地下水位远程监测仪设计.docx
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地下水位远程监测仪设计
地下水位远程监测仪设计
DesignofUndergroundWaterLevel’sRemoteMonitor
地下水位远程监测仪设计
[摘要]地下水是一种重要的水资源，对其水位的准确监测是对地下水资源进行评价和开发利用的基础依据。
目前国内地下水位监测仪的研究还比较落后，仪器测试精度不高、远程数据传输模块缺失或可靠性不高，不能满足现代化实时监测的需要。
该设计是基于AVR单片机最小系统，并与A/D转换模块、串口通信模块、GPRS无线传输模块、JTAG接口模块、液晶显示模块、电源模块和时钟电路模块共同组成了一种精度高、数据传输距离远、易组网的地下水位远程监测仪。
实验结果表明：
本系统信号采集精度高，数据传输可靠，可用于地下水位的远程实时监测，对地下水资源的有效利用具有重要现实意义。
[关键字]地下水；AVR单片机；GPRS；远程监测仪
DesignofUndergroundWaterLevel’sRemoteMonitorElectronicInformationEngineeringSpecialtyAbstract:
Undergroundwaterisanimportantwaterresources,thevaluationandthedevelopmentoftheundergroundwaterbaseonit’saccuratemonitoringlevel.Atpresent,groundwatermonitorresearchisstillrelativelybackward,andthetestequipmentaccuracy,theremotetransmissionofdatatransmissionmodulemissingorthereliabilityarenothigh,whichcan’tmeettheneedsofmodernreal-timemonitoring.
ThedesignisbasedonsmallestAVRMCUsystem,withtheA/Dconvertermodule,theserialcommunicationmodule,theGPRSwirelesstransmissionmodule,theJTAGinterfacemodule,theLCDmodule,thepowersupplymoduleandtheclockcircuitmoduletogethertoformahighprecision,thedatatransmissiondistance,easynetworkingundergroundwaterlevelremotemonitor.Theexperimentalresultsshowthat:
Thesystem’shighprecisionsignalacquisitionandreliabledatatransmission,canbeusedforremotereal-timemonitoringoftheundergroundwaterlevelandthesystemhasimportantpracticalsignificanceinusingthegroundwaterresourcesinscience.
Keywords:
Undergroundwater;AVRMCU;GPRS;Remotemonitor
目录
1引言…………………………………………………………………………………………1
1.1选题的背景及意义…………………………………………………………………1
1.2国内外地下水位远程监测仪的研究现状…………………………………………1
1.3主要内容及技术要求………………………………………………………………2
2地下水位远程监测仪的硬件电路设计…………………………………………………2
2.1系统总体设计方案…………………………………………………………………2
2.1.1系统总体方案分析…………………………………………………………2
2.1.2系统总体方案设计…………………………………………………………3
2.2控制模块的设计……………………………………………………………………4
2.3水位数据采集及调理模块的设计…………………………………………………5
2.3.1数据采集模块………………………………………………………………5
2.3.2数据调理模块………………………………………………………………6
