基于单片机的水闸控制系统设计

摘要

随着我国科技水平和综合国力的大力提高，水力资源在国民经济建设中体现出其越来越重要的地位，我国对水利工程建设上也加大了投资力度，合理充分地利用水力资源显得越来越重要，水闸作为水利资源调动中不可缺少的一个重要部分，水闸的自动化改造的重要性就显得尤为突出。

基于单片机的闸门控制系统中PC机通过上位机控制14个闸门，每个闸门由一个下位机控制，上位机和下位机通过RS485总线通信。下位机AT89S52单片机中选择超声波水位传感器T40、R40测量水位，闸位传感器ROQ425测量闸位，传感器芯片ADXL250测量加速度，来判断闸门卡滞、飞车和下滑，检测信号进行处理后送入下位机，经下位机处理分析后存储显示并输出控制信号来控制电机正反转，从而改变水闸的开度以精确控制水闸。当出现异常现象时喇叭及LED灯发光二极管形成声光报警，应用HD7279A将键盘及显示电路连接在一起，时钟芯片采用PCF8563，存储芯片采用FM24C16，电源电路设计保证了该监控终端既能由AC220V供电，亦可由电池作为供电电源。上位机采用有两个通信口的单片机W77E58，分别连接下位机和PC机，扬声器及LED灯组成上位机声光报警电路。

中小水电站的闸门控制系统是应用先进技术，配置计算机监控装置，来提升中、小水电站现代化水平，确保水电站的效益和安全，提高水电站自动化程度和经济效益，提高对电网的响应速度和安全生产水平，增加其运行的可靠性与稳定性。

关键词：单片机；数据采集；水闸控制系统；数据通信

Abstract

Along with the science and technology level and improve the comprehensive national strength, reflects its in the construction of hydropower resources in the national economy more and more important position, also for water conservancy engineering construction in our country increased investment, reasonable make full use of water resources is more and more important, locks as water resource to mobilize an indispensable an important part, the importance of the floodgate automation transformation is particularly outstanding.

Gate control system based on single chip microcomputer in 14 PC by PC control gate, each gate is controlled by a lower place machine and superordination machine and lower machine through the RS485 bus communication under a AT89S52 single chip select ultrasonic water level sensor T40 R40 measuring water level, gate position transducer ROQ425 measuring brake and acceleration sensor chip ADXL250 measurement, to judge the gate binding speed and decline, after the detection signal processing to lower place machine and the lower machine processing analysis after the store display and output control signal to control motor and reversing, and the change of gate opening to precisely control lock. When appear abnormal phenomenon horn and LED light emitting diode formed sound and light alarm, and application of HD7279A connect the keyboard and display circuit, clock chip PCF8563, memory chip adopts FM24C16, power circuit design to ensure the monitoring terminal can not only by AC220V power supply, can also by a battery as a power supply. Upper machine adopts two communication port of the microcontroller W77E58, respectively connected to the lower machine and PC, the speaker PC sound and light alarm circuit and LED lights.

Gate control system of small and medium-sized hydropower station is the application of advanced technology, the configuration of computer monitoring device, to improve the modernization level, small hydropower station, ensure security and the benefit of the hydropower station, improve the hydropower plant automation degree and economic benefit, improve the response speed and security of power grid production levels, increase its operation reliability and stability.

Key words：Single chip microcomputer; Data acquisition; Sluice control system; Data communication

目录

第1章绪论 (1)

1.1题目研究背景及意义 (1)

1.2研究现状及发展趋势 (2)

1.3论文主要内容 (3)

第2章方案论证 (4)

2.1控制方案的选择 (4)

2.2系统总体方案设计 (5)

第3章硬件设计 (8)

3.1下位单片机设计 (8)

3.1.1 下位单片机选型 (8)

3.1.2 下位机扩展电路设计 (9)

3.2下位机水位测量模块设计 (10)

3.2.1 超声波传感器 (10)

3.2.2 超声波传感器发射电路 (12)

3.2.3 超声波传感器检测接收电路 (12)

3.2.4 温度补偿设计 (13)

3.3下位机闸位检测模块设计 (15)

3.3.1 闸位传感器 (15)

3.3.2 闸位传感器数据采集电路设计 (17)

