【毕业学位论文】(Word原稿)单片机在水位远程检测系统中的应用-电子与信息工程

1 滨江学院 本科 毕业 论文 系： 滨江学院 专业： 通信工程 年级： 2003 届 姓名： 周强 学号： 20032334024 论文题目： 单片机在水位远程检测系统中的应用 指导教师： 周杰 职称： 教授 二七年 四 月 十七 日 2 目 录 ： 1. 标题 3 2. 摘要，关键词 3 3. 引言 3 4. 正文 4 1) 水位的检测及显示系统 4 2) 水位远程检测系统硬件组成 5 2 1 微控制器 6 2 2 8 2. 3 系统硬件接口连接 9 3) 水位数据无线传输的软件实现 14 3 1 数据包格式 14 3 2 命令集 15 4) 系统应用 拓展 17 5 1 系统优点 17 5 2 应用拓展 18 5) 结束语 20 5. 参考文献 20 3 单片机在水位远程检测系统中的应用 周强 南京信息工程大学通信工程专业，南京 210044 摘 要 ： 本文 介绍一种利用单片机及 线收发模块构成的水位显示及远程检测系统。在系统中，设计一种简易的水位检测方法以测得水位的状况，通过单片机显示系统在水位现场以 方式显示出来，并通过与之相连的 块将水位信息以一种无线的方式发送给远程终端，起到检测的作用。 另一方面， 本文还介绍了 此系统在现阶段的防洪，汛期水位检测中的 运用。其覆盖范围广，成本低廉，实现方便的特点，完全可以替代现有广域水位检测以及警报系统，保证广大人民群众生命和财产的安全。 关键词 ： 口通信 远程检测 如大家所知， 供水系统中的水塔和高位水池等设备由于所处地势高， 人员 上下极为不便，有时水即将用完也不知道，造成需用水时却无水可用的情况。此外，在向池中注入水的过程中，由于不知道水位的情况，也就无法控制注水量的多少，这会严重影响正常的工作效率。为此 ， 需要 对水位进行自动显示、监测和报警。传统的水位检测系统一般通过有线方式与监控中心取得联系，这种方式不但维护起来困难 ，需要专门人员进行维护调控 ，而且在很大程度上限制了其在时空上的拓展性 ，而内部 架设的 无线网络成本又极高 。采用 块与单片 机构成的系统则 能利用现有 能有效节约成本 。通过单片机的并行 I 0 口可以很方便的实现 实时 水位的显示功能 。 现有的 络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的建网 成本 和维护费用。当采用 块时 ， 相比码分多址技术， 目前基于 时分多址技术的移动通信体制 是 最成熟、最完善、应用最广的一种系统 。 我国目前已经建成覆盖全国的 字蜂窝移动通信网 ， 可以通过 其 实现远程终端监控和报警的功能。 下图为数传电台组网 与 信模块组网的比较。 在数据量较大、网络覆盖范围小于 15求系统响应时间的应用中使用数传模块组网 从经济性及实现的难易程度上看较有优势。在要求网络覆盖范围大于 15上、数据量很小的应用中使用 从经济性及实现的难易程度上看较有优势。 数传电台组网 信模块组网 比较 组网形式 自建网络，一般采用一个中心站的大区制。一般受无线电管理及经费的限制，网络覆盖范围小于30 公里，在使用一个中心站的情况下，作用半径内有通信死角。 使用 众网，蜂窝制式。在城市及人口有一定 密集的区域， 络覆盖区域很少有死角。 块网络覆盖范围大 组网费用 费用主要包括主台天线，馈线，天线支撑架。终端天线，馈线，天线支撑架。 无组网费用。 块无组网费用 组网难度 有一定难度。 使用公网。 块无需组网。 4 终端费用 5W 电台相当于 块价格。功率加大费用增加。 终端价格与网络范围无关， 5块价格。 在网络范围大于 10，数传电台终端价格大于 块价格。在1数传电台终端价格小于块。 使用费用 每个 分台每年应向当地无线电关系部门交纳频率占用费。费用与通信数据量无关。 每发送一次数据向 次发送字节数不大于 140 字节 。费用与通信数据量相关。 一般来说数传电台组网费用较低。 数据速率 一般使用 1200s， 9600s 受每次发送字节数不大于 140字节及 络管理的限制，实际速率不会超过 1200s。 数传电台速率较高。 系统响应时间 终端响应时间小于 200 络及发送的时间有关，不可控。一般为若干秒。 数传电台系统响应时间较快。 1 水位的测试及显示系统 一般的实际使用中 ， 水位的测试通常有两种方法： 超声波水位探测仪和干簧管式水位显示仪。