河道水位监测系统设计

1、 城市河道水位远程监测系统设计 2013 年 5 月 20 日目 录1 引言12 系统方案设计43 系统硬件电路设计63.1 单片机最小系统63.2 超声波发射电路73.3 超声波接收电路83.4 数码管显示电路103.5 报警电路113.6 串行通信电路113.7 无线通信电路133.8 电源电路设计144 软件设计154.1 主程序模块154.2 数据采集处理模块164.3 显示程序模块164.4 通信程序模块174.5 PC机监测模块18I1 引言 随着社会的不断发展，社会生产力水平的不断提高，大量的农村剩余人口涌进城市，导致城市人口的急剧增长，许多城市的人口密度也不断攀升，这些对城市的

2、现代化建设提出了更严峻的要求，其中城市河道的治理与维护更显得尤为重要。一座城市，不仅作为一个地区的政治中心，更是作为经济、文化和科技中心，其单位土地的价值是非常高的。然而快速的城市化发展使得相应的城市基础设施建设跟不上来，尤其是城市河道的建设与治理。城市化的进程已经改变了城市附近区域的径流条件，当该地区遇到暴雨时，径流总量猛然增大，洪峰流量增加，很容易引起城市洪涝问题。而又因为许多城市发展过快，城市河道基础设施不完善，防洪基础十分薄弱，是城市河道水位急剧增高，导致河道水溢出，造成严重的城市洪涝问题，更甚会直接威胁到广大人民群众的生命财产安全。因此，对城市河道水位进行实时监测是十分重要的。近些年

3、来，对河道水位进行实时、准确的监测越来越受到广大人民群众的重视。然而要建立一个稳定的、可靠地、准确的城市河道水位远程监测系统，就必须要解决由人工监测向自动化监测的转变，使用新科技来进行设计。截至目前我国对河道水位的监测大部分区域仍旧处在人工定时测量的层次上，比如说使用电表、测钟、测绳等半自动测量工具。这些测量方法不仅会耗费许多人力和物力资源，而且很容易造成很大的人为误差。随着科学技术的不断发展，随着对社会劳动成本的不断增长，传统的测量方法在许多领域已经不能满足人们的要求，例如本课题所要求的对水位进行实时远程监测，传统的测量方法已经无法达到课题的要求。本课题所使用的超声波非接触式测量方法，就可以

4、很容易的去解决许多传统方法所达解决不了的问题。随着人们对单片机的研究与开发，使得基于单片机来完成的好多技术都得到了广泛的发展与完善，比如本课题所采用的超声波测距技术。再结合单片机上的各个优点，使得该技术较容易地得到非常广泛的实际应用。2 系统方案设计本课题所设计的河道水位监测系统分为两大部分：一是测量站部分，另外一个是上位机部分。这两个部分通过GSM无线通讯模块连接在一起。测量站部分以单片机作为该部分的核心，另外再对超声波传感模块、显示模块、报警模块与通信模块所构成的外围电路进行完善，以达到对城市河道水位的测量的目的。上位机部分使用PC机，测量站测量的的数据通过无线通信网络发送给监测站的GSM

5、模块，然后通过串行通信接口传输给PC机。使用PC机上的组态软件建立虚拟串口设备，对传送到PC机的数据进行接收，然后对数据进行处理分析后，将河道水位实时显示在屏幕上。该系统通过对城市河道水位进行实时监测，来进行对城市河道水位情况的记录与分析。城市河道水位远程监测系统主要由以下部分组成：超声波测量部分、声光报警部分、LED数据显示部分、单片机部分、GSM无线通信模块部分、串行接口部分、PC机部分。该系统部分硬件模块基本情况如下： （1） 单片机部分该系统的主控制器部分选用STC12C5A08S2单片机。该单片机是8051系列单片机中相对来说综合性能比较不错的一款单片机，它拥有非常高的处理速度，不仅

6、能够兼容8051指令系统，更重要的是其功耗比原来的51单片机要低很多，能够大幅度提高该系统的工作效率。 （2） 超声波测量模块本课题测量部分用超声波传感器对河道水位情况进行测量。水位的测量方式一般分为两大类：接触式与非接触式。该系统中使用的是非接触式测量的典范-超声波测量。超声波测量和其他测量方法相比，具有许多优点，比如精度高、适用性强、使用方便等优点。在使用超声波传感器对河道水位进行测量时，由单片机控制某个端口输出信号经发射电路发出超声波，这时由超声波接收电路接收反射回来的超声波信号，在对测量的数据进行计算处理，就可以很容易地得出河道水位实时数据。 （3） 通讯控制模块测量站和监测站之间使用

