学士学位论文水位遥测自控系统设计.docx

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学士学位论文水位遥测自控系统设计

水位遥测自控系统

[摘要]本系统以51单片机系列的STC12C5406AD单片机为主控单元，通过液压传感器和无线通信实现液位实时数据的检测和自动控制。

系统分主控站与测控站，通过主控站的键盘可以实现对测控站的水位上下限的控制和显示。

主控站与测控站之间的无线实时数据传输的解决方案采用广泛应用于无线通信的SMD技术。

从测控站传送过来的数据通过人性化人机交换界面LED显示器件实现数据的实时数据显示。

本系统通过单片机串口与电脑串口的通讯功能和利用互联网可以实现对水库水量的远程测量与自动控制，这对江河水位的实时监控非常实用。

系统利用功能强大的C语言开发，并在软硬件设计中分别使用了Protel99se、keilC51开发平台。

结果表明，该系统具有有性价比高、操作简便、可视化操作等优点.

[关键字]：

51单片机，TDL9912，TDL9921，声表谐振器

[Abstract]：

Thissystem51microcontrollerfamilySTC12C5406ADSCMasmaincontrolunit,throughthehydraulicliquidlevelsensorsandwirelesscommunicationstoachievereal-timedetectionandautomaticcontrol.Thesub-masterstationsandmonitoringstations,throughthemastercontrolstation'skeyboardcanbeachievedonthewaterlevelmonitoringstationsoftheupperandlowerlimitsofthecontrolanddisplay.Masterstationandthemonitoringandcontrolstationsofthewirelessreal-timedatatransmissionsolutionsarewidelyusedinwirelesscommunicationsSMDtechnology.Comefromthemonitoringstationtosendthedatathroughuser-friendlyman-machineinterfaceforLEDdisplaydevicestoexchangedatainreal-timedatadisplay.Thesystem,throughthemicrocontrollerserialportserialcommunicationwithcomputerfunctionsanduseoftheInternetcanbeachievedontheremotereservoirwatermeasurementandautomaticcontrol,thisreal-timemonitoringofriverwaterlevelisveryuseful.SystemusesapowerfulClanguagedevelopment,andseparatelyinthesoftwareandhardwaredesignusingProtel99se,keilC51developmentplatform.Theresultsshowthatthesystemhasacost-effective,easytooperate,visualizeandsoon.

[Keywords]:

51MCU,TDL9912,TDL9921,SAWresonators

1绪论

1.1选题背景与意义

在工农业生产过程中经常需要对水位进行测量和控制。

但是，在一般的情况下。

往往需要测量的水池或水塔和控制室都有相当长的距离，常常需要架设上百到近千米的输电和控制线路，十分麻烦和费用大。

给测量和控制带来了极大的不方便。

本系统设计了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，对于工业和生产生活非常实用。

水位测量，是水文研究中很重要的一点，提到水文研究，许多人会联想到这是一个非常辛苦的工作，因为水文工作者需要到各个地方采集水文资料，包括水位。

一开始，水位工作者只能通过人工的方法来测量，对于河道的情况水位工作者只能以询问经验丰富的老船工，甚至下水摸索来了解。

然后，水位测量工作开始用绳索坠物的方法，后来又出现了浮标测量法、电容式水位测量法、电阻应变片的压力感应法、超声波反射法水位测量法。

在很多的坝区，因为水位和坝体的承受压力之间有着非常重要的关系，需要我们随时的监控水位，而且，上游的泥沙会堆积在坝底，水位是会改变的。

我们就需要一个简单实用，成本较低的水位测量方法来随时测量水位值。

随着科学的发展水位的检测方法也在变化，精度也有了更佳的提高。

单片机技术和传感器技术的发展使水位测量方法得到了更进一步的发展。

本文就振弦式压力传感器做了一定的讲解，利用了压力传感器的良好的测量特性进行了水位的测量装置的研究。

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课题介绍

本系统的优点在于采用8051单片机液压传感器进行数据采集、分析处理、显示，并实现远程控制。

具有电路结构简单，使用方便，显示可靠直观，抗干扰能力强等特点。

系统软件采用51系列的汇编语言，采用模块化程序设计技术，软件使用维护方便，可靠性强。

可以相信，随着单片机和传感技术的日趋发展和成熟，在不久的将来，利用单片机技术开发出来的功能化仪器、仪表将会在各个领域得到更广泛的应用。

1.3MCS-51单片机简介

1.3.1单片机的雏形

MCS-48单片机是美国INTE公司于1976年推出，它是现代单片机的雏形，包含了数字处理的全部功能，外接一定的附加外围芯片即构成完整的微型计算机，其主要的功能特征为：

