论文潮汐控制与水位采集系统.doc

长春工业大学学士学位论文毕业设计（潮汐控制与水位采集系统） 长春工业大学教务处2005年5月摘要本文是为了实现对大坝水位进行多点水位采集，然后通过远距离传输，并且有数据显示和越限报警功能，单片机作为下位机，负责大坝现场各水位点的选通和采集，作为上位机的PC机，则负责大坝水位的集中显示和管理记录，而PC机与单片机之间的通讯方式主要采用RS-485总线技术。本文阐述了通过超声波液位传感器等对大坝水位进行自动监测系统，主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分主要是传感器主要是超声波传感器，数据采集部分采用多路开关方式进行，利用超声波传感器进行模拟数据采集，为了满足生产中多通道的要求，设计了8个模拟数据采集通道。传感器将非电量信号变为电信号，经放大器放大后送入8位串行模数转换器TLC0838，数据处理部分采用AT89S52单片机为核心控制器件，当AT89S52单片机接到控制软件发出的通道采集指令，采集的信号通过串行接口送入单片机，由显示芯片HD7279八驱动LED数码管进行现场显示，再通过RS-485通信总线上传至上位机，由上位机进行显示。软件部分主要采用汇编语言编程进行了数据采集处理、数据显示、报警等程序的设计。针对电磁干扰对系统的干扰，本文提出了去藕电容的配置等三点抗干扰措施，以增加系统的稳定性。关键词：超声波传感器；AT89S52单片机；数据采集通信；上位机Design of Automatic Monitoring System of the Water Level in Hydrological StationAbstractThe paper mainly describes the method of the ultrasonic liquid level through the dam of water level sensors for automatic monitoring system, which is consist of the hardware part and software part. In this paper, uses the host who and the monolithic integrated circuit is composed by PC machine from the type many machine networking system, the monolithic integrated circuit took the lower position machine, is responsible for the dam scene various gauging stations the selection and gathering, in the achievement position machine PC machine, then is responsible for the dam water level the centralism demonstrate and manage the record, but PC machine and between the monolithic integrated circuit communication way mainly use the RS-485 main line technology. Here uses the sensor mainly is the ultrasonic sensor, the data-acquisition works in frame of multi-channel switch. Carries on analog data gathering using the ultrasonic sensor, It designs eight analog-data acquisition system .The sensor changes the non-electronic signals into electronic signals and sends them to eight TLC0838 tandem modu1us transfers after being amplified. Data-acquisition takes AT89S52 single chip microcomputer as the key controller