这两种方法虽然可行但不切实际 ，应用起来成本过高，实现起来非常复杂，同时也不易维护。 本文 结合了现阶段通用的一些技术， 设计了一种简 单易用 ，并且成本低廉 的水位检测 系统 。 该 水位检测部分由绝缘支架、电极、导管和浮球几部分构成，如图 1所示。浮子由 1个直径 15 根长 105 径 15 管是一根外径 20 径 17 架由长 80 余部分安装在 1个长 25 20 5 5 而水位检测显示系统则由水位测试系统、单片机的并行 I 0口、电阻、电源以及 如图 2所示。 电极 1 1、 2和 3 相连，而对应的 l 到 电源的正极。当水位达到水满位置时，此时 因为水的 导电 作用 ，电极开关 2 和 导通，相应 3个发光二极管都点亮；当水位达到正常水位时， 通，而 应 2和 3置低， 2个二极管点亮 ;当水位达到缺水位置时，此时只有 通，对应只有 所以根据 二极管灯点亮 的 个数的显示， 工作人员 在现场给水池注水时，就能很清楚的知道 现场水位的状况，这样就能够正确的注水，而不会出现文章开头出现的状况。 如图一：当水位到达 ， 水池中的已经接近满的状态。此时，因水接触 使之导通，于是 极所连接的 被点亮，从而可以很直观的报告水池中的水位已满。如图 2。 但这仅仅局限于工作人员在场的情况下可知。我们今天所要解决的是远程的水位监控，所以接下来就要用到单片机， 2 水位远程检测系统硬件组成 不过上面制作的系统，只有工作人员在水位显示装置前才能得知水位情况，依然需要专门人员定时进行察看以及检测，遇到工作人员不在的特殊情况，或系统异常时，此系统便无法应对。所以下面，本文就要设计一个简单，可以远程检测并控制的水位远程检测系统。 水位远程检测系统实际是一个无线数据的收发系统。该系统主要是通过现有的移动通信网络来实现无线数据的传送 ，相比专用无线网络， 此系统 架设以及维护成本都比较低廉， 实现起来也很方便 。 此系统 主要由两部分组成，即微控制器芯片 89短信芯片 2 1 微控制器 微控制器采用 司推出的一种小型单片机 8995 年出现在中国市场。其主要特点为采用 低了制造成本，其软件、硬件与 以很快被中国广大用户接 6 受，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。 其 内有 2 28 890引脚，其中 8脚 （图 1） ，可以作为一般的准双向端口，在引脚的驱动能力上，具有很强的下拉能力 。 89很 宽的工作电源电压，可为 6V,当工作在 3流相当于 6。 892态电流为 闲态为 1电态仅为 20样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统 。 我们这里使用的 片机，如 上 图。 其内部电路图如下图： 7 当水池水位已满时， 都高电平。在 是一组 8位双向 I/要是考虑它们分别是内 部精密比较器的同相输入端（ 反相输入端（ 如果需要应在外部接上拉电阻。 输出缓冲器和吸收 20流并可直接驱动 引脚写入“ 1”时可作输入端，当引脚 们将因内部的上拉电阻而输出电流（ 还在 8 为复位输入， 脚一旦变为两个极其周期以上的高电平，所有 I/O 口都将复位到“ 1”（高电平）状态，当振荡器正在工作时，持续两个极其周期以上的高电平便可完成复位，每个机 器周期为 12 个振荡时钟周期。所以，此端口作用为工作过程中的复位。 4和 5 是 脚。如图： 其中 3中时钟振荡器为内部振荡电路 ,采用的是石英晶体振荡器组成时钟振荡器。 010 5地。 2 2 100模块采用全 艺先进、可靠性高，工作 电压范围为 5 15 v。 工业级产品设计，工作温度范围宽，可适合野外工作 。 全封闭铝合金外壳，抗干扰能力强 。 其内置的德国西门子公司 须学习复杂的 准配置为 9 2 3 系统硬件接口连接 整个水位远程检测系统由上位机和下位机构成，其中上位机主要是指移动终端即手机，而下位机是由 电路连接原理图如图 3所示。 下位机安装在水池附近，而微控制器 100A 之间是通过 三线制串口 （ 相连的，即 3中以网络标号相连。由于各自的工作电压不太一样，在这里采用电平转换芯片 它是 司专门为与低压微控制器芯片接口推出的 ， 外围电路简单 ， 工作可靠 ，用于 把单片机串口的 晶体管逻辑电路的英文缩写（ ，是数字集成 电路的一大门类。它采用双极型工艺制造，具有高速度低功耗和品种多等特点。 