基于单片机的水位监控系统设计.docx

1、基于单片机的水位监控系统设计中文摘要水资源已成为中国当前和未来发展重要资源，因此对水资源的合理利用有重要意义。在我国很多地方都需要水位监测，如工厂蓄水池、农田灌溉用的水库、江河水位等等，因此利用现代化的通信手段对水资源进行测控以及使用计算机管理系统来实现对水位监测点现场水位等数据的采集与监测，并可在水位信息管理平台上进行水位数据的存储、显示、查询等，将是对水资源实现科学管理的一个重要手段。本文从经济性和可靠性出发，在实验的基础上，设计了一种能够实现水位自动控制的装置。单片机技术的测控系统以其体积小，可靠性高而被广泛采用。本文对该测控系统进行了分析设计。首先，设计针对系统所使用的单片机的性能和发

2、展情况做了简单介绍；对超声波传感器的原理做了简单分析，对系统使用的模 / 数转换芯片 ADC0809也做了性能方面的简单说明。其次，论文重点对测控硬件、软件的组成进行了分项、模块化逐步分析设计。对各部分的电路一一进行了介绍，最终实现了该系统的硬件电路。绘制了电路原理图。关键词： 单片机、 ADC0809、软件系统、硬件系统Abstract- 1 -中文摘要The water resources has become Chinas current and future development of the important resource,It has important significa

3、nce for the rational utilization of water resources. In many places of our country need to water level monitoring, such as plant reservoir, reservoirs, irrigation water level and so on, therefore the use of modern means of communication to measure and control the water resources as well as the use o

4、f computer management system to realize the acquisition and monitoring of data level monitoring in field level, and water level data storage, in the water level information management platform display, query and so on, is an important means to realize the scientific management of water resources. Th

5、is paper from the economic and reliability point of view, on the basis of experiment, a device which can realize automatic water level control is designed.Control system of single chip microcomputer technology with its small size, high reliability and is widely used in. The paper analyzes the design

6、 of the measurement and control system. First of all, the performance and the development of the design used in the single chip microcomputer is introduced briefly; principle of the ultrasonic sensor to do a simple analysis, the system uses the analog-to-digital conversion chip ADC0809 haalso made t

7、he simple description of properties.Secondly, the paper focuses on the measurement and control hardware composition, software for the breakdown, modular design analysis phase. On the part of the circuit one one is introduced, the final realization of the system hardware circuit. Drawing the circuit

8、diagramKeyword: MCU, ADC0809, software system, hardware system第一章 引言- 2 -中文摘要1.1 课题研究的意义及作用中国水之源总量居世界第六位，人均占有水资源量仅为世界人均占有量的四分之一，并且在地域上分布很不平衡，长江以北的广大地区，特别是北方大、中城市大部分地区处于缺水状态，水资源短缺已成为制约我国经济发展的一个重要因素。合理的利用水资源已成为我国现在面临的一个重要问题。为了达到水资源的合理利用，除了要在兴修水利工程和提高全民节水意识等方面努力提高。而更重要的是应用新的技术信息，实时准确的了解和掌握各种水情信息，以此根据做出

9、正确的水资源调度和管理，做到防患于未然，尽可能减少水资源的浪费。再加上长久以来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。在现场可能无法靠近或 无需人力来监控时，我们就可以通过远程监控，坐在监控室里对着相关的仪器就能对现场进行监控，既方便又节省人力。为了保证地区安全，需要对水库水位、拦污栅压差和尾水位进行监测。但是 , 由于实际情况的不同 ,

10、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 , 在综合研究水库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 , 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。本课题根据水库的水位测量需要 , 设计远程单片机水位监测系统，系统具有水位的自动检测，定时处理、数据 GPRS远程上传等功能 。该监控系统的设计将- 3

11、-中文摘要会大大节省了人力物力，能够低功耗的实现 24 小时连续监测和上传，为更好的适应现代水位测量的需求，为水库的大坝的安全、蓄水泄洪等提供依据。1.2 课题研究的背景及发展现状随着我国经济社会的发展，对水文信息不断提出新要求，水文观测内容不断增加，对观测手段和方法以及水文监测技术的研发和应用提出了越来越高的要求；现代电子技术、传感技术、通信技术、嵌入式技术和计算机技术的迅速发展和普及，为远程监控系统的实现提供了理想的平台，因此越来越多的水文站把基于无线通讯技术的嵌入式 arm监控系统作为水利系统自动化管理的新手段。而随着水利自动化技术不断发展，水利系统的自动化水平也在逐步提高。水文监测是水

12、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

13、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- 4 -中文摘要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

14、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。- 5 -中文摘要网络技术：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

15、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

16、断提高，是当今用得较多的一种水位测量方式。- 6 -中文摘要（ 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- 7 -中文摘要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。

