控制单片机，集水位采集、存储、显示及远程联网于一体，具有高精度、高可靠、多功能、 智能化等特点。其研究工作主要包括以下几个方面: (1 )分析了振弦式传感器的工作原理和特点，提出了基于该类型传感器的智能型水位计系 统的设计思想。 (2)根据系统的设计思想，研制了系统的硬件，包括测量电路的设计、元器件的选型和硬件 各模块的调制等，该系统不仅适合水位监测，同时还适用于各类弦式仪器的测量。 (3) 采用vc，vb，汇编等编程语言编制了系统的软件，包括测量、控制软件和上位机管 理软件。 (4) 完成了系统样机的研制生产、调试和校准，并经过现场测试。结果表明，该系统性能 稳定，满足设计要求，达到了预期目的。 第二章 设计方案论证 2.12.1 总体方案总体方案 振弦式水位测量系统是集水工、自动控制、计算机、电力电子、仪表等专业为一体的综合 性学科。因此，一个自动化监测系统成功与否除了与系统的软硬件资源有密切关系外，更重要 的是系统的设计。 振弦式水位测量系统一般由以下几个部分构成:数据采集部分，包括一次采集部分(即现 场传感器部分)和二次网络部分(即采集器、巡检装置及转换装置);中央控制部分(即主控机网 络部分和控制软件系统);远程数据传输部分(即连接中控室与远程控制站或管理局的远程通讯 网络); 上位机部分(即对下位机采集的数据进行处理)。振弦式水位测量系统设计方框图如图2.1所 示。 东南大学成贤学院毕业设计报告 4 数据显示 图形显示 数据处理 pc 机 rs485 at89c52 振弦式传感器 振弦式传感器 振弦式传感器 振弦式传感器 at89c52 at89c52 at89c52 图 2.1 振弦式水位测量系统设计方框图 2.22.2 设计原则及基本功能设计原则及基本功能 振弦式水位测量系统是工程安全、高效运行的重要保证，其功能、观测设备和技术都应遵 循以下原则: （1）系统设计满足现行混凝土坝安全监测技术规范的要求。 （2）系统采用分布式网络结构布置形式，前端计量元器件采用振弦式传感器。 （3）先进性。系统将在了解国内外发展动态，吸收其经验和成果的基础上进行方案设计， 使系统的技术性能和水平具有明显的先进性。 （4）可靠性。系统运行安全可靠，性能稳定，可以在恶劣环境下长期工作。 （5）通用性。在设计时，应充分考虑其应用对象的共性，使系统具有较强的通用性。 （6）扩展性。系统的设计容量要足够大，满足系统今后扩充需要。 （7）经济性。系统的造价经济合理，性能价格高。 （8）操作维护方便。在软件方面，要求人机界面友好，操作简便;在硬件方面，要求维护 检修方便。 2.32.3 系统功能要求系统功能要求 随着控制技术、计算机技术和电力电子技术的迅速发展，自动化系统应具备下述基本功能: (i ) 在中控机(上位机)的管理下，监控系统中各区域控制检测单元(mcu)按指定的检测方式 东南大学成贤学院毕业设计报告 5 和一定的测次自动采集数据。 (2 )对观测资料进行有关检测和必要的修正，对观测结果进行整编归档。 (3 )离线分析。即对长期观测资料进行计算和分析，建立安全监控数学模型，对大坝安全 状况进行评估，指导工程安全运行。 (4 )全面、完善的数据库管理功能。对观测数据与工程档案进行全面管理、存储、检索、 制表、绘图、年报表制作等功能。 (5 )系统应具备可靠的远程通讯功能和接口，以便与上级管理部门和有关单位联系，进行 数据及工程变化性态的传输。 2.42.4 系统部分方案的系统部分方案的优化优化 .1 传感器的选择传感器的选择 综述了目前国内外的传感器的发展，我们在此次设计中选择了振弦式传感器。它具有以下 几个优点: 振弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强。 测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好。 其输出为频率信号，便于远距离传输河以直接与微机接口。因而， 振弦式水位计在水 文测验和大坝安全检测系统越来越受到广泛的应用。 但是目前市场上的振弦式水位计存在起振慢、效果差，且输出信号不稳定等弱点。 所以本课题针对振弦式水位计的上述优弱点，综合应用国内外在这一领域的先进成果，研 究设计了智能型振弦式水位计。 .2 2 串行通信串行通信协议的选择协议的选择 403919 在测量与控制系统中，为了满足远距离传输的需要，以单片机为基础的数据采集和实时控 制系统，需要设计串行通信部分电路，以完成数据采集、测量、控制和管理等任务。 