从六十年代开发成功第一代产品以来现有以下几代产品。 10 第一代 4系列，（其中 54 系列工作温度为 +125， 74 系列工作温度为 0+75 ) ，低功耗系列简称 速系列简称 第二代 系列（ 低功耗肖特基系列（ 第三代为采用等平面工艺制造的先进的 先进的低功耗 由于 电路延时功耗积较小， 此获得了广泛的应用。 下面为 各类 电路类型 00多个品种，大致可以分为以下几类： 门电路 译码器 /驱动器 触发器 计数器 移位寄存器 单稳、双稳电路和多谐振荡器 加法器、乘法器 奇偶校验器 码制转换器 线驱动器 /线接收器 多路开关 存储器 特性曲线电压传输特性 ： 11 瞬态特性 由于寄生电容和晶体管载流子的存储效应的存在，输入和输出波形如右图。存在四个时间常数 td,tf, 延迟时间 下降时间 储时间 上升时间 基本单元“与非门”常用电路形式 12 四管单元 五管单元 六管单元 主要封装形式，双列直插；扁平封装。 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程 传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。 232称 目前最常用的一种串行通讯接口。它是在 1970 年由美国电子工业协会（ 合贝尔系统、 调 制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（ 数据通讯设备（ 间 串行二进制数据交 换接口技术标准”该标准规定采用一个 25 个脚的 连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信 号的电平加以规定。 （ 1）接口的信号内容 实际上 5条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用 3条引线的信号内容见附表 1所示 （ 2）接口的电气特性 在 ：逻 辑“ 1”， 辑“ 0” +5 +15V 。噪声容限为 2V。即 要求接收器能识别低至 +30”，高到 信号 作为逻辑“ 1” 附表 1 13 （ 3） 接口的物理结构 5芯插头座 ,通常插头在 插座在 一些设备与 连接的 因为不使用对方的传送控制信号 ,只需三条接口线 ,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用 芯插头 座，传输线采用屏蔽双绞线。 （ 4）传输电缆长度 由 %的情况下，传输电缆长度应为 50 英尺，其实这个 4%的码元畸变 是很保守的，在 实际应用中，约有 99%的用户是按码元畸变 10范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过 50 英尺，美国 10%而得出附表 2 的实验结果。其中 1号电缆为屏蔽电缆，型号为 有三对双绞线，每对由 22# 成，其外覆 以屏蔽网。 2号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为 2# 附表 2为 司的实验结果。 附表 2 单片机的并行 I 通过网络标号 1、 2和 3分别与水位测试系统中的电极按键 2 和 一端相连。当水位 处 在不同状态时，由于按键 1 1、 2和 3电平的状态也不一致。这样就可以通过检测 的状态， 将其状态以短消息的形式由 信 模块发送出去，手机终端收到短信后就可以判断水位的状态。这样就完成了水位的远程检测功能。 实际使用过程中， 通过 口的电平状态，如 是高点平， 100A， 线网络模块相连，即 于工作电压不同，需要用到 转换后的电压适用于 线模块。 行接口使用线路少，成本低，特别适用于远程传输。其中 据终端设备） 据通信设备），发送串行数据； 据终端设备） 据通信设备），接受串行数据。 该标准规定采 用一个 25个脚的 连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。 但一些设备 与 连接的 因为不使用对方的传送控制信号 ,只需三条接口线 ,即 “ 发送数据 ” 、 “ 接收数据 ”和 “ 信号地 ” 。 14 按照图 3所示，把线路接好后，当水位满， 上 2 2过 2100 受 3 水位数据无线传输的软件实现 由于 它们之间的数据传输遵循串行数据的格式，其传输数据格式为 ： 1个起始位、 8个数据位和 1个停止位，且无校验 (即 5)。