水位遥测自控系统

河池学院2008届本科生毕业论文（设计）水位遥测自控系统1水位遥测自控系统[摘要]本系统以51单片机系列的STC12C5406AD单片机为主控单元，通过液压传感器和无线通信实现液位实时数据的检测和自动控制。系统分主控站与测控站，通过主控站的键盘可以实现对测控站的水位上下限的控制和显示。主控站与测控站之间的无线实时数据传输的解决方案采用广泛应用于无线通信的SMD技术。从测控站传送过来的数据通过人性化人机交换界面LED显示器件实现数据的实时数据显示。本系统通过单片机串口与电脑串口的通讯功能和利用互联网可以实现对水库水量的远程测量与自动控制，这对江河水位的实时监控非常实用。系统利用功能强大的C语言开发，并在软硬件设计中分别使用了Protel99se、keilC51开发平台。结果表明，该系统具有有性价比高、操作简便、可视化操作等优点.关键字：51单片机，TDL9912，TDL9921，声表谐振器1绪论在工农业生产过程中经常需要对水位进行测量和控制。但是，在一般的情况下。往往需要测量的水池或水塔和控制室都有相当长的距离，常常需要架设上百到近千米的输电和控制线路，十分麻烦和费用大。给测量和控制带来了极大的不方便。本系统设计了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，对于工业和生产生活非常实用。1.1选题背景与意义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。河池学院2008届本科生毕业论文（设计）水位遥测自控系统22、系统原理框图图2-1、主控站（接收机）原理框图图2-2、测控站（测量发射机）原理框图3、方案比较3.1、总体方案论证水位控制在日常生产、生活中经常用到。目前，常用的液位控制方案主要有以下几种：方案一：基于PLC的水位自动遥测自控制系统:利用PLC为主控制核心,控制水位传感器实现水位的测量与自动控制,可51单片机键盘TDL9921无线接收模块LED显示器51单片机液位变送器（传感器）TDL9912无线发送模块河池学院2008届本科生毕业论文（设计）水位遥测自控系统3以通过按键设置其水位的上下限实现实时报警。利用现有的配电网络和互联网实现水位遥测和传输，其原理框图如下3-1所示：互联网图3-1、PLC水位自动遥测自控制系统框图此方案主要具有以下的优点：（1）实现成本低。由于可以直接利用已有的配电网络和互联网作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本，充分利用PLC内部资源，就可以利用少量外部扩展就可以把所测得数据显示于数码管。（2）范围广。电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。PLC可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。（3）高速率。PLC能够提供高速的传输。缺点是PLC系统复杂，对于要实现精确水位控制的算法实现比较复杂，不能做得很高的精确度，而且PLC价格高。方案二：基于51单片机的水位遥测、自动控制系统:通过单片机为主要控制核心，构建成两个无线短矩离通信数字电台，利用软件控制水位传感器测量出实时的水信息。而数据的无线传送应用Nordic公司的高速无线单片无线射频芯片nRF24L01通GFSK调制以最高达1Mbit/s的速度快速发送出去。通过设置在主控制站的键盘可以远程设置水位的上下限，主控PLCLED实时数据显示键盘PLC水位传感器河池学院2008届本科生毕业论文（设计）水位遥测自控系统4制站采用易于人机交换的LED显示器作为数据显示。通常对于配套功能较多的项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点。另外，单片机控制系统在灵活性和程序的可移植性好。应用单片机控制的水位遥测自控系统的原理框图如下图3-2：图3-2、单片机水位遥测自控系统原理框图3.2、键盘模块方案一：采用Intel8279可编程键盘/显示接口芯片。Intel8279是一个专用的显示器键盘接口，它用硬件完成对显示器和键盘的扫描，大大方便了用户，使程序变得简洁、易读和模块化。但其缺点是8279为并行接口芯片，占用CPU端口多，需要CPU有比较强的负载携带能力。方案二：采用了HD7279A数码管/键盘串行接口芯片。HD7279A可同时驱动8位共阴式数码管，同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片机可完成显示键盘接口的全部功能。其优点是采用串口通讯，占用CPUAT89S51单片机键盘TDL9912/TDL9921F无线收发模块LED显示模块51单片机液位变送器（传感器）TDL9912无线发送模块河池学院2008届本科生毕业论文（设计）水位遥测自控系统5端口少，对CPU负载携带能力要求低。方案三：采用独立式键盘。因为AT89C51的IO口具有位驱动能力，而且所用按键数目不多，可以通过单片机软件利用查询或中断方式简单地实现各种控制。考虑到该控制软件系统和硬件系统都比较复杂，CPU需要驱动较多的电子器件，要利用到单片机内部的资源较多，故本系统采用了方案三。3.3、显示模块方案一：多路LED数码管显示系统具有硬件设备简单，可移植性好，成本低廉的特点。74LS164是8位并行输出门控串行输入移位寄存器，利用74LS164和单片机IO口可以方便地实现实时数据的显示。但是这将增加系统硬件的复杂度和程序编写的难度。方案二：使用使用专用的LED显示器显示驱动器和LED显示器显示模块。