2.4水位数据模数转换模块的设计……………………………………………………6
2.5水位数据远程实时传输模块的设计………………………………………………7
2.5.1数据传输方式………………………………………………………………7
2.5.2全球移动通信技术…………………………………………………………7
2.5.3无线通讯模块………………………………………………………………8
2.6电源模块的设计……………………………………………………………………9
2.6.112V转5V电路模块…………………………………………………………10
2.6.25V转3.8V电路模块………………………………………………………10
2.7LCD显示电路……………………………………………………………………10
2.8JTAG接口电路……………………………………………………………………11
2.9键盘电路…………………………………………………………………………11
2.10串口通信电路…………………………………………………………………12
2.11时钟电路………………………………………………………………………12
3地下水位远程监测仪的软件设计………………………………………………………13
3.1软件的主程序……………………………………………………………………13
3.2数据采集子程序…………………………………………………………………15
3.3LCD显示子程序…………………………………………………………………15
3.4通讯模块子程序…………………………………………………………………16
4总结与展望………………………………………………………………………………18
4.1总结………………………………………………………………………………18
4.2展望………………………………………………………………………………18
结束语………………………………………………………………………………………19
参考文献……………………………………………………………………………………20
英文资料……………………………………………………………………………………21
致谢…………………………………………………………………………………………23
1引言
1.1选题的背景及意义
地下水是一种重要的水资源，地下水位观测是一项基础性的水利工作。
地下水位动态变化信息为地下水的开采工作、地方生态维护以及工程建设等方面提供了重要参考依据[1]。
但是目前绝大多数的地下水位监测仪通常采用单片机及传统的有线传输模块，其特点是应用简单、成本低，只能用在简单场合，不能满足目前对地下水资源实时、现代化的监测的需要。
为了实现“十五”期间的战略目标，实时、准确的监测数据对正确的决策至关重要。
因此，地下水监测应采取多种监测手段相结合，充分发挥不同方法的优势，使地下水监测的数据及时、准确，项目齐全，覆盖面广。
在网络信息迅速发展的今天，建立地下水环境自动监测网络系统，是我国地下水环境监测的发展趋势。
当今时代，GSM通讯网络、Internet网的迅速发展以及相关技术的日益完善，突破了传统的通讯方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通讯变得十分容易。
未来的地下水环境自动监测网络系统将由野外无人值守站（点）和中心控制站组成，野外无人值守站由传感器（水位、水质）、数据采集系统、通讯系统、太阳能电池板、蓄电池等组成，将分布在全国各省市的国家级监测点上，主要完成对水位、水质等参数的自动实时采集、存储，并按设定的时间及时间间隔通过通讯系统向中心站传送数据；中心控制站则是由计算机、调制解调器和操作软件等组成，用来接收各无人值守站上报的监测数据、负责向所有或某个无人值守站发送控制命令，包括每天发送次数、校时等以及对监测数据进行存储、处理、显示和分析。
1.2国内外地下水位远程监测仪的研究现状
国外在地下水监测仪的开发与应用方面比较先进，产品具有集成化、便携性等优点，但发达国家在地下水监测方面的监测设备水平也存在较大的差异。
其中美国与荷兰的产品在技术性能上代表着当今世界的先进水平。
近年来，水质现场原位测试技术在国外一些发达国家已经开始发展，如美国、日本等国家已相继研制出水质自动监测设备，并已经走进国内市场[2]。
随着计算机科学与技术和通信网络技术的发展，我国的地下水位监测仪也有了一定的发展，具备了初步的研究与生产的能力，但是水位检测和传输方式落后，造成数据的精确性和时效性不高，远不能满足对地下水现代科学监测的需求。
国产水位监测仪器主要有浮筒式水位仪、压力传感器式水位仪、超声波式水位仪等，国内监测仪性能比较如表1所示。
