基于单片机的智能水灾报警系统的设计毕业设计.doc

摘 要我国地处季风气候区，暴雨洪水频发。受季风气候影响，我国大部分地区夏季湿热多雨、雨热同期，不仅短历时、高强度的局地暴雨频繁发生，而且长历时、大范围的全流域降雨也时有发生，几乎每年都会发生不同程度的洪涝灾害。因此，完善的水情监测有助于中心站实时监测各地水情，并对各种突发状况做出及时、合理的措施来防止灾害的发生和降低灾害所造成的破坏。本次设计以AT89C51芯片为核心，辅以相关的外围电路，设计了以单片机为核心的水情监测系统。系统由12V直流电源供电。在硬件方面，除了单片机外，采用SDI-12总线来连接多个传感器，通过TDC40 (SDI-12 to RS232转换器)将传感器采集到的水情数据发送到单片机PO口，单片机通过FLASH存储实时数据，亦可通过PSTN, GSM、北斗卫星、海事卫星等通信信道将采集到的水情数据传输到中心站。在软件方面，采用C语言编程。通过对单片机程序设计实现对水情监测系统的整个水情数据的采集、存储和传输程序进行监测、判断和控制以及人机交换。关键词: 单片机 SDI-12 数据采集 水情监测AbstractChina is located in the monsoon climate zone and torrential rain and flood often happens .Affected by this monsoon climate, most of our region is hot wet and more rain in summer .Not only for short duration, high strength local rainstorm often happens, but also rain in wide range of the valley with long duration often happens .Annually, floods disaster happens in large range of our nation with varying degrees. Therefore, Perfect hydrological monitoring can help real-time monitoring hydrological in all regions with the central station and Make timely and reasonable measures for a variety of unexpected situations to prevent disasters and reduce the damage caused by disasters.The design use the AT89C51 chip as the core, combined with the necessary peripheral circuits .We design the hydrological monitoring system with 51 MCU as a core. It consists of 12V DC power supply. On the hardware side, in addition to MCU, It uses SDI-12 bus to connect multiple sensors .Collected by TDC40(SDI-12 to RS232 converter) the water level sensor data is sent to the MCU ports PO .The MCU use FLASH to store real-time data and transport the collected water level data to the central station through communication channel, such as the PSTN, GSM, COMPASS satellite, maritime satellite and so on. On the software side, we use C language for programming. By programming on the MCU, we realize hydrological monitoring system for the entire hydrological data collection, storage and transport procedures for monitoring, to determine and control and human exchange.Key word: MCU SDI-12 data acquisition water level monitoring目 录第一章 绪言1第二章 单片机89C51简介2第一节 单片机的特点2第二节 单片机89C51介绍2第三章 基于单片机的水灾监测技术4第一节 AT89C51内部结构4第二节 AT89C51引脚及功能5第三节 时钟震荡电路设计7第四节 电源电路设计7第四章 A/D转换器TLC254312第一节TLC2543的编程要点12第二节 TLC2543与51系列单片机接口13第三节 数据采集程序设计14第五章 系统设计16第一节 系统设计思路16第二节 系统设计框图16第三节 系统硬件设计17第四节 系统软件设计17结论19致 谢20参考文献21第一章 绪言目前，国内许多水文站监测水位和降雨量仍采用人工方法。