基于GPRS的水库监测系统——水位信号采集及传输设计毕业论文

毕业论文
题目基于GPRS的水库监测系统
─水位信号采集及传输设计
英文题目A Water-level Monitoring System of the Reservoir Based on GPRS
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摘要
目前国内的水库监测只是针对大中型水库，而大量分布的小型水库还是监测的盲点。

正是这些小型水库的监测失控造成了近些年的洪涝和干旱的重要原因。

但是大中型水库的监测模式不适应用于网点多，分散零散的小型水库监测。

为此，设计了适合集中控制分布式的小型水库网点模式的水位测距仪。

系统的硬件部分主要是超声波传感器，利用超声波传感器进行模拟采集数据，数据处理部分采用STC12C5A60S2单片机为核心控制器件，由显示芯片LCD1602进行现场显示，再通过，MAX232传到上位机。

由上位机进行显示。

本论文联系于基于GSM 网络的GPRS 网络通信技术实现远程数据传输，从而实现远程水位实时监控功能的系统。

本论文对电路的功能和工作原理进行详细介绍。

关键词：分布式水库，水位监测，超声波，数据采集，数据传输
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Abstract
At present the domestic reservoir monitoring is aimed at large and medium-sized reservoir, and a large number of distribution of small reservoir or monitoring blind spot. It is these small reservoir monitoring control caused by the recent floods and droughts are important causes of. But large and medium-sized reservoir monitoring mode is not adapted for outlets, scattered scattered small-sized reservoir monitoring. To this end, we design a centralized control of distributed small reservoir model.
Here uses the sensor mainly is the ultrasonic sensor,Carries on analog data gathering using the ultrasonic sensor.data-acquisition takes STC12C5S60S2 single chip microcomputer as the key controller element. The display chip LCD1602 field display.and sent to the PC through MAX232 the main communication wire,also it will be shown.
This paper mainly introduces a remote monitoring system, which accomplishes remote data transfer by the technique of GPRS based on GSM network.
This paper the circuit function and working principle in detail introduction. Keywords: Distributed Reservoir, A water-level Monitoring, Ultrasonic Wave, Data Acquisition, Data Transmission
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目录
摘要 (I)
Abstract (VI)
1 概述
1.1选题意义 (1)
1.2 测距方法发展与比较 (1)
1.3 设计思路及要求 (2)
1.4 论文章节说明 (3)
1.5 小结 (4)
2 超声波测距原理
2.1 超声波简介 (5)
2.2 超声波测距原理 (5)
2.3 温度补偿原理及运算 (6)
2.4关于超声波长距离和短距离的测量问题和限制 (7)
2.5 小结 (7)
3 软硬件说明
3.1 使用软件简介 (8)
3.2 硬件 (9)
3.3小结 (15)
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4 硬件设计与实现
4.1 电路规划说明 (16)
4.2 电路原理图设计 (16)
4.3 PCB图设计 (17)
4.4 感光法制作电路板 (18)
4.5 手工焊接技术 (20)
4.6电路板成品图 (22)
4.7 小结 (22)
5 程序设计
5.1 程序整体规划说明 (24)
5.2 DS18B20温度传感器程序 (24)
5.3 超声波测距程序说明 (26)
5.4LCD1602程序说明 (27)
5.5 显示程序和Main函数说明 (29)
5.6小结 (31)
6 程序调试与误差分析
6.1 使用Keil和Protues调试程序说明 (32)
6.2 写入程序及演示结果说明 (33)
6.3 最终电路实物图 (36)
6.4 性能和误差分析 (37)
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6.5 小结 (37)
结束语 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
附录一 (41)
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1 概述
1.1选题意义
目前国内的水库监测系统只是针对大中型水库，而在中国小型水库的管理失控却是洪涝和干旱的主要原因。