本设计在通信协议方面采用rs-485而没有采用rs-232.这在很大程度上克服了rs-232的缺 点。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用rs-485 串行总线标准。rs-485采用平 东南大学成贤学院毕业设计报告 6 衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低 至200mv的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 rs-485采用半双工工作方式，任何时 候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。rs-485用于多点互连 时非常方便，可以省掉许多信号线。应用rs-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联 32台驱动器和32台接收器。 rs-232c虽然使用很广，但因其推出较早，在现代网络通信中已暴露出明显的缺点:数据 传输速率慢，带负载能力差、通信范围小、传输距离短，难以实现远距离的数据传输和控制。 针对rs-232c的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，rs-485就是其中之一。rs-485 标准是一种多发送器的电路标准，它有其自身的特点: (1) .r s -4 85的电气特性:rs-485的数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，利用 rs-485传输协议可以实现了真正的多点总线结构。它使用一对双绞线。其中一线定义为a， 另一线定义为b，另有一个信号地c，在rs-485中还有一“使能”端，“使能”端是用于控制 发送驱动器与传输线的切断与连接，当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作 “第三态”，即它是有别于逻辑，“1”和“0”的第三态。收、发端通过平衡双绞线对应相连， 当接收端ab之间有大于+200mv的电平时，输出正逻辑，小于一200mv时，输出负逻辑电平。 传输电压范围的表示如图4-2所示: 图 42 rs485 的传输电压范围 东南大学成贤学院毕业设计报告 7 (2) . rs- 485的数据传输速度很快，可高达1ombps (3) .rs- 485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，能有效的抑制远距离传输中的 噪声干扰。 (4) .rs- 485接口的传输距离比较大，最远可达1.2kmar s-485可以实现多个负载的功能。 用一对线便可连接多达32个传送或接收的不同设备。 由于rs- 485采用eiars-485规范，与tl电平标准不同，所以单片机和rs-485通信必须 进行电平转换。这里采用sn75176差分总线收发器来实现电平转换。sn75176差分总线收发器 采用了多点总线传输的双向数据通信的单片集成电路。它是为平衡传输线而设计的，完全符合 eiars-485规范，且将三态输出的差分线驱动器和差分输入的线接收器合为一体.，其差分输 出和差分输入内连成差分输入、输出总线加口，并且驱动器和接收器具备有源的外接控制端， 以适应其分时享用公共总线和双向传输信息之用，而且其总线口具有很宽的正、负共模电压范 围。 驱动器吸收或供给的电流可达60ma，具有很强的负载能力，而且具有正、负电流限制和热断 路保护功能，以防止线路故障，热断路在结温150时发生。接收器的输入阻抗大于12k0,输入 灵敏度为士200m v。sn75176的工作温度为一40至+85，因此足可以满足水位计工作环境 温度要求。 为了防止上位机和下位机的之间互相的干扰，采用光电隔离器件是一种简单而有效的方法。 在rs-485的接口电路中我们选用的也是高速光电藕合器6n136.连接电路图如图3-21所示，其 中图中电源标号+5 (2)表示从dc-dc模块输出的5v电源。 在系统中，作为上位机的pc机一般都要通过串口与下位机之间传送数据和命令信息。本 系统利用单片机本身所提供的串行接口，加上rs-485收发器sn75176，组成rs-485通讯网络， 该系统采用主从式结构，即由pc机作为主机与测量单元组成的从机之间实现数据的传输。 