畢業(yè)論文---水位遙測自動控制系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 研究的目的和意義</p><p>　　在社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基礎設施之一。任何時候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合

2、格的水質(zhì)是對給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲水設備，由一級或二級水泵從地下市政水管補給[1]。因此，如何建立一個可靠安全、又易于維護的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。</p><p>　　水位自動測報系統(tǒng)屬于應用現(xiàn)代遙測、通信、計算機技術，是完成江河流域降雨量、蒸發(fā)量、河流湖泊水位、海洋潮位、流量（流速）、風向風速、水質(zhì)、閘壩的閘門開度、滲壓、土壤墑情等數(shù)據(jù)

3、的實時采集、報送和處理應用的信息系統(tǒng)，屬于非工程性防洪措施[2]。它能將某一流域或區(qū)域內(nèi)的水文氣象、水資源信息在短時間內(nèi)傳遞至決策機構(gòu)，以便進行洪水預報和水資源優(yōu)化調(diào)度，減少水害損失，提高水資源的利用率，可以產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。</p><p>　　水位自動測報系統(tǒng)多用在重點防洪地區(qū)及大型水利工程上，特別是在流域性、區(qū)域性的水位數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理、 應用的自動化方面起到了積極作用。</p>

4、<p>　　水位自動測報系統(tǒng)包括三種工作制式：自報式、查詢應答式 和混合式。</p><p>　?。?）自報式工作制式：在遙測站設備控制下每當被測參數(shù)發(fā)生一個規(guī)定的增 減量變化或按設定的時間間隔，即向中心站發(fā)送所采集的數(shù)據(jù)，接收端的數(shù)據(jù)接收設備始終處于值守狀態(tài)?，F(xiàn)在已經(jīng)對傳統(tǒng)的自報式工作制式進行了改進，使自報式工作制式有了較大發(fā)展。改進后自報式也是雙向通信方式，不是過去的純單向工作方式。在遙測站設備

5、控制下每當被測參數(shù)發(fā)生一個規(guī)定的增減量變化或按設定的時間間隔，即向中心站發(fā)送所采集的數(shù)據(jù)，中心站收到數(shù)據(jù)后，給遙測站發(fā)送“確認”信息，告知遙測站這組數(shù)據(jù)接收正確或是接收錯誤。自報式只有采用“確認”機制，才可以實現(xiàn)雙信道的自動切換。</p><p>　　（2）查詢應答式：由中心站自動定時巡測或隨機呼叫遙測站，遙測站響應中心站的查詢指令，將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給中心站。定時自動巡測的時間間隔可根據(jù)數(shù)據(jù)處理和預報作業(yè)的需要

6、確定。</p><p>　　（3）混合式：系統(tǒng)兼容自報式和查詢—應答式兩種工作制式。 現(xiàn)在被廣泛運用。特別是采用公網(wǎng)組網(wǎng)（包括VSAT）的水文自動測報系統(tǒng)，為了保證數(shù)據(jù)的時效性，又節(jié)省運行費用，采用混合式工作制式組 網(wǎng)比較合理。在汛情不緊張、數(shù)據(jù)量小的時間段內(nèi)用查詢—應答式；當出現(xiàn)暴雨或水位變化較快時以自報方式加報。</p><p>　　隨著無線通信技術的發(fā)展,遙測及遙控技術已經(jīng)深入人們的

7、生活與工作當中,在工業(yè)與生活中水位的測量與控制是經(jīng)常要測控的一個因素。儀器自動一體化，短距離無線抄表技術已經(jīng)成為下一代無線技術發(fā)展的一個重要分支。應此勢要求，本設計就以一水位遙測自動控制系統(tǒng)，對于無線技術的研究只是作個拋磚引玉。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外水位測量的發(fā)展</p><p>　　我國的水位自動測報系統(tǒng)從70年代末起步，在浙江省浦陽江流域首先應用。80年代初期為引進階段