3.4下位机加速度测量模块设计 (17)

3.4.1 加速度计设计 (18)

3.4.2 加速度计标定电路设计 (18)

3.4.3 加速度计滤波电路设计 (19)

3.4.4 A/D转换电路设计 (20)

3.5下位机时钟模块设计 (22)

3.6下位机存储模块设计 (23)

3.7下位机键盘显示模块设计 (24)

3.7.1 状态显示 (24)

3.7.2 键盘、显示组合接口电路设计 (26)

3.8下位机报警模块设计 (28)

3.8.1 报警电路设计 (28)

3.9下位机电机控制模块设计 (29)

3.10下位机通信模块设计 (30)

3.10.1 通信方式的选择 (30)

3.11上位机模块设计 (31)

3.11.1 上位单片机选型 (32)

3.11.2 上位机存储电路设计 (33)

3.11.3 上位机报警电路设计 (34)

3.11.4 上位机通信电路 (34)

3.12电源电路设计 (35)

3.12.1 5V稳压电源模块设计 (35)

3.12.2 15V稳压电源模块设计 (35)

第4章软件设计 (37)

4.1下位机主程序设计 (37)

4.1.1 下位机中断子程序 (38)

4.2下位机计时显示子程序 (38)

4.3下位机显示状态子程序 (40)

4.4下位机水位检测子程序 (41)

4.5下位机闸位检测子程序 (41)

4.6下位机加速度检测子程序 (42)

4.7通信子程序 (43)

第5章结论 (45)

参考文献 (46)

致谢 (48)

附录I (49)

附录II......................................................................................... 错误！未定义书签。附录III.. (61)

第1章绪论

1.1题目研究背景及意义

中国是一个水利资源蕴藏十分丰富的国家。河流众多，水系庞大而复杂，众多水系构成中国水力资源蛛网密布的格局。三级梯形地形造成中国众多河流具有水电开发的潜力。不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，中国在世界各国中均居第一位。新中国成立50年来，我国水电建设事业取得了飞速发展，特别是实行改革开放以来，随着广蓄、天生桥（高坝）、小浪底、二滩、三峡等一批世界级水电站的建设，中国已逐步进入世界水电建设前列。我国水电资源十分丰富，而发展水电对于环境保护、经济持续发展具有重要意义。我国水电站自动控制系统应用已经逐渐成熟。随着水电的发展，开发经济实用的中小型水电自动控制系统很有必要。

但是近年来随着我国经济的迅速发展，对水的需求量也大幅度增长，如今中国北方很多省份已经出现了缺水现象，专家们己经做了估计，按照现在中国经济发展的速度，如果不采取合理回收、利用水资源的有效手段，不提高广大民众珍惜水的观念，那么到2010年中国将成为下个严重缺水的国家，水短缺将会制约我国国民经济的进一步发展，严重影响我国民众的日常生活。要合理的利用水资源，则离不开对水资源的有效调度，在我国某些大型水库已经建立了一套有效的水资源调度系统，但还有很多中小型水库却并未建立，因此，建立中小型水库水资源调度系统，进一步完善大型水库水资源调度系统，对于我国水资源的合理利用，解决我国将来的水资源短缺问题将具有重要的战略意义。

兴建水闸设施是由于水是人类生产和生活必不可少的宝贵资源，但其自然存在的状态并不完全符合人类的需要。水闸是修建在河道、渠道或湖、海口，利用闸门控制流量和调节水位的水工建筑物。水闸在水利工程中的应用十分广泛，多建于河道、渠系、水库、湖泊及滨海地区。修建水闸可以控制水流，防止洪涝灾害，并进行水量的调节和分配，以满足人民生活和生产对水资源的需要。水闸按其所承担的主要任务，可分为：节制闸、进水闸、冲沙闸、分洪闸、挡潮闸、排水闸等。按闸室的结构形式，可分为：开敞式、胸墙式和涵洞式。关闭闸门，可以拦洪、挡潮、蓄水抬高上游水位，以满足上游取水或通航的需要。开启闸门，可以泄洪、排涝、冲沙、取水或根据下游用水的需要调节流量。在水闸工程中，闸门是主体部分，常占挡水面积的大部。闸门又分为平板闸门和弧形闸门。闸门