element, when the AT89S52 receives the channel acquisition order from the controlling software, the collected signals will be sent to the single chip microcomputer through tandem interface, and will be shown alive as the showing chips HD7279A drives the LED, and sent to the PC through RS-485 the main communication wire, also it will be shown.It designs much program like data-acquisition treatment, data-display and data-communication Etc, using complied languages. As to the interference from the electromagnetism to the system, the thesis proposes three measures to resist the interference like capacitance dispose, to steady the system.Key word: Ultrasonic sensor; Single Chip Microcomputer of AT89S52; Data-acquisition and communication System; PC目 录一绪论 11.1 设计背景 11.2 潮汐能的应用及发展前景11.2.1 潮汐能的应用及意义11.2.2 潮汐能的开发利用与发电原理1二总体设计案 32.1 水位调节方法的确定 32.2 控制过程的描述 52.3 整体硬件框图 7三 水位控制系统的硬件设计 83.1上位机 103.1.1上位机简介13.1.2 数据采集系统13.1.2.1 数据采集系统的基本3.1.2.2 采集方式13.1.2.3 数据采集系统的硬件组成 3.2串行通讯电路设计13 3.2.1通信总线的选择13.2.2串行通信电路设计13.3 下位机 103.3.1输出通道电路设计13.3.1.1 DAC083213.3.1.2 138译码器13.3.2双闭环直流电机调速系统13.3.2.1双闭环直流电机调速统13.3.2.2双闭环直流调速系统的组成13.3.2.3 基闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性13.3.2.4双闭环直流调速系统的数型13.3.2.5 双闭环直流调速系统两个调节器的作用163.3.3.6单片机最小统103.3.3输入通道电路设计13.3.3.1水位传感器的选择 33.3.3.1.1水位传感器简介 203.3.3.1.2水位采集系统 213.3.3.1.3水位采集系统的组成 253.3.3.1.4传感器检测电路 253.3.3.2 超声波发射电路 263.3.3.3 超声波接收电路 263.3.4 A/D转换电路设计 263.3.5 报警电路设计 26四水位控制系统的软件设计264.1 主程序设计 264.2 PID算法的程序设计 274.3 子程序的设计 29结论 33致谢 34参考文献 35附录A 程序清单36附录B 电路原理图 37潮汐控制与水位采集系统一、 绪论1.1设计背景潮汐能是指海水潮涨和潮落形成的水的势能，其利用原理和水力发电相似。潮汐能是以势能形态出现的海洋能，是指海水潮涨和潮落形成的水的势能与动能。它包括潮汐和潮流两种运动方式所包含的能量，潮水在涨落中蕴藏着巨大能量，这种能量是永恒的、无污染的能量。因月球引力的变化引起潮汐现象，潮汐导致海水平面周期性地升降，因海水涨落及潮水流动所产生的能量成为潮汐能。潮汐能的能量与潮量和潮差成正比。或者说，与潮差的平方和水库的面积成正比。和水力发电相比，潮汐能的能量密度很低，相当于微水头发电的水平。人类的航海、捕捞和晒盐提供了方便，更值得指出的是，它还可以转变成电能，给人带来光明和动力。 图1 潮汐能潮汐能利用的主要方式是发电。潮汐发电的工作原理与常规水力发电的原理类似，它是利用潮水的涨、落产生的水位差所具有的势能来发电。差别在于海水与河水不同，蓄积的海水落差不大，但流量较大，并且呈间歇性，从而潮汐发电的水轮机的结构要适合低水头、大流量的特点。