8、，先后在淮河王家壩區(qū)間、長江流域漢江丹江口水庫、黃河的三門峽至花園口建成進口設備的水情自動測報系統(tǒng)。1985年以后為國產(chǎn)設備研制、定型階段，有淮河正陽關以上流域水位自動測報系統(tǒng)、黃河流域陸渾小區(qū)自報式水情自動測報系統(tǒng)、長江流域漢江的黃龍灘水庫水情自動測報系統(tǒng)等[3]。90年代后為推廣應用階段。</p><p>　　從上世紀90年代以來，隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，越來越多的新技術運用于各行各業(yè)，人們對信息傳遞的要求越

9、來越高，尤其是在水文監(jiān)測方面。以長江上游為例，該區(qū)域以山區(qū)性河流為主，有三大暴雨中心，災害性洪水較多。測報系統(tǒng)除了為國家防總、重慶市防汛辦、長江防總、三峽工程及沿江省、地、市的46個防汛部門提供水情信息外，還為航運、航道、供水、港務、碼頭等70余個企事業(yè)單位提供水情服務。在這些大量的監(jiān)測、預報任務中，原始數(shù)據(jù)的實時傳輸并匯總上報是一大難題。為了提高水文監(jiān)測預報的實時性、可靠性，采用先進科技手段對現(xiàn)有水文監(jiān)測管理進行系統(tǒng)改造已勢在必行。&

10、lt;/p><p>　　根據(jù)水文自動測報系統(tǒng)規(guī)模和性質(zhì)的不同，可將其分為水文自動測報基本系統(tǒng)和水文自動測報網(wǎng)兩部分。水文自動測報基本系統(tǒng)由中心站、遙測站（包括監(jiān)測站）、通信系統(tǒng)（包括中繼站）組成[4]。水位自動測報網(wǎng)是通過計算機的標準接口和各種信道，把若干個基本系統(tǒng)連接起來，組成進行數(shù)據(jù)交換共享的水文自動測報網(wǎng)絡。</p><p>　　1.3 水位測量的優(yōu)缺點</p><

11、p>　　水位控制在日常生活及工業(yè)領域中應用相當廣泛，比如水塔、地下水、水電站等情況下的水位控制。而以往水位的檢測是由人工完成的，值班人員全天候地對水位的變化進行監(jiān)測，用有線電話及時把水位變化情況報知主控室。然后主控室再開動電機進行給排水。很顯然上述重復性的工作無論從人員、時間和資金上都將造成很大的浪費。同時也容易出差錯。因此急需一種能自動檢測水位，并根據(jù)水位變化的情況自動調(diào)節(jié)的自動控制系統(tǒng)。</p><p>

12、;　　水塔很高，水位高低位不便于觀察，水多會溢出來，可用以下方法來解決這個問題，改進供水裝置就能實現(xiàn)供水自動化，供水系統(tǒng)中的水塔和高位水池等設備由于所處地勢高，上下極為不便，有時水即將用完也不知道，造成需用水時卻無水可用的情況。此外，在向池中注入水的過程中，由于不知道水位的情況，也就無法控制注水量的多少，這會嚴重影響正常的工作效率。為此需要對水位進行自動顯示、監(jiān)測和報警。傳統(tǒng)的水位檢測系統(tǒng)一般通過有線方式與監(jiān)控中心取得聯(lián)系，這種方式不但

13、維護起來困難，而且在很大程度上限制了其在時空上的拓展性[5]。</p><p>　　1.4 課題的主要工作</p><p>　　本研究的主要內(nèi)容是設計一種利用單片機的無線測量和自動控制系統(tǒng)。不需要架設電纜，而且可以實現(xiàn)水位的遠程自動控制和遙測[6]。采用無線傳輸模塊與單片機構(gòu)成的系統(tǒng)則能夠解決以上的問題。通過單片機可以很方便的實現(xiàn)水位的顯示功能，還可以通過這種無線通信的方式以實現(xiàn)遠程終端