17、2.2 AT89C51 单片机的性能及应用单片机是早期 Single Chip Microcomputer 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 （Microcontroller Unit ）。鉴于它完全作嵌入应用，故又称为嵌入式微控制器 (Embedded Microcontroller)。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

18、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 (Von Neumann)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 MCS51 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： 0Hz24Hz，可输出时钟信号三级加密程序存储器128B8 的片内数据存储器 (RAM)32 根可编程 I/O 线2 个 16 位定时

19、/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、- 8 -中文摘要定时 / 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 2-1 AT89C51 的引脚图P0 口（ P0.0- P0.7）： P0 口是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 端口。在访问片外存储器时，它分时作低 8 位地址和

20、8 位双向数据总线用。在 EPROM 编程时，由 P0 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。 P0 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 8 位双向 I/O 口。在 EPROM 编程和验证程序时，由它输入低8 位地址。P1能驱动4个 LSTTL 负载。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；P1.1还相当于专用功能

21、端T2EX ，即定时器 T2 的外部控制端。- 9 -中文摘要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 8 位双向 I/O 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 8 位地址。在对 EPROM 编程和程序验证时，由它输入高8 位地址。P驱动 4 个 LSTTL 负载。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 MOVXDPTR指令）时， P2 口送

22、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 MOVXRI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

23、口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表 1-1 所示：表 1-1 AT89C51 的 P3 口特殊功能口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0 （外部中断 0）P3.3/INT1 （外部中断 1）P3.4T0（定时 / 计数器 0 外部输入）P3.5T1（定时 / 计数器 1 外部输入）-10-中文摘要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）、直接寻址如：MOV A，

24、3AH（3）、寄存器寻址如：MOVA ，Rn（4） 、寄存器间接寻址 如： MOV A ， Rn（5）、基址加变址寻址 如： MOVC A ， A+DPTR（6）、相对寻址 如： SJMP 08H（7） 、位寻址 MOV 20H ， C（3）指令：MOV ： 片内 RAM 传送MOVX ： 片外 RAM 传送MOVC ： ROM 传送XCH ： 交换（和 A 交换）SWAP ： A 内半字节交换ADD ：不带进位加ADDC ：带进位加SUBB ：带进位减INC ：加 1DEC ：减 1MUL ：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

25、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 M 值为：模式 0 ： M=2 13 =8192-11-中文摘要模式1：M=216 =65536模式2：M=28=256模式3：M=256，定时器 T0分成2 个独立的8 位计数器，所以 TH0 、 TL0 的 M均为 256 。因为 AT89C51 的两个定时器均为加 1 计数器，当初到最大值（ 00H 或 0000H ）时产生溢出，将 TF 位置 1 ，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 M 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

26、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：X=M- 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 cont =12/f osc 定时工作方式的计数初值 X 等于：X=M-计数值 =M-t/T=M- （ f osc t ） /12 ( 式 1-2)式中： fosc 为振荡器的振荡频率， t 为要求定时的时间。

27、定时器有两种工作方式 ：即定时和计数工作方式。由 TMOD 的 D6 位和 D2 位选择，其中 D6 位选择 T1 的工作方式， D2 位选择 T0 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：1 、模式 0 ： 13 位计数器， TLi 只用低 5 位。2 、模式 1 ： 16 位计数器。3 、模式 2 ： 8 位自动重装计数器， THi 的值在计数中不变， TLi 溢出时， THi 中的值自动装入 TLi 中。-12-中文摘要4 、模式 3 ： T0 分成 2 个独立的 8 位计数器， T1 停止计数。MCS-51 有 5 个中断源，可分为 2 个中断优先

28、级，即高优先级和低优先级，中断自然优先级：外部中断 0 ；定时器 0 中断； 外部中断 1 ；定时器 1 中断 ；串行口中断 ；定时器 2 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 或 IP 的指令，换而言之，在 RETI 或者读写 IE 或 IP 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CPU 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 CPU 开

29、中断；（c）申请中断的中断源的中断允许位为 1 ，即没有被屏蔽。(6)串行口工作方式及帧格式MCS-51 单片机串行口可以通过软件设置四种工作方式：方式 0 ：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 1/12 。该方式是以 8 位数据为一帧，没有起始位和停止位，先发送或接收最低位。方式 2 ：采用这种方式可接收或发送 11 位数据，以 11 位为一帧，比方式 1 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

30、控制它，再加特殊功能寄存器 SCON 中的 SM2 位的配合，可使 MCS-51 单片机串行口适用于多机通信。方式 2 的波特率固定，只有两种选择，为振荡率的 1/64 或 1/32 ，可由 PCON 的最高位选择。方式 3 ：方式 3 与方式 2 完全类似，唯一的区别是方式 3 的小组特率是可变的。 而帧格式与方式 2- 样为 11 位一帧。所以方式 3 也适-13-中文摘要合于多机通信。随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的 CPU 、RAM 、 ROM 、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 。(7) 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