对小型水库的监测将在未来变的更加重要。

所以制作适合分布零散的小型水库的监测系统非常有必要。

超声波测距在现代工业测量中有着广泛的应用，超声波可以在一些特定场合或者环境比较恶劣的环境下使用。

超声波仪器比光学器件更有利于管理。

并且利用单片机控制超声波监测水位有比较快速，方便，计算简单，容易做到实时监控，而且精度高等优点。

因为超声波在测距在某些方面有的优势。

设计好的超声波测距仪监测小型水库的水位就显得有必要。

这就是本设计的意义所在。

1.2 测距方法发展与比较
1.2.1 国际超声波测距发展
一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验。

经过这么多年的发展，随着超声波技术研究的不断深入，而且他的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。

目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。

此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也有广泛的应用。

国外在提高超声波测距方面做了大量的研究。

对超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传输速度，二者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传输时间的不确定度来提高测距精度。

目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。

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1.2.2 测距方法简介
在人类发展的过程中，我们使用过很多方法，大体分为三类，比如目测，步测，臂长尺测，等等原始的方法；再有或者用步枪测量，指南针测量，甚至车辆测量的方法；对于用更加先进的技术的测量距离的，普遍的是超声波测距，以及激光测距，红外线测距。

测量是向着精确度越来越高发展，在隐性发面测量的记录更加快捷。

1.2.3 激光与超声波测距比较
超声波测距与激光测距是现在最常用的两大工业测量方法，有各自的优缺点。

超声波优点是比较耐脏污，即使传感器上有尘土，只要没有堵死就可以测量，可以在较差的环境中使用，所以倒车雷达多半使用超声波。

超声波缺点是精度较低。

激光测距的优点是精确，缺点是需要注意人体安全，且制做的难度较大，成本较高，而且光学系统需要保持干净，否则将影响测量。

综上所述，超声波仪器不需要更多的人去保养，更适合在更加不好的环境。

1.3 设计思路及要求
1.3.1 系统设计—总体中的个体
本毕业设计题目是三个题目中的一个，属于下位机。

中间包括GPRS传输，上位机是处理信号的服务器。

在这个整体中本设计的要求仅仅是把距离和温度数据通过串口传输出去。

传输分两种，一种是方便实验可以直接和电脑连接，一种是通过连接GPRS。

这两种方式并不需要改程序去适应。

只需要添加传输格式即可。

而本设计的任务就是数据采集。

水位监测系统整体图如图1-1所示。

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图1-1 整体图
1.3.2 系统设计要求
（1）超声波温度补偿测距；
（2）发送的连续性；
（3）是通过MAX232串口，方便连接GPRS设备，能远距离传输；
1.4 论文章节说明
本论文主要介绍整个设计，包括设计的选题，原理，所用的软件，硬件以及测试全部过程，通过论文可以全部还原设计的每个方面。

第一章，概述；顾名思义就是大概的说明一下超声波在社会发展中的情况，即“被”超声波选择和选择超声波的原因。

第二章，超声波测距原理；具体的说明超声波的原理，测距所需要注意的环境等情况，包括测距中需要用到的超声波的不确定性而引起的误差，即温度补偿声波在空气中的传播速度的误差。

第三章，软硬件使用说明；这章简单的说明设计过程中所用到的软件。

认识和分析所用的硬件的特点。

为后边的设计的过程做必要的准备。

信息科学与技术学院学士学位论文第四章，程序设计及实现；在第三章已经认识了所需要的软件之后，先决定写程序，因为可以通过软件模拟程序的实现。

第五章，电路设计及实现；在一切就绪以后就必须动手做实物。

这个章节主要介绍过程和所用的物件。

第六章，调试；分析错误并解决，分析误差并尽力减小误差。

错误来源有程序错误和硬件拼装错误，所以用的是调试软件的软件，硬件的错误只能靠人工去发现并解决。

1.5 小结
通过本章节的说明，了解论文题目的研究意义，即声波的速度比其他测量方式慢，且为非接触式等原因。

以及超声波的发展。

并对论文题目的设计需求和论文章节说明做了介绍，分别是：概述，超声波测距原理，软硬件说明，程序设计与实现，电路设计与实现，调试等章节。

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2 超声波测距原理
2.1 超声波简介
声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。

