水文站的水位自动监测系统设计方案

目录第一章绪论 (1)1.1国内外的发展概况 (1)1.2目的和意义 (1)1.3主要内容 (2)第二章数据采集的硬件设计 (3)2.1单片机数据采集系统 (3)2.1.1基本组成 (3)2.1.2采集方式 (3)2.1.3硬件组成 (4)第三章硬件电路设计 (5)3.1水位传感器的选择 (5)3.1.1浮子式水位传感器 (5)3.1.2压力式水位传感器 (5)3.1.3气泡式水位传感器 (6)3.1.4超声波水位传感器 (6)3.2传感器检测电路 (8)3.2.1超声波发射电路 (9)3.2.2超声波接收电路 (10)3.3 A/D转换电路设计 (10)3.3.1 A/D转换器工作过程 (10)3.3.2 A/D转换单元电路设计 (11)3.4单片机最小系统 (13)3.5 LED显示电路 (14)3.6 报警电路 (16)3.7串行通信电路设计 (16)3.7.1 RS-485通信总线 (17)3.7.2串行通信电路设计 (18)3.8 电源电路设计 (19)第四章软件设计 (20)I4.1数据处理程序设计 (20)4.2数据采集处理................................................................... 错误！未定义书签。

4.3数据显示........................................................................... 错误！未定义书签。

4.4报警程序设计................................................................... 错误！未定义书签。

4.5数据通信........................................................................... 错误！未定义书签。

第五章系统的抗干扰及可靠性设计. (24)5.1电磁干扰对系统的干扰 (24)5.2系统抗干扰设计 (24)第六章总结 (26)谢辞 (27)参考文献 (28)附录A 外文翻译－原文部分： (29)附录B 外文翻译－译文部分 (35)附录C总体接线图 (40)附录D 主要源程序 (42)1.A/D转换子程序 (42)2.动态扫描显示子程序 (42)3.控制报警电路连续鸣音30ms的控制子程序的清单 (43)第一章绪论1.1目的和意义水情水位测量一直是水文、水利部门的重要课题。

为及时发现事故苗头，防患于未来，经济实用、可靠的水位无线监测系统将会发挥巨大的作用水位是水库大坝安全、水利排灌调度、蓄水、泄洪的重要参数之一。

水位的自动化监测、传输和处理为水库现代化建设提供了良好的基础资料。

在工农业生产的许多领域都需要对水位进行监控，可能现场无法靠近或现场无需人力来监控。

我们就可以通过远程监控，坐在仪器前就能对现场进行监控，既方便又节省人力。

为了保证水利发电站的安全生产,提高发电效率,水电站生产过程需要对水库水位、拦污栅压差和尾水位进行监测。

但是,由于不同电站有着不同的实际情况,因此就有着不同的技术要求,而且水位参数的测量方法和测量位置不同，对监测设备的要求亦有所不同。

这样往往造成监测系统设备专用化程度高,品种多,互换性差,不利于设备维护,亦增加了设备设计、生产、安装的复杂性。

因此,在综合研究水电站水位监测的实际情况以及特点的基础上,利用现代电子技术,特别是单片机技术和不挥发存储器技术,设计开发一种通用性好,可靠性高,维护方便,可适用于多种监测环境的多模式水位自动监测系统具有重要的实际意义。

1.2国内外的发展概况传感器是实现测量及控制的首要环节，一般传感器有模拟式和数字式两类，模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相连的时候必须采用A/D转换器把模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传输。

数字式传感器直接将待测量转换为数字量输出，其输出信号抗干扰能力强，功耗小，可与数字设备直接连接。

数字式传感器的这些特点，特别适合应用于水情遥测系统中。

但限于成本控制本设计依然采用模拟传感器。

水位监测系统在我国的应用已相当普及。

大型国家水坝常采用由PC机和单片机组成的主从式的多机联网系统，单片机作为下位机，负责大坝现场各水位点的选通和采集，作为上位机的PC机，则负责大坝水位的集中显示和管理记录，PC机作为通用机，在用于专项的应用上时，难免会在很多方面存在问题，比如体积大，功耗大，运行不稳定、很难做到不间断运行等。

而PC机与单片机之间的通讯方式主要采用RS485总线技术和现场总线技术两种。

RS-485是使用较为广泛的双向有补偿传输线标准，其最大每段总线长度为1200米，每段最多支持32个节点，采用单组双绞线双向主从通信。

当总线加长或节点增多时需要使用中继器连接，全网络支持最多256个节点。

RS-485通信技术应用时间较长，软硬件实现较为容易，因此是国内粮情测控系统采用较多的通信方式。

而本文多路水位监测系统特点：1水位站的水位自动检测系统设计1)能够灵活适应测量库水位、拦污栅压差、尾水位等变化缓慢或剧烈的水位的需要。

2)系统工作体制采用轮询方式，实时性好。

3)采用无线/有线双通道传输方式，提高了传输的可靠性。

4)水位采集站工作模式可灵活编程设定，以适应不同的监测环境。

5)监测分中心提供微波接口和RS-485接口，为上级监控中心提供监测数据。

1.3主要内容本次所设计的水位自动监测系统主要包括以下几个内容：1. 多点水位数据采集：具有自动检测水位等功能，可根据需要进行定时检测、选点检测和巡回检测；2. 水位数据传输：采集的数据进行远程传输，需要解决远程传输数据不稳定和有干扰等影响；3. 水位数据分析：通过单片机进行数据分析，然后将数据传输到LED和报警器，进行数据显示或报警；4. 水位数据显示：根据传回的数据通过LED显示；5. 水位预警：根据水位实测值与人工设定的超限制或相关数据模型进行对比分析，若实测值超过设定的范围，则语音报警。