在功能齐全、性能稳定等方面，虽与国际上先进的同类产品存在一定差距，却能基本满足地下水监测的需要[3]。
表1国内监测仪性能对比表
技术指标
浮筒式
超声波式
压力式
工作方式
记录笔自己录水位
曲线或光盘码自动计数
人工操作
自动显示
多为数字显示人工记录，少有自动采集、自动打印
认为误差
大
较大
较小
分辨率
1cm
1cm
1cm（mm）
测量精度
较低
较低
较高
自动化程度
半自动
自动
全自动或半自动
电源
无需/需要
需要
需要
环境条件
受孔斜和水位埋深限制
受温度和湿度影响
受气压影响
总体技术水准
较低
高
较高
1.3主要内容及技术要求
本论文主要完成的工作是以ATmega128为主控芯片的地下水位远程监测仪的硬件系统和软件系统设计与实现。
硬件部分主要包括：
ATmega128最小系统设计、数模转换电路设计、串口通信电路设计、GPRS无线传输模块设计、JTAG接口模块设计、液晶显示模块设计、电源模块设计、键盘模块设计和时钟电路设计以及它们的实现。
其中主要介绍了控制模块、水位数据采集及信号调理模块和水位数据远程传输模块[4]。
在软件部分，围绕着地下水位数据采集及远程传输模块进行了详细介绍，编写了稳定性强、性能全面实用的软件程序。
本文涉及的主要工作内容包括：
（1）设备功能分析及硬件系统和软件系统的总体规划。
（2）依据系统各功能模块的要求和数字电路的设计简单的原则，选取适当的专用芯片，设计硬件电路（包括微处理器、模数转化芯片等）。
（3）硬件电路的设计及其各功能模块具体电路的设计与实现。
（4）硬件电路板整体设计及合理性的分析。
（5）地下水位数据采集系统的软件主程序设计和GPRS远程通讯程序设计。
2地下水位远程监测仪的硬件电路设计
地下水位远程监测仪的硬件电路设计是本论文的主要内容，本章主要分析地下水位远程监测仪的主要功能，高精度的采集地下水位数据并稳定地实时远程传输数据至上位控制中心，接着从性能的角度提出地下水位远程监测仪的总体设计方案及各功能模块硬件电路的具体设计。
2.1系统总体设计方案
2.1.1系统总体方案分析
地下水位远程监测仪作为一款新型的无人值守水位信息监测设备，是地下水位数据远程传输终端，工作在户外苛刻的环境中，应该具有良好的性能。
首先要体态小以便于携带安装，接口丰富、实时显示以便于野外调试。
其次要功能健全、稳定以便能满足地下水水位现代化管理的要求。
通过对地下水位远程监测仪的功能分析，其应具备采集功能、控制功能、安装调试功能、显示功能、设置功能、存储功能、组网功能等[5]。
地下水位远程监测仪的各模块功能分析：
（1）采集功能：
采集监测点水井的水位数据。
（2）控制功能：
实现对各个功能模块的控制，以保证系统能正常稳定工作。
（3）安装调试功能：
包括键盘接口和JTAG接口，以便野外调试。
（4）显示功能：
显示模块的各种监测数据、设置参数、工作状态等。
（5）设置功能：
对设备内的各项参数，如量程、水位标高、通讯参数等进行设置。
（6）存储功能：
大容量数据存储，记录历史数据。
（7）组网功能：
包括GPRS和串行通信，实现采集数据实时远程传输。
2.1.2系统总体方案设计
本系统主要包括控制模块设计、水位数据采集及调理模块的设计、水位数据模数转换模块的设计、水位数据远程实时传输模块的设计、电源模块的设计、LCD显示模块的设计等。
控制模块采用基于AVR单片机的最小系统，实现总系统的控制和数据处理；地下水位数据采集及调理模块功能采用液位传感器，能高精度、低误差的采集水位信息，把水位信息转化成4～20mA的电流信号；地下水位数据控制和数模转换模块功能为使用高性能嵌入式处理器把采集到的模拟信号转换为数字信号，实现数据的实时显示和远程传输功能；远程无线传输模块实现将地下水位数据远距离传输至上位控制中心；电源模块功能为设备提供可靠、稳定的直流+12V电压。
通过功能分析后提出设备系统的总体设计方案如图1所示。
图1系统总体设计方案图
2.2控制模块的设计
单片嵌入式系统是以单片机作为控制核心的嵌入式系统，具有低功耗、低电压、大容量、集成化、多样化、CMOS化和网络化等优点，被广泛的应用于工业控制、智能仪器仪表和网络信息等领域。
随着大规模集成电路的发展，各种型号的单片机层出不穷，控制模块是硬件设计的最重要的模块，在选择时一定要软硬兼顾，注意以下几点：
处理速度、RAM空间、程序空间、I/O端口、芯片功耗、自报警功能、软件调试便利等。
从以上几点综合考虑，本设计选用ATMEL公司AVR系列的基于RISC指令集的8位高速单片机Mega128[6]。
ATmega128具有丰富的片内资源、很低的功耗和很高的数据处理速度，是一款高灵活性和低成本的嵌入式微控制器。