是装于溢流坝、岸边溢洪道、泄水孔、水工隧洞和水闸等建筑物的空口上，用以调节流量，控制上、下游水位、宣泄洪水、排除泥沙或漂浮物等，是水工建筑物的重要组成部分。

中小水电站的闸门控制系统是应用先进技术，配置计算机监控装置，来提升中、小水电站现代化水平，确保水电站的效益和安全，提高水电站自动化程度和经济效益，提高对电网的响应速度和安全生产水平，增加其运行的可靠性与稳定性。中小水电站的闸门控制系统作为水力发电机组的后备保护设备，要求其动作可靠、迅速。因此其监控系统需要良好的监控功能、控制算法、灵敏的感应元件以及通讯功能。

1.2研究现状及发展趋势

现有的水闸监控系统一般采取分布式控制系统（DES）结构，在一定程度上提高了系统的自动化程度和设备的可靠性，但是由于水闸所处的工作环境普遍比较恶劣，其液压系统、传感设备装置等元器件老化较快，经常出现误动、拒动现象，并且部分元器件只能在现地操作时观测，信息一般没有数字化，更没有进行存储，因此，集控系统平台上缺乏设备及系统健康状态信息，更无法对系统的健康状态做出预测、评价，也不能够发现影响系统安全的潜在危险，使设备带病运行，最终可能导致设备损坏，这在很大程度上影响了系统的安全可靠性。

从设备的检修维护方面看，现有的水闸监控系统基本上还是采取事后维修，或者定期检修这样较为传统的检修维护策略，而在技术管理领域基本上还处于空白阶段，没有进行系统的设计、规划、实施，因此，将控制、维护和技术管理集成系统应用于水利自动化系统，形成水利枢纽集成自动化系统，可以在很大程度上提高系统的可靠性和稳定性，保证控制命令的正确执行。闸门控制系统可以实时跟踪、监控闸门开度、水位数据，为合理调度水资源提供第一手数据资料。根据闸门上、下游水位以及闸门的当前开度，再根据水资源调度的具体需求，从而确定出当前闸门的具体控制方案。上游水位高，而此时上游的用水量也呈现增长趋势，那么此时不要急于提升闸门，而要等到上游用水量需求趋减，而下游需求呈现增加趋势时，则可以考虑提升闸门，当关闭闸门时，情况与上述相反。其次，闸门监控系统在泄洪抗灾、水利发电等方面具有不可替代的作用。在江河、湖泊发生洪水时，水位数据变化大，变化很迅速，此时靠人工的手段很难跟踪这些数据变化的。而且此时也要求快速准确的对闸门实现精确控制，这也是手工操作所做不到的。在水利发电中，为了保证水利发电的可靠性，提高发电的质量，更离不开对闸门的实时监控。最后，采用闸门监控系统可以为我们节省大量的人力、物力、财力。过去在水资源调度中，手工操作既费时，又费力，而且达不到良好

的控制效果，使用闸门监控系统后，我们可以在远离现场的控制室里，对闸门、水位的各项数据进行实时记录，以及实现对闸门的实时控制。

为了提高水利工程效益和管理水平，精简管理人员，适应现代化水利的要求，必须利用先进的计算机技术、通信网络技术及自动化监控技术形成水利闸门控制、维护和技术管理综合集成自动化系统。这有利于对闸门、泵站等工程准确、可靠地进行监测和控制，继而将水情、闸门工况和运行状态等信息共享，建立实时和历史数据库供流域机构及有关部门监督和分析统计。为防汛抗旱、水资源管理、水工程应用等提供各类信息，规范险情、灾情信息的上报流程和制度，实现及时、准确、可靠的信息采集、管理和传输。通过对水利枢纽闸门系统的运行状态和健康状态实施实时监控，可以提高调度运行响应速度和能力，实现在线优化调度，充分发挥水利枢纽工程信息在国民经济建设和社会发展中的作用。

因此，功能综合化、互联网络化、开放性和标准性即将成为新一代闸门综合集成自动化系统特征。从单一的现地监控、集中监控到分层分布式监控将成为水利枢纽控制结构的发展趋势。

