水库液位自动监测报警系统.docx

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水库液位自动监测报警系统

单位代码：

10204

吉林工程技术师范学院

信息工程学院

学士学位论文

水库液位自动监测报警系统

学生姓名：

专业：

电子信息工程

班级：

D0742

学号：

论文起止日期:

2011年4月至6月

摘要

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，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。

本课题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，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用单片机或时基集成电路对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、控制及故障报警等功能。

本文介绍了水库液位自动监测报警系统的原理，系统中以MCS—51系列的单片机8051作核心控制器件CPU。

传感器主要是1B32压力传感器，数据采集部分采用多路开关方式进行，利用压力传感器进行模拟数据采集，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ADC0809，当AT89C51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LED数码管进行现场显示。

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。

关键词A/D转换、报警、传感器、显示。

Abstract

Waterlevelcontrolindailylifeandawiderangeofindustrialapplicationsinthefield,suchaswatertowers,groundwater,hydropowerandotherwaterlevelcontrolcase.Thepreviouslevelofdetectionisdonebyhand,ondutyaroundtheclockmonitoringofwaterlevelchanges,intermsofpersonnel,timeandmoneywillresultingreatwaste.Alsoeasytogowrong.Thistopiccanautomaticallydetectawaterlevel,andaccordingtochangingconditionsautomaticallyadjustthewaterlevelautomaticcontrolsystem,themeasuredwaterlevelchangesintocorrespondingelectricalsignals,ortime-basedconsoleapplicationmicrocontrollerintegratedcircuitsforthereceivedsignaldataprocessing,completetheappropriateleveldisplay,controlandfaultalarmfunctions.

Thisarticledescribesthereservoirleveltheprincipleofautomaticmonitoringalarmsystem,thesystemtoMCS-51MCU8051seriesasthecorecontroldeviceCPU.Sensorsare1B32pressuresensors,dataacquisitionpartofthewaymulti-wayswitch,pressuresensorusinganalogdataacquisition,sensorsignalintoanon-powerelectricalsignals,amplifiedbytheamplifierintoan8-bitserialADCADC0809WhentheAT89C51microcontrollerreceivingthecontrolsoftwareinstructionsissuedbythechannelacquisition,collectingthesignalintothemicrocontrollerthroughtheserialinterface,LEDdigitaldisplaychipfromtheon-sitedisplay.Someofthemajoruseofassemblylanguagesoftwareprogramfordataacquisitionandprocessing,datadisplay,alarmandotherprogramdesign.

朗显示对应的拉丁字符的拼Keywords：

A/Dconversion,alarm,sensor,display.