该方法不但存在测量的人身安全问题，而且还存在数据测量难准确、监测实时性不强等问题，这会严重影响正常的工作效力。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接洽，这种方式不但保护起来艰难，而且在很大水平上限制了其在时空上的拓展性。采取GSM模块与单片机构成的系统则能够解决以上的问题。通过单片机的并行I0口可以很方便的实现水位的显示功效。现有的GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络才气强的特色，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节俭了昂贵的建网费用和保护费用。当采取GSM模块时，就可以通过一种无线通讯的方式以实现远程终端监控和报警的功效。本文的章节内容安排如下：第二章介绍了于单片机的特点以及功能，并进行了详细分析。第三章给出了基于单片机的水灾监测技术系统方案。第四章着重研究了A/D转换芯片、储存器等核心器件的选择、特点、工作原理以及具体设计。第五章给出了水灾监测系统的软件设计，设计了具体软件流程。第二章 单片机89C51简介第一节 单片机的特点（1）片内存储容量较小原因是受集成度的限制。ROM一般小于8KB，RAM一般小于256B，但可以在外部扩展。通常ROM，RAM可分别扩展至64KB。 （2）可靠性高 因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机。系统软件（如：程序指令，常数，表格）固化在ROM中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。（3）便于扩展:计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的（总线，并行和串行的输入/出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。（4）控制功能强的控制指令如：条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令，（5）实用性好体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。第二节 单片机89C51介绍一、特性（1）80C51核心处理单元4k字节FLASH 89C51X2；8k字节FLASH 89C52X2；16k字节FLASH 89C54X2；32k字节FLASH 89C58X2；128字节RAM 89C51X2；256字节RAM 89C52X2/54X2/58X2；布尔处理器；全静态操作；（2）12时钟操作可选6个时钟通过软件或并行编程器；（3）存储器寻址范围；64K字节ROM和64K字节RAM。图2.1 CPU框图第三章 基于单片机的水灾监测技术第一节 AT89C51内部结构Atmel公司的AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4kB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储器技术制造。其内部资源分配如下:1个8位的微处理器(CPU) ; 2个16位定时器/计数器;5个中断源;4kB的Flash存储器;128字节片内RAM; 1个全双工DART(通用异步接收发送器)的串行1/0口，用于实现单片机和微机之间的串行通讯;4个8位并行1/0接口PO-P3,每个口即可以用作输入，也可以用作输出。图3.1是AT89C51的内部结构图。图3.1 AT89C51内部结构图第二节 AT89C51引脚及功能图3.2 AT89C51芯片引脚图AT89C51引脚说明:1.电源引脚:Vcc (40脚):电源引脚+5V；Vss (20脚):地引脚。2.外部晶振:X1, X2分别与晶体两端相连接当采用外部时钟信号时，X2接振荡信号，X1接地。3.输入输出口引脚:PO口(第39-32脚)PO口由P0.0-P0.7共8位组成。当不与片外存储器相连接以及与不扩展FO口时，那么可以作为准双向输入/输出口。而在扩展PO口或者接有片外存储器时，那么PO口可以传递低8位地址信号和双向数据信号P 1口(第1-8脚):P1口由P 1.0-P1.7共8位组成，可作为准双向1/0口使用。