14、監(jiān)控和報警的功能。</p><p>　　此外,這次設計還有以下任務:</p><p>　?。?）通過這次課程設計，加深對單片機理論方面的理解。</p><p>　?。?）掌握單片機的內(nèi)部模塊的應用，如中斷、控制、I/O口、串行口通訊等。</p><p>　?。?）了解和掌握單片機應用系統(tǒng)的軟硬件設計過程、方法及實現(xiàn)，為以后設計和實現(xiàn)單片器應用

15、系統(tǒng)打下良好基礎。</p><p>　　（4）通過簡單的設計，了解必須提交的各項工程文件，也達到鞏固、充實和綜合運用所學知識解決實際問題的目的。</p><p>　　2 水位遙測自控裝置的設計方案</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計</p><p>　　水位遙測自控裝置從功能上看需要實現(xiàn)以下幾點：水位的測量，水位信息的遠程傳輸，

16、水位的自動控制。系統(tǒng)由水位測量模塊、無線發(fā)送接收模塊、微控制器模塊、顯示模塊、報警模塊、閥門控制模塊和鍵盤模塊組成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 水位遙測自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　水位測量模塊測量出水位信息，由微控制器將水位信息寫入無線數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，無線數(shù)據(jù)接收裝置接收到的水位信息通過微控制器進行顯示，當接收到的數(shù)據(jù)超過警戒水位的上限或低于警戒水位

17、的下線時，微控制器控制報警模塊及閥門控制模塊進行相應的動作。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)設計思路</p><p>　　水位遙測自控系統(tǒng)設計方案的選擇主要包括兩方面：水位測量方案的選擇和遠程數(shù)據(jù)傳輸方案的選擇。</p><p>　　2.2.1 水位測量方案</p><p><b>　　方案1：壓力傳感器</b>&

18、lt;/p><p>　　壓力傳感器測量水位原理：不同的水位產(chǎn)生凈水壓強是不同的，測量出水壓，就可以計算出水位值。一般選擇輸出信號為4~20mA。</p><p>　　水質(zhì)對采集精度的影響：投入壓力傳感器是通過測量水的靜壓力來間接的測量水位，其基準是以凈水壓力來核算的，在多泥沙的水質(zhì)中，必須考慮水質(zhì)對水位值的影響，一般要根據(jù)實際情況設定一個水質(zhì)系數(shù)進行彌補[7]。</p><

19、p>　　實際水位值=測量水位值*水質(zhì)系數(shù)（水質(zhì)系數(shù)小于等于1） （式 2.1）</p><p><b>　　方案2：電容傳感器</b></p><p>　　運用兩根一端封閉的導線，將距離固定制作成簡單的平行板電容器即電容傳感器。水位的變化直接影響導線間的介質(zhì)多少變化，從而引起電容值的變化。</p><p>　　一般，電容的計算公式如式

20、2.2。</p><p>　　C=Q/U （式 2.2）</p><p>　　平行板電容器的電容：理論和實驗表明，平行板電容器的電容C跟介電常數(shù)ε成正比，跟正對面積成反比，跟極板間的距離d成反比，有式2.3。</p><p>　　C=εS/4πkd （式 2.3）</p

21、><p>　　式2.3中：k為靜電力常量，介電常數(shù)ε由兩極板之間介質(zhì)決定，圓周率π＝3.1415926。</p><p>　　方案2與方案1比較：一般工農(nóng)業(yè)上進行水位測試的裝置多采用方案1的壓力傳感器，然而對于本次的設計，方案2的電容傳感器相比之下更經(jīng)濟，可操作性更強，更能達到現(xiàn)場模擬的目的，因此傳感器采用方案2。</p><p>　　為提高水位測量的精度，一般要對數(shù)據(jù)

