模拟水库监控系统的硬件设计开题报告.doc

西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告题目：模拟水库监控系统的硬件设计系 别 电子信息系 专 业 电气工程及其自动化 班 级 B130305 姓 名 杨源博 学 号 B11030925 导 师 焦灵侠 2016年12月22日开题报告填写要求1开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成。2开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（禁止打印在其它纸上后剪贴），完成后应及时交给指导教师审阅。3开题报告字数应在1500字以上，参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册，其中外文文献至少3篇），文中引用参考文献处应标出文献序号，“参考文献”应按附件中参考文献“注释格式”的要求书写。4 年、月、日的日期一律用阿拉伯数字书写，例：“2008年11月26日”。14参考文献1 中国水力资源概述，中国农村水电及电气化信息网，2002.9.22 2 国外小水电的新近发展，中国农村水电及电气化信息网 3 大坝安全监测自动化网络系统的现状及发展趋势，北京木联能工程科技有限公司4 蔡晓峰，SWK2000 闸门控制系统，水电自动化与大坝监测，2002.4，2628 5 段波、范锴，三峡永久船闸控制系统研究，水利水电快报，2002.4，33356 樊玉林，十三陵蓄能电厂上池事故闸门控制系统改造，水电自动化与大坝监测，2003.1，3235 7 何立民，单片机应用系统设计系统配置与接口技术，北京：北京航空航天大学出版社1990 8 黄世年，水轮发电机单片微机自动监控系统的研究，西北农业大学 1998 届硕士学位论文9 赖寿宏，微型计算机控制技术，北京：机械工业出版社，2003.1 10 李宾、杨光镇，浅谈 SCADA 系统的安全管理，水利水文自动化，2003.3，1315 11 李华，MCS51 系列单片机实用接口技术，北京：北京航空航天大学出版社，1993 12 李立秋，天荒坪抽水蓄能电站闸门系统介绍，水电站机电技术，2002.2，710 13彭兵，单片机在中、小水电站闸门监控系统中的应用，西北农林科技大学，2004 届硕士学位论文14乐嘉萍，水电厂自动监控系统的设计与实现，浙江工业大学，2012届硕士学位论文15 陈忠孝，单片机原理及应用，2011.11,2142一、课题研究综述1、课题研究的背景水库大坝安全监控系统研究是一门集计算机学科、网络通讯、控制学科及数学和信息学科为整体的综合型技术，它需要对水坝安全监控仪器的选型、布局、数据采集、传输数据、数据处理和分析以及相应的网络设计、通讯设计等内容进行深入的研究和科学规划整理。系统通过合理布置水库大坝的监控设备和数据采集装置，可以获取可靠的水库大坝监控的参数。通过科学的分析和处理原有的监测数据，能够在线监测出水库大坝的异常情况，并及时发现水库大坝的安全隐患，迅速的做出准确的补救措施。最后根据水库大坝安全监控系统的工作情况，进一步提出水坝的安全监控的办法。因此，建立一套完善的水库大坝安全监控系统对社会有很高的实际价值，同时也给学术上很高的应用价值。2、课题研究的目的和意义中国经过近60年的发展，在水库大坝建设方面己经取得了巨大成就，据我国国家水利部门介绍，我国水库大坝建设数量和库容量位居世界第一，这些水坝还有防洪、发电、灌概等很多功能，国家建设的水现有8.7万座，库容量有6924亿立方米水库大坝的建设给国民经济的发展带来了巨大的作用，这样就更为有效的利用水资源。随着水库大坝理论和技术的不断发展和完善，在国家投入水利资源开发力度不断加大对西部大开发、西电东送等形式和政策的推动下，水坝的规模向着更高、更大的方面发展，如今我国已建成的锦屏一级的坝高305米、溪洛渡278米及在建的小湾（云南）292米等。水库大坝安全监控系统的发展不仅可以促进人们生活水平的提高和社会环境的稳定，还可以促进国民经济的发展。近年来一些水库大坝在常年的严寒酷暑侵蚀下，在暴风雨的冲击下，随着时间推移，大坝运行的年限增长、材料的老化，裂缝等问题将会产生很大的隐患甚至导致大坝馈决就像二滩水电站泄洪洞被毁，在雅若江下游，幸好被发现的及时，如果任其发展，二滩水电站工程将受到严重威胁。研究水库大坝安全监控系统就是系统的选择水库大坝的安全监控仪器和数据采集装置，大力发挥水库大坝的各种运行数据，从高级的数学、人工智能仪器及力学方面，凭借现代的计算机技术，科学分析原有的监控数据并及时作出分析，尽快的对水库大坝的运行状况给出建议。近些年来，国家和政府的水利部门加大投资力度，摸底调研工作做的很扎实，使水库大坝安全监控理论和方法都有了高度发展，也取得了很好的成果，为安全管理提供了技术支持。水库大坝安全是影响国民经济发展的重要组成部分之一，大坝安全监控管理系统也是国家的重要需求，但是开发一套全面性的水库大坝监控系统有很大的困难。随着监测数据的增多，传统的技术靠大量工作人员去做数据处理和分析，有太多的困难和障碍，效率低，鉴于数据的繁多，需要大量的人力和物力去处理数据，所以根据现代社会需求开发了一套自动化的水库大坝安全监控系统。因为建设一套大坝安全监控系统有着重要意义。首先，系统可以为大坝正常运行的状况提供真实数据，并对其安全隐患提出报警，从而更能对大现有针对性的进行隐患管理，改善安全运行条件，其次，这种自动化监控系统操作简单，数据及时有效，避免了传统检测手段的复杂操作、人为主及档案管理繁琐，最后，系统可以预测大坝溃堤时的灾害事故，相关部门也能够保证保护上下游居民的安置，并报告给相关人员做好物资准备。