毕业设计基于单片机的水位监控系统设计文档格式.docx
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水文监测是水文传感器技术与采集、存储、传输、处理技术的集成。
其监测范围为：
江、河、湖泊、水库、渠道和地下水等水文参数。
监测内容为：
水位、流量、流速、降雨（雪）、蒸发、泥沙、冰凌、墒情、水质等。
而本次设计所涉及的水库水位远程监测只是水文监测系统中的一部分，用来监测水库水位。
从水文传统的人工监测技术分析来看，主要存在以下问题：
记录方式以模拟
方式为主，就是数字方式记录的也很难方便的输入计算机处理；
据处理基本靠人
工处理判断，费时易错；
水文信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差，
无法适应现代水文的需求。
目前我国水文自动测报系统建设的三个阶段：
初级阶段、发展阶段以及网络化阶段。
上一世纪七十年代中期开始到八十年代中期为初级阶段。
八十年代中后期开始的十余年为（小流域）水文自动测试系统建设的发展期。
九十年代后期为适应防汛和水利调度现代化、信息化的要求，以及近代通信、嵌入式、计算机和网络技术高速发展的时代特点，水文自动测试系统的建设进入了网络化阶段。
近三十年的发展历史，水文自动测报系统的建设和技术有了巨大的进步。
在
不同的历史时期，所建系统快速采集的数据，为防汛和水利调度的决策提供了依
据和参考，发挥了相当大的社会经济效益。
不少系统除常规水雨情信息外，闸门
开度、大坝渗压渗流、灌区水位流量、土壤墒情、风向风速、温度湿度、地下水
位乃至在线水质监视参数陆续纳入遥测系统，使遥测系统的功能大为扩展，从而
可为防汛、水利调度、水环境管理等各应用服务提供了更多的实时数据。
水文自动测报系统运用的先进技术有：
·
可靠的传感技术：
各种类型的传感技术，声学、光学、力学和化学的传感技术。
系统的可自动监测的参数不断丰富。
所有可利用的通信技术：
有线和无线通信技术，自建和公共通信网等。
系统的
实时传输越来越快捷、准确。
计算机及电子技术：
从单片机到个人电脑、服务器，从高可靠的RTU到双机
冗余，系统功能和可靠性不断提高。
网络技术：
从局域网到广域网，从数据库到数据共享，为预报提供了更好的数
据基础。
系统为地方乃至全国的防汛、水资源调度及时提供准确数据的能力越来
越强。
现在用于自动化监测的水位传感器主要有浮子式水位计、压力式水位计、电子水尺和超声波水位计等。
（1）采用浮子感应原理。
当水库水位变化时，浮子的移动通过钢丝绳、鼓
形轮使轴上的光电编码器发生相应的移动，从而将机械位移量转换成电子数字量
送给微机系统进行处理，实时显示水位信号。
该测量方式是我国最早采用的一种
水位测量方式，技术相对成熟，比其其它水位测量方式，要多一套机械传动机构，
容易发生钢丝锈蚀、缠绕等故障，维护安装相对较繁杂，九十年代以后已不常采
用。
（2）采用压阻式液位变送器。
水库水位变化时，压阻式液位变送器将水深
压力信号转换为电压信号，送给微机系统进行处理，实时显示水位信号。
该水位
测量方式因无机械传动部分，维护安装方便，测量精度可靠性不断提高，是当今
用得较多的一种水位测量方式。
（3）超声波水位测量。
超声波测量水位的原理是利用超声波的反射时间来
测距，传感装置向水面发射超声波，水面反射部分回波，反射波被装置探测，波
的运动时间与距离成正比，通过声速及所测时间即可求得水位。
水位测量方式比较结果：
水位测量方式较多，有浮子式、压阻式、超声波、
激光、吹气式等。
从发展前途出发，对于我们来说，选取超声波水位测量比较合适。
第二章单片机水位监控系统的分析与设计
2.1系统实现方案
水库水位监控系统主要又CPU（89C51），水位监测接口电路，液晶显示电路，报警电路，复位电路，时钟电路等部分组成。
如下图所示。
2.2AT89C51单片机的性能及应用
单片机是早期SingleChipMicrocomputer的直译，它反映了早期单片机的形态和本质。
然后，按照面向对象，突出控制功能，在片内集成了许多外围电路及外设接口，突破了传统意义上的计算机结构，发展成microcontroller的体系结构，目前国外已普遍称之为微控制器MCU（MicrocontrollerUnit）。
鉴于它完全作嵌入应用，故又称为嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontroller）。
大多数单片机采用哈佛（Harvard）结构体系，即数据存储空间与程序存储空间相互独立的结构体系。
它不同于一般通用计算机系统结构，即程序和数据共用一个空间的冯诺伊曼（VonNeumann）结构。
AT89C51单片机温度测控仪采用Atmel公司的AT89C51单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚。