其中，LCD显示模块LCM（LiquidCrystalDisplayModule）是把LCD显示器、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构成一个整体，作为一个独立的部件使用，具有功能较强、易于控制、接口简单等优点，在单片机系统中应用较多。LED显示器显示模块通过这个接口接收显示命令和数据，并按指令和数据的要求进行显示。外部电路通过这个接口读出显示模块的工作状态和显示数据。LCD显示模块一般带有内部显示RAM和字符发生器，只要输入ASCII码就可以进行显示而且不用一直扫描显示,可以减轻CPU的工作负担，使其可以去做其它更重要的处理。考虑到题目要求及实际应用价值，我们选择方案二。3.4、液位传感器方案一：使用电容传感器测量测位，利用容器中的水为介质再用容器组成一个电容器，经过V/F转换，把要测量的电容量转换频率使单片机可以通过对频率计数方式实现对频率测量，电容水位传感器可以做到测量纯净水精确度较高液位器。可是当水中含有大量矿物质时候测量就有比较在的误差，而且所用的容器一般都固定，不方便仪器移植，灵活性小，一般只适用于实验性用，对实际生产不适用。河池学院2008届本科生毕业论文（设计）水位遥测自控系统6方案二：使用浮球式液位变送器，这种变送器杆内设有多点磁簧开关，当浮球处在磁簧开关相关位置时，开关依次闭合，输出信号发生相应变化。由于相邻磁簧开关的距离最小为1厘米，即这种变送器测量液位的精度是1厘米。虽然这种液位传感器的造价较低，但精度达不到题目要求，而且它测量的盲区比较大，低于2厘米时无法检测。方案三：使用超声波液位传感器，这种传感器是通过测量超声波在空气中行走时间来计算液位的实时高度。因为超声波测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果，而且超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。而且它的造价也不高，且安装方便，实用性好。因此，结合题目的要求本测量系统选择了的方案三。3.5、远程测量与控制有关远程测量控制的选择，一般有以下三种方案：方案一：采用GSM模组进行数据传输，在GSM中，唯一不需建立端到端通道的业务就是端消息业务（SMS），在移动设备处于点与点通信状态下，还能同时实现短消息业务。短消息只能传送一句话，这种通信是异步进行的。作为GSM系统，每条短消息都是作为单独的时间来处理的，短消息的传送都是经过短消息服务中心进行周转的。利用已建成的GSM网络传输，可靠性高，但是设备价格昂贵。方案二：采用以太网进行传输，通过专用调制解调芯片,以单片机为控制核心,利用单片机的串口可以方便地实现与上位PC机的通信,从而利用现成的、衰减量小的光纤网络系统实现水位的遥测和自动控制。但是此种方法设备复杂，在实验设计阶段是不适用的。方案三：采用无线RF射频模组进行数据传输。采用Nordic公司的收发一体的无线RF芯片nRF24L01，通过简单的几个外部连接元件可以实现最高2Mbit/S河池学院2008届本科生毕业论文（设计）水位遥测自控系统7的速率传输。nRF24L01工作在全球开放2.4~2.5GHZ波段，只要通过SPI把配置字写到nRF24L01里，就可以把所要传送的数无线传送出去，还以实现自应答和自动重发。其操作简单，成本低，且能够满足本设计要求。综上所述，采用RF射频技术传输数据代价小且能满足本设计要求，故在此选用方案三。4、方案设计论证4.1总体硬件系统电路设计[5]主测控站系统设计原理详图如图4-1所示：EA/VPP31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PRDG30P31/TXD11P30/RXD10U2AT89C51123456789J847012345678J5LCDD+C310uf/16vR110kS6VCCY124MHZC522pfC422pfVCCS1S2S3S4S51234J7RFM11234J9RFM2GNDVCC3V123J6LCDCOND9LEDD8LEDR41KR31KP16P17P16P17VCCVCC图4-1、主测控站系统设计原理从测控站系统设计原理详图如图4-2所示：河池学院2008届本科生毕业论文（设计）水位遥测自控系统8EA/VPP31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PRDG30P31/TXD11P30/RXD10U2AT89C51R15kD1123456789J4电阻排12345678J5液晶数据123J7液晶控制+C310uf/16vR310kS6K1VCCY124MHZC522pfC422pfVCC1234J6CON41234J9CON4VCCGND12J8CON2R?RES2D8LEDVCCVCCQ1PNPK11K22K44K33K55Q2J123J10CON3图4-2、从测控站系统设计原理详图4.2各模块的实现4.2.1单片机系统[6]单片机最小系统是整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。我们采用了ATMEL公司的AT89C52单片机。它是一款低功耗、高性能的CMOS型8位单片机，其内含256个字节的RAM，8KBFLASHROM，2个16位定时器/计数器。4.2.2键盘显示模块本系统用采用独立式键盘。因为AT89C51的IO口具有位驱动能力，而且所用按键数目不多，可以通过单片机软件利用查询或中断方式简单地实现各种控制。LCD显示器采用LED显示器A点阵式液晶显示屏。该液晶模块可以显示字母、数字符号，具稳定显示和反