 　8位CPU（中央处理器）、内置程序存储器（ROM）、随机存取数据存储器（RAM）和输入输出端口（I/O）全部集成在单一的芯片上而构成了完整的微型计算机。

1）8位CPU。

2）双列直插40PinDIP封装。

3）所有指令均为1-2个机器周期。

4）96条指令，大部分为单字节指令。

5）2个工作寄存器。

6）2个可编程定时/计数器。

7）8层堆栈。

8）单一+5V电源供电。

使用6MHz外接石英晶体管振荡器，此时机器周期为2.5us。

1.3.2单片机的发展

8048和8748是最早期的产品，8048本身具有64x8位RAM，1kx8位的ROM，而后期的8049中的RAM大到256字节，ROM却增加到了4kBytes，这个成绩在当时是相当可喜的。

还有一类的产品本身是不带程序存储器的，象8035和8039，它的程序存储器只能外接，当时常用的是EPROM（紫外线擦除电写只读程序存储器）一类的ROM。

MCS-48系列单片机还有几个产品，象8021和8022单片机，8021该系列中的低价型单片机，而8022则是包含了单片机所有功能，并集成了A/D转换器的产品。

现在MCS-48系列单片机已完全退出了历史舞台，由MCS-51系列单片机取而代之。

1.3.3单片机最小系统

单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括：

单片机、晶振电路、复位电路。

下面给出一个51单片机的最小系统电路图（图1）：

（1）复位电路

由电容串联电阻构成，由图并结合"电容电压不能突变"的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。

典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。

一般教科书推荐C 取10u，R取10K。

原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。

至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。

（2）晶振电路：

典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的uS级时歇,方便定时操作），在本电路中，取12M。

（3）单片机：

一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机。

对于31脚（EA/Vpp），当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。

1）ＡＴ８９Ｃ５１单片机的共40个引脚功总共40个脚，电源用2个（Vcc和GND），晶振用2个，复位1个，EA/Vpp用1个，剩下还有34个。

29脚PSEN，30脚ALE为外扩数据/程序存储器时才有特定用处，一般情况下不用考虑，这样，就只剩下32个引脚，它们是：

P0端口P0.0-P0.7共8个；

P1端口P1.0-P1.7共8个；

P2端口P2.0-P2.7共8个；

P3端口P3.0-P3.7共8个；

1.4Proteus仿真软件简介

ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件[9]。

它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：

①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。

具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

②支持主流单片机系统的仿真。

目前支持的单片机类型有：

68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

③提供软件调试功能。

在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。

④具有强大的原理图绘制功能。

总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

Proteus主要用于绘制原理图并可进行电路仿真，ProteusARES主要用于PCB设计。

ISIS的主界面主要包括：

1是电路图概览区、2是元器件列表区、3是绘图区。

绘制电路图的过程如下：

单击2区的P命令即弹出元器件选择（PickDevices）对话框，Proteus提供了丰富的元器件资源，包括30余种元器件库，有些元器件库还具有子库。

利用该对话框提供的关键词（Keywords）搜索功能，输入所要添加的元器件名称，即可在结果（Results）中查找，找到后双击鼠标左键即可将该元器件添到2区，待所有需要的元器件添加完成后点击对话框右下角的OK按钮，返回主界面。

接着在2区中选中某一个元器件名称，直接在3区中单击鼠标左键即可将该元器件添加到3区。

由于是英国的软件，特别要注意的是绘图区中鼠标的操作和一般软件的操作习惯不同，这正像是司机座位和人行道走向和国内不同一样。

单击左键是完成在2区中被选中的元器件的粘贴功能；将鼠标置于某元器件上并单击右键则是选中该元器件（呈现红色），若再次单击右键的话则删除该元器件，而单击左键的话则会弹出该元器件的编辑对话框（EditComponent）；若不需再选中任何元器件，则将鼠标置于3区的空白处单击右键即可；另外如果想移动某元器件，则选中该元器件后再按住鼠标左键即可将之移动。