具体地说,就是在有条件的海湾或感潮河口建筑堤坝、闸门和厂房，将海湾(或河口)与外海隔开围成水库，并在闸坝内或发电站厂房内安装水轮发电机组。海洋潮位周期性的涨落过程曲线类似于正弦波。对水闸适当地进行启闭调节，使水库内水位的变化滞后于海面的变化，水库水位与外海潮位就会形成一定的高度差(即工作水头) ，从而驱动水轮发电机组发电。从能 图2 长江三峡水电站量的角度来看，就是将海水的势能和动能，通过水轮发电机组转化为电能的过 程。 水位采集系统在潮汐能发电过程中最重要的一个环节，也是本次设计的主要内容。1.2 潮汐能的应用及发展前景1.2.1 潮汐能的应用与意义海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮的过程中，汹涌而来的海水具有很大的动能，而随着海水水位的升高，就把海水的巨大动能转化为势能；在落潮的过程中，海水奔腾而去，水位逐渐降低，势能又转化为动能。世界上潮差的较大值约为1315m，但一般说来，平均潮差在3m以上就有实际应用价值。潮汐能是因地而异的，不同的地区常常有不同的潮汐系统，他们都是从深海潮波。获取能量，但具有各自独特的特征。尽管潮汐很复杂，但对于任何地方的潮汐都可以进行准确预报。潮汐能的利用方式主要是发电。潮汐发电是利用海湾、河 图3 潮汐能利用口等有利地形，建筑 水堤，形成水库，以便于大量蓄积海水，并在坝中或坝旁建造水利发电厂房，通过水轮发电机组进行发电。只有出现大潮，能量集主要方式是发电中时，并且在地理条件适于建造潮汐电站的地方，从潮汐中提取能量才有可能。虽然这样的场所并不是到处都有，但世界各国都已选定了相当数量的适宜开发潮汐电站的站址。发展像潮汐能这样的新能源，可以间接使大气中的二氧化碳含量的增加速度减慢。潮汐是一种世界性的海平面周期性变化的现象，由于受月亮和太阳这两个万有引力源的作用，海平面每昼夜有两次涨落。潮汐作为一种自然现象，为人类的航海、捕捞和晒盐提供了方便，更值得指出的是，它还可以转变成电能，给人带来光明和动力。1.2.2潮汐能的开发利用与发电原理 潮汐能是一种不消耗燃料、没有污染、不受洪水或枯水影响、用之不竭的再生能源。在海洋各种能源中，潮汐能的开发利用最为现实、最为简便。中国早在20世纪50年代就已开始利用潮汐能，在这一方面是世界上起步较早的国家。1956年建成的福建省浚边潮汐水轮泵站就是以潮汐作为动力来扬水灌田的。到1958年，潮汐电站便在全国遍地开花。据1958年10月份召开的“全国第一次潮力发电会议”统计，已建成的潮汐电站就有41座，在建的还有88座。装机容量有大到144千瓦的，也有小到仅为5千瓦的。主要都用于照明和带动小型农用设施。如1959年建成的浙江温岭县沙山潮汐动力站，1961年进一步建为电站，装机容量仅40千瓦，每年可发电10万千瓦时，原建和改建总投资仅4万元（人民币，下同）。据1986年统计，其发电累计收入已超过投资的10多倍。中国尚在运行的潮汐电站还有近10座，其中浙江乐清湾的江厦潮汐电站，造价与600千瓦以下的小水电站相当，第一台机组于1980年开始发电，1985年底全面建成，年发电量可达1070万千瓦时，每千瓦时电价只要0.067元。每年自身经济效益，包括发电67万元，水产养殖74万元和农垦收入190万元，共计可达330万元。社会效益，以每千瓦时电可创社会产值5万元计，可达5000万元。这是中国，也是亚洲最大的潮汐电站，仅次于法国朗斯潮汐电站和加拿大安纳波里斯潮汐电站，居世界第三位。潮汐能是潮差所具有的势能，开发利用的基本方式同建水电站差不多：先在海湾或河口筑堤设闸，涨潮时开闸引水入库，落潮时便放水驱动水轮机组发电，这就是所谓“单库单向发电”。这种类型的电站只能在落潮时发电，一天两次，每次最多5小时。为提高潮汐的利用率，尽量做到在涨潮和落潮时都能发电，人们便使用了巧妙的回路设施或双向水轮机组，以在涨潮进水和落潮出水时都能发电，这就是“单库双向发电”，像上述江厦潮汐电站就属这种类型。然而，这两种类型都不能在平潮（没有水位差）或停潮时水库中水放完的情况下发出电压比较平稳的电力。于是人们又想出了配置高低两个不同的水库来进行双向发电，这就是“双库双向发电”。这种方式不仅在涨落潮全过程中都可连续不断发电，还能使电力输出比较平稳。它特别适用于那些孤立海岛，使海岛可随时不间断地得到平稳的电力供应。像浙江省玉环县茅蜒岛上的海山潮汐电站就属这种类型。它有上下两个蓄潮水库，并配有小型抽水蓄能电站。这样，它每月可发电25天，产电10000千瓦时。为了抽水蓄能，它每月要以3千瓦时换1千瓦时的代价用去5000千瓦时电来获得供电的持续性和均衡性，故有一定的电力损失。