P2口(第21-28脚):P2口由P3.0-P3.7共8位组成，一般可作为准双向FO口使用;在扩展PO口或者接有片外存储器时，那么PO口可以传递低8位地址信号和双向数据信号 P3口(第10-17脚):P3口由P3.0-P3.7共8位组成。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。为了便于接下来的说明，单片机各管脚网络标号定义如图3.2。根据电路设计规范和AT89S52芯片手册，设计时钟电路与复位电路如图3.3：图3.3 时钟电路和复位电路图中网络标号RST连接单片机RST引脚，具有上电复位与手动复位的功能；XTAL1与XTAL2连接单片机XTAL1和XTAL2引脚，且并联两个30pF匹配电容使晶振起振。由于单片机P0口作普通I/O口时不能输出高电平，因此需接上拉电阻，实际电路中，使用8*10K电阻作为上拉电阻。第三节 时钟震荡电路设计AT89C51单片机有一个片内的振荡器电路，由一个单级反相器组成，可用来作为CPU的时钟源。本设计采用了片外时钟振荡器，在单片机的引脚XTAL 1和XTAL2之间连一个石英晶体谐振器，并接两个电容到地，就组成了完整的并联谐振电路输出时钟信号。图3.4为时钟振荡电路:图3.4 时钟震荡电路第四节 电源电路设计一、电源选择原理电源类型分为DC/DC和LDO两种:DC/DC电源:使用直流电，通过调整其PWM(占空比)来控制输出的有效电压的大小。是一种非线性电源，特点是成本较高，电源效率高，损耗小，但是其电源纹波特性差。当系统对电源纹波要求不高时，就可以选用DC/DC电源模块;如系统输出大电流时，由于DC/DC电源模块的效率高，因此就必须选用DC/DC电源模块。LDO电源:低压差线性稳压器，从输入电压中减去超额的电压产生经过调节的输出电压，是一种线性电源，特点是成本低，电源效率低，损耗大，但是其电源纹波特性较好。当系统对电源纹波要求高时，就可以选用LDO电源模块;如果系统输出电流不大时，就可以选用LDO电源模块。二、水情检测系统电源设计本系统由太阳能板经变换后提供12V电源，而单片机需要5V电源，因此需要设计电源转换电路，电源转换电路如图3. 5所示，由于系统电流不大，因此需用低成本LDO模块7805作为电源芯片。图3.5 电源设计电路（1）SDI-12总线SDI-12是一种标准的接口方式，它可以提供连接数据采集器和智能传感器的方法。该通信协议由SDI-12小组开发，并经历了长期的修改和不断地规范。现在的最新版本是2005年7月18号公布的V1.3版 14。在该协议支持下，可广泛应用在江河湖海的水文和气象等地球环境监测，工农业多参数远距离测控。SDI-12具有系统集成成本低;单总线可连接多个传感器;传感器可与数据采集设备的距离较远、仪器通信功耗最小化等优点。（2）SDI-12电气接口SDI-12接口总线使用在标准传感器和SDI-12数据采集器之间的连接来传送串行数据，使用的波特率是1200 baud。总线上可以同时连接多个标准的传感设备。SDI-12通信协议采用三线制，包括+12 V电源线、数据线和地线So SDI-12的数据结构为1位起始位、7位数据位(低位在前)、1位偶校验位、1位停止位。表3.1是在SDI-12总线上连接了数据采集器和两个传感器的电路。总线允许同时连接10个传感器，由地址码00-09识别。表3.1 传感器地址码ASCII地址十进制十六进制含义“0”4830误址，所有传感器出厂时初始值为“0”“1”至“9”49至5731至39SDI-12总线上的传感器地址（3）SDI-12的命令和响图3.6为SDI-12数据采集器流程图。图3.6 数据采集器流程图图3.7为SDI-12传感器流程图。图3.7 传感器流程图（4）SDI-12与RS-232RS-232是目前最常用的一种串行通讯推荐标准。它通过每一个插针都规定了功能的9针或25针接插件传送ASCII码。信号电平的规定如表3.2所示:表3.2 RS-232逻辑电平在RDX和TDX线上在RTS,CTS,DSR,DTR和CD线上“标志”（Mark “1”）为 -3-25V“空闲”（Space “0”）为+3+25V“断开”（OFF）为-3-25V“接通”（ON）为+3+25V为了与晶体管一晶体管逻辑电路(TTL)的电平(低电平为0.6-0.8V，高电平为2.4-3.3V)相匹配，发送器的驱动器的内阻应大于300Q，接收器的输入阻抗应在3-7kQ之间。SDI-12与RS-232都是传送ASCII码，只是电平和传送线数不同，可以兼容。当支持SDI-12的采集器工作在“透明方式，"(Transparent mode)时，用户用键盘操作SDI-12命令，通过支持RS-232(或422, 485)的PC机发送给传感器。把这些命令通过采集器发送给传感器，然后再把传感器的响应信号通过SDI-12采集器发送给PC机。在本次设计中，我们需要支持SDI-12的传感器与PC机接口，要通过变3芯(或4至9芯)为25芯、变SDI-12为RS-232的电缆适配器(Adapter)进行变换。通过RS-232串口与单片机相连来传输采集数据;该电缆还有一个与外部电源相连的分叉接插头。