城市河道水位远程监测系统设计论文

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1、2013届毕业生毕业设计说明书 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： 2013 年 5 月 20 日目 录1 引言11.1 课题研究的背景和意义11.2 超声波水位监测技术的研究现状21.3 研究的主要内容32 系统方案设计43 系统硬件电路设计63.1 单片机最小系统63.2 超声波发射电路73.3 超声波接收电路83.4 数码管显示电路103.5 报警电路113.6 串行通信电路113.7 无线通信电路133.8 电源电路设计144 软件设计154.1 主程序模块154.2 数据采集处理模块164.3 显示程序模块164.4 通

2、信程序模块174.5 PC机监测模块18结 论20致 谢21参 考 文 献22附录A24附录B2521 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

3、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、

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、，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P

10、C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

11、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

12、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 LC D显示 屏，另一 种是L ED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

13、控制器之间的总线 接口。最终通过LE D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ST C系 列单片机。它有很多优点，比如说， 加密性比 较强、很难解密

14、 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3.1 STC12C5A08S2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RE SET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

15、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XT AL1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