元器件之间的连线方法为：

将鼠标移至元器件的某引脚，即会出现一个“×”符号，按住鼠标左键后移动鼠标，将线引至另一引脚处将再次出现符号“×”，此时单击鼠标左键便可完成连线。

连线时在需拐弯的地方单击鼠标左键即可实现方向的改变。

绘制好电路后，可利用1区的绿色边框对3区的电路进行定位。

1.5Keil编译及调试软件简介

目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的KeilC51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言和汇编语言编程，其6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为μVision（通常称为μV2）。

Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几部分组成：

μVisionIDE集成开发环境（包括工程管理器、源程序编辑器、程序调试器）、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接/定位器、OH51目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51实时操作系统。

应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：

编写源程序并保存——建立工程并添加源文件——设置工程——编译/汇编、连接，产生目标文件——程序调试。

Keil使用“工程”（Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序）进行编译/汇编、连接等操作。

工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。

首先选择菜单File—New…，在源程序编辑器中输入汇编语言或C语言源程序（或选择File—Open…，直接打开已用其他编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；然后选择菜单Project—NewProject…，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU后点确定返回主界面。

这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择SourceGroup1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“AddFiletoGroup‘SourceGroup1’”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其他文件）。

加入文件后点close返回主界面，展开“SourceGroup1”前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。

紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口的Target1，再选择Project—OptionforTarget’Target1’（或点右键弹出快捷菜单再选择该选项），打开工程属性设置对话框，共有8个选项卡，主要设置工作包括在Target选项卡中设置晶振频率、在Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output选项卡中选中“CreatHexFi”；其他选项卡内容一般可取默认值。

工程设置后按F7键（或点击编译工具栏上相应图标）进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。

成功编译/汇编、连接后，选择菜单Debug—Start/StopDebugSession（或按Ctrl+F5键）进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。

Keil能以单步执行（按F11或选择Debug—Step）、过程单步执行（按F10或选择Debug—StepOver）、全速执行等多种运行方式进行程序调试。

如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改（Debug—InlineAssambly…），不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。

对于一些必须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理（Debug—Insert/RemoveBreakpoint或Debug—Breakpoints…等）。

在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。

Keil软件Eval版（免费产品）的功能与商业版相同，只是程序的最大代码量不得超过2kB，但对初学者而言已是足够。

Keil软件由于其强大的软件仿真功能，友好的用户界面以及易于掌握的特点而受到工程技术人员的欢迎，有人甚至认为Keil是目前最好的51单片机开发应用软件。

2硬件设计

2.1系统原理框图

2.1.1主控站（接收机）原理框图

图2-1、主控站（接收机）原理框图

2.1.2测控站（测量发射机）原理框图

图2-2、测控站（测量发射机）原理框图

2.2关键元器件介绍

2.2.1无线发送模块TDL9912

TDL9912发射模块采用SMD技术，在稳频处理上采用最先进声表谐振器

（SAW）元件，电路板（PCB）采用介质损耗最小的材料，体积小巧，安装方便，使用简单，生产工艺先进，进口仪器调试，出厂前严格QC，高温加电老化。

✓适用范围

1．工业遥控,遥测,遥感；

2．防盗报警器信号及各种低速率数字信号的传送；

3．各种家用电器，智能玩具的遥控等。

✓二．技术指标

1．工作电压：

3V~12V

2．工作电流：

max≤40mA（12V），min≤9mA（3V）

3．谐振方式:

声表谐振（SAW）

4．调制方式：

ASK/OOK

5．工作频率:

315MHz～433.92MHz,特殊频率可定制

6．频率误差:

±150kHz（max）

7．发射功率：

25mW（315MHz,12V时）

9．传输速率：

≤10Kbps

10．自带编码：

否

11.天线长度：

24cm（315MHz）,18cm（433.92MHz）

✓使用注意事项

1．天线用软导线或其它硬质金属（如拉杆天线），长度请根据频率选择（参见我公司有关技术文章）。

若使用软导线，请拉直使用。

2．若在金属壳体中使用请将天线引出壳体外，能够使用50欧姆同轴电缆连接金属开杆天线则效果更好。

3．电源电压要求稳定且波纹系数低，需多级滤波（如增加磁珠﹑电感﹑电容等）。

4．无线电频率属于紧张的自然资源，在使用本品时请不要使其长期处于发射状态。

✓尺寸及引脚定义

2.2.2无线接收模块TDL9921

该高频接收模块采用进口SMD器件，6.5G高频三极管，高Q值电感生产,性能稳定可靠，灵敏度高，功耗低，质优价廉,广泛应用于各种防盗系统，遥控控制系统。

✓适用范围

1．各种低速率数字信号的接收;

2．工业遥控,遥测,遥感;

3．防盗报警器信号接收,各种家用电器的遥控等.