第四章 A/D转换器TLC2543第一节TLC2543的编程要点一、控制字的格式控制字为从DATA IN PUT 端串行输入TLC2543 芯片内部的8 位数据,它告诉TLC2543 要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。其中高4 位( D7 D4) 决定通道号,对于0 通道至10 通道,该4 位分别为0000、0001、1010 ,该4 位为其它数字时的功能,用于检测校正,本文不作具体介绍。低4 位决定输出数据长度及格式, 其中D3、D2 决定输出数据长度, TLC2543 的输出数据长度有8 位、12 位、16 位,但由于TLC2543 为12 位A/ D转换芯片,经过分析可以看出,8 位、16 位输出对TLC2543 的应用意义不大, 宜定在12 位输出, D3、D2 两位为00 即可。D1 决定输出数据是高位先送出,还是低位先送出,若为高位先送出,该位为0 ,反之为1。D0 决定输出数据是单极性(二进制) 还是双极性(2 的补码) ,若为单极性,该位为0 ,反之为1。举例说明:设采集第6 通道、输出数据为12 位、高位先送出、输出数据的格式为二进制,则控制字为:0110 0000 ,用十六进制表示即为60 H,本文基于此格式说明转换过程。二、TLC2543 的内部寄存器从编程角度看, TLC2543 内部寄存器有输入数据寄存器与输出数据寄存器。输入数据寄存器存放从DATA IN PUT 端移入的控制字。输出数据寄存器存放转换好的数据, 以供从DATA OUT 端移出。三、转换过程上电后,片选CS 必须从高到低,才能开始一次工作周期,此时EOC 为高,输入数据寄存器被置为0 ,输出数据寄存器的内容是随机的。开始时,片选CS 为高, I/ O CLOCK、DATA IN PUT 被禁止, DATA OUT 呈高阻状态, EOC为高。使CS 变低, I/ O CLOCK、DATA IN PUT 使能, DATA OUT 脱离高阻状态。12 个时钟信号从I/ O CLOCK端依次加入,随着时钟信号的加入,控制字从DATA INPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543 (高位先送入) , 同时上一周期转换的A/ D 数据, 即输出数据寄存器中的数据从DATA OUT 一位一位地移出。TLC2543 收到第4 个时钟信号后,通道号也已收到,因此,此时TLC2543 开始对选定通道的模拟量进行采样,并保持到第12 个时钟的下降沿。在第12 个时钟下降沿, EOC 变低,开始对本次采样的模拟量进行A/ D 转换,转换时间约需10s ,转转完成EOC 变高,转转的数据在输出数据寄存器中, 待下一个工作周期输出。此后,可以进行新的工作周期。第二节 TLC2543与51系列单片机接口目前使用的51系列单片机没有S PI或相同的接口能力,为了与TLC2543接口,可以根据上节所给出的编程要点, 利用软件合成S PI 操作, 完成A/ D 数据的采集。下图给出了TLC2543与51系列接口的一种方式。图中TLC2543 与单片机之间只用4 根线,转换结束EOF未接入单片机,这是基于二个工作周期之间的单片机指令一般大于10s ,转换已经完成,不必判断EOF ,也可以通过试验或计算指令执行时间确定转换是否结束, 这样可以省去一根接线。下一节将根据此电路进行A/ D 采集程序的设计。为了使电路简捷,有关电源、参考电压、去耦等电路未画出。图4.1 TLC2543与51系列单片机接口电路第三节 数据采集程序设计根据TLC2543 的工作原理电路,可以进行A/ D采集程序的设计。设TLC2543工作于输出数据为12位、高位先送出、输出数据为二进制的格式,这样控制字的高4 位为通道号,低4 位均为0。以下是采集一个通道的TLC2543A/ D 转换子程序AD12：NOPNOP NOPCLR P1.5SET P1.4NOPCLR. P1.4MOV A，R1SWAP AMOV R2，#08HAD1：MOV C，P1.7RLC AMOV P1.6，CSETB P1.5CLR P1.5DJNZ R2，AD1MOV R0,AMOV A,R1SWAP A MOV R2,#04HAD2:MOV C, P1.7RLC AMOV P1.6 CSETB P1.5CLR P1.5DJNZ R2,AD2INC R0MOV R0,ASETB P1.4RET以下是利用上述子程度采集0通道数据放入内存21H、22H,采集1通道数据放入内存23H、24 H的主程序。CJDZ:NOPNOP MOV R1,#00HMOV R0,#21HLCALL AD12NOPMOV R1,#01HMOV R0,#21HLCALL AD12NOP MOV R1,#00HMOV R0,#23HLCALL AD12RET第五章 系统设计第一节 系统设计思路为了达到报警的需求，只需在危险水位附近安上压力传感器，水一到危险水位就传导出电流，附近就由传感器组传导电流即模拟信号给数据采集系统中，通过A/D转换成数字信号给单片机的控制系统，控制系统即可将次危险信号通过无线发射机发送给控制中心的计算机上，这样就可以远程知道水位到了危险水位，这样就可以达到报警的要求。