从总体上看，现今潮能开发利用的技术难题已基本解决，国内外都有许多成功的实例，技术更新也很快。作为国外技术进步标志的法国朗斯潮汐发电站，1968年建成，装有24台具有能正反向发电的灯 图4 法国圣马洛湾郎斯河泡式发电机组，转轮直径为5.35米，单机容量1万千瓦，年发电量达5.4亿千瓦时。1984 年建成的加拿大安纳波利斯潮汐电站，装有1台容量为世界最大的2万千瓦单向水轮机组，转轮直径为7.6米，发电机转子设在水轮机叶片外缘，采用了新型的密封技术，冷却快，效率高，造价比法国灯泡式机组低15，维修也很方便。中国自行设计的潮汐电站中，江厦电站比较正规，技术也较成熟。 该电站原设计装6台单机容量为500千瓦的灯泡式机组，实际上只安装了5台，总容量就达到了3200千瓦。单机容量有500千瓦、600千瓦和700千瓦三种规格，转轮直径为2.5米。在海上建筑和机组防锈蚀、防止海洋生物附着等方面也以较先进的办法取得了良好效果。尤其是最后两台机组，达到了国外先进技术水平，具有双向发电、泄水和泵水蓄能多种功能，采用了技术含量较高的行星齿轮增速传动机构，这样既不用加大机组体积，又增大了发电功率，还降低了建筑的成本。潮汐发电利用的是潮差势能，世界上最高的潮差也不过10多米，在我国潮差高才达9米，因此不可能像水力发电那样利用几十米、百余米的水头发电，潮汐发电的水轮机组必须适应“低水头、大流量”的特点，水轮做得较大。但水轮做大了，配套设施的造价也会相应增大。于是，如何解决这个问题，就成为反映其技术水平高低的一种标志。1974年投产的广东甘竹滩洪潮电站就是一个成功的代表。它的特点是洪潮兼蓄，只要有0.3米高的落差就能发电，甘竹滩电站的总装机容量为5000千瓦，平均年发电1030万千瓦时。它的转轮直径为3米，加上大量采用水泥代用构件，成本较低，对民办小型潮汐电站很有借鉴意义。1.3 目的和意义水情水位测量一直是水文、水利部门的重要课题。为及时发现事故苗头，防患于未来，经济实用、可靠的水位无线监测系统将会发挥巨大的作用水位是水库大坝安全、水利排灌调度、蓄水、泄洪的重要参数之一。水位的自动化监测、传输和处理为水库现代化建设提供了良好的基础资料。在工农业生产的许多领域都需要对水位进行监控，可能现场无法靠近或现场无需人力来监控。我们就可以通过远程监控，坐在仪器前就能对现场进行监控，既方便又节省人力。为了保证水利发电站的安全生产,提高发电效率,水电站生产过程需要对水库水位、拦污栅压差和尾水位进行监测。但是,由于不同电站有着不同的实际情况,因此就有着不同的技术要求,而且水位参数的测量方法和测量位置不同，对监测设备的要求亦有所不同。这样往往造成监测系统设备专用化程度高,品种多,互换性差,不利于设备维护,亦增加了设备设计、生产、安装的复杂性。因此,在综合研究水电站水位监测的实际情况以及特点的基础上,利用现代电子技术,特别是单片机技术和不挥发存储器技术,设计开发一种通用性好,可靠性高,维护方便,可适用于多种监测环境的多模式水位自动监测系统具有重要的实际意义。第二章 方案论证2.1 水位调节方法的确定传感器是实现测量及控制的首要环节，一般传感器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必须采用A/D转换器把模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传输。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，可与数字设备直接连接。数字式传感器的这些特点，特别适合应用于水情遥测系统中。但限于成本控制本设计依然采用模拟传感器。水位监测系统在我国的应用已相当普及。大型国家水坝常采用由PC机和单片机组成的主从式的多机联网系统，单片机作为下位机，负责大坝现场各水位点的选通和采集，作为上位机的PC机，则负责大坝水位的集中显示和管理记录，PC机作为通用机，在用于专项的应用上时，难免会在很多方面存在问题，比如体积大，功耗大，运行不稳定、很难做到不间断运行等。而PC机与单片机之间的通讯方式主要采用RS485总线技术和现场总线技术两种。RS-485是使用较为广泛的双向有补偿传输线标准，其最大每段总线长度为1200米，每段最多支持32个节点，采用单组双绞线双向主从通信。当总线加长或节点增多时需要使用中继器连接，全网络支持最多256个节点。RS-485通信技术应用时间较长，软硬件实现较为容易，因此是国内粮情测控系统采用较多的通信方式。而本文多路水位监测系统特点：1) 能够灵活适应测量库水位、拦污栅压差、尾水位等变化缓慢或剧烈的水位的需要。