水位遥测自动控制系统设计_毕业论文正文

1.1 研究的目的和意义在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。

一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。

因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。

任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。

就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给[1]。

因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。

水位自动测报系统属于应用现代遥测、通信、计算机技术，是完成江河流域降雨量、蒸发量、河流湖泊水位、海洋潮位、流量（流速）、风向风速、水质、闸坝的闸门开度、渗压、土壤墒情等数据的实时采集、报送和处理应用的信息系统，属于非工程性防洪措施[2]。

它能将某一流域或区域的水文气象、水资源信息在短时间传递至决策机构，以便进行洪水预报和水资源优化调度，减少水害损失，提高水资源的利用率，可以产生巨大的社会效益和经济效益。

水位自动测报系统多用在重点防洪地区及大型水利工程上，特别是在流域性、区域性的水位数据采集、传输和处理、应用的自动化方面起到了积极作用。

水位自动测报系统包括三种工作制式：自报式、查询应答式和混合式。

（1）自报式工作制式：在遥测站设备控制下每当被测参数发生一个规定的增减量变化或按设定的时间间隔，即向中心站发送所采集的数据，接收端的数据接收设备始终处于值守状态。

现在已经对传统的自报式工作制式进行了改进，使自报式工作制式有了较大发展。

改进后自报式也是双向通信方式，不是过去的纯单向工作方式。

在遥测站设备控制下每当被测参数发生一个规定的增减量变化或按设定的时间间隔，即向中心站发送所采集的数据，中心站收到数据后，给遥测站发送“确认”信息，告知遥测站这组数据接收正确或是接收错误。

自报式只有采用“确认”机制，才可以实现双信道的自动切换。

（2）查询应答式：由中心站自动定时巡测或随机呼叫遥测站，遥测站响应中心站的查询指令，将所采集的数据发送给中心站。

定时自动巡测的时间间隔可根据数据处理和预报作业的需要确定。

（3）混合式：系统兼容自报式和查询—应答式两种工作制式。

现在被广泛运用。

特别是采用公网组网（包括VSAT）的水文自动测报系统，为了保证数据的时效性，又节省运行费用，采用混合式工作制式组网比较合理。

在汛情不紧、数据量小的时间段用查询—应答式；当出现暴雨或水位变化较快时以自报方式加报。

随着无线通信技术的发展,遥测及遥控技术已经深入人们的生活与工作当中,在工业与生活中水位的测量与控制是经常要测控的一个因素。

仪器自动一体化，短距离无线抄表技术已经成为下一代无线技术发展的一个重要分支。

应此势要求，本设计就以一水位遥测自动控制系统，对于无线技术的研究只是作个抛砖引玉。

1.2 国外水位测量的发展我国的水位自动测报系统从70年代末起步，在省浦流域首先应用。

80年代初期为引进阶段，先后在淮河王家坝区间、长江流域汉江丹江口水库、黄河的至花园口建成进口设备的水情自动测报系统。

1985年以后为国产设备研制、定型阶段，有淮河关以上流域水位自动测报系统、黄河流域陆浑小区自报式水情自动测报系统、长江流域汉江的黄龙滩水库水情自动测报系统等[3]。

90年代后为推广应用阶段。

从上世纪90年代以来，随着现代科技的飞速发展，越来越多的新技术运用于各行各业，人们对信息传递的要求越来越高，尤其是在水文监测方面。

以长江上游为例，该区域以山区性河流为主，有三大暴雨中心，灾害性洪水较多。

测报系统除了为国家防总、市防汛办、长江防总、三峡工程及沿江省、地、市的46个防汛部门提供水情信息外，还为航运、航道、供水、港务、码头等70余个企事业单位提供水情服务。

在这些大量的监测、预报任务中，原始数据的实时传输并汇总上报是一大难题。

为了提高水文监测预报的实时性、可靠性，采用先进科技手段对现有水文监测管理进行系统改造已势在必行。

根据水文自动测报系统规模和性质的不同，可将其分为水文自动测报基本系统和水文自动测报网两部分。

水文自动测报基本系统由中心站、遥测站（包括监测站）、通信系统（包括中继站）组成[4]。

水位自动测报网是通过计算机的标准接口和各种信道，把若干个基本系统连接起来，组成进行数据交换共享的水文自动测报网络。

1.3 水位测量的优缺点水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。

而以往水位的检测是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线及时把水位变化情况报知主控室。

然后主控室再开动电机进行给排水。

很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。

同时也容易出差错。

因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统。

水塔很高，水位高低位不便于观察，水多会溢出来，可用以下方法来解决这个问题，改进供水装置就能实现供水自动化，供水系统中的水塔和高位水池等设备由于所处地势高，上下极为不便，有时水即将用完也不知道，造成需用水时却无水可用的情况。

此外，在向池中注入水的过程中，由于不知道水位的情况，也就无法控制注水量的多少，这会严重影响正常的工作效率。

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联系，这种方式不但维护起来困难，而且在很大程度上限制了其在时空上的拓展性[5]。