第二节 系统设计框图图5.1 系统遥测站图5.2 系统中心站系统由系统遥测站和系统中心站两部分组成。系统遥测站主要完成对水位信号的采集、存储，接收遥控指令并发送数据。系统中心站的主要工作是接收数据信息、进行数据处理和数据管理、传输到计算机显示水位信息等。此报警系统就是利用单片机实时将水位信息通过无线传输发送到主机上，通过主机即可了解水位信息，当水位达到危险水位时即可达到报警的目的。第三节 系统硬件设计感应水位计可以采用压力传感器，利用水的压力产生信号即电流给传感器，将电流送入A/D转换单元。可选用TI公司的12位串行模数转换器TLC2543，其价格适中，分辨率较高，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。而且采用的是串行输入结构，能大大节省51系列单片机的I/O资源，以便于系统以后的扩展升级。其特点为：12位分辨率A/D转换器；在工作温度范围内10us转换时间；11个模拟输入通道；3路内置自测试方式；采样率为66kb/s；线形误差1LSBmax；有转换结束输出EOC；具有单、双极性输出；可编程的MSB或LSB前导；可编程输出数据长度。而单片机的控制系统中的单片机可选用Atmel公司的AT89C51单片机，它是一种低功耗、高性能的、片内含有4KB Flash ROM的8位CMOS单片机，工作电压范围为2.76V（实际使用+5V供电），8位数据总线。它有一个可编程的全双工串行通信接口，能同时进行串行发送和执着收。通过RXD引脚（串行数据接收端）和TXD引脚（串行数据发送端）与外界进行通信。其特点为：工作频率024MHz；2个标准16位定时/计数器；可编程I/O口线32条，中断源5个；4K字节快闪ROM，128字节RAM；工作电压2.76V，编程电压12V/5V；可电擦写1000次；40引脚，DIP封装。再利用AT89C51控制系统将信号串行输出给发射单元，再经过无线传输到主控中心达到报警效果。第四节 系统软件设计本系统的软件程序主要包括数据采集子程序和数据传输子程序。串行输入输出的数模转换器，在编程时要特别注意TLC2543的工作时序。其I/OCLOC引脚接受串行输入信号，在I/O CLOCK的前8个上升沿，DIN引脚的8位输入数据存入数据寄存器；在I/O CLOCK的第4个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到I/O CLOCK的最后一个下降沿为止；将前一次转换数据的其余11位输出到DATA OUT端，在I/O CLOCK的下降沿时，数据开始变化，I/O CLOCK的最后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位。因此，TLC2543在每次I/O周期读取到的数据，都是上次转换结果，应该丢弃，就再读一次，就为当前转换值。图 5.3 数据采集子程序流程图单片机的数据传输子程序的功能是将单片机通过TLC2543采集到的数据通过单片机的串行口以一个固定的波特率发送到调制器再通过发射机发送出去。图5.4 单片机数据发送子程序结 论本文首先介绍了水情监测系统的发展现状和趋势，介绍了水情数据的采集、存储和传输方案，提出了系统的设计指标和总体;并选取合理的电路芯片和关键的总线协议，提出了水情监测的软硬件设计方案，并完成了其硬件和软件的设计和测试。本系统具有以下功能:1.由单片机作为主控系统，集成了对水库、水文、雨量等水情数据的采集、存储和远距离传输，使水情监测系统应用更加普遍。2.系统对每个芯片采取分时操作，合理利用单片机I/O端口来弥补单片机端口不足的缺点。3.设计采用支持八路模拟信号输入的12位测量精度的A/D模块，提高了系统采集的速度和精度。4.数据传输采用PSTN, GSM、北斗卫星、海事卫星四种通信信道来传输水情 数据和实况数据，使用者可以根据所在区域的通信网状况选择合适的传输信道来传输数据，这样增加了数据传输的可靠性。5.通过继电器实现了太阳能电池板供电中的电源加电控制，同时硬件防雷隔离控制。致 谢经过半年的准备，在论文完成之际，首先要感谢尊敬的郑老师，本论文的顺利完成与老师的谆谆教导和悉心启迪是分不开的。老师严谨的治学态度、渊博的学术知识、孜孜不倦的敬业精神和平易近人的态度，给我留下了深刻的印象，并且将不断的激励我奋发向上。在此，对老师的教导和关心表示衷心地感谢！感谢寝室及班上的同学，在我遇到问题的时候，他们给了我很多的鼓励，我永远难忘那些我们在一起共同学习、共同奋斗过的时光。最后，对大学三年来所有在学业上和生活中给予我帮助和关心的人们致以诚挚的谢意！参考文献1何立民.单片机应用技术选编.北京航空航天出版社.1997年2月. 2万福君.单片微机原理、系统设计与开发应用.中国科学技术大学出版社1994年11月. 3郭敬枢.微机控制技术.重庆大学出版社.1994年11月.4周立功单片机网 http:/www.zlgmuc.com/.5陈杰、黄鸿. 传感器与检测技术. 高等教育出版社.2002年8月.