基于单片机的水情监测系统docWord格式.docx
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研究生签名：
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研究生签名：
碑文咿年7月『7日
工程硕士论文基于单片机的水情监测系统设计
摘要
我国地处季风气候区，暴雨洪水频发。
受季风气候影响，我国大部分地区夏季湿
热多雨、雨热同期，不仅短历时、高强度的局地暴雨频繁发生，而且长历时、大范围
的全流域降雨也时有发生，几乎每年都会发生不同程度的洪涝灾害。
因此，完善的水
情监测有助于中心站实时监测各地水情，并对各种突发状况做出及时、合理的措施来
防止灾害的发生和降低灾害所造成的破坏。
本次设计以AT89C51芯片为核心，辅以相关的外围电路，设计了以单片机为核
心的水情监测系统。
系统由12V直流电源供电。
在硬件方面，除了单片机外，采用
to
SDI．12总线来连接多个传感器，通过TDC40SDI．12RS232转换器将传感器采
集到的水情数据发送到单片机PO口，单片机通过FLASH存储实时数据，亦可通过
PSTN、GSM、北斗卫星、海事卫星等通信信道将采集到的水情数据传输到中心站。
在软件方面，采用C语言编程。
通过对单片机程序设计实现对水情监测系统的整个
水情数据的采集、存储和传输程序进行监测、判断和控制以及人机交换。
论文的结尾对本次设计做一个整体总结和展望，以期能对基于SDI．12总线的信
号采集、存储和传输的相关应用提供一个有益的参考。
关键词：
单片机、SDI．12、数据采集、水情监测
Abstract工程硕士论文
Abstract
rainandflood
Chinaislocatedinthemonsoonclimatezoneandtorrentialoften
ourisandmorein
thismonsoonofhotwetrain
climate，most
byregion
happens．Affected
forshortlocalrainstormoftenalso
summer．Notduration,highstrength
onlyhappens，but
oftendisaster
rainin而deoftheduration
rangevalley诵tl】：
long
inofournation谢nldegrees．Therefore，Perfect
happenslargerangevaryinghydrological
canreal―timeinallthecentral
monitoringhelpmonitoringhydrologicalregions、^唁th
stationandMakeandreasonablemeasuresforaofsituationsto
timelyvarietyunexpected
andthecauseddisasters．
disastersreduce
preventdamageby
TheusetheAT89C51asthewitllthe
core，combinednecessary
designchipperipheral
thewith51MCUasacore．Itconsists
circuits．Wehydrologicalmonitoringsystem
design
12VthehardwareadditiontousesSDI一12busto
ofDCside，inMCU，It
powersupply．On
connectsensors．Collected2toRS232thewaterlevel
multiplebyTDC40SDI一1converteO
sensordataissenttotheMCUPO．TheMCUuseFLASHtostorereal-timedata
ports
thecollectedwaterleveldatatothecentralstation
transportthrough
assatelliteandSOon．Onthe
the
channel，suchPSTN，GSM，COMPASSsatellite，maritime
softwareuseCforonthe
side，weMCU，we
languageprogramming．Byprogramming
realizefortheentiredata
hydrologicalmonitoringsystemhydrological
andfordetermineandcontrolandhuman
transportproceduresmonitoring，toexchange．
anabouttheandforwardnew
Attheentire
end，thepapergivessummarydesignputs