本设计以ATmega128作为中央处理器，主要的任务是读取经过A/D转换的传感器采集到的地下水位信号，对其进行计算、处理得出准确的监测井地下水位值，并将其送到液晶屏实现实时动态显示，与此同时启动GPRS通信模块，将处理后的水位信息远程传输到上位控制中心供上位控制软件分析使用[7]。
ATmega128最小系统电路主要包括了时钟电路、复位电路和温度采集电路。
电路原理图如图2所示。
图2ATmega128最小系统原理图
其中温度采集电路选用温度传感器DS18B20，只需要一个接口完成与ATmega128双向通讯，外围电路简单，既节省了片上资源，又大大提高了系统的抗干扰性。
2.3水位数据采集及调理模块的设计
2.3.1数据采集模块
对地下水位进行精确的测量，传感器的选择至关重要，由于本设计是对地下水位进行采集，所以选用液位传感器，它是一种测量液体的压力传感器，是基于所测液体压力与该液体的高度成正比的原理。
液位传感器分为接触式和非接触式两种，本设计是应用在地下水监测井中，由于实际监测井并不垂直，选用非接触式的超声波液位传感器或雷达传感器误差比较大，而且作为工程类项目成本较高，因此选用投入式液位传感器，成本既低误差又小[8]。
投入式传感器采用特殊的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。
综上所述，本设计的水位数据采集部分采用电流型硅压阻式液位传感器，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件，将水压转变成电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。
电流型硅压阻式液位传感器如图3所示。
图3电流型硅压阻式液位传感器实物
2.3.2数据调理模块
传感器的输出信号为4～20mA电流信号，电流信号对辐射噪声和引线电阻上的压降不敏感，不容易引入各种干扰适合于信号的长距离传输，满足地下水井埋深高信号传输距离长的特点，但是电流信号不能被单片机及A/D转换芯片直接进行处理，处理之前要先把电流信号转换为电压信号[9]。
将电流信号转换为电压信号，本设计主要分析了串联电阻法、设计模拟电路法和选择专用转换芯片法三种方案。
这三种方案各有优缺点，经过分析选择专用转换芯片法。
RCV420是精密IU转换芯片，能将4～20mA环路电流转换为O～5V的输出电压。
其主要特点有：
4～20mA电流输入，0～5V电压输出；具有精密10V电压基准，温漂小于5X10-6℃；具有±40V共模电压输入范围；总的变换误差小于0.1%；具有86dB的噪声抗干扰能力。
此方案的特点是外围电路连接十分简单方便，不需要其它的元器件就可实现所需的功能，抗干扰能力很强，数据转换处理精度高，RCV420的温度使用范围很广泛，适用于严苛的环境中，而且性价比很高，集成化的设计省去了外围电路的成本，高可靠性省去了现场维护的费用，RCV42O的主要缺点经过实际实验其对供电电源的要求非常高。
但是经过综合分析本设计的电路调理模块采用专用转换芯片方案。
RCV42O的转换电路原理图如图4所示。
图4RVC42O的转换电路原理图
2.4水位数据模数转换模块的设计
模数转换功能是地下水位监测仪的关键功能之一，数据转换精度高，误差小、稳定性好，数据就越有价值，它是仪器的总体性能重要指标之一。
单片机只能对数字信号进行处理，传感器采集到的电流信号需要经过数模转换模块，转换成数字信号后才能被单片机进一步的计算处理。
A/D转换一般要经过采样、保持、量化、编码四个过程，模拟量向数字量的转变技术指标主要由转换精度和转换时间来衡量[10]。
A/D转换器一般可分为直接比较型和间接比较型。
直接比较型数据转换速度快但抗干扰能力弱，间接比较型则相反。
结合嵌入式处理器高处理能力的特点本设计采用的是TI公司出产的TLC2543，12位串行A/D转换器，能使监测到的水位数据精确到毫米，与传统的水位仪监测仪相比提高了数据采集精度与稳定性，可更加科学的、广泛的对地下水位进行监测，采集到的水位数据的价值更加珍贵。
TLC2543芯片具有8个通道串行输入接口，可方便以后设备的升级，本设计中仅用一根信号线来进行数据传输，节省了ATmega128的I/O资源，采样速率最高可到66次/S，贴片封装体积小、功耗低适合用于应用于便携式仪器仪表及严苛的户外环境。
电路设计如图5所示。
图5数模转换电路原理图
2.5水位数据远程实时传输模块的设计
2.5.1数据传输方式
水位数据的远程实时传输是设计的主要模块，在现代的通信系统中主要的数据传输方式有有线数据传输与无线数据传输，其性能对比如表2所示。