串口速率为固定的 9600 片机将采集到的水位信息即 1、 2和 3的置零状态通过串口传送给 就相应的按照某种固定的数据格式将水位信息发送 到终端上 。 没有其他任何握手和数据流控制线，只需按照 100输数据的，所以在使用它传输数据时要用到电话号码。数据包中用 6个 8位二进制字节表示电话号码，每个字节中的高 4位和低 4 位均用 样每个字节可表示两位电话号码， 所以 6个字节 总 共可表示 12 位电话号码。因为现行的电话号码均为 11位，而 6字节能表示 12 位十进制的 以在传输数据表示电话号码时要在电话号码的前面补 0以凑足 12位。假设电话号码是转换成 6字节 1H 35H 84H 00H 24H 62H。 3 1 数据包格式 无论是数据还是命 令都用下面的格式来表示： 制字节 信息 15 不管是命令还是数据，都有一个包头 着就是一个控制字节。本模块规定：当控制字节大于 147时，数据包为命令，否则就为数据。比如命令 控制字节，因 47，故参数为命令字节。模块就是靠数据包的第二个字节来识别发给它的信息是命令信息还是数据信息的。 如下图所示。 字节位置 第一字节 第二字节 第三字节 第九字节以后 字段名称 字头 控制码 地址 数据 发送数据时 送数据 140 发送用户数据的格式 根据数据包格式，发送用户数据格式如下： 制字节 =D 其中， 7括 字节长度一般是固定的，为 l+6=7字节。 目的地址，号码需要进行格式转换。 总长度不大于 140字节，因为短信息的数据 长度不能超过 140字节。 假设要发送 11H、 22H、 331H、 445H，共 6个字节数据，接收方的电话号码 (目的地址 )是 3 个字节 )， 01H 35H 84H 00H 24H 62H， 2H 33H 44H 55H,发送格式如下： 1H 35H 84H 00H 24H 62H 00H 11H 22H 33H 44H 55H 接收用户数据的格式 接收用户数据格式如下： 制字节 =D 与发送用户数据格式不同的是 是发送方的电话号码，即源地址。 假设收到上面发送来的 11H、 22H、 33H、 445H,共 6字节数据，发送方的电话号码 (源地址 )是 3 个字节 )， 1H 39H 20H 85H 57H 95H， 1H 223H 44H 55H,接收到的数据格式如下： 1H 39H 20H 85H 57H 95H 00H 11H 22H 33H 44H 55H 3 2 命令集 16 过对不同命令的操作来实现数据的正确收发过程，其命令集如表 1所列。 格式 方向 功能 块 模块已工作。上电初始化完成后即返回此代码 位机 询问模块是否工作。初始化完成后任何时候用此命令询问模块，只要模块工作正常，会立即返回 则不返回任何命令码 块 数据已经发送成功。由于网络原因原因，发送相同的数据所需要的时间也是不相同，所以发送数据时，要等到数 据发送的回应代码（ 再发送下一次数据 块 数据发送失败，需要重新发送 位机 询问模块的软件版本 块 回答软件版本。后跟八个字节的版本信息（ 块 模块忙 块 数据实际长度与长度字节不符。如果数据实际长度小于长度字节所给的数据长度，则模块会用此次数据的最后一个字节来弥补长度 ，继续发送数据。如果数据的实际长度大于长度字节所给的数据长 度，模块会将多出的字节丢掉，并返回表示模块忙的命令码（ 位机 系统复用 17 实际使用过程忠，首先 上电后模块内的单片机对 道单元进行初始化。初始化后的 道单元向网络进行登记并保持网络连接。 发送短信时：上位机将要发送的短信通过串口接口按 信格式送接口电平转换电路。接口电平转换电路将上位机不同电平的信号转换成 信号送模块内的单片机 片机 信发给 接收短信时 :单片机将短信以通过接口电平转换电路送给上位机。 水位满时，其格式无论是数据还是命令都是 到我手机上，因我的手机号码为即目的地址，号码需要进行格式转换为 12位十进制的 转换后的数据为 01H 35H 84H 00H 24H 62H。 当水位满， 部输入高电平 1 。则单片机输出 到 单片机 道单元 ,转换后的 为 2H 33H 44H 55H。 道单元将短信发给 手机上收到信息后，就以可以得知水位已满的信息。 4 系统应用 拓展 4 1 系统优点 该系统的种种特点完全可以扩展到其他的领域使用，如长江水位的防汛工作。