当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计，取整数为20000赫兹)时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。

利用超声波的这种性能就可制成超声传感器，或称为超声换能器，它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。

换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能转换为电能。

2.2 超声波测距原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2
最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：s=340t/2。

由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。

在使用时，如果传播介质温度变化不是很大的情况，则可认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。

如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正（将在一面一节中谈到）。

只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

这就是超声波测距仪的基本原理。

信息科学与技术学院学士学位论文超声波的测距原理如图2-1所示。

超声波发射障碍物
图2-1 超声波的测距原理
H=scos θ（2.2-1）
θ=arctg（L/H）（2.2-2）式中:L---两探头之间中心距离的一半.
又知道超声波传播的距离为:
2s=vt (2.2-3)
式中:v—超声波在介质中的传播速度;
t—超声波从发射到接收所需要的时间.
将（2.2—2）、（2.2—3）代入（2.2-1）中得：
H=(Vtcos[arctgL/H])/2 (2.2-4)其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H远远大于L时,则(2.2—4)变为:
H=Vt/2 (2.2-5)
所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.
2.3 温度补偿原理及运算
在本设计中，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，所以对超声波传播速度加以修正，以减小误差。

下面公式是超声波传播速度与空气温度的关系。

V = 331．4 + 0．607T
信息科学与技术学院学士学位论文式中，T为实际温度单位为℃，v为超声波在介质中的传播速度单位为m／s。

超声波波度与温度关系如表2-2所示。

表 2-1 超声波波速与温度的关系表
在通过上边的公式得到比较真实的速度以后带入（2.2-5）中，就得到
H=（331．4 + 0．607T）*t/2
这里采用的主要元器件是是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20，其具有精度高、智能化、体积小、线路简单等特点。

将DS18B20数据线与单片机的P1.0口相连，就可以实现温度测量。

2.4关于超声波长距离和短距离的测量问题和限制
由于超声波发送探头发射的信号不是单一方向的，而是向一片区域发送信号，并且超声波探头的发送功率有限。

所以在测量的时候需要注意一些问题，对于长距离，被测目标必须垂直于超声波测距仪；被测目标表面必须平坦；测量时在超声波测距仪周围没有其他可反射超声波的物体,即开阔地，等。

对于短距离，由于两个探头之间是有一定距离的，所以超声波无法收回回波。

所以必须注意在测量时保持距离在0.5cm以上比较好。

2.5 小结
通过对本章的介绍，熟悉了超声波的原理，并对超声波测距的方式进行了说明。

其中对于超声波对于温度的变化是本设计中的难点。

另外对于超声波测距的限制也具体说了。

为超声波测距后边的调试工作做好理论基础。

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3 软硬件说明
3.1 使用软件简介
3.1.1 软件使用说明
论文题目主要的软件是Keil uVision4，Protues，Protel 99se。

同时也用到了一些其他的软件，包括串口小助手，和增加电脑串口数量的一些小型工具软件等辅助模拟的软件。

虽然他们始终贯彻于整个程序调试的环节，但是软件比较简单，故不细说。

3.1.2 Keil uVision4简介
Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，并且全Windows界面[1]。

3.1.3 Protues简介
Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，可以仿真51 系列、AVR，PIC 等常用的MCU 及其外围电路。

当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型。

Proteus 与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU 的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。

因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。

对于这样的仿真实验，
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从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。

3.1.4 Protel 99se简介
Protel 99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层[2]。

3.2 硬件
3.2.1 硬件使用说明
在明确设计方向之后，需要了解哪些功能需要哪些硬件去实现，功能包括，温度测量（DS18B20），超声波收发，以及处理的过程（STC12C5A60S2芯片），但是芯片提供的电平无法满足实际的传输需求，需要用到MAX232电平转换。

