基于单片机的智能水灾报警系统的设计毕业设计.doc
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1、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
2、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
3、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, Perf
4、ect 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, co
5、mbined 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 lev
6、el 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
7、 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89
8、C51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
9、,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
10、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
11、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
12、/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
13、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
14、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
15、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
16、。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。
17、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
18、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
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