朗读

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前言

大型的水利设施—水库，对防涝抗旱起到一定的调节作用，同时对库区上游的航运提供了便利和保障。

为了保证这些功能得以充分发挥，通常要控制库区水位始终保持在一定的高度（即液位）。

若液面高于某一设定高度，则应报警提示并开大闸门放水。

过去电动机的驱动靠继电接触控制或由半导体逻辑单元来实现，存在着电路复杂、功耗大、噪声大、经济效益低等缺点。

单片机由于体积小、价格便宜、性能优越、可靠性高，已广泛渗透到社会生产服务的各种领域。

本设计就实现了对整个系统的单片机的自动控制，保证了系统的稳定安全，提高了设备效率，它可以对整个系统实行检测控制，实现了集中监视和操作，电路比较简单。

通过对液位、液位高度变化、到库区液位极限值时间的8位LED显示可以很容易地得知流量的变化情况，这些值对于充分发挥水库的作用具有十分重要的参考价值。

另外，本设计改善了电机驱动电路，系统在电机强电控制部分采用了交流接触器的无声运行电路与固体继电器，无触点电子开关，减小了噪声，增加了运行的可靠性。

本设计重点探讨了单片机在液位的自动测控方面的应用措施，是单片机应用的一个尝试。

因本人水平有限，有疏漏和错误之处，还望各位老师批评指正。

第一章绪论

1.1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。

1.2国内外的发展概况

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。

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。

1.3主要内容

本次所设计的水位自动监测系统主要包括以下几个内容：

1.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；

2.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；

3.水位数据显示：

根据传回的数据通过LED显示；

4.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，则报警。

第二章数据采集的硬件设计

2.1硬件电路原理及设计

硬件电路主要由模拟和数字两大部分组成。

从功能模块上来分有：

主机电路、显示电路、控制执行电路以报警电路，图2-1为硬件部分连接框图。

图2-1硬件连接框图

该设计利用液压控制原理，采用MCS-51作为系统的CPU，ADC0809作为A/D转换器，74LS373作为地址锁存器，单片机能根据现场状态自动控制水泵电机的驱动和停转同时根据采集的数据，自动显示水塔液面的高度，设所需供水高度为H米，则水位H所对应的压力为F=ρ水gH，当F作用在压力传感器上时，输出电压假定为4V，满足A/D转换的电平要求，原始实际信号V传经A/D转换，所给到显示部分的同时输入到微机系统，在上、下限水位里进行比较，当低于下限水位时，微机系统发出一个电信号，控制电机转动开始供水，当水供高于上限水位时，显示的同时输入一个电信号，8051产生中断，报警器自动报警，实现对水库水位的自动控制。

2.2主机电路的设计

主机选用Intel公司的MCS—51系列单片机AT89C51来实现，利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点，力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。

本系统选用的AT89C51芯片时钟可达12MHz，运算速度快，控制功能完善。

其内部具有128RAM，而且内部含有4KB的EPROM，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单、实用。

系统硬件电路如图2-2

图1-2系统硬件电路

2.3I/O通道硬件电路的设计

就本系统来说，需要实时采集高度数据，然后经过A/D转换为数字信号，送入单片机中的特定单元，然后一部分送去显示；另一部分与设定值比较，通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电机的转动

2.4数据采集电路的设计

数据的采集主要是靠输入电压的高低来获取的。

2.5控制执行电路的设计

由单片机输出来并控制LED显示器及电机的转动，来实现显示水位及报警。

第三章硬件部分

3.1MCS-51单片机的硬件结构

MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机。

中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、I/O口（P0口、P1口、P2口、P口）、串行口、定时器/计数器、中断系统及功能寄存器（SFR）。