地下水位监测井分布较散，很多在野外恶劣的地理环境中，有线传输方式可靠性高、速度快但成本高，且不利于实际工程实施，缺少灵活性，而无线传输组网费用低廉、组网灵活、可扩展性好、传输速度快，所以本设计选用GSM无线数据传输方式[11]。
表2有线无线传输方式对比表
技术指标
有线传输网络
无线传输网络
组网费用
设备投入大，组网费用高
依托GPRS网络，组网费用低廉
组网灵活性
容易受地形条件制约，布线工程大，安装周期长，不灵活
组网灵活、可扩展性好、不需要为新添加设备增补网络，即插即用，安装周期短
传输速度
很快
快
传输稳定性
稳定
随着技术的不断发展，稳定性很大提高
维护费用
传输线容易老化，维修昂贵
免维护系统
2.5.2全球移动通信技术
全球移动通信系统（GSM）是欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准，属于蜂窝系统，是当前应用最为广泛的移动电话标准，属于第二代数字移动通信系统，模拟蜂窝技术被称为一代移动通信技术，宽带CDMA技术被称为三代移动通信技术，即3G。
GSM它是基于时分多址技术的移动通信系统，主要包括以下四个部分：
（1）无线基站系统，包括基站和相关控制器，主要完成无线的发送、接收和管理。
（2）网络和交换系统，也可简称为核心网。
主要完成交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库[12]。
（3）移动台，即通信终端设备由移动终端和用户识别模块，即SIM卡组成。
SIM卡是一个保存用户数据和电话本的可拆卸智能卡。
（4）操作维护中心，主要对GSM网络进行管理和监控。
GSM系统在全球迅速的发展，国内的移动通信也快速的发展，移动通信业务也呈现出多样化的发展态势，由最初的单纯的话音业务，逐步发展成包括数据业务、短消息业务、预付费和VPN等智能业务等综合的通信业务，多年的发展与完善，GSM技术逐渐成熟，并有了广泛的应用，成为了主流的通信系统。
其中的短消息业务具有服务费用低、只利用信令信道传输，不用拨号建立连接等优点，被广泛的应用于远程数据传输领域[13]。
GSM系统具有下列主要特点：
（1）频谱效率高，由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统具有高频谱效率。
（2）容量大，组网方便。
（3）语音质量高，鉴于数字传输技术的特点以及GSM规范中有关空中接口和话音编码的定义，在门限值以上时，话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。
（4）开放的接口，GSM标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且包括网络之间以及网络中各设备实体之间的接口。
（5）安全性高，通过鉴权、加密和TMSI号码的使用，达到安全的目的。
鉴权用来验证用户的入网权利。
加密用于空中接口，由SIM卡和网络AUC的密钥决定。
TMSI是一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置[14]。
（6）与ISDN，PSTN互连，在SIM卡基础上实现漫游。
漫游是移动通信的重要特征，它标志着用户可以从一个网络自动进入另一个网络。
（7）抗干扰能力强，通信质量高。
综上所述，在实际工程项目中合理有效的利用GSM网络资源的优势，就可以不用组建专用数据传输网络，避免了成本费用高，通讯距离不长，通讯效果不好等专用通信网络的难题。
2.5.3无线通讯模块
本系统的无线通讯模块选用SIM300C。
SIM300C是SIMCOM公司生产的一款具有强大功能的多频GSM/GPRS设备，支持高速无线数据传输、语音传输；提供两种串行接口；具有SIMCard接口和通用输入输出口；并且设计有内部时钟、备用电源、充电电路、A/D转换等，以满足工业的各种需要[15]。
GPRS远程通信的电路原理图如图6所示。
图6GPRS通信电路原理图
2.6电源模块的设计
电源电路的设计是硬件电路设计的主要内容，电源电路的稳定性与可靠性对电子产品的可靠性有很重要的影响。
地下水位远程监测仪使用在农村野外恶劣的环境中，因此对电源的要求十分严格。
由于经济发展缓慢，我国农村基础电网的建设情况也不容乐观，主要存在的问题有线路陈旧、设备老化及电压不稳等。
进过分析，决定采用蓄电池提供设备外部供电，在停电时蓄电池可以维持设备正常工作。
本设计选用铅酸蓄电池提供+12V电压，主要为液位传感器供电。
用稳压器SPX29302A
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