1.4 课题的主要工作本研究的主要容是设计一种利用单片机的无线测量和自动控制系统。

不需要架设电缆，而且可以实现水位的远程自动控制和遥测[6]。

采用无线传输模块与单片机构成的系统则能够解决以上的问题。

通过单片机可以很方便的实现水位的显示功能，还可以通过这种无线通信的方式以实现远程终端监控和报警的功能。

此外,这次设计还有以下任务:（1）通过这次课程设计，加深对单片机理论方面的理解。

（2）掌握单片机的部模块的应用，如中断、控制、I/O口、串行口通讯等。

（3）了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现单片器应用系统打下良好基础。

（4）通过简单的设计，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。

2 水位遥测自控装置的设计方案2.1 系统总体结构设计水位遥测自控装置从功能上看需要实现以下几点：水位的测量，水位信息的远程传输，水位的自动控制。

系统由水位测量模块、无线发送接收模块、微控制器模块、显示模块、报警模块、阀门控制模块和键盘模块组成，总体结构框图如图2.1所示。

图2.1 水位遥测自控系统结构框图水位测量模块测量出水位信息，由微控制器将水位信息写入无线数据发送装置，无线数据接收装置接收到的水位信息通过微控制器进行显示，当接收到的数据超过警戒水位的上限或低于警戒水位的下线时，微控制器控制报警模块及阀门控制模块进行相应的动作。

2.2 系统设计思路水位遥测自控系统设计方案的选择主要包括两方面：水位测量方案的选择和远程数据传输方案的选择。

2.2.1 水位测量方案方案1：压力传感器压力传感器测量水位原理：不同的水位产生净水压强是不同的，测量出水压，就可以计算出水位值。

一般选择输出信号为4~20mA。

水质对采集精度的影响：投入压力传感器是通过测量水的静压力来间接的测量水位，其基准是以净水压力来核算的，在多泥沙的水质中，必须考虑水质对水位值的影响，一般要根据实际情况设定一个水质系数进行弥补[7]。

实际水位值=测量水位值*水质系数（水质系数小于等于1）方案2：电容传感器运用两根一端封闭的导线，将距离固定制作成简单的平行板电容器即电容传感器。

水位的变化直接影响导线间的介质多少变化，从而引起电容值的变化。

一般，电容的计算公式如式2.2。

C=Q/U平行板电容器的电容：理论和实验表明，平行板电容器的电容C跟介电常数ε成正比，跟正对面积成反比，跟极板间的距离d成反比，有式2.3。

C=εS/4πkd式2.3中：k为静电力常量，介电常数ε由两极板之间介质决定，圆周率π＝3.1415926。

方案2与方案1比较：一般工农业上进行水位测试的装置多采用方案1的压力传感器，然而对于本次的设计，方案2的电容传感器相比之下更经济，可操作性更强，更能达到现场模拟的目的，因此传感器采用方案2。

为提高水位测量的精度，一般要对数据进行滤波，水位测量装置常用的滤波算法有：（1）取平均值：同时采集多个值，取其平均值作为实际的数据。

（2）一阶滞后滤波法：一般取a=0~1。

本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果2.2.2 远程数据传输方案方案1： GSM无线短信芯片GSM无线短信模块G100A是由捷麦公司推出的，该模块采用全SMT组装，工艺先进、可靠性高，工作电压围为5～15 v[8]。

其置的德国西门子公司GSM模块TC35使得模块操作简单，无须学习复杂的GSM模块AT指令集。

G100A的串口具有TTL、RS232和RS485半双工三种形式，标准配置为RS232。

采用GSM模块与单片机构成的系统通过单片机的并行I／0口可以很方便的实现水位的显示功能。

现有的GSM网络在全国围实现了联网和漫游，采用GSM模块时，就可以通过一种无线通信的方式以实现远程终端监控和报警的功能。

方案2：无线收发器nRF905NRF905无线收发器工作在433/868/915MHZ的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成，可以通过一种无线通信的方式实现远程终端监控和报警的功能[9]。

单片的NRF905可以实现无线接收和发送功能，它具有低功耗ShockBurst模式，工作电源电压围1.9-3.6V。

NRF905无线收发器用户无需另外组网，为客户节省了昂贵的建网费用和维护费用。

方案2与方案1比较：方案1的GSM模块受到网络信号的限制，对于一些信号强度较弱的区域，同时受到通信协议等各方面因素的限制，无法保证正常工作。

方案2的nRF905模块更方便应用于本次设计，因此本设计无线传输方案选择方案2。

3 水位遥测自控装置硬件设计根据设计要求，采用MC9S08AW60单片机为核心的智能控制器系统的硬件接口电路包括：控制器实时时钟接口电路、水位测量电路、无线传输接口电路、报警电路、显示接口电路以及继电器输出接口电路等。

其中MC9S08AW60为核心控制器件，水位测量运用电容传感器及555频率计算器组成，无线传输运用NRF905模块，数码管为显示器件，继电器为控制器件[10]。

下面将对各个电路与其核心器件的工作原理做详细介绍。

3.1 单片机的概述本设计利用的是MC9S08AW60单片机，它是一个低成本、高性能 8 位微处理器单元（MCUs）HCS08 家族中的成员。