毕业设计水位遥测自动控制系统设计.docx
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毕业设计水位遥测自动控制系统设计
水位遥测自动控制系统设计
1.1研究的目的和意义
在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。
一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。
因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。
任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。
就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给[1]。
因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。
水位自动测报系统属于应用现代遥测、通信、计算机技术，是完成江河流域降雨量、蒸发量、河流湖泊水位、海洋潮位、流量（流速）、风向风速、水质、闸坝的闸门开度、渗压、土壤墒情等数据的实时采集、报送和处理应用的信息系统，属于非工程性防洪措施[2]。
它能将某一流域或区域内的水文气象、水资源信息在短时间内传递至决策机构，以便进行洪水预报和水资源优化调度，减少水害损失，提高水资源的利用率，可以产生巨大的社会效益和经济效益。
水位自动测报系统多用在重点防洪地区及大型水利工程上，特别是在流域性、区域性的水位数据采集、传输和处理、应用的自动化方面起到了积极作用。
水位自动测报系统包括三种工作制式：
自报式、查询应答式和混合式。
（1）自报式工作制式：
在遥测站设备控制下每当被测参数发生一个规定的增减量变化或按设定的时间间隔，即向中心站发送所采集的数据，接收端的数据接收设备始终处于值守状态。
现在已经对传统的自报式工作制式进行了改进，使自报式工作制式有了较大发展。
改进后自报式也是双向通信方式，不是过去的纯单向工作方式。
在遥测站设备控制下每当被测参数发生一个规定的增减量变化或按设定的时间间隔，即向中心站发送所采集的数据，中心站收到数据后，给遥测站发送“确认”信息，告知遥测站这组数据接收正确或是接收错误。
自报式只有采用“确认”机制，才可以实现双信道的自动切换。
（2）查询应答式：
由中心站自动定时巡测或随机呼叫遥测站，遥测站响应中心站的查询指令，将所采集的数据发送给中心站。
定时自动巡测的时间间隔可根据数据处理和预报作业的需要确定。
（3）混合式：
系统兼容自报式和查询—应答式两种工作制式。
现在被广泛运用。
特别是采用公网组网（包括VSAT）的水文自动测报系统，为了保证数据的时效性，又节省运行费用，采用混合式工作制式组网比较合理。
在汛情不紧张、数据量小的时间段内用查询—应答式；当出现暴雨或水位变化较快时以自报方式加报。
随着无线通信技术的发展,遥测及遥控技术已经深入人们的生活与工作当中,在工业与生活中水位的测量与控制是经常要测控的一个因素。
仪器自动一体化，短距离无线抄表技术已经成为下一代无线技术发展的一个重要分支。
应此势要求，本设计就以一水位遥测自动控制系统，对于无线技术的研究只是作个抛砖引玉。
1.2国内外水位测量的发展
我国的水位自动测报系统从70年代末起步，在浙江省浦阳江流域首先应用。
80年代初期为引进阶段，先后在淮河王家坝区间、长江流域汉江丹江口水库、黄河的三门峡至花园口建成进口设备的水情自动测报系统。
1985年以后为国产设备研制、定型阶段，有淮河正阳关以上流域水位自动测报系统、黄河流域陆浑小区自报式水情自动测报系统、长江流域汉江的黄龙滩水库水情自动测报系统等[3]。
90年代后为推广应用阶段。
从上世纪90年代以来，随着现代科技的飞速发展，越来越多的新技术运用于各行各业，人们对信息传递的要求越来越高，尤其是在水文监测方面。
以长江上游为例，该区域以山区性河流为主，有三大暴雨中心，灾害性洪水较多。
测报系统除了为国家防总、重庆市防汛办、长江防总、三峡工程及沿江省、地、市的46个防汛部门提供水情信息外，还为航运、航道、供水、港务、码头等70余个企事业单位提供水情服务。
在这些大量的监测、预报任务中，原始数据的实时传输并汇总上报是一大难题。
为了提高水文监测预报的实时性、可靠性，采用先进科技手段对现有水文监测管理进行系统改造已势在必行。
根据水文自动测报系统规模和性质的不同，可将其分为水文自动测报基本系统和水文自动测报网两部分。
水文自动测报基本系统由中心站、遥测站（包括监测站）、通信系统（包括中继站）组成[4]。
水位自动测报网是通过计算机的标准接口和各种信道，把若干个基本系统连接起来，组成进行数据交换共享的水文自动测报网络。