22、進行濾波，水位測量裝置常用的濾波算法有：</p><p>　　（1）取平均值：同時采集多個值，取其平均值作為實際的數(shù)據(jù)。</p><p>　　（2）一階滯后濾波法 ：一般取a=0~1。</p><p>　　本次濾波結(jié)果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果 （式2.4）</p><p>　　2.2.2 遠程數(shù)據(jù)傳輸方案<

23、/p><p>　　方案1： GSM無線短信芯片</p><p>　　GSM無線短信模塊G100A是由北京捷麥公司推出的，該模塊采用全SMT組裝，工藝先進、可靠性高，工作電壓范圍為5～15 v[8]。其內(nèi)置的德國西門子公司GSM模塊TC35使得模塊操作簡單，無須學習復雜的GSM模塊AT指令集。G100A的串口具有TTL、RS232和RS485半雙工三種形式，標準配置為RS232。</p&g

24、t;<p>　　采用GSM模塊與單片機構(gòu)成的系統(tǒng)通過單片機的并行I／0口可以很方便的實現(xiàn)水位的顯示功能。現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，采用GSM模塊時，就可以通過一種無線通信的方式以實現(xiàn)遠程終端監(jiān)控和報警的功能。</p><p>　　方案2：無線收發(fā)器nRF905</p><p>　　NRF905無線收發(fā)器工作在433/868/915MHZ的ISM頻段，由一個

25、完全集成的頻率調(diào)制器，一個帶解調(diào)器的接收器，一個功率放大器，一個晶體震蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成，可以通過一種無線通信的方式實現(xiàn)遠程終端監(jiān)控和報警的功能[9]。單片的NRF905可以實現(xiàn)無線接收和發(fā)送功能，它具有低功耗ShockBurst模式，工作電源電壓范圍1.9-3.6V。NRF905無線收發(fā)器用戶無需另外組網(wǎng)，為客戶節(jié)省了昂貴的建網(wǎng)費用和維護費用。</p><p>　　方案2與方案1比較：方案1的GSM模塊受到網(wǎng)

26、絡信號的限制，對于一些信號強度較弱的區(qū)域，同時受到通信協(xié)議等各方面因素的限制，無法保證正常工作。方案2的nRF905模塊更方便應用于本次設計，因此本設計無線傳輸方案選擇方案2。</p><p>　　3 水位遙測自控裝置硬件設計</p><p>　　根據(jù)設計要求，采用MC9S08AW60單片機為核心的智能控制器系統(tǒng)的硬件接口電路包括：控制器實時時鐘接口電路、水位測量電路、無線傳輸接口電路、

27、報警電路、顯示接口電路以及繼電器輸出接口電路等。其中MC9S08AW60為核心控制器件，水位測量運用電容傳感器及555頻率計算器組成，無線傳輸運用NRF905模塊，數(shù)碼管為顯示器件，繼電器為控制器件[10]。下面將對各個電路與其核心器件的工作原理做詳細介紹。</p><p>　　3.1 單片機的概述</p><p>　　本設計利用的是MC9S08AW60單片機，它是一個低成本、高性能 8

28、 位微處理器單元（MCUs）HCS08 家族中的成員。家族中所有的 MCUs 使用增強型HCS08 核，且使用不同的模塊，存儲大小，存儲器類型和封裝類型。本設計所使用的MC9S08AW60為44引腳的低輪廓四方扁平封裝（LQFP）如圖3.1。</p><p>　　圖3.1 MC9S08AW60 44腳LQFP封裝圖</p><p>　　3.1.1 MC9S08AW60單片機功能描述<

29、;/p><p>　　MC9S08AW60單片機引腳圖如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 MC9S08AW60 引腳圖</p><p>　　MC9S08AW60單片機具有8位 HCS08中央處理單元（CPU），40 MHz的HCS08的CPU（中央處理單元），20MHz的內(nèi)部總線頻率。HC08指令子集增加了BGND指令，單線后臺調(diào)試模式接口，允許單一的斷點設置