它们都是通过片内单一中线连接而成，其基本结构依然是采用CPU加上外围芯片MCS-51单片机的硬件结构如图所示。

如果按功能划分，它有8个部件组成，既微处理器的传统结构模式。

但是各种功能部件控制功能是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。

图3-1是MCS-51单片机片内结构图。

若图中的程序存储器部件为ROM，则为8051单片机：

如为EPROM,则为8751单片机；无程序存储器，则为8031单片机。

图3-1MCS-51单片机片内结构

下面对个功能部件作进一步的说明：

1、数据存储器（RAM）：

片内为128个字节（单元）片外最多可外扩至64K。

2、程序存储器（ROM/EPROM）：

8051为4KROM；片外最多可外扩至64K字节。

3、中断系统：

具有5个中断源，2级中断优先权。

4、定时器/计数器：

2个16为的顶时器，具有四种工作方式。

5、串行口：

1个全双工的串行口，具有四种工作方式。

6、P1口、P2口、P3口、P0；为四个并行8位I/O口。

7、特殊功能寄存器（SFR）：

共有21个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。

实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区。

8、微处理器（CPU）：

为8位的CPU，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。

3.1.1MCS-51的引脚及功能

掌握MCS-51单片机，应首先理解MCS-51的引脚的功能。

图3-2为AT89C51的引脚图。

图3-2MCS-51的引脚

40只引脚按功能分为三个主要部分,图3-3为引脚功能分类

图3-3引脚功能分类

1、电源及时钟引脚：

VCC，VSS，XTAL1，XTAL2。

2、控制引脚：

PSEN、ALE、EA、RESET（既RST）。

3、I/O口引脚：

P0、P1、P2、P3为4个8位I/O口的外部引脚。

这些引脚构成了典型的三总形式，既地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）。

电源及时钟引脚的功能：

1、电源引脚。

电源引脚接入单片机的工作电源。

VCC（40脚）：

接+5V电源；VSS（20脚）：

接地。

2、时钟引脚XTAL1、XTAL2。

时钟引脚外接晶体与片内的反想放大器构成了一个震荡器，他提供单片机的时钟控制信号。

时钟引脚也可以外接晶体震荡器。

XTAL1（19脚）：

接外部晶体的一个引脚。

再单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。

这个放大器构成了片内震荡器。

当采用外接晶体震荡器时，此引脚应接地。

XTAL2（18脚）：

接外部晶体的另一端，单片机内部接至内部反相放大器的输出端。

当采用外部震荡器时，该引脚接收震荡器的信号，既把信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

控制引脚提供控制信号，有的还具有复用功能。

RST/VPD（9脚）：

当震荡器运行时，在此引脚外加上个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。

推荐此引脚与VSS引脚之间连接一个曰8.2K的下拉电阻，与引脚之间连接一个10UF的电容，以保证可靠的复位。

在单片机正常时工作时，此脚应为0。

5V低电平。

ALE/PROG（30脚）：

当访问单片机外部存储器时，ALE（地址锁存器）输出脉冲的负跳沿用于16位地址的低8位的锁存信号。

即使不访问外部锁存器，ALE端应有正脉冲信号输出，次频率为时钟频率的1/6。

但是，每当访问外部数据存储器时（既从程序存储器取来MOVX类指令），在两个机器周期中ALE只出现一次，既丢失一个ALE脉冲。

因此，严格来说，用户不能用ALE作时钟源或定时。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个TTL负载。

PSEN（29脚）：

此引脚的输出是单片机访问外部程序存储器的读选通信号。

在由外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN两次有效。

单在此期间，每当访问外部数据存储（既从程序存储器取来得指令MOVX类指令），这两次有效的PSEN信号将不出现。

PSEN可以驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL负载。

EA/VPP（31脚）：

当EA端保持高电平时，单片机访问外部程序存储器，单在PC（程序计数器）值超过0FFFH时（对于8051来说），将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

当EA保持低电平是4，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存器。

3.1.2MCS-51存储器

MCS-51的存储器可划分为五类：

1、程序存储器。

一个微机系统之所以能够按照一定的次序进行工作，主要在于内部存在着程序，程序实际上是有用户程序形成的一串二进制码存在程序存储器之中。

2、内部数据存储器。

MCS-51单片机内部有128个字节的随机存取存储器RAM，作为用户的数据寄存器，它能满足大多数控制应用场合的需要，用做处理问题的数据缓冲器。

3、特殊功能寄存器（SFR-SPECIALFUNCTIONREGISER）。

特殊功能寄存器反映了MCS-51的状态，实际上是MCS-51的状态字控制字寄存器。

。

3.1.3MCS-51I/O端口

MCS-51单片机有4个双向的8位并行I/O口；P0--P3，每一个口都有一个8位的寄存器，复位后它们的初态为全“1“。

P0口是三态双向口，称为数据总线，因为只能直接用于对外部存储器的读/写数据操作。

P1口是专门供用户使用的I/O口，是准双向口。

P2口也是准双向口。

它是供系统扩展输出高8位地址。

如果没有系统扩展，P2口也可以作为用户I/O口线使用。

P3口是双功能口，也是准双向口。

该口的每一个位均可独立地定义为第一I/O口功能或第二I/O口功能。

作为第一功能使用时，口的结构与操作与P1口相同，如表3-1：

表3-1I/O端口的引脚

接口引脚

第二功能

P3.0

P3.1

P3.2

P3.3

P3.4

P3.5

P3.6

P3.7

RXD（串行输入口）

TXD（串行输出口）

INT0（外部中断0）

NT1（外部中断1）

T0（定时器0外部中断）

T1（定时器1外部中断）

WR（外部数据存储器写选通）

RD（外部数据存储器读选通）

3.1.4MCS-51的中断系统

中断系统在计算机系统中起着十分重要的作用，一个很强的中断系统，能大大提高计算机处理外界事件的能力。

MCS-51单片机的中断系统，是8位单片机中功能较强的一种，可以提供5个中断请求源，具有两个中断优先级，可实现两级中断服务程序嵌套。

用户可以用关中断指令（或复位）来屏蔽所有的中断请求，也可以用开中断指令使CPU接受中断申请；每一个中断源可以用软件独立为开中断或关中断状态；每一个中断级别均可用软件设置。

图3-4为MCS-51的中断系统结构

图3-4MCS-51的中断系统结构

3.1.5中断请求源

MCS-51提供三类共五个中断请求源，其中两个为外部中断源，由INT0，INT1引脚输入；TCON为定时器/计数器的控制寄存器，TCON用于保护外部中断请求及定时器的计时溢出。