1.3水位测量的优缺点
水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。
而以往水位的检测是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。
然后主控室再开动电机进行给排水。
很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。
同时也容易出差错。
因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统。
水塔很高，水位高低位不便于观察，水多会溢出来，可用以下方法来解决这个问题，改进供水装置就能实现供水自动化，供水系统中的水塔和高位水池等设备由于所处地势高，上下极为不便，有时水即将用完也不知道，造成需用水时却无水可用的情况。
此外，在向池中注入水的过程中，由于不知道水位的情况，也就无法控制注水量的多少，这会严重影响正常的工作效率。
为此需要对水位进行自动显示、监测和报警。
传统的水位检测系统一般通过有线方式与监控中心取得联系，这种方式不但维护起来困难，而且在很大程度上限制了其在时空上的拓展性[5]。
1.4课题的主要工作
本研究的主要内容是设计一种利用单片机的无线测量和自动控制系统。
不需要架设电缆，而且可以实现水位的远程自动控制和遥测[6]。
采用无线传输模块与单片机构成的系统则能够解决以上的问题。
通过单片机可以很方便的实现水位的显示功能，还可以通过这种无线通信的方式以实现远程终端监控和报警的功能。
此外,这次设计还有以下任务:
（1）通过这次课程设计，加深对单片机理论方面的理解。
（2）掌握单片机的内部模块的应用，如中断、控制、I/O口、串行口通讯等。
（3）了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现单片器应用系统打下良好基础。
（4）通过简单的设计，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。
2水位遥测自控装置的设计方案
2.1系统总体结构设计
水位遥测自控装置从功能上看需要实现以下几点：
水位的测量，水位信息的远程传输，水位的自动控制。
系统由水位测量模块、无线发送接收模块、微控制器模块、显示模块、报警模块、阀门控制模块和键盘模块组成，总体结构框图如图2.1所示。
图2.1水位遥测自控系统结构框图
水位测量模块测量出水位信息，由微控制器将水位信息写入无线数据发送装置，无线数据接收装置接收到的水位信息通过微控制器进行显示，当接收到的数据超过警戒水位的上限或低于警戒水位的下线时，微控制器控制报警模块及阀门控制模块进行相应的动作。
2.2系统设计思路
水位遥测自控系统设计方案的选择主要包括两方面：
水位测量方案的选择和远程数据传输方案的选择。
2.2.1水位测量方案
方案1：
压力传感器
压力传感器测量水位原理：
不同的水位产生净水压强是不同的，测量出水压，就可以计算出水位值。
一般选择输出信号为4~20mA。
水质对采集精度的影响：
投入压力传感器是通过测量水的静压力来间接的测量水位，其基准是以净水压力来核算的，在多泥沙的水质中，必须考虑水质对水位值的影响，一般要根据实际情况设定一个水质系数进行弥补[7]。
实际水位值=测量水位值*水质系数（水质系数小于等于1）
方案2：
电容传感器
运用两根一端封闭的导线，将距离固定制作成简单的平行板电容器即电容传感器。
水位的变化直接影响导线间的介质多少变化，从而引起电容值的变化。
一般，电容的计算公式如式2.2。
C=Q/U
平行板电容器的电容：
理论和实验表明，平行板电容器的电容C跟介电常数ε成正比，跟正对面积成反比，跟极板间的距离d成反比，有式2.3。
C=εS/4πkd
式2.3中：
k为静电力常量，介电常数ε由两极板之间介质决定，圆周率π＝3.1415926。
方案2与方案1比较：
一般工农业上进行水位测试的装置多采用方案1的压力传感器，然而对于本次的设计，方案2的电容传感器相比之下更经济，可操作性更强，更能达到现场模拟的目的，因此传感器采用方案2。
为提高水位测量的精度，一般要对数据进行滤波，水位测量装置常用的滤波算法有：
（1）取平均值：
同时采集多个值，取其平均值作为实际的数据。
（2）一阶滞后滤波法：
一般取a=0~1。
本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果
2.2.2远程数据传输方案
方案1：
GSM无线短信芯片
GSM无线短信模块G100A是由北京捷麦公司推出的，该模块采用全SMT组装，工艺先进、可靠性高，工作电压范围为5～15v[8]。