2) 系统工作体制采用轮询方式，实时性好。3) 采用无线/有线双通道传输方式，提高了传输的可靠性。4) 水位采集站工作模式可灵活编程设定，以适应不同的监测环境。5) 监测分中心提供微波接口和RS-485接口，为上级监控中心提供监测数据。2.2 控制过程的描述 本次所设计的水位自动监测系统主要包括以下几个内容： 一、多点水位数据采集：具有自动检测水位等功能，可根据需要进行定时检测、选点检测和巡回检测； 二、水位数据传输：采集的数据进行远程传输，需要解决远程传输数据不稳定和有干扰等影响； 三、水位数据分析：通过单片机进行数据分析，然后将数据传输到LED和报警器，进行数据显示或报警； 四、水位数据显示：根据传回的数据通过LED显示； 五、水位预警：根据水位实测值与人工设定的超限制或相关数据模型进行对比分析，若实测值超过设定的范围，则语音报警。水位自动监测系统采用液体压力探头采集水位原始资料，在单片机上进行模数转化资料处理，通过专线把资料传输到工作站；同时也可以在远程工作站通过电话拨号调用资料；在工作站的计算机上进行资料加工、存取、分析等处理。远离水库的指挥中心通过该系统可获得当前时刻的水位、水库库容、淹没面积、当天最高水位、最低水位、日水位升降、平均水位等一系列数据，为水库的防洪、水库水资源调度、蓄水灌溉提供科学的数据。该系统由数据采集、数据传输、数据分析、数据显示和水位预警等部分组成。2.3 整体硬件框图 硬件部分分为数据采集和数据处理两部分。整体硬件框图如图2.3所示。数据采集部分采用多路开关方式进行，设计有8个模拟数据采集通道，满足了生产中多通道的要求。可以对常见的模拟信号量，如水位、压力、流量、速度、频率等进行采集。每一种信号量都可以使用不同的传感器。扩大了数据采集系统的应用范围，具有较强的通用性。它常用于采集多路变化缓慢的信号，如水位变化、应变信号等。用这种方式采集多通道信号时，不能同时采集同一时刻的各种参数。LED显示单 片 机A/D转换超声波传感器电路报警电路双闭环调直流电机速系统上 位 机生潮设备D/A通信芯片图2.3 整体硬件框图文所设计的硬件框图，主要是超声波传感器采集电路，采集到水位数据后经过信号放大和采样保持后再由TLC0838进行A/D转换，然后输入到AT89S52单片机中。单片机再将反馈的信息通过处理，再由D/A转换，经过直流电机换调速系统来控制生潮设备，以利用潮汐能。其中AT89S52单片机是整个系统的核心，单片机通过处理后再进行LED显示和越限报警，并将数据传送至上位机进行人工操作。第三章 硬件设计本文的设计是基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件。单片机具有体积小、功耗小、成本低、可靠性高、灵活方便、价格廉以及控制功能强等特点而得到广泛的应用。利用单片机的硬件、软件资源，实现信号采集的智能化控制和管理。2.1.1基本组成基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件；结合外围电路所构成。基本组成如图2.1所示。上位机单片机输入通道输出通道图2.1 系统的组成系统硬件主要包括上位机、单片机、输入输出接口电路等。由单片机做为控制单元的数据采集系统的工作过程可分为以下几个步骤：传感器将感应信息通过输入通道将被测量的信号转换为能够被单片机所识别的信号并输入给传给单片机系统，单片机将信息进行分析，并由上位机和单片机的相互作用和协调来调节，单片机执行以测试为的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的决策与判断，最后达到预期的输出效果。3.1上位机上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。简言之如此，实际情况千差万别，但万变不离其宗：上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。两机如何通讯，一般取决于下位机。TCP/IP一般是支持的。但是下位机一般具有更可靠的独有通讯协议，购买下位机时，会带一大堆手册光盘，告诉你如何使用特有协议通讯，里面会举大量例子，一般对编程人员而言一看也就那么回事，使用一些新的API罢了。多语言支持功能模块，一般同时支持数种高级语言为上位机编程。 通常上位机和下位机通讯可以采用不同的通讯协议， 可以有RS232的串口通讯，或者采用RS485串行通讯，当用计算机和PLC通讯的时候不但可以采用传统的D形式的串行通讯，还可以采用更适合工业控制的双线的PROFIBUS-DP通讯，采用封装好的程序开发工具就可以实现PLC和上位机的通讯。