✓技术指标

1．工作电压：

5.0VDC±0.5V

2．工作电流：

≤3mA（5.0VDC）

3．工作原理：

超再生

4．调制方式：

OOK/ASK

5．频率范围：

250MHz~450MHz

6．带宽：

2MHz（315MHz,灵敏度下降3dBm时测试）

7．灵敏度：

优于-105dBm（50Ω）

8．传输速率：

＜5Kbps（315MHz,-95dBm时）

9．输出信号：

TTL电平透明传输

10.天线长度：

24cm（315MHz）,18cm（433.92MHz）

✓使用注意事项

1．天线用软导线或其它硬质金属（如拉杆天线），长度既不能过长也不能过短，否则会影响接收距离。

若使用软导线，请拉直使用，并尽量不要靠近金属物体。

2．电源电压要求稳定且波纹系数低，需多级滤波（如增加磁珠﹑电感﹑电容等）。

3．若配合单片机使用建议MCU时钟频率在4MHZ以下并且晶体尽量远离RF接收模块，否则晶体的高次谐波会影响通讯距离。

✓尺寸及引脚定义

2.2.3STC单片机简介

生产的STC89C51系列单片机的优点：

超强抗干扰,轻松过4KV快速脉冲干扰（EFT）高抗静电（ESD），6KV静电可直接打在芯片管脚上客户的整机抗静电测试，8KV/15KV就太轻松了超低功耗，PowerDown<0.1uA,可外部中断唤醒中断优先级可设置成4级（IP,IPH）LQFP-44,PLCC-44封装,有P4口（可以位寻址）并增加2个外部中断，Int2/P4.3,Int3/P4.26时钟/机器周期，12时钟/机器周期任意设置超强加密。

2.2.4P500压力传感器

  PT500-501/502/503/504压力传感器/变送器采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。

广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。

1）综合精度:

0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS

2）    输出信号:

4～20mA（二线制）、0～5V、1～5V、0～10V（三线制）

3）    供电电压:

24DCV（9～36DCV）

4）    介质温度:

-20～85～150℃

5）    环境温度:

常温（-20～85℃）

6）    负载电阻:

电流输出型：

最大800Ω；电压输出型：

大于50KΩ

7）    绝缘电阻:

大于2000MΩ（100VDC

8）    密封等级:

IP65

9）    长期稳定性能:

0.1%FS/年

10）    振动影响:

在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS

11）    电气接口（信号接口）:

四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母

12）    机械连接（螺纹接口）:

1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计

2.3模块化设计

2.3.1电源设计

本系统直接外接220V交流市电，然后经整流桥整流，稳压滤波，输出稳定的5V直流电源。

电源框图如下：

电源原理图如下：

2.3.2数据采集电路设计

本系统选用电流式的压力传感器，输出电流随着所测液体深度的变化而变化，系统电路如下图所示

R3选用200欧姆电阻，当电流为5mA时，根据U=IR,得输入给单片机AD口的电压为1V，当输出电流为20mA时，根据U=IR,得输入给单片机AD口的电压为4V。

单片机自带AD,通过程序计算，得出其相应的液体深度。

传感器的量程是0-20KPa，对应的电压为1-5V，输出的实际电压范围是0-16KPa，对应电压1-4V。

需要显示的数字是高度，压力为0（对应的AD574的输入电压为2V）的时候高度显示0.00米，压力为16KPa（对应的AD574的输入电压为8V）的时候，高度为10.00米，分辨率为0.02米。

具体计算公式，压力（Pa）=密度（Kg/m3）*g（9.8）*高度（m）,其中密度为150Kg/m3。

测量上限为10m,若要调整测量上限，只需调整R3的阻值即可。

TVS1为5.6VTVS管，当输入的电压过高，TVS管保护。

D1，D2为单向抑制二极管。

防止操作时，不慎将电路接反，烧坏元器件。

同时，保证输入给单片机的电压信号，不反向放电，在一段时间内恒定可靠，从而使测量准确。

单片机对传感器过来的数据进行分析计算，然后编码，经发射模块，发送给接收终端，频率为315M。

2.3.3数据接收电路

通过TDL992