其内置的德国西门子公司GSM模块TC35使得模块操作简单，无须学习复杂的GSM模块AT指令集。
G100A的串口具有TTL、RS232和RS485半双工三种形式，标准配置为RS232。
采用GSM模块与单片机构成的系统通过单片机的并行I／0口可以很方便的实现水位的显示功能。
现有的GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游，采用GSM模块时，就可以通过一种无线通信的方式以实现远程终端监控和报警的功能。
方案2：
无线收发器nRF905
NRF905无线收发器工作在433/868/915MHZ的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成，可以通过一种无线通信的方式实现远程终端监控和报警的功能[9]。
单片的NRF905可以实现无线接收和发送功能，它具有低功耗ShockBurst模式，工作电源电压范围1.9-3.6V。
NRF905无线收发器用户无需另外组网，为客户节省了昂贵的建网费用和维护费用。
方案2与方案1比较：
方案1的GSM模块受到网络信号的限制，对于一些信号强度较弱的区域，同时受到通信协议等各方面因素的限制，无法保证正常工作。
方案2的nRF905模块更方便应用于本次设计，因此本设计无线传输方案选择方案2。
3水位遥测自控装置硬件设计
根据设计要求，采用MC9S08AW60单片机为核心的智能控制器系统的硬件接口电路包括：
控制器实时时钟接口电路、水位测量电路、无线传输接口电路、报警电路、显示接口电路以及继电器输出接口电路等。
其中MC9S08AW60为核心控制器件，水位测量运用电容传感器及555频率计算器组成，无线传输运用NRF905模块，数码管为显示器件，继电器为控制器件[10]。
下面将对各个电路与其核心器件的工作原理做详细介绍。
3.1单片机的概述
本设计利用的是MC9S08AW60单片机，它是一个低成本、高性能8位微处理器单元（MCUs）HCS08家族中的成员。
家族中所有的MCUs使用增强型HCS08核，且使用不同的模块，存储大小，存储器类型和封装类型。
本设计所使用的MC9S08AW60为44引脚的低轮廓四方扁平封装（LQFP）如图3.1。
图3.1MC9S08AW6044脚LQFP封装图
3.1.1MC9S08AW60单片机功能描述
MC9S08AW60单片机引脚图如图3.2所示。
图3.2MC9S08AW60引脚图
MC9S08AW60单片机具有8位HCS08中央处理单元（CPU），40MHz的HCS08的CPU（中央处理单元），20MHz的内部总线频率。
HC08指令子集增加了BGND指令，单线后台调试模式接口，允许单一的断点设置在线调试（在片内调试模块加了多于两个的断点），在线仿真（ICE）带有两个比较器（在BDM中要加一），9个触发模式以及片内总线捕获缓冲区。
3.1.2水位遥测单片机接口电路设计
单片机接口电路如图3.3所示。
图3.3单片机接口电路
单片机的各IO口接线简介：
PA0连接555定时器控制信号。
PF0连接555定时器的输出信号。
PC4连接SMS0501显示模块的时钟信号，PC5连接SMS0501显示模块的数据输入端口，PG3连接SMS0501显示模块的背光控制。
PB1,PB2分别连接双路继电器来控制阀门的正转与反转。
PA1,PE2-PE7,PD0-PD3分别与无线收发模块NRF905的各引脚相连。
3.2水位测量电路的设计
水位测量电路由简单的电容传感器和ICM7555定时器构成。
3.2.1工作原理
当水位变化时，电容传感器的电容值发生变化，电容传感器的电容变化输入ICM7555定时器电路，ICM7555输出相应的频率。
电容传感器的电容值与ICM7555输出频率值的转换关系如式3.1。
3.2.2水位测量电路
图3.4水位测量电路原理图
通过三极管Q6来控制ICM7555的电源供给，使单片机能自由控制其频率的输出，更有利于对频率的测量和系统的稳定性控制。
其中R26为三极管Q6基极的限流电阻。
为了尽量的减小输入干扰及其保护ICM7555，则在输入端串接电容C23和C24。
3.3无线传输模块的设计
3.3.1NRF905工作原理
nRF905是单片工作在433/868/915MHZ频段的无线收发器，由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调节器组成[11]。
ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC。
可以很容易通过SPI接口进行编程配置。
电流消耗很低，在发射功率为-10Bm时，发射电流为11mA，接收电流为12.5mA。
进入POWERDOWN模式可以很容易实现节电。
快速参考数据如表3.1。