本设计中的常规电压是+5V。

所用硬件是选择这个电压的。

以下硬件大体主要从这四个方面做介绍，对电路板等其他必须用到或者都熟悉的硬件不做介绍。

3.2.2 DS18B20温度传感器
DS18B20是Dallas公司开发的单总线高精度数字式半导体温度传感器。

它具有节省系统I/O口线资源，结构简单，成本低廉，精确度高，便于总线扩展和维护等诸多优点。

单总线是Dallas半导体公司近年推出的新技术。

他将数据线、控制线、地址线合为1根信号线，即只需要三根线。

单总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设备。

DS18B20抗干扰能力强,转换精度高，使用时无需标定或调试，与微处理器的接口电路简单，可方便地实现多点组网测温，给硬件设计工作带来了极大的方便。

另外采用DS18B20能缩短开发周期，有效地降低成本，简化系统设计，扩展方便、占用系统I/O资源少[3]。

DS18B20提供9～12位精度的温度测量，温度测量范围为- 55～+ 125℃，在-
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10～85℃范围内。

（在本设计中需要用的温度范围更小，所以用这个非常合适。

）测量分辨率为±0.5℃，增量值最小可为0.625℃，电源供电范围3.0～5.5V。

将测量温度转换为12位的数字量最大需要750ms，而且DS18B20有2种供电方式：外部供电方式和寄生电源方式[4]。

采用信号线寄生供电，不需额外的外部供电，在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用。

每个DS18B20有唯一的64位序列号，这使得可以有多个DS18B20同时在一条单总线上工作。

DS18B20如图3-1所示。

图3-1 DS18B20外形
由图可一目了然的看出，除DQ直接相连单片机外，VCC和GND不占用单片机的引脚，大大的节约了单片机的引脚。

3.2.3 MAX232电平转换
MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专门RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电。

是专为无法提供+12V单电源供电的串口使用。

比较适合在非常有限的印刷电路板上使用[5]。

MAX232和芯片在本应用中的电路图如图3-2，3-3所示。

由MAX232和应用原理图可以直观的看出，每个引脚对应的硬件。

T1out和T1in 是对应的，其他同理。

左边1到6是电容的引脚，为MAX232供能和储能的作用；其中串口中引脚3为TXD，用着发送数据，引脚4为接受数据的RXD。

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图3-2 MAX232芯片图
图3-3 MAX232在本应用中的电路图
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3.2.4 STC12C5A60S2芯片说明
在本设计中使用过AT89C2051[6]已经STC12C5A60S2等芯片，但是这些芯片在某些功能上不能完成本设计要完成的任务，所以在老师的推荐下使用STC12C5A60S2芯片。

见STC12C5A60S2说明书[7]。

STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换,强干扰场合[8]。

STC12C5A60S2芯片外形和STC12C5A60S2引脚功能图如图3-4，3-5所示。

图3-4 STC12C5A60S2芯片外形
图3-5 STC12C5A60S2引脚功能图
图中可以看到，第十，十一引脚，是与串口相连的，P0.0到P0.7是添加的LCD1602
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显示器的双向数据端，其实如P3.6数据写，P3.7数据读等等的引脚与LCD1602的引脚一一对应即可。

3.2.5 超声波收发探头和电路
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多用作探测方面。

它有许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头等。

本设计使用的就是双探头，一个接受一个发送。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

由于晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能都是不同的，我们使用前必须预先了解清楚该探头的性能参数。

超声波传感器的主要性能指标包括：
（1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高。

超声波测距模块如图3-6所示。

图3-6 超声波测距模块
信息科学与技术学院学士学位论文如图所示，这个模块有五个引脚，引脚的功能分别是，电源（+5V），控制引脚，接收端，空引脚，接地引脚。

3.2.6 LCD1602液晶显示器
为了显示方便，设计增加了显示器，相对价格来说，选择了这款比较熟悉的。

从功能上来说，它使用的是+5V的电压，是本设计中的使用电压，对比度可调，有复位电路，以及各种控制命令，等等好处。

LCD1602引脚图如图3-7所示。

图3-7 LCD1602引脚图
引脚功能如下：
第1脚：VSS为电源地
第2脚：VDD接5V电源正极
第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。

第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。