当然可以自己编写驱动类的接口协议控制上位机和下位机的通讯。本次设计所采用的上位机的具体信息如下：电脑型号 戴尔XPS M1330笔记本电脑操作系统 Windows Vista家庭普通版32位SP2处理器 英特尔酷睿2双核T5800 2.00GHz笔记本处理器主板 戴尔0U8042（英特尔PM965/GN965/GL960/GS965-ICH8M笔记本芯片组）内存 2GB（三星DDR2 800MHz）主硬盘 西数WDC WD2500BETV-75ZCT2（250GB）显卡 NVIDIA GeTorce 8400M GS（128MB/戴尔）显示器 友达AUO1424（13.4英寸）光驱 松下DVD+-RW UJ-867S DVD刻录机声卡 砂玛特Sigmatel英特尔82801H（ICH8）高保真音频网卡 博通BCM5906M NetLink Fast Etherent/戴尔3.2单片机3.2.1单片机最小系统单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机图3.7 AT89S52最小系统可以工作的系统。对单片机来说,单片机+晶振电路+复位电路,便组成了一个最小系统。下面介绍AT89S52的最小系统，如图3.7所示。3.2.2 AT89S52简介AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。图 AT89S52芯片引脚介绍 如图 所示，为AT89S52的管脚图； P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于AT89S52，如果EA 接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。1) AT89S52的主要性能2) 与MCS-51单片机产品兼容3) 8K字节在系统可编程Flash存储器4) 1000次擦写周期5) 全静态操作：0Hz33Hz6) 三级加密程序存储器7) 32个可编程I/O口线8) 三个16位定时器/计数器9) 八个中断源10) 全双工UART串行通道11) 1低功耗空闲和掉电模式12) 掉电后中断可唤醒 13) 看门狗定时器 14）双数据指针 15）掉电标 图3.8 AT89S52引脚图3.3 输入通道一个具体的采集系统的构成，根据所测信号的特性而定。力求做到既能满足系统的性能要求又能在性能价格比上达到最优。根据这个要求，这种方式轮流循环采样的转换速度较慢，但是节省硬件。结构框图如图2.2所示。数据处理部分采用AT89S52做为核心控制器件。模数转换器采用8位串行模数转换器TLC0838，该芯片占用单片机的引脚资源少，仅占有单片机5个引脚即可完成8个通道的数据采集，简化了电路设计，降低了成本。传感器（S）传感器（S）传感器（S）模 拟 多 路 开 关采样保持（SH）ADIO下位机图2.2 多路开关方框图3.3.1串行通讯电路设计 一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。 根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。信息只能单向传送为单工；信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；信息能够同时双向传送则称为全双工。 串行通讯又分为异步通讯和同步通讯两种方式。在单片机中，主要使用异步通讯方式。本文要求AT89S52单片机在数据采集完成后能够将采集到的数据交给上位机，由上位机进行数据的后续处理。为适应上位机处理的需要，数据采集系统应有与上位机通信的接口。单片机的通信接口分为并行接口和串行接口，在现代单片机系统中，由于串行通讯方式具有占用资源很少、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。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，常常用一两个端口就可以完成传输任务，所以使用越来越广泛。RS-232C 接口(又称EIARS-232C)的全名是数据终端设备(DET)和数据通讯设备(DCE)之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DB25连接器。