表3.1nRF905快速参考数据
参数
数值
单位
最低工作电压
1.9
V
最大发射功率
10
dBm
最大数据传输率曼切斯特编码
50
kbps
输出功率为-10dBm时工作电流
9
mA
接收模式时工作电流
12.5
mA
温度范围
-40to+85
典型灵敏度
-100
dBm
POWERDOWN模式时工作电流
2.5
uA
3.3.2NRF905电气特性
nRF90532LQFN5*5封装管脚分布图如图3.5：
图3.5nRF90532LQFN5*5封装管脚分布图
nRF905的电气特性如下：
（1）输出频率4MHZ，外部时钟脚负载为5pf，晶体为4MHZ
（2）晶体为4MHZ
（3）POWERDOWN模式时SPI时钟为1MHZ
（4）工作在433/868/915MHZ的ISM频段
（5）晶体频率有5种不同取值（4、8、12、16、20MHZ）
（6）通道宽度和通道间隔为200KHZ
3.3.3NRF905接口电路及管脚说明
nRF905芯片管脚说明如表3.2。
表3.2nRF905芯片管脚说明
管脚
名称
管脚功能
说明
1
TRX_CE
数字输入
使能芯片发射或接收
2
PWR_UP
数字输入
芯片上电
3
uPCLK
时钟输出
由晶体震荡器分频的输出时钟
4
VDD
电源
电源+3VDC
5
VSS
电源
地0V
6
CD
数字输出
载波检测
7
AM
数字输出
地址匹配
8
DR
数字输出
接收或发射数据完成
9
VSS
电源
地0V
10
MISO
SPI接口
SPI输出
11
MOSI
SPI接口
SPI输入
12
SCK
SPI时钟
SPI时钟
13
CSN
SPI使能
SPI使能
14
XC1
模拟输入
晶体震荡器1脚/外部时钟输入脚
15
XC2
模拟输出
晶体震荡器2脚
16
VSS
电源
地0V
17
VDD
电源
电源+3VDC
18
VSS
电源
地0V
19
VDD_PA
电源输出
给nRF905功率放大器提供的+1.8V电源
20
ANT1
射频输出
天线接口1
21
ANT2
射频输出
天线接口2
22
VSS
电源
地0V
23
IREF
模拟输入
参考电流
24
VSS
电源
地0V
25
VDD
电源
电源+3VDC
26
VSS
电源
地0V
27
VSS
电源
地0V
28
VSS
电源
地0V
29
VSS
电源
地0V
30
VSS
电源
地0V
31
DVDD_1V2
电源
藕和的低压正数字电源输出
32
TX_EN
数字输入
TX_EN=1TX模式TX_EN=0RX模式
nRF905的接口电路如图3.6所示。
图3.6nRF905接口电路
3.3.4无线传输模块
图3.7无线传输模块原理图
nRF905模块的所有管脚都直接与单片机管脚相连。
为了提供更稳定的电源，在电源端并联一个储能电容C18。
3.4显示电路设计
3.4.1SMS0501E3液晶显示模块的概述
SMS0501E3数码笔段型液晶显示模块（LCM），采用数码笔段型液晶显示器（LCD），可显示5位数字及3个小数点，宽电压工作范围，微功耗，高亮发光管侧背光，与MCU单片机采用二线式串口连接，广泛应用于手持式仪器仪表，智能显示仪表[12]。
3.4.2SMS0501E3液晶显示模块的主要技术参数
表3.4SMS0501E3液晶显示模块的主要技术参数
项目
参数
项目
参数
显示容量
5位数字+3个小数点
模块工作电压
2.7～5.5V
背光源颜色
蓝色
工作电流
300uA（5.0V）不含背光源
工作电压电流
3.0V,<20mA
字高
12.0mm
环境相对湿度
<85％
视角
6:
00
工作温度
-20～+70℃
显示方式
半透半反射式正显示
存储温度
-30～+80℃
接口方式
二线式串行接口
3.4.3SMS0501E3液晶显示模块的接口电路
SMS0501E3液晶显示模块的接口电路如图3.8所示，各管脚说明如下：
（1）VDD:
电源正极
（2）DI:
串行数据输入
（3）CLK:
串行移位脉冲输入
（4）VSS:
电源负极
（5）VDD:
电源正极
（6）VDD:
电源正极
（7）BLK:
背光源负极
图3.8SMS0501E3液晶显示模块的接口电路
3.4．4显示电路
图3.9SMS0501E3液晶显示模块电路
通过三极管Q4能使单片机来控制液晶显示模块的背光的亮灭，更加节能，其中R17为三极管基极的限流电阻。
在电源端并入储能电容C21，能给液晶模块提供更稳定的电源。
3.5报警电路的设计
该报警系统主要是由蜂鸣器、三极管和双色LED灯构成，其设计的硬件电路如图3.12所示。
图3.10报警系统电路
当达到报警条件时，蜂鸣器发出报警声，双色LED灯转换为相应的颜色。
R5为三极管Q1基极的限流电阻。
R4为双向发光二极管D2的限流电阻。