寄存器地址88H,位地址8FH-88H，其格式如表3-2所示：

表3-2TCON位地址格式：

TCON

TF1

TR1

TF0

TR0

IE1

IT1

IE0

IT0

位地址

8FH

8EH

8DH

8CH

8BH

8AH

89H

88H

各位的功能如下:

IT0和IT1----外中断请求触发方式控制位

IT0：

选择外部中断请求INT0为边沿触发方式或电平触发方式的控制位。

但INT0为0时，为电平触发方式，INT0低电平有效；当IT0为1时，INT0为边沿触发方式，INT0输入脚上的电平从高到低的负跳变有效。

IT1：

选择外部中断请求1为边沿触发方式或电平触发方式的控制位，其意义和IT0类似.

IE0和IE1----外中断请求标志

IE0：

外部中断0的中断申请标志

IE1：

外部中断请求1为中断申请标志位，其意义和IE0类似。

TF0和TF1----计数溢出标志位

TF0：

MCS-51片内定时器/计数器T0溢出中断申请标志位。

TF1：

MCS-51片内的定时/计数器T1的溢出中断申请标志位。

SCON为串行口控制寄存器，寄存器地址为98H，位地址9FH-98H,SCON的低二位锁存串行口的接受中断和发送中断申请，其格式如表3-3所示：

表3-3SCON位地址格式

SCON

SM0

SM1

SM2

REN

TB8

RB8

位地址

9FH

9EH

9DH

9CH

9BH

9AH

99H

98H

各位的功能如下：

TI：

MCS-51串行口的发送中断标志位，TI=1表示串行口发送正在向CPU申请中断。

RI：

串行口接受中断标志位，RI=1时，表示串行口接收器正在向CPU申请中断。

3.1.6中断控制

中断屏蔽：

MCS-51的CPU对中断源的开放或屏蔽，是由片内的中断允许寄存器IE控制的，字节地址为A8H，EA：

：

MCS-51的CPU开放中断标志位。

EA=1，CPU开放中断；EA=0，屏蔽所有的中断申请。

ES：

串行口中断允许位。

ET1：

定时器/计数器T1的溢出中断允许位。

EX1：

外部中断1中断允许位。

ET0：

定时器/计数器T0的溢出中断允许位。

EX0：

外部中断0中断允许位。

EX=1允许T0中断；EX=1禁止T0中断。

MCS-51复位以后，IE被清0，由用户程序置“1”或清“0”EI的相应位，实现允许或禁止中断源的中断申请。

MCS-51的片内有一个中断优先级寄存器IP，其字节地址为B8H，只要用程序改变其内容，即可进行各中断源中断级别的设置，IP寄存器格式如表3-4所示：

表3-4IP寄存器位地址格式

PT1

PX1

PT0

PX0

位地址

BCH

BBH

BAH

B9H

B8H

PS：

串行口中断优先级控制位。

PT1：

定时器T1中断优先级控制位。

PX1外部中断1中断优先级控制位。

PT0：

定时器T0中断优先级控制位。

PX0：

外部中断0中断优先级控制位。

3.2A/D转换器接口

A/D转换器用于实现模拟量到数字量的转换，ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关触发，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100US，A/D转换器的功能是将模拟量电信号转换成数字量。

A/D转换芯片ADC0809主要性能：

1、8位逐次逼近型A/D转换器，所有引脚的逻辑电平与TTL兼容；

2、带有锁存功能的8路模拟量转换开关，可对8路0～5V模拟量进行分时转换；

3、输出具有三态锁存/缓冲功能；

4、分辨率：

8位，转换时间：

100us；

5、不可调误差：

±1LSB，功耗：

15mW；

6、工作电压：

+5V，参考电压标准值+5V；

7、片内无时钟，一般需外加640KHz以下且不低于100KHz的时钟信号。

ADC0809的内部结构与引脚功能：

1、内部结构：

有模拟电路转换开关和A/D两大部分。

模拟多路转换开关由8路模拟开关和3位地址锁存与译码器组成，地址锁存允许信号ALE将三位地址信号ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通其中一路摸信号加到A/D转换部分进行转换。

A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器SAR、256R电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等，另外具有三态输出锁存缓冲器，图3-5为ADC0809原理框

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