3、国内外研究状况3.1、国外研究状况水库大坝安全监控系统在国外处于领先的地位，但由于每个国家的技术不相同，并且目前对水库大坝安全监测的数据还不能做整体的处理，就目前国外来说，美国、日本、俄罗斯在这方面领先，他们的系统完善，通讯方式多样化并且十分先进，使用了可靠性很强的测量设备和购买了精度很高的分析预报设备。对美国来说，一直以卫星为平台，通过各种通讯方式来监控水库大坝的安全，这种方式通过卫星传输数据，并实现对大量的数据处理，因此这种监控系统具有较高的集中化性能和综合性能。同时有些水库大坝监控系统采用常规的集成电路或继电器来代替使用计算机，这样也实现了无人值守，例如莱茵河梯级电站和罗纳河。3.2、国内研究状况我国的经济发展相对国外的水平要慢，计算机技术很落后于发达国家的水平，像水库大坝安全监控系统的全套设备的数据资料并不是很全面，由于国家的长期努力和科学技术攻关，开展了大量的工作，这样才使我国水库大坝安全监控系统遍布在全国各省、自治区和直辖市。这十几年，我国也已建成有计算机监控的大坝已达上千处，例如国内第一最高现305米锦屏一级、云南的小湾292米等。由于我国这几十年的研究和探索在水库安全监控系统方面有了很大的突破，尽管能自行研发出一些设备，但总体结构质量还相差甚远，有两个因素较为明显，第一，国内的水库大坝安全监控系统还不能实现远距离控制和无线通讯技术控制，不能利用网络技术快速的做出响应，很大一部分依赖人为去处理、分析数据，这样导致效率很低。第二，国内的水库大坝安全监控系统的硬件系统和传感器采集设备还不够先进，达不到对水库大坝的数据的准确、快速和实时传输数据。因此我国要抓紧技术研究，快速提高水库大坝的安全监控技术。二、本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施1、研究的主要内容该模拟水库监控系统要求对水库的水位，流量等参数进行远程实时监测，能控制阀门开关，调节水位的高度，保证水库的安全。在下位端利用单片机将传感器采集的水库信息进行处理，将处理好的数据通过无线传输模块传送到上位机端，在上位机上可以清楚地观察水库的实时情况。上位机对信息进行监测分析，并将分析后的信息反馈回到下位端，通过单片机控制步进电机正反转，模拟阀门开关，来控制水库水位和流量，保证水库的安全。能够利用自动控制、计算机网络和无线通讯新技术来构成无线监测系统，采用无线模块来进行无线传送，具有实时信息自动采集、传输、无线监控、远程数据和图像传输、信息、查询等功能，可实时监控管理区水库的情况。该系统信息传递速度快，结构简单，全面实现了水文监测自动化。2、本课题拟采用的研究方案2.1设计水库大现安全监控系统的总体结构，并对相应的系统模块功能和工作原理做分析。STC89C52单片机A/D转换2.2设计水库大坝安全监控系统的硬件部分。系统硬件部分主要由下端信息采集传感器、无线传输模块、A/D转换，单片机控制系统等模块组成，进一步设计系统通讯组网的工作方式。数据传输控制信号步进电机传感器采集信息信号传输发送CC1100无线模块接收STC89C52单片机CC1100无线模块报警显示系统控制信号数据传送PC上位机2.3硬件选择对于水库监控系统需要有一定的了解，明确自己设计需要实现的功能并确定自己的研究方案，在本课题的研究中对于该系统需要先确定一个主控部分。主控部分使用的单片机为STC89C52。然后确定传感器、报警显示系统以及步进电机的选择，因为测量水库的水位、流量因此选用水流传感器和超声波传感器进行数据采集，对于无线传输模块我们选择CC1100无线传输模块。2.3.1 STC89C52处理器STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。引脚图如下所示2.3.2超声波传感器 超声波传感器包括发送和接收两部分，电路图介绍如下： 图2.8 超声波发送电路由三个NPN三极管构成差动放大电路，其放大倍数由电阻R7，R8和R9等电阻决定，所采集的信号波从J6口输入，经由NPN管级数放大，在消除共模干扰后，从J6口发送出去。 图2.9 超声波接收电路超声波换接收电路所接收到的从发送端传来的微弱信号，要经过LM358芯片进行放大，使得所采集的信号足够大，然后通过J2口送到单片机上，信号经AT89S52单片机处理后，由数码管显示出来。 2.3.3 TLC549 A/D转换器(1) TLC549的原理 如图2.11，作为数据采集芯片，TLC549均有片内系统时钟，该时钟与I/OCLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据输出(DATAOUT)端处于高阻状态，此时I/OCLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/OCLOCK，以减少多路(片)A/D并用时的I/O控制端口。TLC549可方便地与具有串行外围接口(SPI)的单片机或微处理器配合使用，应用接口及采样程序。该芯片有一个模拟输入端口，3态的数据串行输出接口可以方便地和微处理器或外围设备连接。TLC549仅仅使用输入输出时钟（I/CLOCK）和芯片选择（CS）,就能够正常启动。