andviewstoabeneficialreferencetotheusedto
prospectsprovideapplicationsignal
basedonSDI．12businthefuture．
andtransmission
acquisition,storage
words：
MCU、SDI一12、datalevel
Keyacquisition、watermonitoring
Ⅱ
基于单片机的水情监测系统设计
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．II
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．III
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
…………………………………………………．1
1．2国内外研究现状…………………………………………………………………．1
1．3本课题的主要内容………………………………………………………………2
1．3．1研究内容…………………………………………………………………。
2
1．3．2内容安排…………………………………………………………………．．2
2系统设计指标与总体方案……………………………………………………………．4
2．1系统设计指标……………………………………………………………………4
2．1．1技术指标…………………………………………………………………．4
2．1．2基本功能…………………………………………………………………．4
2．2总体方案…………………………………………………………………………5
2．2．1雨量遥测站设计方案……………………………………………………．5
2．2．2水库监测站设计方案……………………………………………………．．6
2．2．3水文遥测站设计方案……………………………………………………．7
2．3本章小结…………………………………………………………………………8
3基于单片机的水情监测技术…………………………………………………………9
3．1单片机原理及接口技术……………………………………………………………9
3．1．1单片机的选择……………………………………………………………一9
3．1．2AT89C51内部结构………………………………………………………一9
3．1．3
AT89C51引脚及功能……………………………………………………．10
3．1．4时钟振荡电路设计………………………………………………………12
3．1．5开关式复位电路设计……………………………………………………12
3．1．6电源电路电路设计………………………………………………………12
3．2SDI．12总线……………………………………………………………………………………………．13
3．2．1SDI．12电气接口…………………………………………………………14
3．2．2
SDI．12通讯协议…………………………………一……………………．14
3．2．3
SDI．12的命令和响应……………………………………………………15
3．2．47
SDI．12的时序…………………………………………………………………1
III
目录工程硕士论文
3．2．5
SDI．12的流程图……………………………………………………………17
3．2．6
SDI．12与RS．232…………………………………………………………………………．．19
3．3本章小结…………………………………………………………………………20
4监测站硬件系统设计…………………………………………………………………。
21
4．1监测站硬件设计思路和系统框图………………………………………………21
4．2
A／D转换模块设计………………………………………………………………．．22
4．2．1
A／D转换芯片选择………………………………………………………．．22
4．2．2
MAXl97～D转换的基本原理…………………………………………．23
4．2．3
MAXl97与单片机的硬件接口设计………………。
：
…………………。
24
4．3存储模块设计……………………………………………………………………25
4．3．1存储芯片选择……………………………………………………………25
4．3．2
4．4串口扩展设计……………………………………………………………………28
4．5I／O口扩展……………………………………………………………………………………………．．29
4．6本章小结………………………………………………………………………。
3l
5监测站软件系统设计…………………………………………………………………32
5．1总体软件设计…………………………………………………………………。
32
5．1．1雨量站系统软件设计流程………………………………………………32