30、在線調(diào)試（在片內(nèi)調(diào)試模塊加了多于兩個的斷點），在線仿真（ICE）帶有兩個比較器（在BDM中要加一），9個觸發(fā)模式以及片內(nèi)總線捕獲緩沖區(qū)。</p><p>　　3.1.2 水位遙測單片機接口電路設計</p><p>　　單片機接口電路如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 單片機接口電路</p><p>　　單片機的各IO口接線簡介：

31、</p><p>　　PA0連接555定時器控制信號。PF0連接555定時器的輸出信號。</p><p>　　PC4連接SMS0501顯示模塊的時鐘信號，PC5連接SMS0501顯示模塊的數(shù)據(jù)輸入端口，PG3連接SMS0501顯示模塊的背光控制。</p><p>　　PB1 ,PB2分別連接雙路繼電器來控制閥門的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。</p><p>

32、　　PA1 ,PE2-PE7 ,PD0-PD3分別與無線收發(fā)模塊NRF905的各引腳相連。</p><p>　　3.2 水位測量電路的設計</p><p>　　水位測量電路由簡單的電容傳感器和ICM7555定時器構(gòu)成。</p><p><b>　　3.2.1工作原理</b></p><p>　　當水位變化時，電容傳感器

33、的電容值發(fā)生變化，電容傳感器的電容變化輸入ICM7555定時器電路，ICM7555輸出相應的頻率。電容傳感器的電容值與ICM7555輸出頻率值的轉(zhuǎn)換關系如式3.1。</p><p><b>　?。ㄊ?3.1）</b></p><p>　　3.2.2水位測量電路</p><p>　　圖3.4 水位測量電路原理圖</p><p&

34、gt;　　通過三極管Q6來控制ICM7555的電源供給，使單片機能自由控制其頻率的輸出，更有利于對頻率的測量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制。其中R26為三極管Q6基極的限流電阻。為了盡量的減小輸入干擾及其保護ICM7555，則在輸入端串接電容C23和C24。</p><p>　　3.3 無線傳輸模塊的設計</p><p>　　3.3.1 NRF905工作原理</p><p>

35、　　nRF905是單片工作在433/868/915MHZ頻段的無線收發(fā)器，由一個完全集成的頻率調(diào)制器，一個帶解調(diào)器的接收器，一個功率放大器，一個晶體振蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成[11]。ShockBurst工作模式的特點是自動產(chǎn)生前導碼和CRC?？梢院苋菀淄ㄟ^SPI接口進行編程配置。電流消耗很低，在發(fā)射功率為-10Bm時，發(fā)射電流為11mA，接收電流為12.5mA。進入POWERDOWN模式可以很容易實現(xiàn)節(jié)電。</p><

36、p>　　快速參考數(shù)據(jù)如表3.1。</p><p>　　表3.1 nRF905快速參考數(shù)據(jù)</p><p>　　3.3.2 NRF905電氣特性</p><p>　　nRF905 32L QFN 5*5封裝管腳分布圖如圖3.5：</p><p>　　圖3.5 nRF905 32L QFN 5*5封裝管腳分布圖</p><

37、;p>　　nRF905的電氣特性如下：</p><p>　?。?）輸出頻率4MHZ，外部時鐘腳負載為5pf，晶體為4MHZ</p><p>　　（2）晶體為4MHZ</p><p>　?。?）POWERDOWN 模式時SPI 時鐘為1MHZ</p><p>　　（4）工作在433/868/915MHZ的ISM頻段</p>

38、<p>　?。?）晶體頻率有5種不同取值（4、8、12、16、20MHZ）</p><p>　?。?）通道寬度和通道間隔為200KHZ</p><p>　　3.3.3 NRF905接口電路及管腳說明</p><p>　　nRF905芯片管腳說明如表3.2。</p><p>　　表3.2 nRF905芯片管腳說明</p>