rs485通信部分的接口电路如图43。 东南大学成贤学院毕业设计报告 8 图 43 rs485 通信部分的接口电路 .3 上位机部分的选择上位机部分的选择 对于上位机部分的我们没有采用c语言编程，而是采用了visual basic 6.0语言环境。这更 能将vb，access与上位机的完美结合，从而实现上位机实时监控的目的。目前vb己成为 windows系统开发的主要语言，以其高效、简单易学及功能强大的特点越来越为、为广大程序 设计人员及用户所青睐vb支持面向对象的程序设计，具有结构化的事件驱动编程模式并可以 使用无限扩增的控件。在vb应用程序中可以方便地调用winowsapi函数，使得编程效率提高， 应用功能增强。vb提供的专门进行串口通信的控件，能处理各种通信事件和错误，程序实现 简便，代码易于维护。而且vb具有强大的图形功能，能够迅速便捷地将通信数据转化成表格 或图形。 visual basic 是微软公司出品的一个快速可视化程序开发工具软件，它具有强大的编程能 力和广泛的应用范围，vb 发展到今天，已经像 c 语言一样具有结构化的特点，和 pascal 一样 灵活，如同 fortran 一样适于科学计算，比 cobol 更适于经济管理领域，比 xbase 等早期语言 更适于操作数据，这主要得益于它是面向对象、事件驱动的。vb 相对于其他语言所具有的 6 大优点：1.可视化 2.面向对象 3.部件编程 4.事件驱动 5.大量的第三方控件为 vb 注入了活力。 6.极短的软件开发周期，较易维护的程序代码。 visual 指的是开发图形语言界面（gui）的 东南大学成贤学院毕业设计报告 9 方法。 basic 指的是 basic（beginners all-purpose symbolit instruction code )语言， 它是一种在计算技术发展历史上应用得最为广泛的语言。 第三章 方案的设计（下位机部分） 3.13.1 硬件电路的总体设计硬件电路的总体设计 一般来说 ，监测仪器的硬件组成包括:模拟信号输入部分、信号处理部分、通讯部分和人 机交互部分。但每一部分的具体实现方法应结合仪器所需完成的功能、成本及相关技术的发展 与成熟程度等因素综合考虑。 本监测仪器主要对振弦式传感器的频率、温度进行在线监测。对水位的观测是一个长期的 过程，用户通过上位机与测量单元通讯，根据具体情况对不同坝段的不同测点按巡测、点测或 设置时间等方式进行测量。测量结果可以传回上位机，也可以存储在大容量的存储器中。测量 单元带有lcd液晶显示，方便显示测量结果。由于测量单元多在潮湿的环境下工作，因此对系 统的硬件长期运行的稳定性、系统掉电后数据可长期保存有较高的要求，但对系统并不要求很 高的处理速度。 根据以上系统所需完成的功能和特点，本监测系统选用at89c52单片机作为系统的核心。系统主要分 为:信号采集部分(包括激振电路、放大整形电路)、通讯部分、人机交互部分。下面分别进行阐述.钡或量 单元硬件框图如图3-1所示 振 弦 式 传 感 器 水位、温度 转换电路 放大电路 激振电路 放大电路 a/d 整形电路分频 a t 8 9 c 5 2 计数器 lcd 显示 键盘输入 rs485 模块 图 31 系统硬件部分设计方框图 东南大学成贤学院毕业设计报告 10 3.23.2 振弦式传感器振弦式传感器 振弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、测值可靠、精度与分辨力高和稳 定性好等优点;其输出为频率信号，便于远距离传输，可以直接与微机接口，因而在土木、水 利、矿山等领域得得广泛运用。 .2.1. 振弦式传感器的基本原理振弦式传感器的基本原理 467 图32为传感器的原理图。图中有一根拉紧的金属丝，这根金属丝在振弦式传感器中称为 振弦，它放置在永久磁铁形成的磁场内，振弦的一端固定在支承中，而另一端与传感器运动部 分4相联。 振弦放置在磁场中，用一定方式对振弦加以激振后，振弦将 会发生共振，共振的弦线在磁场中作切割磁力线运动，因此，可 以在拾振线圈中感应出电势u感应电势u的频率就是振弦的共振 频率，根据力学原理，测量出感应电势的频率就得到振弦的频率， 从而求出待测物理量(水位)。 振弦式传感器是由一根放置在永久磁铁两极之间的金属弦和 电路部分所组成。金属弦承受着压力，并且根据不同的压力大小和弦的不同长度有着不同的固 有振动频率。 