1.3论文主要内容

本设计是基于单片机的水闸控制系统设计。由闸门开度模块及水位检测模块进行数据采集并处理，同时根据加速度检测模块判定闸门卡滞、飞车和下滑，经处理的信号给到单片机，单片机对数据进行处理后存储显示并输出控制信号控制电机，并将结果与设定值比较，当出现故障或事故情况，进行报警。

论文首先对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。第2章针对本文采用的设计方案进行了可行性的论证，提出了总体方案，且描述了各个模块的功能，并得出了系统结构框图。第3章介绍了设计中需要用到的主要器件，从整体硬件设计出发，对各部分电路进行了详细说明。其中下位机通过超声波测距仪测量水位、闸门开度仪传感器ROQ425和加速度传感器芯片ADXL250对信号进行检测，再经信号调理电路进行处理后送入下位单片机，经下位机处理分析后输出控制信号来控制电机正反转，从而改变水闸的开度以精确控制水闸。上位机和下位机通过RS485总线通信。第4章给出了软件设计的整体流程图，并且对关键部分软件设计做了进一步的解释。闸位检测子程序设计主要检测闸前水位，闸后水位，加速度检测子程序设计，根据加速度检测闸门变化，判定闸门卡滞、飞车和下滑，通信子程序设计，在通讯模块中，下位机将采集到的数据通过RS485传送到上位机，上位机对其进行分析和处理后，上传PC机，PC机分析处理后再通过上位机将命令传送回下位机，达到控制下位机工作的目的。第5章对本设计进行总结。

第2章方案论证

2.1控制方案的选择

方案一：以PLC为控制核心

PLC（Programmable Logic Controller），可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。

基于PLC的水闸控制系统采用分层分布式结构，一个较标准的PLC闸群控制系统的总体结构图，其可分为三层式结构:现地控制层、集中控制层和远程监控层。系统整体框图如图2.1所示。

图2.1 基于PLC的系统整体框图

现地控制层的每孔闸门配置一个现地PLC，收集闸位、水位和各种现场开关量、模拟量信息并上传至集控层PLC，同时接受集控PLC的命令并通过接口执行。集控层PLC主要目的是作为上位机和现地PLC交互信息的硬件中转站，有

着速度快、功能强大和稳定性高等特点。集控层上位机的人机交互系统一般由相应的组态软件构成，在监控闸群系统的同时，肩负着与远程监控层交互信息的功能，因此远地监控层也可通过公众网络或专用网络实时监测闸群控制的状况。

方案二：以单片机为控制核心

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。

以单片机为控制核心的水闸控制系统分为上位机、下位机和PC机，通过下位机操作键能够实现对闸门的现地手动操作，下位机将信号传给上位机，上位机存储后，再将信号传输到PC机，集中控制部分人机联系功能包括信息显示功能、以及信息输入功能，操作人员通过PC机来获取闸门的工作状态信息，并可以通过PC机界面，采用键盘或鼠标输入的方式实现对各个闸门的控制。采用多机通信的方法在上位机和下位机之间传输数据。

综上所述，在实现系统功能设计方面，PLC和单片机都可以完成本次设计的要求。但考虑到经济方面，PLC比单片机贵得多。所以，在兼顾功能和经济两个方面的情况下，本次设计选用单片机作为本次设计的核心处理器。

2.2系统总体方案设计

基于单片机的闸门控制系统是由闸位检测模块及水位检测模块进行数据采集并处理，同时根据加速度检测模块判定闸门卡滞、飞车和下滑，经处理的信号给到下位机，有14个下位机，每个下位机分别对数据进行处理后存储显示并输出控制信号控制电机，并将结果与设定值比较，当出现故障或事故情况，进行报警。下位机的输出信号通过RS485总线，把相关的数据发送到上位机，存储数据并报警。上位机将信号传给PC机存储显示，根据键盘的选择能够实现现地手动对闸门的控制。本设计的系统整体框图如图2.2所示。下位机用来实时显示现地控制单元采集的数据，如水位曲线，闸门位置及各个异常状态显示等，下位机单片机输出的信号经RS485总线输入上位机，上位机做历史记录，同时将信号传输给PC机。操作人员通过PC机界面获取现场的状态信息，通过键盘或鼠标输入的方式实现对现场各个闸门的控制。同时上位机还具有备份数据的功能。下面介绍各模块功能。