图2.11 TLC549 A/D转换器(2) TLC549的特点表2.4 TLC549基本特性CMOS技术低功耗数据采集系统8位转换结果电池供电系统与微处理器或外围设备接口工业控制差分基准电压输入工厂自动化系统等转换时间：最大17us每秒访问和转换次数：达到40000片上软件控制采样和保持功能全部非校准误差：0.5LSB宽电压供电：36V 封装及引脚低功耗：最大15mW5V供电时输入范围：05V 输入输出完全兼容TTL和CMOS电路全部非校准误差：1LSB工作温度范围：070（TLC549）; -4085（TLC549I）TLC549片型小，采样速度快，功耗低，控制简单。适用于低功耗的袖珍仪器上的单路A/D或多路并联采样。2.3.4 七段数码管LED数码管多段发光二极管组成，其形状有7段8字形的、14段米字形等。根据接法不同又可分为共阴极和共阳极两类。每一段由一个引脚控制，根据要求，对各个引脚加上不同的电压，使其显示需要的数字或字符。如果是一个共阴极数码管，则要显示0时就要给a、b、c、d、e、f、g七只发光二极管加高电平，给g管加低电平，十六进制数为7E。从09的十六进制显示码分别为3F，06，5B，4F，66，6D，7D，07，7F，6F。在该单片机系统中，使用了LED数码显示器来显示采集到的水库水位和流量。由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。八段LED显示器由8个发光二极管组成。基中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。如2.5.4图所示。本系统中使用了一块四位七段数码管。 图2.13 数码管原理图2.3.5 报警系统实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件通常可采用压电蜂鸣器，这种蜂鸣器只需在其两引线上加3-15V的直流电压，就能产生3KHz左右的蜂鸣振荡音响，比电研式蜂鸣器结构简单，耗电少，且更适应于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器，约需10mA的驱动电流。因此，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以使用一个晶体三极管驱动。报警程序设计如图所示：判别是否触发报警信号ST89C52单片机不报警 N报警 Y2.3.6步进电机(1) 步进电机的概念步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。(2) 步进电机的一些特点： 一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积; 步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 (3) 步进电机控制原理 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下： 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-CD,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。 控制步进电机的转向。如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。但脉冲形式的电机控制，使控制端容易受到干扰，所以必须在电机驱动电路中加入光耦电路来减少干扰。电机的正反转是由单片机来控制的。当单片机的一个口发出1或者0的时候来决定正反转，也可以两个口来决定。电机的启动我们选择用LM298。本文中，主要应用到步进电机的换相功能，通过单片机控制步进电机正反转动，来模拟实现阀门的开/关。2.3.7 LM298芯片LM298是四路输出的电机驱动芯片，每路大概500毫安，其本身有压降，随输出电流的变化而变化。它可以同时控制两个直流电机，可以驱动一个步进电机。LM298的管脚我们已经知道，它的作用是控制电机的正反转和驱动电机。下位端单片机与LM298连接(管脚如下图)，但电机脉冲会对下位机产生很强的干扰，所以必须在单片机和LM298之间加上一个光耦电路来隔离，减少干扰影响。本系统只用到LM298的部分功能。图2.14 LM298驱动芯片2.3.8 无线传输模块CC1100无线模块接口电路图2.2 CC1100无线模块的接口电路图CC1100 单片无线收发器工作在433/868/915MHZ 的ISM 频段由一个完全集成的频率调制器一个带解调器的接收器一个功率放大器一个晶体震荡器和一个调节器组成。工作特点是自动产生前导码 和 CRC 可以很容易通过SPI 接口进行编程配置，电流消耗低。 表2.1 CC1100接口电路的引脚特性引脚编号 引脚名 引脚类型 描述 1,2 VCC 电源输入 1.9V-3.6V之间 3 SI 数字输入 连续配置接口，数据输入 4 SCLK 数字输入 连续配置接口，时钟输入 5 SO(GD01) 数字输出 连续配置接口，数据输出 当CSn为高时为可选的一般输出脚 6 GDO2 数字输出 一般用途的数字输出脚：测试信号，FIFO状态信号，时钟输出，从XOSC向下分割连续输入TX数据 7 CSn 数字输入 连续配置接口，芯片选择 8 GDO0 一般用途的数字输出脚：测试信号FIFO状态信号时钟输出，从OSC向下分割连续输入TX数据9,10 GND 地(模拟) 模拟接地 在本系统中，采用的CC1100无线模块的工作电压是3.3V,频率波段为300-348 MHz、400-464 MHz和800-92