7、无线通讯模块来实现连接。测量站的无线通信模块将系统采集处理过的信息，通过GSM网络，以短信的方式发送到监测站的通信模块，监测站的通信模块经串行通信接口电路送给PC机，通信模块所传送的信息经过PC机的处理，可以对河道水位的具体情况进行实时显示，并对河道水位数据做好历史记录。 （4）数据显示模块测量点的河道水位数据可以通过显示模块来进行实时的显示。一般系 统的 显示 方案有 两种：一种是 LC D显示 屏，另一 种是L ED数 码管。该系统使用LED数码管显示，共 使 用四位 七 段数 码管。数码 管和LCD显 示屏相比，具有 更高的亮 度、能更清楚 显示数据的 特点。在该设计中四 位数码管以 共

8、阳极方式连 接，用74LS245来连接数码管与控制器之间的总线 接口。最终通过LE D数码管对 河道的水位情况进行实时显示。系统的总体结构图如图2.1。图2.1 系统总体结构框图3 系统硬件电路设计3.1 单片机最小系统第一台单片机于20 世纪70年 代被生产 出来，由存 储器、运 算器、 控 制器 和输 入输 出设备 组成。经 过这 么多年 的开 发与 完善 ，使它 具有了 体积 小、质量 轻、价 格便 宜、有利于 学习和 开发 的各 个优 点。发展 到现在国 内外单 片机的 应用 领域 已经变得十分广泛，其中包括水位测量领域。本课题所用到 的是 宏 晶 公司 生产的ST C系 列单片机。它

9、有很多优点，比如说， 加密性比 较强、很难解密 或者破解、超强抗干扰能力、超低功耗。这一系列的优点使得STC 系列单片机得到了广泛的应用。单片机最小系统一般包含三部分：单片 机部分、复位电 路和 晶振电 路。STC12C5A08S2单片机的最 小系统 如图3.1所示。图3.1 STC12C5A08S2单片机的最小系统 3.1.1 复位电路图3.2 复位电路要实现 单片机的复位，其 实是在其RE SET管 脚上保 持 一定时间的 高电 平，单片机检 测道 该电平的持 续时间 如果大于它要 求的 时间就 会自 动复 位。当 电路 接上电源瞬间，电容 相当于 短路，单片 机RESET管脚接收到高 电

10、平后 自动 复位。如 果想手动 复位，则只需按下 复位 键，单片机也可进行复位 。3.1.2 晶振电路图3.3 晶振电路晶振 电路又被称为时 钟 电 路，内部 时钟 方式和 外部 时钟 方式 是 单片机 的时 钟产生的 两种 方法。其中内部 时钟方式 是 利用单 片机 芯片 内的振 荡器，在XT AL1和XTAL2两端 跨接晶 体或者陶 瓷谐振 器，这样 就可以构 成比 较稳定的 自激 振荡 器，它可 以 直接 把脉冲 送到内 部时 钟 电路。为了减 少寄生 电容，使振 荡器更加稳 定的工作， 这就要求 振荡器和 电容尽可 能的接近 芯 片，。3.2 超声波发射电路超声波发 射探头和超声波 振

11、荡器组成 了超声 波发射 电路，如图3.4所示。图3.4 超声波发射电路只有在 超声波振 荡器外接电路的两端 形 成 振荡，才能使超声波发射器 的 发 射探头发射超声波。要 实 现在单片机的端口 P1.0能输出40kHz的方波 信号，就必须通过单 片机的T0定 时器才可以，通过双路反相器的 处理，可在超声波振荡器的外 接 电路两端形成所需要的振荡 ， 于 是发射 探头就可以发射超 声 波。3.3 超声波接收电路 超声 波 接 收 电 路将接收到的换能器输出的 微弱信号，进行滤波、放 大、检波、整形，经 过 一 系列处理之后可以 得到幅值比较大的电信号。接收 电路的选择有 两种：第一种 是使用传

12、统的滤波、放大、 检波、整形电路，第二种是 使用新型的专用集成 电 路。该系统使用第二 种，其和第一种相比较，具有 简单方便明了的特 点。本课题用的C X20106A芯片是SO NY公 司生产的红外遥控接 收芯片 。 3.3.1 CX20106A芯片（1） CX20106A芯片引脚图如图3.5所示。图3.5 CX20106A引脚图（2）引脚说明如表3.1所示。 表3.1 CX20106A引脚说明3.3.2 超声波接收电路 接收电路如图3.6所示。 图3.6 CX20106A超声波接收电路 此电路 图是利用红 外 遥控接收芯片CX201 06A来接收处理超 声波的 典 型电路。如图3. 6所示，

13、超 声波接收传感器把 接收到的超声波转 化 为微弱的电信 号，然后CX201 06A芯片对 其信号进行 放大、整形后，可以 通过CX20106A芯片 的7号引脚输出 负 脉冲信 号到单片机的中断口P 3.2，使单片机产 生中断。3.4 数码管显示电路数码管一般分为 共阴 极数码管和共阳 极 数码管 。在该系统中 L ED显示部分使用的 是 共阳极数码管 ，其的编码如 表 3.2所示。表3.2 共阳极数码管编码显示值01234567编码 0xc0 0xf9 0xa4 0xb0 0x99 0x92 0x82 0xf8显示值89abcdef编码 0x80 0x90 0x88 0x83 0xc6 0x