5．1．2水库站系统软件设计流程………………………………………………．34
5．1．3水文位站系统软件设计流程………………………………………36
5．2
A／D数据采集模块软件设计……………………………………………………37
5．3FLASH数据存储模块软件设计………………………………………………。
38
5．3．1无效块的识别……………………………………………………………．39
5．3．2页卖……………………………………………………………………………………………。
39
5．3．3页编程……………………………………………………………………40
5．3．4擦除编程…………………………………………………………………41
5．4本章小结…………………………………………………………………………42
6总结与展望……………………………………………………………………………．．43
6．1工作总结…………………………………………………………………………43
6．2研究展望…………………………………………………………………………43
致谢。
．．．．．。
．．．．．．．．．．．．．．．．。
．．．．。
．．．．．．。
．．。
．。
．．．．．．．．。
．．．．．．．．．。
。
45
参考文献…………………………………………………………………………………………．46
IV
1绪论
1．1选题背景
我国地域辽阔，地形复杂，又地处亚洲季风区，气候异常，河流来水量变化剧烈，
暴雨洪水频发。
如1998年长江流域、松花江和嫩江流域发生的大面积特大洪水造成
了历史上罕见的水灾【l】，给人民的生命财产造成了严重的损失。
究其原因除了有植被
及天然蓄洪湖泊遭到严重破坏，现有土建防洪工程尚不足以抗衡特大暴雨洪峰以外，
报汛不及时，水情不明也是导致灾情加重的重要原因【2】。
水情检测系统采用现代科技对水文信息进行实时采集、存储和传输的专门技术，
有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理利用的先进手段，是水文
现代化的发展方t3j。
如若在三峡区域设计一个基于水库、水文、雨量的水情监测系
统，可以综合分析三峡区域水情，可以实时了解三峡水情来实现三峡区域水情的合理
调控。
同时可以实时监测一些人无法靠近的区域或者无需人力来监控的现场。
由于不
同地区的不同实际情况，因此需要对不同区域采用不同的方法来采集和传输实时数
据，因此对监测设备的要求不同。
这样往往造成监测系统专用化程度高，品种多，不
利于设备维护，也增加了对设备设计的复杂性。
因此，在综合研究中国水情监测实际
情况的基础上，设计开发出一种多功能、可靠性高、维护方便，可适用于水文、水库、
雨量监测的综合性自动化监测系统具有重要的实际应用价值。
1．2国内外研究现状
就国内外的发展来看，美国和日本是最早重视水情自动监测系统的国家。
在1976
年时美国SM公司与美国天然气局合作研制了一套水情自动测报设备【4】。
80年代以来，
遥控设备、数据传输调度自动化技术在全世界得到广泛的应用。
90年代以后，国际
上多家公司推出了功能强、应用范围广的产品，在水利、水电、气象以及各类要求监
测水文、气象参数的专业领域都适时地得以应用。
在我国，水情自动监测系统的研究
始于20世纪70年代中期，形成初期产品在国内一些水库实际应用，但是由于设备落
后，资金紧缺，系统的误差较大，不能应用。
在80年代中期，我国已较快的速度改
进了自己的技术基础，建成了一些自己的水情自动监测系统。
1983年正式开始，1986
年投入运行，90年代是我国这一专业技术发展最快的时期，一些较大的系统都相继
建成。
特别是近几年，我国的水情自动监测系统有了不小的发展。
水利通信随着科技的发展己从有线到无线，从短波、超短波发展到数字微波、
l
l绪论硕士论文
800M集群移动、无线接入、卫星和程控交换【5】，特别是近几年来，国外先进技术的
引进，给我国防汛通信网建设注入了新的活力，防汛通信网从数量到质量和水平都迈
上了一个新台阶，已成为我国防洪减灾的重要手段之一，是非工程防洪措施的重要组
成部分。
传感器是实现监测及控制的首要环节，一般传感器【6J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。
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，可与数字设备直接相连。
目前雨量传感
器主要为翻斗式雨量计，水位传感器有浮子式、气泡式水位计和雷达水位计。
水情信息采集可以从本地直接读取，也可以通过有线或者无线的方式进行远程传
输，有线的通讯方式可以通过电话或者互联网光纤来实现，例如：
通过PSTN和Modem
通信，无线的通讯方式可以通过GSM、北斗卫星、海事卫星等通讯设备来传输【71。
1．3本课题的主要内容
1．3．1研究内容
水情监测系统的功能主要是完成水情数据的监测、存储和传输，本次设计由单片