3.3.2 通信总线的选择由于RS-232C接口标准出现较早，难免有不尽之处，主要有以下四个缺点： 1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与竹L电路连接。 2）传输速率较低，通讯波特率的范围为0-20KbPs。 3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 4）传输距离有限，最大传输距离标准值为15.24m，实际上也只能用在15m以内。针对RS-232C的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-458就是其中之一。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采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能为二加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至20解的电压，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。基于比辣砚本系统采用RS-485标准进行通信。根据规定，标准RS-485接口的输入阻抗为12k，相应的标准驱动节点数为32。数据在RS-458总线上传输，为了保证传输质量和传输距离，通常需要进行总线电平转换。AT89C52的输出高低电平是5V和0V，为了满足RS-485的电平要求，需要外接接口芯片，进行电平之间的转换。接口芯片使用原理如图3.11所示。TXDAT89S52RXDRS-485接口芯片上 位 机串行输出TTL电平串行输入TTL电平RS-485RS-485图3.11 RS-485接口芯片使用原理RS-485接口传输是所谓的平衡式传输，它是指其发送是两线式的，而且这两条在线的信号是互为反相的，接收端就以这两端的电压差来反应接收到的信号，这是根据电路测量学上的差动测量原理。平衡式传输最大的优点是抵抗噪声，通常的噪声包括火花，震荡以及电磁干扰等等，若它们是从传输线进入，由于RS-485采用平衡方式的接线方法，利用差动测量的原理，这些干扰可在接收端相互抵消，因此RS-485的抗干扰能力较RS-232C高出许多。平衡式传输的另一优点是，对于每个RS-485节点的对地电压差有相当的免疫性，因为如果每个节点都相距甚远时，传输线对地的电压都有所变化，但是差动电路仅对输入线的电压差反应，所以每个节点的对地电压不同时，RS-485仍能正常传输。通常在RS-485传输线两端所加的终端电阻是高频信号的“消波块”，它在终点处吸收信号，以免有反射信号再度灌回传输线。传输线是有阻抗的，而且理论上这个阻抗值与传输线的长度无关，所以不论联机的距离如何，只要我们选择的终端电阻值刚好等于该传输线的阻抗值时，就可以有效地吸收发送端的信号。3.3.4水位传感器的选择目前主要测水位的液位传感器有浮子式水位传感器、水位跟踪式传感器、超声波水位传感器、雷达激光水位传感器,压力式水位传感器等。下面是一些主要水位传感器的简单介绍。3.3.4.1水位传感器简介（1）浮子式水位传感器其主要产品有上海精浦机电有限公司的GEMPLE GPH500，正天科技的FYC-3型浮子式水位传感器等。1)工作原理：它利用液体浮力测液位的原理，靠浮子随水面升降的位移反映水位变化。漂浮通过绳索经滑轮与编码器相连，编码器的数字输出即为水位高度。为防止错码的出现，其编码器的编码为格雷码。机械浮子式和光电浮子式都是来用机械齿轮减速产生进位和退位的办法来形成编码。其工作示意图如图3.1所示。图3.1 浮子式水位计工作示意图2）特点：稳定，可靠，优点：成熟、运用最广泛，价格相对较低。3）缺点：机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散。（2）压力式水位传感器其主要产品有重庆华正的WYZ-1型压力水位计，武汉华凯的JWRWX-3压力水位计。1）原理：根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，运用压敏元件作传感器的水位汁。当传感器固定在水下某一测点时，该测点以上水柱压力高度加上该点高程，即可间接地测出水位。压力式水位计是一种通过压力传感器及其有关的引压信号传输数据处理等装置来测定水位的仪器可有数字显示编码输出及自动记录的功能它可分为引压式和直接式两种记录特征可分为模拟过程线数字显示分时段记时打印磁带记录固态存贮微机处理等形式。