一种智能水文监控系统的设计.docxVIP

关键字：导读：1 引言水位、水温、流速等水文数据的测量一直是水电站部门的重点,目前,国内水文采集系统功能多以数据的采集和传输为主,少有根据现场的水情自动控制水利设备的功能。本文作者设计的智能水文监控系统可以由水文管理.1 引言水位、水温、流速等水文数据的测量一直是水电站部门的重点,目前,国内水文采集系统功能多以数据的采集和传输为主,少有根据现场的水情自动控制水利设备的 功能。本文作者设计的智能水文监控系统可以由水文管理者通过主控计算机设置水位的上下限,以实现自动控制水利设备的运转;也可以在网络出现故障时直接在现 场通过按键进行上下限设置;目前国内同类产品中少有对智能监控系统进行自检的功能。本系统可以随时通过上位机软件设定的模拟水位信号对不同位置的智能监控系统进行检查,确定数据是否误差过大,以保证数据的安全和可靠性。 2 智能水文监控系统设计本系统根据单片机控制方便、使用简单等特点。采用STC89LE54单片机作为水位检测系统的控制核心,结合传感器应用技术,利用模数转换电路检测转换后 的水位模拟信号,实现水位、温度的实时测量和显示。同时,智能水文监控系统中的终端监控器上配置的键盘可以设置、查询水位上、下限和实时水位,实时测量 时,根据事先设定的上下限比较,当实际水位数据超上、下限终端控制器进行报警,并自动控制闸门电机运转,系统通过TCP/IP 模块走MODBUS工业总线协议与主机进行通信,将实时采集的水文信息上传到主机。同时系统终端利用LCD 显示、声音、键盘输入模块进行人机交互。系统原理框图如图1所示。 本系统的硬件电路包括主控电路、数据采集前端电路、键盘、显示屏控制、流量检测电路、TCP/IP转RS232电路、抗干扰电路等。2.1 数据采集前端AD电路模块通常水文信息的采集多使用不同公司开发的各种传感器,其中一些传感器的输出量直接为开关量或数字信号,但是很多类传感器的输出是反应被测的非电量的模拟电 压或模拟电流信号,这类传感器输出的模拟电压或电流信号需要转换为相对应的数字信号才可以被微控制器处理。因此本系统设计了用于模数转换的功能模块,该模 块使用的A/D转换器是TI公司生产的10 位模拟转换串行器件TLC15494。TLC1549以串行方式送给单片机,TLC1549的三个控制管脚与单片机P1口的P1.7(数字信号的输 出端)、 P1.6(时钟)、P1.5(片选)三个通用I/O相连,构成串行接口,由单片机内部程序产生时钟,控制单片机与TLC1549的数据传送。单片机与 TLC1549的接口电路如图2所示: 2.2 RS485模块接口智能监控系统测量终端同时设计了RS-485现场总线的结构方式。对系统间可能出现的干扰,采用了光电隔离技术。本系统应用的现场环境一般都很恶劣,存在 的各方面干扰常导致系统难以正常工作的可能情况,系统设计时采用了专用的电源监控电路微处理芯片(MAX813)进行了抗干扰处理。在整体设计中,考虑到 水利数据信息的采集和水利设备的控制两者之间功能差异可能较大,数据采集的设备一般为弱电设备,电压多为0?V,而水利设备的控制多为市电220V甚至 380V的电压,属于强电控制电路,为避免系统间的干扰,监控仪的继电器控制板和与连接强电设备的继电器板分开在不同的电路上,二者通过数据线进行连接 2。RS485模块主要用于水利设备和控制器模块之间的数据传输,对于某个水文站的水文测量信息,往往现场测试点与另一个测试点相距较远。例如,水位、水温、 流速等自动测量设备安装在河流不同测量断面的岸边,而有些诸如雨量、气温等自动测量仪器则安装在河流岸边不远的观察站场内即可。RS485模块设备简单可 靠、价格低廉、组网灵活、便于维护、抗干扰能力强、通信距离远。目前国内的信息采集设备都提供RS485总线接口。水利设备采集的水文数据通过RS485 模块转换为物理链路层数据流,微控制器发送的命令也通过RS485模块输出给水利设备。RS485模块的电路原理图3如下: 上图中,水利设备数据通过双绞线485A和485B作为信号传输线,在485A、485B之间串联一只10K的电阻,同时与地之间各跨接一个5V的二极管,以消除线路的浪涌干扰,485T为数据的发送端,485R为数据接收端,485EN为模块的使能控制端。2.3 TCP转RS232串口模块设计该接口模块采用NePort-EN嵌入式设备联网服务器,NePort拥有10M/100M的以太网接口,并可同时传送TCP/UDP包给多个数据接收设 备。并且提供1到3个高速串口,波特率可达921600bps。NePort同时提供RS232/422/485接口可与任何串口设备连接,也可以模拟 MODEN可使目前已存在的网络应用设备与IP网络连接。NePort包含一个波特率达460kbps的3.3V COMS逻辑电平(可承受5V) 的高性能串口、电源、复位、时钟。通常将它与设备内部的带有串行接口器件相联(MCU、DSP),以便将本地串口、IO的数据与局域网/互联网相联接,实 现设备到设备的数据服务。串口使用电缆来传输较远距离,需采用符合RS232或RS422/485电平的方式传送。所以需要使用一片电平转换/接口芯片。由于NePort的电源是3.3V,因此在设计中采用了低压差电压调节器LM1117器件。接口电路图如下图4所示。 3 系统数据传输设计工业控制已从单机控制走向集中监控、集散控制,如今已进入网络时代,工业控制器连网也为网络管理提供了方便。Modbus协议就是工业控制器的网络协议中 的一种。该协议是工业控制器网络协议中的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。Modbus协议作为通用工 业标准,可使不同厂商生产的控制设备连成工业网络,进行集中监控3。本监控仪通过TCP/IP 转串口模块接入总线。监控仪与主机的通信协议以工业MODBUS协议为蓝本,每帧内容采用ASCII码传输,起始字节为:02H,结束字符为03H,所有 位的累计和作为校验。通信波特率为9600bps,全双工异步,8 位数据位,1位停止位,无奇偶校验。下图为每帧数据的格式。 通信采用了工业 MODBUS 协议为蓝本生成通信波特率,通信位数等信息。信息包含以下内容:(1) 查询水位、流速、温度功能。子机需回答水位、温流、速度、报警状态。(2) 设置上、下限功能。子机需要设置自己的报警上、下限。(3) 停止、启动报警功能。子机在停止报警功能后,子机在处于超限状态下不产生声光报警,但与主机通信中依然要正常报告报警状态;子机在启动报警功能后,子机在处于超限状态下要产生声光报警。系统开机默认为启动报警功能。 4 软件程序流程图及说明程序设计包括温度采集、水位采集、设备控制、短信模块控制、键盘和显示等部分。本文仅介绍主程序的设计流程,如图5所示。 5 结束语本文介绍了应用单片机作为控制器,实现对复杂环境下部分水文信息的检测和对水利设备的智能控制。该智能监控系统能够满足水电站对水文信息的实时采集,并通 过网络上传水文信息到上位机。文章详细介绍了原理及设计方法。并给出监测控制电路和软件设计方法。为同类数据采集监控仪的设计提供了参考。 参考文献:1 邓元生.基于单片机的MODBUS总线