机控制的水情监测系统主要包括一下几个内容：
1水情数据采集：
通过SDI．12总线协议，单片机可以连接至多十个传感器，可
以同时采集水库、水文、雨量等水情数据。
2数据存储：
单片机的内部存储有限，采集数据及实况信息需要扩展外部存储
空间。
根据区域情况合理选择外部存储设备来满足存储需要。
3水情数据传输：
采集的数据进行远程传输，需要解决区域性传输媒介和远程
传输数据不稳定和有干扰等影响。
4电源控制：
通过太阳能电池板对监测系统充电，需要解决如何将监测系统电
’
源控制在正常工作范围内。
水情监测系统采用多种传感器将水库、水文、雨量的水情数据，通过SDI．12总
线经RS．232串口传送至单片机存储；
单片机将采集到的水情数据以及监测系统的实
况信息通过PSTN、GSM、北斗卫星、海事卫星等通信信道传输到远程中心站，从而
实现水情监测系统的实时监测、存储和传输功能。
1．3．2内容安排
本文的章节内容安排如下：
第一章介绍了水情监测系统的背景、研究现状等，并介绍了本文研究的方法和研
工程硕士论文基于单片机的水情监测系统设计
究目标、意义。
第二章分析了系统的设计指标，给出系统设计要求，并根据系统设计要求给出具
体总体设计方案。
第三章给出了基于单片机的水情监测系统方案，并对方案进行了详细分析。
第四章给出了水情监测系统的硬件设计，着重研究了A／D转换芯片、存储器等核
心器件的选择、特点、工作原理以及具体设计。
第五章给出了水情监测系统的软件设计方案，设计了具体软件流程。
第六章对论文进行总结，并给出研究结论。
2系统设计指标与总体方案工程硕士论文
2系统设计指标与总体方案
本章主要介绍系统设计的指标以及总体设计方案。
水情监测系统功能主要包括：
／准确、实时地自动采集所在区域的水雨情信息，并将数据发送到中心站；
／中心站通过各个监测站采集上来的这些水雨情信息，以及实时地气象信息，
做出短、中、长期水文预报；
／根据水情信息和水文预报，按照枢纽综合利用的要求，进行水库调度方案的
计算和分析比较，为水库调度提供支持。
2．1系统设计指标
水情监测系统设计要求采用先进的科学技术，坚持实用性、先进性和可靠性，完
成和完善以水情测报、水文预报、水库调度为主要内容的水情自动化系统。
为满足监测站测报自动化要求，必须采用成熟可靠的技术、世界领先的技术。
设
计的雨量、水位数据采集方式必须是在保证给定精度的条件下，同时还要考虑投资经
济合理与日常运行维护费用的最优化，考虑人为的自然的因素影响，确保长期稳定、
连续地工作。
设计需满足具有可编程功能的测、报、控一体化的系统。
2．1．1技术指标
监测站设计指标如下：
串行输入／输出接口；
／具有4路以上、不低于12bit的A／D转换器；
／采用非易失性存储器，容量要求能连续保存不少于一年的带时标的水文数据
及监测站工况数据；
／具有低功耗LCD字符显示输出部件；
／工作电源电压10V-16V，静电电流小于2mA，具有良好的电源管理能力；
／能在温度-400C．600C，湿度99％环境下正常工作。
2．1．2基本功能
监测站主要完成以下基本功能：
／按照设定的时间表和要求，进行水文参数的采集、存储和发送；
／随时接收远程或本地指令，改变或报告监测站工作状态；
4
工程硕士论文基于单?
i-机的水情监测系统设计
／依照中心站指令，采样并发回最新水文参数；
／通信控制，包括传输编码，信道选择和重发等嗍；
2．2总体方案
根据监测站所测量的水文参数不同，遥测站的电气结构和机械结构也不同。
按水
文参数分类，本系统监测站共有--．种：
雨量站，水库站和水文库站。
三种类型监测站的异同之处如表2．1所示：
表2．1雨量站、水库站、水文位站项目设计对照表
项目雨量站水库站水文位站
传感器配置雨量传感器水位传感器雨量+水位传感器
测量间隔6分钟，可编程6分钟，可编程6分钟，可编程
发送间隔有雨则发送，无雨不发送均匀，固定时刻均匀，固定时刻
平安信号有，定时主动发送无无
信道配置GSM短信+北斗GSM短信+北斗PSn¨
北斗卫星
2．2．1雨量遥测站设计方案
。
图2．1为雨量遥测站设计方案。
雨量遥测站主要负责检测站点的雨量信息，并将
检测到的雨量信息及时的发送到中心处理站点，其必须具有高可靠性和备份的通讯机
制。
从图2．1可以看出，雨量遥测站设计方案特点为t
／单片机作为系统的核心处理芯片
／太阳能控制板作为系统电源来源
／GSM或卫星通信作为通信手段
／雨量计作为探测传感器
／其他外围辅助芯片
5
图2．1雨量遥测站设计方案
2．2．2水库监测站设计方案
图2．2为水库检测站设计方案。
水库检测站主要负责检测站点的水库水位信息，
并将检测到的水位信息及时的发送到中心处理站点，其必须具有高可靠性和备份的通
讯机制。
从图2．2可以看出，水库检测站设计方案特点为：
／PSTN或卫星通信作为通信手段
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