因此改变压力的大小可以得到相应的振弦固有振动频率的变化。振弦的固有振动频率可由 下式计算得到: （31） e ll f 2 1 2 1 振弦有很高的品质因素.它可以等效为一个并联的lc回路。由于振弦的高q值，电路只有 在振弦的固有振动频率上才能满足振荡条件。因此，电路的输出信号频率就严格的控制在振弦 的固有振动频率，而与作用力的大小有关。这样，就可以通过测量输出信号的频率来测量力， 或者压力，形变等。 振弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦(一般称为振弦)。常用弹性弹簧钢、马氏不锈钢 东南大学成贤学院毕业设计报告 11 或钨钢制成。由于振弦式传感器安装在大坝、矿山等周围环境比较恶劣的工业现场，环境温度 变化比较大，振弦的自身特性受环境的影响，振弦的长度随环境的温度的变化而变化，从而传 感器的灵敏度也发生变化，所以在实际应用中，传感器应加上温度的修正。 .2 振弦式传感器的激振振弦式传感器的激振 7 为了测量出振弦的固有频率，必须设法激发弦振动，激发弦振动的方式一般有两种。 电磁法激振 当传感器与测量电路相连接，如果电路接通时，就会有一个初始电脉冲流经振弦。振弦在 磁场中，将受一垂直于磁力线的作用力，从而激发起振弦的运动。根据振动学中力平衡方程可 导出振弦振动的频率亦为，也就是说在振弦中通以一窄脉冲电流后，位于磁场中的 i f l f 0 2 1 振弦能够产生一频率等于弦固有频率的周期运动(自振)，只不过其振幅及其初始相角将由电脉 冲的幅值，通电时刻来决定。 振弦在空气中，由于阻尼作用，自振将逐渐衰减，这就不便于测量，因此必须给予能量补 充才能保持一种持续等幅振动。给振弦不断补充能量的方式，可以用电流法或电磁法。 这种方法在振弦中无电流通过。用两组电磁线圈，一组用来连续激励振弦的激励线圈，另 一组是用来接受信号的感应线圈。测量时传感器与测量线路相联，一旦电流接通，吸引绕在振 弦上的铁片，从而引起振动。与此同时，接受线圈内侧产生感应电势。经放大后的一部分信号 又正好反馈激励线圈，使振弦维持连续振动.电磁法既可以连续测量被测对象的变化量，而又 不需要绝缘，但由于须使用两组线圈，因此结构尺寸较大。 间歇激励法 如果在振弦1中装上一小片纯铁，旁边放置电磁铁2，当电磁 铁的线圈通入一脉冲电流时， 电磁铁通过纯铁片5吸引振弦，当电流断开时，电磁铁失去吸引力释放振弦，于是振弦振动， 振动的频率即为振弦的固有频率。 0 f 在振弦的旁边还放置一个绕有线圈的永久磁铁3，当振弦振动时，装在弦上的另一纯铁片与永 久磁铁3的位置周期性的变化，从而使绕在永久磁铁上的线圈感应出交变电势，由线圈两端输 入测量电路，感应电势的频率即为振弦的固有频率。则由输出电势的频率测得振弦的固有振动 东南大学成贤学院毕业设计报告 12 频率. 要维持振弦持续振动，应不断地激发振弦。即电磁铁每隔一定时间通过一次脉冲电流，使 电磁铁定时地吸引振弦，故须在电磁铁的线圈中通以一定周期的脉冲电流。 由上所述，电磁铁2的作用是激发弦振动，电磁铁3是把弦振动频率变换为感应电势的频率 并输出给测量电路。这种间歇的激发方法，由于振弦在振动过程中的振幅衰减，因此输出电势 的幅值也将周期性地衰减。但是测量电路中主要测量电势的频率，而不是幅值，因此不影响频 率的测量。 在实际应用中，往往把电磁铁z和绕有感应线圈的磁铁3合并为一个电磁装置4，u形磁铁 上绕有一个电磁线圈，当线圈中未通电流时。永久磁铁不吸引振弦，当线圈通以一脉冲电流时， 永久磁铁的磁性大大增强，从而吸引振弦;当脉冲电流消失后，振弦被释放。这样一吸一放， 振弦不断振动，其产生的感应电势使从该电磁线圈中输出。 这种间歇激振电路较为复杂，并且要使用电磁继电器，电磁继电器的体积大，功耗大，机 械触点工作可靠性欠佳，振荡器的振荡频率调节范围不大，并且调节不能在线自动实现，从而 使振弦起振有时较困难。为解决这些问题，作者把扫频技术和函数发生器icl8038应用于单线 圈振弦式传感器的激振，采用一种基于icl8038的扫频激振技术的激振方法很好的解决用电磁 继电器激振所出现地问题。 3.33.3 时钟电路的设计时钟电路的设计 3635342615 .1 ds1302ds1302 简介简介 ds1302是美国dallas公司推出的一种高性能、低功耗、带ram的实时时钟芯片，其内部 结构如图3-3所示。它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能， 工作电压宽达2.5-5.5v.