39、<p>　　nRF905的接口電路如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 nRF905接口電路</p><p>　　3.3.4 無線傳輸模塊</p><p>　　圖3.7 無線傳輸模塊原理圖</p><p>　　nRF905模塊的所有管腳都直接與單片機管腳相連。為了提供更穩(wěn)定的電源，在電源端并聯(lián)一個儲能電容C18。<

40、/p><p>　　3.4 顯示電路設計</p><p>　　3.4.1 SMS0501E3 液晶顯示模塊的概述</p><p>　　SMS0501E3 數(shù)碼筆段型液晶顯示模塊(LCM)，采用數(shù)碼筆段型液晶顯示器(LCD)，可顯示 5 位數(shù)字及 3 個小數(shù)點，寬電壓工作范圍，微功耗，高亮發(fā)光管側(cè)背光，與 MCU 單片機采用二線式串口連接，廣泛應用于手持式儀器儀表，智能顯

41、示儀表[12]。</p><p>　　3.4.2 SMS0501E3液晶顯示模塊的主要技術參數(shù) </p><p>　　表3.4 SMS0501E3液晶顯示模塊的主要技術參數(shù)</p><p>　　3.4.3 SMS0501E3 液晶顯示模塊的接口電路</p><p>　　SMS0501E3 液晶顯示模塊的

42、接口電路如圖3.8所示，各管腳說明如下：</p><p>　?。?）VDD: 電源正極</p><p>　?。?）DI: 串行數(shù)據(jù)輸入 </p><p>　　（3）CLK: 串行移位脈沖輸入 </p><p>　?。?）VSS: 電源負極 </p><p>　　（5）VDD

43、: 電源正極 </p><p>　?。?）VDD: 電源正極 </p><p>　?。?）BLK: 背光源負極 </p><p>　　圖3.8 SMS0501E3 液晶顯示模塊的接口電路</p><p><b>　　3.4．4顯示電路</b></p&g

44、t;<p>　　圖3.9 SMS0501E3 液晶顯示模塊電路</p><p>　　通過三極管Q4能使單片機來控制液晶顯示模塊的背光的亮滅，更加節(jié)能，其中R17為三極管基極的限流電阻。在電源端并入儲能電容C21，能給液晶模塊提供更穩(wěn)定的電源。</p><p>　　3.5 報警電路的設計</p><p>　　該報警系統(tǒng)主要是由蜂鳴器、三極管和雙色LE

45、D燈構(gòu)成，其設計的硬件電路如圖3.12所示。</p><p>　　圖3.10 報警系統(tǒng)電路</p><p>　　當達到報警條件時，蜂鳴器發(fā)出報警聲，雙色LED燈轉(zhuǎn)換為相應的顏色。R5為三極管Q1基極的限流電阻。R4為雙向發(fā)光二極管D2的限流電阻。</p><p>　　3.6 閥門控制電路設計</p><p>　　閥門控制電路由繼電器、三極管

46、和穩(wěn)壓二極管組成，運用三極管的開關特性控制繼電器的鏈接方向，從而控制閥門正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。繼電器的引腳圖如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 繼電器引腳圖</p><p>　　閥門控制電路如圖3.12所示。</p><p>　　圖3.12 閥門控制電路</p><p>　　雙路繼電器K1控制電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)閥門的關閉。R11檢測電阻

47、來檢測電機的堵轉(zhuǎn)。二極管U11，U12是為了吸收繼電器的剩余能量。J3是給電機一個獨立電源，給電機一個更加強勁的電源。</p><p><b>　　3.7 其他電路</b></p><p>　　由于各自的工作電壓不太一樣，在這里采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232以實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。本電路應用了12V轉(zhuǎn)5V芯片4264和5V轉(zhuǎn)3.3V芯片LM1117。電源轉(zhuