城市河道水位远程监测系统设计毕业设计论文.docx
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城市河道水位远程监测系统设计毕业设计论文
毕业设计说明书
题目:
城市河道水位远程监测系统设计
院系名称：
电气工程学院专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
教师职称：
副教授
2013年5月20日
1引言
1.1课题研究的背景和意义
1.1.1研究背景
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。
1.1.2研究意义
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。
随着科学技术的快速发展，远程监测的技术也被广泛应用到了各行各业，各个
领域。
本课题所设计的河道水位远程监测系统使用的是基于GSM模块的新型远程监测系统。
该系统充分地利用了GSM无线通信模块的功能，可以自动、快捷、实时、准确的实现城市河道水位的远程监测，也可以同时实现无人看守，从而节省了大量的人力与物力资源。
本课题综合运用了以上的多种技术，并详细阐述了基于GSM无线通信模块的超声波河道水位远程监测系统的基本原理和具体实现方法。
城市河道水位远程监测系统在避免了传统监测不足的同时，还具有实时、准确和快捷等众多优点，是十分不错的。
经无线通讯将监测到的城市河道水位数据发送给上位机，通过与以往测量记录的数据进行比较分析，经过合理的推测，可以大致的预测出下年的城市河道水位情况，这样的话，就可以相对准确的提前制定下年的城市河道水位管理措施。
1.2超声波水位监测技术的研究现状
1.2.1超声波测距研究现状
自上世纪60年代以来，人们对超声波测量技术就已经引起了广泛的关注。
近几年来，随着自动化测量技术和控制工程的蓬勃发展，尤其是计算机控制技术的迅速发展，使得人们对超声波测量技术的研究更加深入，更加广泛，同时也为超声波测量技术的实际应用奠定了基础。
使用超声波技术进行水位测量在国内外的技术研究中已经有很长的发展历史了。
现在，国内超声波技术的发展也在日趋成熟，与国外先进测量技术相比，目前国内的测量精度还有待提高。
影响超声波测量精度的除了传感器的制作方面的技术之外，还有发射电路和接收电路的性能和测量误差的修正技术。
然而随着国内先进技术的快速发展，超声波测量技术的精度也在人们的研究下一点一点提高，所使用的范围也在进一步的扩大。
现在该技术不仅用于野外河流环境的不同指标的监测，还用于工业环节中液位的监测。
1.2.2研究监测系统的研究现状
本课题的远程监测部分用的是GSM无线通信模块。
一般来说，远程监测系统采用接入互联网或者企业内部网两种方式来实现。
目前，这两种远程监测方法已经在视频会议、远程加工和远程诊断等领域得到了极其广泛的应用。
但是这两种远程监测方式一般是以时间进行收费，或者是租用或架设专线，这导致成本过高。
本课题的无线通信模块传输的数据量并不大，而且需要长时间保持远程通信状态，如果用这两种通信的任意一种，都是很不合适的。
因此针对本课题中系统对通信模块所提出的要求，综合考虑，最终选用GSM远程通信方式来实现对河道水位的实时监测。
GSM远程通信方式的优点很多，费用廉价、通信稳定、可靠性强、安装十分灵活，此通信方式在远程监测系统中获得了广泛的应用。
1.3课题研究的主要内容
本课题所研究的城市河道水位远程监测系统主要包括以下几方面的内容：
（1）水位数据采集：
能够自动监测河道水位，可以对河道水位进行实时监测。
（2）水位数据分析和显示：
测得的数据经A/D转换后传给单片机，然后单片机对这些数据分析，将河道实时水位数据传送到LED和报警器，分别进行数据的显示和报警。
（3）水位数据的远程通信：
通过GSM模块来实现数据的远程通信，把现场测得的实时河道水位数据通过GSM模块传送到PC机，通过组态王软件对河道水位进行实时显示。
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LCD显示屏，另一种是LED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LED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STC系列单片机。
它有很多优点，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3.1STC12C5A08S2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RESET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XTAL1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CX20106A芯片是SONY公司生产的红外遥控接收芯片。
3.3.1CX20106A芯片
（1）CX20106A芯片引脚图如图3.5所示。
图3.5CX20106A引脚图
（2）引脚说明如表3.1所示。
表3.1CX20106A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3.6CX20106A超声波接收电路
此电路图是利用红外遥控接收芯片CX20106A来接收处理超声波的典型电路。
如图3.6所示，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CX20106A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P3.2，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LED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
0
1
2
3
4
5
6
7
编码
0xc0
0xf9
0xa4
0xb0
0x99
0x92
0x82
0xf8
显示值
8
9
a
b
c
d
e
f
编码
0x80
0x90
0x88
0x83
0xc6
0xa1
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P2.0——P2.3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Q1～Q4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VCC连通，就可以通过段码来显示相应的数字。
R15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LED相串联，其目的是为了保护LED，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10cm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3.8所示。
图3.8报警电路
3.6串行通信电路
RS-232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MAX232。
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3.9MAX232引脚图图3.10DB-9类型的连接器
DB-9连接器管脚说明如表3.3所示。
表3.3DB-9连接器管脚说明
RS-232接口电路如图3.11所示。
图3.11RS-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。
TC35i模块与单片机的连接图如图3.12所示。
图3.12TC35i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3.13TC35i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TC35i模块是使用+3.3V电源外，其余部分的模块都使用的是+5V电源，图3.14中使用的分别是是7805和LM1117-3.3稳压管，用来输出稳定的+5V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LED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
通过对两个外部中断的检测并判断是哪个中断，记录下定时器的时间。
通过对测量的信号进行计算可以得出实时河道水位数据。
数据采集处理模块的程序流程图如图4.2所示。
图4.2数据采集处理
4.3显示程序模块
单片机处理的数据经系统发送到显示模块的显示缓冲区，使数据在LED上从左到右一位一位的显示出来，每一位显示后延时10ms，看上去是连续显示的。
显示模块的程序流程图如图4.3所示。
图4.3显示程序流程图
4.4通信程序模块
对通信模块TC35i进行初始化之后，使其准备接受PC机发送的信息，接受完PC机所发的信息之后，将信息传输给单片机，单片机将信息进行读取，当需要回复信息时，单片机将回复的信息内容发送给通信模块TC35i，然后信息经TC35i模块再发送给PC机实现远程通信。
当通信模块TC35i在不发送信息时会一直处于等待状态。
程序流程图如图4.4所示。
图4.4通信程序流程图
4.5PC机监测模块
测量站的数据信息通过测量站的无线通信模块进行发送，由监测站的TC35i模块进行接收，经串行通信接口将收到的数据传送给PC机。
使用PC机上的组态软件做一个监测画面，并建立虚拟串口设备，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，将数据实时显示在屏幕上。
监测站的PC机组态监测画面如图4.5所示。
图4.5监测站的组态监测画面
结论
本次课题设计的城市河道水位远程监测系统主要内容有：
利用超声波传感器发送和接收超声波，通过对时间差的测量，可以算出超声波传感器与河道水面的距离，进而算出河道水位的高度。
将单片机计算处理过的河道水位数据经端口送给显示模块，通过LED可以直接的显示出河道水位的高度，同时单片机将处理后的数据送到到报警模块，以决定是否报警。
单片机处理过的数据通过GSM无线通信模块送给上位机，通过组态软件实现实时的监测。
本课题的目的的要求十分明确，但是要完全的实现不是特别容易的。
由于城市河道水位测量的环境是在室外，周围环境指标变化略大。
而测量部分的超声波传播速度是受外界环境影响的，因此在实际操作实施当中，所测得的数据肯定会有一定的误差。
该系统的数据采集系统不是非常的可靠。
系统的测量站部分长期处在室外的环境当中，虽然室外环境中的大量干扰源不至于使该系统的硬件受到损伤，但是有可能会导致该系统的不正常运作，因此，系统的抗干扰性还需要得到进一步的提高。
本课题从原理上基本上完成了城市河道水位远程监测系统的设计。
虽然我所设计的系统还存在一些问题，但在这两三个月的亲手实践当中，又学到了许多新知识，并且对旧的知识做了又一次的巩固，很大程度上提高了自己。
致谢
随着毕业设计的完成，我的四年大学也接近了尾声，也即将离开校园去工作了。
在大四下半学期的两三个月里，我将我的这份毕业设计一直作为自己最重要的工作，时时刻刻的要求自己必须认认真真的完成。
经过这半年的努力，我终于完成了我的毕业设计。
在这期间，我不仅仅获得了大量的知识，同时也获得了一种锲而不舍的精神，获得了一种认真的学习态度。
通过这次的毕业设计，我在知识和精神上都收获颇多。
知识上，我对自己大学四年所学习的课程进行了有史以来最系统、最完整的复习。
通过在校图书馆这个宝库里查阅的大量的专业资料之后，是自己的知识更加的丰富；通过在网络上搜寻查看与我论文相关的文献，使我的视野更加开阔。
精神上，在做自己毕业论文期间，遇到了大大小小许多困难，在辅导老师熊老师的帮助下，在同学们的鼓励下，我克服了种种困难，坚持不懈地一直在做自己的毕业设计；在做毕业设计之中，也曾产生过懈怠的心理，在熊老师的谆谆教导下，我克服了携带的心理，努力完成自己的毕业设计。
在做毕业设计整个过程当中，我最感谢的就是我的指导老师熊新民老师。
他在指导我们做毕业设计的同时，培养了我们独立思考的能力，并且端正了我们对待毕业设计的态度。
我清楚地记得每当我的毕业设计上遇到困难去请教熊老师时，他都会非常耐心的来对问题进行剖析，最终清楚明白的对我的问题作出回答。
另外，在整个毕业设计中，我的同学也给予了我非常大的帮助。
在遇到难以解决的问题时，大家坐在一起讨论学习，在这期间不仅增长了我的专业知识，而且增进了我们同学间的友谊。
通过这次毕业设计，我学到了大量的专业知识，巩固了学习，培养了自己的动手实践能力，培养了自己坚持不懈的精神，与老师与同学之间培养了深厚的友谊，使我得到了很大的进步。
最后再次感谢在毕业设计中给予我大量帮助的熊老师以及同学们，在以后的生活中，我会保持这种状态，会更加的努力。
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