如果用户想要了解长江的水位情况，只需要发送一个短信，就可以及时的了解水位状况，而不需要亲临现场。 相比其他远程水位检测系统，采用 节约成本 目前应用的水情自动测报系统一般都需要组建专门的通信网络，覆盖范围大的可能还要加多级中继，建设成本和建设周期相当大。而如果应用短消息业务来传输水情数据，只需要一个 据的传输和传输质量全由 以节约建设成本和建设周期。 短消息业务传输水情数据，由于电信部门的网络相对水情系统是透明的，所以水情系统的网络结构就变得简单，这样就便于自动测报网络投入使用后的维护和维修工作，节约维护和维修成本以及网络的运营成本。 通信费用低廉。虽然利用短消息业务来实现水情自动测报系统的数据传输需要通信费用的缺点，但相对来说，它的通信费用是相当低廉的。综合考虑整个工程的投入，那么用短消息业务实现数据传输的方式将能从工程的建设、维护、维修等各个方面节约下很多成本。 提高系统的稳定性、灵活性、可靠性 18 对于水情自动测报系统中的自动化通信设备来说，由于其所处的地理环境，防雷一直是一个十分头痛的问题，即使增加了许多防雷设备和器件，这些设备还是经常遭雷击。使用 以 防雷问题也就不会那么突出。 由于传输短消息的 信网络覆盖全国，这可以使得水情自动测报的范围也很大，遥测站的数目可任意扩充。对于一些覆盖地域比较广的水情自动测报系统来说，用短消息业务来传输水情数据就有更大的优势。 采用短消息传输后，通信信道的信噪比、误码率等通信的性能指标都可以由 络的性能指标和通信协议得到保证，可以免去很多数据传输过程中的数据校验、检错、纠错工作，数据通信的可靠性可以得到提高。 4 2 应用拓展 除了应用于固定遥测站的水文信息传输外，短消息业务作为移动通信网络的通信业务之 一，更能应用于迅测等流动水文遥测站的水文信息传输，而这一切的实现不需要增加任何通信设备。 目前几种通信方式的比较 我国目前水情自动测报系统的通信方式主要有短波通信、卫星通信和超短波通信。 短波通信的传播距离较远，受地形限制较少，但受电离层的影响，通信质量差和信道稳定性差，而且受气候的影响大，在实际应用中很少采用。 卫星通信的传输质量好，传输距离不受限制，覆盖面积大，受地形、气候的影响小，组网灵活，但卫星终端设备成本较高。另外，虽然系统采取按时收费，还依然有较高的使用成本，实际应用也不是很广泛。 超短波通 信的信号传输比较稳定，质量较好，又具有一定的绕射能力，是我国目前水情自动测报系统中应用最多、技术上也较成熟的通信方式，但传播距离较近，且受地形限制，在山地通信时需设置中继站。 统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、最完善、应用最广的一种系统。我国目前已经建成覆盖全国的 字蜂窝移动通信网，提供多种业务，主要包括：话音业务、短信业务、数据业务。比较这三种业务可知，短消息业务（ 适合于水情数据的传输。虽然短消息业务一次最多只能传输 140 个字符信息，但用于水情数据的传输已经完全可以满足要求。 种：点对点短消息和短消息小区广播业务。目前短消息小区广播业务还没有完全开放。点对点短消息业务能够使 络的用户可以接收或发送有限长度（不超过 140 个字节）的数字或文字信息，短消息的收发不影响通话。 19 不用拨号建立连接，直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由短消息服务中心再发送给最终的信宿。 并且，如果传送失败，被叫方没有回答确切消息，网络会保留所传消息，当发现被叫方能被叫通时消息能被重发，以确保被叫方准确接收。 不仅在水情自动测报系统中，在其它任何领域的网络通信中，采用简洁、高效、合理的通信方式一直是追逐的焦点。而利用现有的已建成的公共通信网络来快速、可靠的组建各种网络应用也是各个领域通信方式发展的方向，水情自动测报系统也不例外。这样可以省去组建专用网络的巨大投入，只需要接入网络的终端模块就可以了。 随着 得 应用于其它领域的通信需求，而这些模块都有易于开发的通讯接口和协议，这为短消息业务应用于水情测报系统的开发工作创造了很好的条件。对于水情自动测报系统来说， 基于 水情遥测自动测报系统由多个遥测站和一个中心站组成。水情遥测系统中分部在各处的遥测站通过 遥测站测的水位、雨量等数据传输到中心站，再由中心站进行相关的处理。 （） 遥测站 遥测站的组成框图如图 1 所示，主要由传感器（雨量计、水位计）、遥测数传仪、电源组成。由 数传仪控制采集雨量、水