采用三线接口与cpu进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个 东南大学成贤学院毕业设计报告 13 字 节的时钟信号或ram数据。 scl是串行时钟输入线，与单片机的p3.3相连，sda是串行数据输入输出端口，与单片机 的p3.5相连。在控制指令字输入后的下一个sclk时钟的上升沿时数据被写入ds 1302。同样， 在紧跟8位的控制指令字后的下一个sclk脉冲的下降沿读出ds1302的数据。 实时时钟是水位检测系统中一个非常重要的部 分，它为系统提供实时测控的时间依据。特别是在长 时间无人职守的检测系统中，经常需要记录某些具有 特殊意义的数据及其出现的时间。记录及分析这些特 殊意义的数据，对于集散控制系统的性能分析及正常 运行具有重要意义。实时时钟电路的性能要求和设计 方法。 图 33 ds1302 内部结构图 实时时钟电路的性能要求 高的计时精度; 具有时间设置和校准功能; 实时响度速度要快。 为了实现智能水位测量系统实时和定时测量水位的数据和数位数据的变化，必须记录每次 采集水位数据的准确时间。ds1302为独立时钟芯片，可自动计时，保证时间的准确性。 .2 水位计中有关水位计中有关 ds1302ds1302 的程序设计的程序设计 （1）读出水位高度，温度子程序流程图(见下左图所示) 东南大学成贤学院毕业设计报告 14 发 ds1302 复位命令 发跳过 rom 命令 发读取水位高度，温度命令 读取操作，crc 校验 移入水位高度，温度暂存器 9 字节完 crc 校验 正确 结束 y y n n 发 ds1302t 复位命令 发跳过 rom 命令 发高度，温度转换开始命令 结束 (2)高度，温度转换命令子程序流程图(见上右图所示) (3)计算温度子程序流程图(见下图所示) 获得模拟值 由索引值开始重新给 模拟值存入数组 数组索引 1 清除图片框 索引值1 直接绘图在图片框 必须检查索引值 的位置，以决定 绘图顺序 取值次数超 过设置值 y n 取值次数已超过设置值 开始 温度零下 温度值取补码置“”标志置“”标志 计算小数位温度 bcd 值 计算整数位温度 bcd 值 结束 n y 东南大学成贤学院毕业设计报告 15 3.43.4 单片机软件设计单片机软件设计 154039121 单片机的软件设计采用c语言和kei1c51编程软件来完成。就软件开发而言，由于不同类型 芯片的汇编语言有所差异，其可读性和可移植性较差，且开发周期长，所以使用汇编语言编程 非常烦琐。而c语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了许多高级语言的特点，有良好的可 移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。使用c语言编程，可使程序结构清晰，可读性 强。此外，c语言还有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计提供了有 力的保障。用c语言编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，明显增加可读性，便于改进和 扩充。 .1 单片机主程序实现单片机主程序实现 主程序开始 程序初始化 运行测量子程序 键盘扫描子程序 进入主菜单 主菜单 返回测量程序通讯模式设定系统设定数据存储 确定键是否按下 y n 东南大学成贤学院毕业设计报告 16 图 34 单片机的主程序流程图 .2 与上位微机通信部分的程序设计与上位微机通信部分的程序设计 单片机a t89c52和上位机是通过rs-232和rs-485两种接口方式进行通信的。 下位机通信中断子程序的流程图如图35所示: 清除接收中断标志 发送机器号给上位机 接收数据帧 是否为当前机器号 用累加和方法检验数据是否正确 根据第一位命令判断是读命令 还是写命令 接收数据 1.下位机发适所有的数据 包括频率值、温度值、时 间日期 中断返回 1.修改日期时间、 作为新的时钟标准 中断返回 n y y n 读写 图 35 下位机通信中断子程序的流程图 东南大学成贤学院毕业设计报告 17 第四章第四章 方案的设计方案的设计（上位机部分）（上位机部分） .上位机总体设计上位机总体设计 水位计的上位机监控系统以pc机为人机交互工具，下位机是at89c52为主控芯片构成的 单片机控制系统。