城市河道水位远程监控系统研究与设计毕业设计(编辑修改稿)

城市河道水位远程监控系统研究与设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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 LCD和报警器， 分别 进行数据的显示和报警。 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 手 机， 从而对河道水位的数据信息进行 实时显示。 (2)、设计任务： 陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 61 页 采用超声波非接触式测量方法完成水位测量 ； 利用 GPRSDTU 模块实现远程数据传输功能和报警功能； 系统集成，完成功能调试。 陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 61 页 2系统方案 选择和论证 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。 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 GSM 模块传输给手机。 手机短信将把报警信息 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：水位 测量部分、声光报警部分、 LCD 数据显示部分、单片机部分、 GSM 无线通信模块部分、接收手机。 该系统部分硬件模块 的方案选择 如下： 1 单片机的选择 该系统的主控制器部分选用 STC89C52 单片机。 该单片机是 8052 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 8052 指令系统，更重要的是其功耗比原来的 51 单片机要低很多，能够大幅度提高该系统的工作效率。 STC89C52 单片机 是STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器。 该单片机 使用经典的 MCS51 内核， 经过许多 的改进 后大大提高了其基于 传统 51 单片机 的 功能。 在单芯片上， 该芯片 拥有灵巧的 8 位CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多 嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 2 水位 测量模块 方案选择 ： 方案（ 1）： 核辐射法 不同物质对同位素射线的吸收能力不同 ,一般固体最强 ， 液体次之 ， 气体最差。 因此 ， 测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现。 辐射式物位计既可进行连续测量 ， 也可进行定点发送信号和进行控制。 射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响 ， 而且可以穿透各种介质 ,包括固体 ，因此能实现完全非接触测。 这些特点使得辐射式测距计适合于特殊场合或恶劣环境下的液位测量 ， 如高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾状 态介质、高温熔融体等的液位测量。 但在使用时仍要注意控制剂量 ， 作好防护 ， 以防射线泄漏对人体造成伤害。 方案（ 2）： 微波测量法 在电磁波谱中将波长为 1~ l000mm 的电磁波称为微波。 微波的特点是在各种障碍物上都能产生良好的反射 ， 具有良好的定向辐射性能。 在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小 ,具有很强的环境适应能力。 随着大规模集成电路技术和微处理技术的迅速发展 ， 微波检测技术从长期停滞不前的原理性、实验性研究阶段 ,迅速进入工程实用和产业化阶段。 激光用于液位测量 ， 克服了普通光亮度差、方向性差、传输距离近、 单色性差、易受干扰等缺点 ,使测量精度大为提高。 激光式液位检测仪由激光发射器、接收器及测量控制电路组成。 工作方式有反射式和遮断式 ， 在物位测量中两种方式都可使用 ， 但一般只用作定点检测控制 ， 不易进行连续测量。 方案（ 3）： 超声 波 测量 ： 超声波测距的基本原理是由超声探头发出的超声脉冲信号 ， 在空气中传播 ， 遇到空气与物体的界面后被反射 ， 接收到回波信号后能得到超声波传播时间。 根据其传播速度和传播时间计算出其传播距离 ， 得到传感器到物体的距离。 超声波测距优越性 ： 位移测量是工业中经常遇到的一个问题。 针对不同用途和要求 (从测 量范围、精度要求、测量条件等考虑 )， 位移测量有多种测量技术：有机械的浮子方法；利用电阻、电感、电容的非电量电测量方法；有光学或激光测量方法；有利用放射性或射流技术的测位方法等 ， 在本设计中采用的是超声波测量技术 ， 超声波测位移有很多优点 ,与放射性技术相比不需防护；与目前的激光测距 相比， 超声技术虽在精度上略逊一筹 ,但比较简单、价格低廉；更重要的是在恶劣环境下 ,激光测距将 陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 61 页 受到严重干扰 ,此时超声测量的高精度就会体现出来。 一般来说 ,超声波位移测量无须有运动的部件 ,所以在安装和维护上占有很大的优越性。 超声波位移测量可以选 用气体、液体或固体作为传声媒介 ,具有很大的适应性 ,因此 ,在测量要求比较特殊 ,一般测量方法无法采用时 ,可考虑采用超声测位移。 因此 本课题测量部分 选择方案（ 3）。 