水位自动监测系统采用液体压力探头采集水位原始资料，在单片机上进行模数转化资料处理，通过专线把资料传输到工作站；同时也可以在远程工作站通过电话拨号调用资料；在工作站的计算机上进行资料加工、存取、分析等处理。

远离水库的指挥中心通过该系统可获得当前时刻的水位、水库库容、淹没面积、当天最高水位、最低水位、日水位升降、平均水位等一系列数据，为水库的防洪、水库水资源调度、蓄水灌溉提供科学的数据。

该系统由数据采集、数据传输、数据分析、数据显示和水位预警等部分组成。

23 第二章 数据采集的硬件设计2.1单片机数据采集系统本文的设计是基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件。

单片机具有体积小、功耗小、成本低、可靠性高、灵活方便、价格廉以及控制功能强等特点而得到广泛的应用。

利用单片机的硬件、软件资源，实现信号采集的智能化控制和管理。

2.1.1基本组成基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件；结合外围电路所构成。

基本组成如图2.1所示。

图2.1 数据采集系统的组成 采集系统硬件主要包括传感器、转换器、单片机、输入输出接口电路等。

由单片机做为控制单元的数据采集系统的工作过程可分为以下几个步骤：数据采集是将被测量的信号转换为能够被单片机所识别的信号并输入给单片机；数据处理是由单片机执行以测试为的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的决策与判断。

2.1.2采集方式一个具体的采集系统的构成，根据所测信号的特性而定。

力求做到既能满足系统的性能要求又能在性能价格比上达到最优。

根据这个要求，这种方式轮流循环采样的转换速度较慢，但是节省硬件。

结构框图如图2.2所示。

图2.2 多路开关方框图 数据处理部分采用AT89S52做为核心控制器件。

模数转换器采用8位串行模数转换器TLC0838，该芯片占用单片机的引脚资源少，仅占有单片机5个引脚即可完成8个通道的传感器（S ） 传感器 （S ） 传感器（S ）模拟多路开关 采样\保持 （S\H ） A\D I\O 主 机输入通道 单片机输出通道水位站的水位自动检测系统设计4数据采集，简化了电路设计，降低了成本。

2.1.3硬件组成硬件部分分为数据采集和数据处理两部分。

整体硬件框图如图2.3所示。

图2.3 整体硬件框图数据采集部分采用多路开关方式进行，设计有8个模拟数据采集通道，满足了生产中多通道的要求。

可以对常见的模拟信号量，如水位、压力、流量、速度、频率等进行采集。

每一种信号量都可以使用不同的传感器。

扩大了数据采集系统的应用范围，具有较强的通用性。

它常用于采集多路变化缓慢的信号，如水位变化、应变信号等。

用这种方式采集多通道信号时，不能同时采集同一时刻的各种参数。

本文所设计的硬件框图，主要是超声波传感器采集电路，采集到水位数据后经过信号放大和采样保持后再由TLC0838进行A/D 转换，然后输入到AT89S52单片机中，其中AT89S52单片机是整个系统的核心，单片机通过处理后再进行LED 显示和越限报警，并将数据传送至上位机进行人工操作。

超声波 传感器 电路多 通 道 A\D 报警电路 LED 显示单片机 上机 位 通信芯片第三章硬件电路设计3.1水位传感器的选择传感器是实现测量及控制的首要环节，一般传感器有模拟式和数字式两类，模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相连的时候必须采用A/D转换器把模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传输。

数字式传感器直接将待测量转换为数字量输出，其输出信号抗干扰能力强，功耗小，可与数字设备直接连接。

数字式传感器的这些特点，特别适合应用于水情遥测系统中。

但限于成本控制本设计依然采用模拟传感器。

目前主要测水位的液位传感器有浮子式水位传感器、水位跟踪式传感器、超声波水位传感器、雷达激光水位传感器,压力式水位传感器等。

下面是一些主要水位传感器的简单介绍。

3.1.1浮子式水位传感器其主要产品有上海精浦机电有限公司的GEMPLE GPH500，正天科技的FYC-3型浮子式水位传感器等。

1)工作原理：它利用液体浮力测液位的原理，靠浮子随水面升降的位移反映水位变化。

漂浮通过绳索经滑轮与编码器相连，编码器的数字输出即为水位高度。

为防止错码的出现，其编码器的编码为格雷码。

机械浮子式和光电浮子式都是来用机械齿轮减速产生进位和退位的办法来形成编码。

其工作示意图如图3.1所示。

图3.1 浮子式水位计工作示意图2）特点：稳定，可靠，优点：成熟、运用最广泛，价格相对较低。

3）缺点：机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散。

3.1.2压力式水位传感器其主要产品有重庆华正的WYZ-1型压力水位计，武汉华凯的JWRWX-3压力水位计。