该单片机采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术制造，与美国Intel公司生产的MCS—51系列单片机的指令和引脚设置兼容。
其主要特征如下：
○8位CPU
○内置4K字节可重复编程Flash，可重复擦写1000次
○完全静态操作：
0Hz~24Hz，可输出时钟信号
○三级加密程序存储器
○128B×
8的片内数据存储器（RAM）
○32根可编程I/O线
○2个16位定时/计数器
○中断系统有6个中断源，可编为两个优先级
○一个全双工可编程串行通道
○可编程串行UART通道
○具有两种节能模式：
闲置模式和掉电模式
（1）单片机的基本组成
它由
CPU
、存储器（包括
RAM
和
ROM
）、
I/O
接口、定时
/
计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能通过内部总线相互连接起来。
输入
输出引脚
P0、P1、P2、P3的功能：
图2-1为AT89C51的引脚图：
图2-1AT89C51的引脚图
P0
口（P0.0-P0.7）：
口是一个
8
位漏极开路型双向
端口。
在访问片外存储器时，它分时作低
位地址和
位双向数据总线用。
在EPROM
编程时，由
输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。
验证程序时，要求外接上拉电阻。
能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL
负载。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口（P1.0-P1.7（1-8脚））:
P1口是一上带内部上拉电阻的
位双向
口。
在
EPROM
编程和验证程序时，由它输入低
位地址。
P1
能驱动
4
个
LSTTL
在AT89C51
中，
P1.
0
还相当于专用功能端
T2
，即定时器的计数触发输入端；
1
还相当于专用功能端T2EX
，即定时器
的外部控制端。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P2口（P2.0-P2.7（21-28脚））：
P2也是一上带内部上拉电阻的
口，P2口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平。
在访问外部存储器时，由它输出高
在对
编程和程序验证时，由它输入高
P２驱动4个
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器SFR区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。
P3口（P3.0-P3.7（10-17脚））：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表1-1所示：
表1-1AT89C51的P3口特殊功能
口管脚
备选功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外部中断0）
P3.3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0外部输入）
P3.5
T1（定时/计数器1外部输入）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通）
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器和程序校验的控制信号。
（2）MCS-51
的寻址方式：
（1）
、立即寻址
如：
MOV
A
，
#40H
（2）
、直接寻址
3AH
（3）
、寄存器寻址
Rn
（4）
、寄存器间接寻址
@Rn
（5）、基址加变址寻址
MOVC
@A+DPTR
（6）、相对寻址
SJMP
08H
（7）
、位寻址
20H
C
（3）指令：
：
片内
传送
MOVX
片外
XCH
交换（和
交换）
SWAP
内半字节交换
ADD
不带进位加
ADDC
带进位加
SUBB
带进位减
INC
加
DEC
减
MUL
乘法
DIV
除法
DAA
调整
（4）计数初值的计算
定时或计数方式下计数初值如何确定，定时器选择不同的工作方式，不同的操作模式其计数值均不相同。
若设最大计数值为
M
，各操作模式下的
值为：
模式
M=2
13
=8192
16
=65536
2
=256
3
M=256
，定时器
T0
分成
个独立的
位计数器，所以
TH0
、
TL0
的
均为
256
。
因为
AT89C51
的两个定时器均为加
计数器，当初到最大值（
00H
或
0000H
）时产生溢出，将
TF
位置
，可发出溢出中断，因此计数器初值
X
的计算式为：
X=M-
计数值式中的
由操作模式确定，不同的操作模式计数器的长不相同，故M值也不相同。