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 超声波测量 是非接触式测量的典范。 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。 HCSR04 超声波测距模块可提供 2cm400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达到 3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。 3 通讯控制模块 的选择 测量站和监测站之间使用无线通讯模块来实现连接。 采用无 线通信模块将系统采集处理过的信息，通过 GSM 网络，以短信的方式 发送给接收手 机，便可 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。 本系统的无线远程通信功能是通过用 SIM 900A模 块来实现的，当单片机接收到超声波所检测道德数据之后并将其 转换 成数字信号后通过串口送给 SIM 900A 模块，然后 SIM 900A 模块将这个信息发送 给已经设置好的手机号码，接收号码将通过短信的形式读取报警内容。 4 数据显示模块 的选择 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 LCD 显示 屏，另一 种是 LED数 码管。 本设计采用 LCD1602 模块实现液晶显示，采用此模块的原因在于：液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，因此，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，比 传统的 LED 显示器件有很大的优势。 综上所述，系统的最佳方案总 体结构 框 图如图 所示。 单片机模块超 声 波 发 射 模 块超 声 波 接 收 模 块L C D 显 示 模 块声 光 报 警 模 块电 源 模 块S I M 9 0 0 A 模 块 串 口 图 系统最佳方案 总体结构框图 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 61 页 3硬件设计及实现 单片机最小系统 历史上 第一台 单片机 诞生于 20 世纪 70 年 代 ， 核心部分 由 存 储器、运 算器、 控 制器 和输 入输 出设备 等组 成。 经 过这多年 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 AT 系 列单片机。 它有很多优点 ， 比如说， 加密性比 较 强 、 很难解密 或者破解 、 超强抗干扰能力 、 超低功耗。 这一系列的优点使得 AT 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。 52 系列单片机的优点是价钱便宜 ,I/O 口多 ,程序空间大。 所以 ， 在单片机硬件设计系统中， 52系列单片机是最理想的选择，因此 本 设计采用 STC89C52。 其 最小系统 如图 所示： 图 STC89C52 最小系统 该芯片为 52 内核 8 位单片机，兼容 Intel 等 52 内核单片机，支持 ISP 下载，适用于常用检测控制电路。 由 STC89C52 组成的单片机系统原理图如图 所示。 超声波 电路 超声波测距原理： 超声波是一种频率超过 20KHz的机械波。 它作为一种特殊的声波，同时 具有声波传输的基本物理特性： 折射、 反射、干涉、 散射 、 衍射等 特性。 而且 超声波具有 振幅小、 方向性集中、 加速度大等优点，可产生很大的 力量，并且在不同的煤质介面，声波的大部分能量会反射 [3]。 超声波发射 器 1234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 0124 03 93 83 73 63 53 43 33 23 12 92 82 72 62 52 42 32 22 13 0STC89C52P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7R S T( R X 0 ) P 3 . 0( T X 0 ) P 3 . 1( I N T 0 ) P 3 . 2( I N T 1 ) P 3 . 3( T 0 ) P 3 . 4( T 1 ) P 3 . 5( W R ) P 3 . 6( R D ) P 3 . 7X T A L 2X T A L 1G N DV C CP 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2 P 0 . 3 P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 6 P 0 . 7E A / V P PA L E / P R O GP S E NP 2 . 7 ( A 1 5 )P 2 . 6 ( A 1 4 )P 2 . 5 ( A 1 3 )P 2 . 4 ( A 1 2 )P 2 . 3 ( A 1 1 )P 2 . 2 ( A 1 0 )P 2 . 1 ( A 9 )P 2 . 0 ( A 8 )K 11 1 . 0 5 9 2 M3 0 p f3 0 p f1 0 μ FV c cV c c1 0 KV c c 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 61 页 向某一 固定方向发射长一个 频率为 40KHz的脉冲信号，发射的同时进行计时，当声波在传播途径当中碰到障碍物就 会立刻 返回，超声波接收头收到反射波 的同时立即停止计时。 设超声波脉冲由传感器发出到接受所经历的时间为 t，超声波在空气中的传播。