论文潮汐控制与水位采集系统.docx

论文潮汐控制与水位采集系统.docx

《论文潮汐控制与水位采集系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《论文潮汐控制与水位采集系统.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

论文潮汐控制与水位采集系统

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

DesignofAutomaticMonitoringSystemoftheWaterLevelinHydrologicalStation

Abstract

Thepapermainlydescribesthemethodoftheultrasonicliquidlevelthroughthedamofwaterlevelsensorsforautomaticmonitoringsystem,whichisconsistofthehardwarepartandsoftwarepart.Inthispaper,usesthehostwhoandthemonolithicintegratedcircuitiscomposedbyPCmachinefromthetypemanymachinenetworkingsystem,themonolithicintegratedcircuittookthelowerpositionmachine,isresponsibleforthedamscenevariousgaugingstationstheselectionandgathering,intheachievementpositionmachinePCmachine,thenisresponsibleforthedamwaterlevelthecentralismdemonstrateandmanagetherecord,butPCmachineandbetweenthemonolithicintegratedcircuitcommunicationwaymainlyusetheRS-485mainlinetechnology.

Hereusesthesensormainlyistheultrasonicsensor,thedata-acquisitionworksinframeofmulti-channelswitch.Carriesonanalogdatagatheringusingtheultrasonicsensor,Itdesignseightanalog-dataacquisitionsystem.Thesensorchangesthenon-electronicsignalsintoelectronicsignalsandsendsthemtoeightTLC0838tandemmodu1ustransfersafterbeingamplified.Data-acquisitiontakesAT89S52singlechipmicrocomputerasthekeycontrollerelement,whentheAT89S52receivesthechannelacquisitionorderfromthecontrollingsoftware,thecollectedsignalswillbesenttothesinglechipmicrocomputerthroughtandeminterface,andwillbeshownaliveastheshowingchipsHD7279AdrivestheLED,andsenttothePCthroughRS-485themaincommunicationwire,alsoitwillbeshown.

Itdesignsmuchprogramlikedata-acquisitiontreatment,data-displayanddata-communicationEtc,usingcompliedlanguages.Astotheinterferencefromtheelectromagnetismtothesystem,thethesisproposesthreemeasurestoresisttheinterferencelikecapacitancedispose,tosteadythesystem.

Keyword:

Ultrasonicsensor;SingleChipMicrocomputerofAT89S52;Data-acquisitionandcommunicationSystem;PC

目  录

一 绪论……………………………………………………………………………1

1.1 设计背景…………………………………………………………………1

1.2 潮汐能的应用及发展前景………………………………………………1

1.2.1 潮汐能的应用及意义………………………………………………1

1.2.2 潮汐能的开发利用与发电原理……………………………………1

二 总体设计案……………………………………………………………………3

2.1 水位调节方法的确定…………………………………………………3

2.2 控制过程的描述………………………………………………………5

2.3 整体硬件框图……………………………………………………………7

三水位控制系统的硬件设计……………………………………………8

3.1上位机………………………………………………………………………10

3.1.1 上位机简介………………………………………………………1

3.1.2 数据采集系统…………………………………………………1

3.1.2.1数据采集系统的基本…………………………………………

 3.1.2.2采集方式………………………………………………………1

3.1.2.3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……………………………………………………1

3.2.2串行通信电路设计…………………………………………………1

3.3下位机……………………………………………………………………10

3.3.1输出通道电路设计……………………………………………………1

3.3.1.1 DAC0832………………………………………………………1

3.3.1.2 138译码器……………………………………………………1

3.3.2双闭环直流电机调速系统……………………………………………1

3.3.2.1 双闭环直流电机调速统……………………………………1

3.3.2.2 双闭环直流调速系统的组成………………………………1

3.3.2.3基闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性………………1

3.3.2.4 双闭环直流调速系统的数型…………………………………1

3.3.2.5双闭环直流调速系统两个调节器的作用…………………16

3.3.3.6单片机最小统…………………………………………………10

3.3.3输入通道电路设计……………………………………………………1

3.3.3.1水位传感器的选择………………………………………3

3.3.3.1.1水位传感器简介……………………………………20

3.3.3.1.2水位采集系统……………………………………21

3.3.3.1.3水位采集系统的组成………………………………25

3.3.3.1.4传感器检测电路……………………………………25

3.3.3.2超声波发射电路……………………………………………26

3.3.3.3超声波接收电路……………………………………………26

3.3.4A/D转换电路设计……………………………………………26

3.3.5报警电路设计……………………………………………26

四 水位控制系统的软件设计……………………………………………………26

4.1主程序设计………………………………………………………………26

4.2PID算法的程序设计……………………………………………………27

4.3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13—15m，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。

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