pc机利用串行口和下位机进行通信，对下位机的水位测量值、各种水位设 置值等上作参数进行实时监测，通过设置，还可以通过上位机对下位机的时间日期、各工作参 数等进行修改。图41为上位机监测系统的数据采集流程图 启动上位机软件 初使化下位机（采集仪） 检测网络运行状态 设置采集参数（测点、方式等） 向采集仪发送采集命令 采集仪工作（测量振弦式传感器数据） 上位机接收采集仪已接收的数据 存入数据库 日常查询画曲线生成报表 故障检修 不正常 正常 图 41 上位机监测系统的数据采集流程图 东南大学成贤学院毕业设计报告 18 4.24.2 上位机通讯程序的设计上位机通讯程序的设计 1413 .1 相关主要控件介绍相关主要控件介绍 vb提供了串行端口控制mscomm来为应用程序提供串行通讯。该控件屏蔽了通信过程中 的底层操作，程序员可以设置、监视mscomm控件的属性和事件，结合timer控件即可完成对 串行口的初始化和数据的输入输出工作。mscomm控件的主要属性如下： （1）commport 设置并返回通讯端口号。端口号可以设置为116的任何数，如 mscomm.commport=2表示设置当前通讯端口为com2。 （2）setting 设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。格式为 mscomm.setting=string。string是一个包含四部分的字符串：第一部分为波特率；第二部分 为奇偶校验，n表示不校验，m表示符号校验，e表示偶校验，o表示奇校验，s表示空格校验； 第三部分为数据位数，其可选值为4，5，6，7，8；第四部分为停止位位数，其可选值为 1，1.5，2。setting属性的缺省值为“9600，n，8，1”。 （3）portopen 设置并返回通讯端口的状态，也可以打开和关闭端口。 （4）input 从接收缓冲区返回和删除字符。该属性在运行时为只读。 （5）inputlen 设置并返回每次input属性从接收缓冲区中读取的字符数。inputlen属性 的缺省值为0。设置inputlen为0时，input将读取接收缓冲区的全部字符。 （6）output 向传送缓冲区写数据。要传送的数据可是文本数据或二进制数据。 （7）commevent 返回最近的通讯事件或错误。只要有通讯错误或事件发生错误时就会 产生oncomm事件。commevent属性中存有该错误或事件的数值代码。 timer控件的主要属性如下： 东南大学成贤学院毕业设计报告 19 （1）enabled 返回或设置一个值，该值用来确定一个窗体或控件否能够对用户产生的事 件作出反应。通过把enabled设置为“galse”来使timer控件成为无效，将取消由控件的 interval属性所建立的倒计时数。 （2）interval 返回或设置对timer控件的计时事件调用间的毫秒数。timer控件的 enabled属性决定该控件是否对时间的推移作出响应。将enabled设置为“false”会关闭timer 控件，设置为“true”则打开timer控件。当timer控件置为有效时，倒计时总是从其interval属 性设置值开始。创建timer事件程序。可通知vb在每次interval到时该做什么。timer控件和 enabled属性设置为“true”时，vb将在interval时间到后自动访问timer_timer过程。 为实现通讯程序，须在vb开发环境下设置一个用做控制通讯的窗体。窗体上主要有一个 通讯控件mscomml和两个timer控件。vb的特点是事件驱动，定时器控件会定时触发相应事 件的驱动程序。 .2 发送单片机命令发送单片机命令 为了使主机能够对整个检测过程进行实时控制，须要在发送命令以后设定等待的时间，也 可以通过条件判断下一步是发达还是接收命令。对发送的命令，可能是文本方式或二进制代码。 在发送二进制代码时，应特别注意发送的格式。 发送命令过程是一个带参过程，这样可使发送命令简便易行。具体程序如下： sub发送单片机命令过程（command as byte） dim输出命令（1 to 1）as byte doevents 输出命令（1）=command mscomm1.outbuffercount=0 mscomm1.output=输出命令 mscomm1.inbuffercount=0 end sub 东南大学成贤学院毕业设计报告 20 .3 接收数据接收数据 接收数据是一个被动的过程，可以通过函数来实现，由定时器开启。