3.6阀门控制电路设计
阀门控制电路由继电器、三极管和稳压二极管组成，运用三极管的开关特性控制继电器的链接方向，从而控制阀门正转与反转。
继电器的引脚图如图3.11所示。
图3.11继电器引脚图
阀门控制电路如图3.12所示。
图3.12阀门控制电路
双路继电器K1控制电机的正反转来实现阀门的关闭。
R11检测电阻来检测电机的堵转。
二极管U11，U12是为了吸收继电器的剩余能量。
J3是给电机一个独立电源，给电机一个更加强劲的电源。
3.7其他电路
由于各自的工作电压不太一样，在这里采用电平转换芯片MAX3232以实现电平转换。
本电路应用了12V转5V芯片4264和5V转3.3V芯片LM1117。
电源转换电路如图3.13。
图3.13电源转换电路
二极管U3是为了防止电源的反接，以保护整个系统。
电源芯片4264的输入和输出端并入电容以达到滤除电源纹波，提供一个干净的5V电源。
电源芯片1117的输入和输出端并入电容以达到滤除电源纹波，提供一个干净的3.3V电源。
3.8本章小节
本章主要研究的是硬件电路的设计与实现，基于对水位传感器的分析与设计，水位测量方面主要采用的是自制电容传感器，从而实现了经济，可操作的效果。
当水位值低于0.5m时，报警电路工作，继电器电路给水工作。
当水位值达到距上限0.5m时，报警电路工作，继电器电路放水工作。
本系统有很高的可靠性与实用性。
本章主要介绍应用PADSLogic、PADSLayout与PADSRouter对系统进行原理图与PCD图的绘制。
PCD图如附录B中图5.6所示。
4系统软件设计
本次设计程序的编写采用C语言，C语言是一种计算机程序设计语言。
C语言具有绘图能力强，可移植性，并具备很强的数据处理能力，因此适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。
它是数值计算的高级语言[13]。
C语言具有以下优点：
（1）简洁紧凑、灵活方便。
C语言一共只有32个关键字，9种控制语句，程序书写自由，主要用小写字母表示。
它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。
C语言可以象汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。
（2）运算符丰富。
C的运算符包含的范围很广泛，共有种34个运算符。
C语言把括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符处理。
从而使C的运算类型极其丰富表达式类型多样化，灵活使用各种运算符可以实现在其它高级语言中难以实现的运算。
（3）数据结构丰富。
C的数据类型有：
整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共用体类型等。
能用来实现各种复杂的数据类型的运算。
并引入了指针概念，使程序效率更高。
另外C语言具有强大的图形功能，支持多种显示器和驱动器。
且计算功能、逻辑判断功能强大。
（4）C是结构式语言。
结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。
这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。
C语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。
（5）C语法限制不太严格，程序设计自由度大。
虽然C语言也是强类型语言，但它的语法比较灵活，允许程序编写者有较大的自由度。
（6）C语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作。
因此既具有高级语言的功能，又具有低级语言的许多功能，能够象汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元，可以用来写系统软件。
（7）C语言程序生成代码质量高，程序执行效率高。
一般只比汇编程序生成的目标代码效率低10~20%。
（8）C语言适用范围大，可移植性好。
根据设计要求和各个芯片的工作原理，以及编程的要求需要先画出它的程序流程图。
下面是程序的流程图：
4.1主电路的软件设计
对于整个系统的软件设计分为一下几个部分：
水位测量部分、无线传输部分、数码管显示部分、继电器阀门控制部分和报警部分。
主程序的流程图如图4.1所示。
图4.1水位遥测自控主程序设计流程图
4.2水位测量软件设计
水位测量传感器接在单片机PF0口上，故对PF0口置1。
再设置定时器一的
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