而式中的计数值与定时器的工作方式有关。
（a）计数工作方式
计数工作方式时，计数脉冲由外部引入，是对外部冲进行计数，因此计数值根据要求确定。
其计数初值：
计数值
例如：
某工序要求对外部脉冲信号计
100
次，
X=M-100
（b）定时工作方式
定时工作方式时，因为计数脉冲由内部供给，是对机器周期进行计数，故计数脉冲频率为
f
cont
=f
osc
×
1/12
（式1-1）
计数周期
T=1/f
=12/f
定时工作方式的计数初值
等于：
X=M-计数值
=M-t/T=M-
（
t
）
/12
（式1-2）
式中：
fosc
为振荡器的振荡频率，
为要求定时的时间。
定时器有两种工作方式
即定时和计数工作方式。
由
TMOD
D6
位和
D2
位选择，其中
位选择
T1
的工作方式，
的工作方式。
=0
工作在定时方式，
=1
工作在计数方式。
并有四种操作模式：
、模式
位计数器，
TLi
只用低
5
位。
位计数器。
位自动重装计数器，
THi
的值在计数中不变，
溢出时，
中的值自动装入
中。
停止计数。
MCS-51
有
个中断源，可分为
个中断优先级，即高优先级和低优先级，中断自然优先级：
外部中断
；
定时器
中断；
中断
串行口中断
（a）同级或高优先级的中断正在进行中；
（b）现在的机器周期还不是执行指令的最后一上机器周期，即正在执行的指令还没完成前不响应任何中断；
（c）正在执行的是中断返回指令
RET1
或是访问专用寄存器
IE
IP
的指令，换而言之，在
RETI
或者读写
之后，不会马上响应中断请求，至少要在执行其它一要指令之扣才会响应。
（5）中断响应的条件
响应中断的条件有：
（a）有中断源发出中断请求；
（b）中断总允许位
EA=1
，即
开中断；
（c）申请中断的中断源的中断允许位为
，即没有被屏蔽。
（6）串行口工作方式及帧格式
单片机串行口可以通过软件设置四种工作方式：
方式
这种工作方式比较特殊，与常见的微型计算机的串行口不同，它又叫同步移位寄存器输出方式。
在这种方式下，数据从
RXD
端串行输出或输入，同步信号从
TXD
端输出，波特率固定不变，为振荡率的
该方式是以
位数据为一帧，没有起始位和停止位，先发送或接收最低位。
采用这种方式可接收或发送
11
位数据，以
位为一帧，比方式
增加了一个数据位，其余相同。
第
9
个数据即
D8
位具有特别的用途，可以通过软件搂控制它，再加特殊功能寄存器
SCON
中的
SM2
位的配合，可使
单片机串行口适用于多机通信。
的波特率固定，只有两种选择，为振荡率的
1/64
1/32
，可由
PCON
的最高位选择。
与方式
完全类似，唯一的区别是方式
的小组特率是可变的。
而帧格式与方式
2-
样为
位一帧。
所以方式
也适合于多机通信。
随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU
、RAM
、定时/数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机，直译为单片机
掉电模式：
在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器SFR的内容在终止掉电模式前被冻结，退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。
第3章单片机水位监控系统分析与设计的硬件
在第二章中已分析了系统并绘制了框图，下面将根据框图分别设计各部分电路。
3.1水位监测电路的设计
由于超声波的穿透力很强，且不会影响到人们的正常工作，并且他的传播速度快，所以本设计采用超声波测距原理来监测水位高度。
超声波测距电路主要包括超声波发射电路和超声波检测接收电路两部分。
使用单片机的P1.0端口输出超声波发射器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。
超声波发射电路主要由74LS00和超声波发射器T-40构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级与非门后送到超声波发射器的一个电极，另一路经两级与非门后送到超声波发射器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。
压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；
反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。
超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成，它是一款红外线检波接收的专用芯片
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