在接收过程中，多数 用特征字符，如“ok”、“#”等。这些需要在通讯协议中约定。 function接收数据（） do doevents in_buffer $=in_buffer$采用的c51编制软件，使得 软件易于维护、扩充和移植性强;人机交互界面友好，显示信息直观，用户操作简单。 6. 系统具有完善的通讯接口，通过rs-485串行实现数据的远程传输，抗干扰能力强;通过 现场的rs232串口实现历史数据的提取，保证了在上位机发生故障时，也能得到大坝的有关监 测数据。 7. 对系统干扰设计采取了一些具体可行的措施。 综上所述 ，由于时间的限制，该系统未能在现场环境下试运行一段时间。今后应根据现 场的运行情况，对硬件部分进一步完善，提高仪器的性能指标。 5.25.2 设想设想 随着自动化领域电子技术和计算机技术的不断发展，以及实际应用中对水位监测系统的需 求，其后续工作主要是样机的产品化工作，将其转化为实际的应用产品还有很多，包括从系统 的外观上进行优化设计，使控制面板观察方便、操作简单，仪表的可靠性分析。该系统还要进 行功能的改进和完善，为产品的进一步升级换代做准备以及仪表的系列化研制等等。 致谢致谢 本论文是在吕国芳副教授的悉心指导下完成的。吕老师在学习和生活等各方面给予了许多 的关怀和帮助。吕老师广博深厚的知识，严谨求实的治学态度和坚持不懈的钻研精神对我影响 很大，从吕老师那边学到的东西使我受益匪浅。吕老师谦和的为人，积极乐观的生活态度更是 令我难忘。在此对吕老师表示真诚的感谢和深深的敬意，并致以最美好的祝愿。 在我学习期间和本论文完成的过程中，还有幸得到了何建国、程俊、薛红等老师的指导和 东南大学成贤学院毕业设计报告 31 帮助，在此表示衷心的感谢。同时还要感谢电子工程系所有关心和帮助过我的老师们，你们的 教诲使我终生难忘！感谢同窗殷地顺、王聪、邢小强、顾颐、陈庆等给予的帮助。 最后，我还要感谢我的家人，尤其是我父母，是他们在生活上以及精神上给了我极大的支 持和鼓舞，为我创造了良好的学习环境，在此对他们表示我最诚挚的谢意! 谷兵 2008.5 南京 参考文献参考文献 1张立科.单片机典型模块设计实例导航.北京:人民邮电出版社，2004. 2 张卫钢.振弦式传感器测频系统的设计.传感器技术，2003,2 2(7)28-32. 3 江修等.用等精度测频方法实现振弦式传感器频率测量.传感器技术，2001, 20(6):53-55. 4 于忠得，刘志刚.a/d转换器工cl7135与微处理器的接口技术.大连轻工业学院学报， 2001, 200): 59-61. 5 马云峰.a/d转换器工cl7135的原理与运用.国外电子测量技术，1999(2):36-38. 6刘阳 .精密波形发生器icl8038.国外电子元器件，1995(11):1 0-14. 7王化祥，张淑英.传感器原理及应用.天津:天津大学出版社，1998. 8 童诗白，华成英.模拟电子技术基础(第三版).北京:高等教育出版社，2000. 谢 嘉 奎， 电子线路线性部分(第四版).北京:高等教育出版社，2001 10 黄正瑾。电子设计竞赛赛题解析.南京:东南大学出版社，2003.4. 11 吴星明.ad704/ad705/ad706运算放大器的应用.国外电子元器件，1995 (7): 30-34. 12 薛钧义等.mcs一51系列单片机微型计算机及其应用.西安:西安交通大学出版社， 1997.7. 13刘炳文等.visual basic程序设计教程北京:清华大学出版社，2000 东南大学成贤学院毕业设计报告 32 14 蒋方 帅等.visualb asic6.0全攻略宝典.北京:中国水利水电出版社，2000 15 涂 明.基于振弦式传感器的大坝渗压监测系统开发.西安:西安理工大学学位论文， 2004.3. 16 徐家喜等.字符点阵式lcd菜单化设计在便携式仪表中的应用.南京师范专科学校学报， 1999,15(4):141-146. 17 李培全，ad转换器工cl7135的原理与应用.昌滩师专学报，2000,19(2):43-45. 18 庞严英等.icl7135高精度a/d转换器与单片微机接口新技术.山东纷织i学院学报， 1995,10 (2 ):3 7-42. 19刘萍等.差分总线收发器75176在主从式控制系统应用.电子技术应用，1996(11) :23-25. 20