14、a1 0x86 0x8e动态显示实时 的水位是本系统 的一个要求，所以在LED 显示电路 中，需要将数码管a，b，c，d，e，f，g，dp端连接在一起再与单片机的P0口相连。四个公共端作为 数码管的选通 信号，分别 通过单片 机端口P 2.0P2.3来 控制。显 示电路如 图3.7所示。 图3.7 数码管显示电路如图3.7所示，由三 极管Q1Q4 来控制的数码 管的四个 公共端 ，因为 所用的数码 管为共阳极 数码管，所以是 低电平驱动， 也就是说 当三极 管的基极 为 低电平时三极管 就会导通，这样与 之相对应 的数 码管就会与电 源V CC连通 ，就可 以通过段码 来显 示相应的数 字。R

15、15是8个限流 电阻，与单 片机相连的74LS245可 以用来直 接驱动数 码 管。3.5 报警电路报警 电路结构十 分简单， 本系统所使用的 是比较普通 的电路， 电路中所 选用的9012型号 的PNP三极管 ，其作用就是为了确保 单 片机低电 平就可以驱 动，一个 阻值为510K的 电阻与发光 二极管LE D相串联，其 目的是为了 保护L ED，在其发光时 使通过它 的电流 不会 高于10mA。当超声 波传感 器测得距 离低于1 0cm的 信号送给单 片机时，端 口P2.7输出 低电平， 三极管导通， 会使 发光二极管LED导通发光，同时 导致SPEAKER发出报 警声。报警 电路如 图3

16、.8所示。图3.8 报警电路3.6 串行通信电路 RS-23 2串行通信接 口在本系统中用 于单片机 与PC机 之间的通信 接口。 单 片机输出的是TTL 电平，要想使 单片机与PC机之间能 够进行通信 ，必须 使用RS-232串行 接口电路 进行电平转 换。本系统所 采用 的电平转 换芯 片是最常 用的MAX2 32。MAX232的引脚图如 图3.9所示，DB-9 连接器引 脚如图 3.10所示。 图3.9 MAX232引脚图 图3.10 DB-9类型的连接器DB-9连 接器管脚说明如表 3.3所示。表3.3 DB-9连接器管脚说明 RS-232接口电 路如图3.11所 示。 图3.11 R

17、S-232的接口电路3.7 无线通信电路本系统的无 线远程通信功能是 通过用TC35i模 块来实现的，当单 片机接收到传感器的 模拟信号并将其 转换成数字信号后送给TC35i模块，然后由 现场测 量站的TC35i模块将这个 信息通过GSM 网络发送 给控制中心的 TC35i，然后再通 知控制 中心的PC机进行 读取。这就要求 TC35i模 块要具 有很 高的稳定 性和 兼容 性，能 够及时将信息发送给控 制中心并 接收 控制中心发 过来的信息。3.7.1 测量站的无线通信电路 单片机 将接收到的 传感器 模拟信号转换成 数字 信号，通过连接 在单片 机上的TC35i模 块来实现和 PC机的通信

18、 。TC35i模块 与单片 机的连接图如 图3.12所 示。图3.12 TC35i模块与单片机连接图3.7.2 监测站的无线通信电路 单片机上的 无线通 信模块TC35i把转换过 的传感器测量信号通 过GSM网络传输给 PC机连接的的TC35i模块，然后通过 MAX232串行通信接 口传 输给PC机，经PC及对数 据进行处理，利用组态王软件实 时显示河道的 水位情况。PC机与TC35i模 块的连接如图 3.13所示。图3.13 TC35i模块与PC机连接图3.8 电源电路设计电源电路如图3.14所示。 图3.14 电源电路 本系统中除了TC 35i模块是使用+3.3V电源外，其余部分的模块都使

19、用的是+5V电源，图3.14中 使 用的 分别是是7 805和LM1117-3.3稳压管 ，用来输出 稳定的+5 V电压和3.3V电压。4 软件设计4.1 主程序模块 将系统电路 通上电，同时单片 机自动复位。同时开 始初始化单片机 的系统，硬件 连接部分可以 看出P0口与P2.3 P2.6控制系 统的LE D显示模块，将其 设置为 输出口，LED显示初始化。 然后初始 化第二串口所连 接的TC35i芯片， 开定时器 中断同时发射超声波， 等到接收到超声波 返回信号后响应 外部中断，然后将 计算过的测量 结果用LED显示出来，并将数据 用无线通信模 块发送给 PC机。图4.1 主 程序流程4.2 数据采集处理模块 超声波传 感器所发射的的 超声波信号 在返回之后开始外 部中断处理，系统 通过对两个外