2）优点：测量精度高，价格相对低廉，安装简便，不需要建造水位井。3）缺点：对泥沙含量大的水流，测量精度会受到影响，工作不稳定，压阻式有时飘、温飘，要定时率定。（3）气泡式水位传感器原理：将一根上端装有压力传感器和气源的管子插入水中，以恒定流向管子里通入少量空气或惰性气体，压力传感器即可测出管内气体压力，此值与管子末端以上水头成正比，通过记录系统转换成水位。优点：该仪器的压力传感器不直接与水体接触，可不建测井，特别适用水体污染严重和腐蚀性强的工业废水等场合。国外 应用气泡式水位计较普遍。缺点：在一些水位变幅较大较快而且含沙量较大的山区河流误差偏大，针对这种情况，我生产厂家要采取必要的措施，如加装防浪头。（4）超声波水位传感器超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器，是在SCA6-1型声学水位计基础上的改进设计。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。超声波传感器原理图测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485数据输出。应用于沿海水文台站的常规长短期潮位观测，江河湖泊的水位连续自动测量，以及港工水文调查、港口调度、船舶航行等部门的水位测量。目前智能水位传感器由声学传感器、温度传感器、声管、测量电路、信号传输电缆组成。其水位测量原理如图3.2所示。3.3.4.2水位采集系统 （1）水位测量工作原理 水位测量原理如图所示，由收发共用声学探头发射一声脉冲，经声管传声L声程遇水界面产生反射，反射波（下称回波），又经L声程由同一声学探头接收，只要测得声波（由发射至接收到回波）在空气中的传播时间t及现场声速c，就可测算出声学探头发射面至水面的距离，即 （3-1）在设计上采用自校准技术对声速进行补偿，即在连接声学探头的第一节声管（称此声管为校准管）的已知距离L0处开有一校准用小圆孔。声学探头发射的声脉冲首先遇小孔这一界面产生反射回波，这一回波传播的声程2L0为已知，传播时间T0可测出，传播声速若为C0则有： （3-2）取校准孔回波与水面回波传播声程的比值则有： （3-3）由式（1）可知声程L是传播声速C、C0，传播时间t、T0和校准孔距L0的函数。如果在声管中传播声速由发射面至水面间变化很小，这样（1）式就可简化为： （3-4）发射声脉冲后，测得T0、t即可测算出声程L。由图2知，探头安装基准面至水位零点高度为S（S可以当地水准点或水尺为参考，安装时测量确定）则水位值H为： （3-5）式中：H为水位值S为探头发射面至水位零点距离L为探头发射面至水面间距离3.3.4.3水位采集系统的组成水位测量是应用空气声学回声测距原理，将声学探头安装在自流道进口和出口处，通过电缆将信号传至水位采集系统，采集并输出进口和出口处的水位值。水位采集系统由声学探头，声路总成、外保护管总成、水位采集主机系统、显示及电源组成、水位采集系统通过RS-485接口与流量数据处理系统相连。在智能声学水位传感器工作中，用户可以根据实际需要选择安装不同个数的温度传感器。为了便于互换和维护，每个DS1820有独自的单线接口与微处理器连接通讯。智能声学水位传感器可以挂接18个温度传感器。当传感器测量至水面距离时，如果是声程范围内温度均匀或对精度要求较低时，可以不使用温度传感器，通过自校准技术直接测量水位，因为校准管距离L0为已知，测得T0、t之后，根据公式（3）即可算出声程L，再由公式（4）得出水位。如果声程范围内温度不均匀，就会产生测量误差，上述方法将不能满足精度要求。所以，为了提高水位测量的准确度，采集水位（声程）的同时，还要采集声程数点的温度值，在数据处理时可以对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。具体计算步骤如下：声程内平均温度： (3-6) 式中：ai:声程内第i个温度因子（与现场安装位置等有关；用户可以根据实际比测作出修正）Ti:声程内第i个温度传感器温度值。n:声程内温度传感器个数。将平均温度代入公式（5），算出平均声速C0、c,根据公式（2）即可算出声程L，再由公式（4）得出水位温度对测量精度的影响及修正空气中，不考虑湿度和气压的影响，则声速c为：C=331.4+0.607T(m/s) (3-7)式中：T为温度（）。温度变化1，将影响声速变化约0.18，如果声管中传播声速由发射面至水面间变化较大。为了在不均匀的声场进行准确测量，采集水位的同时，还要采集声程数点的温度值，修正声速，对水位测量值进行温度补偿，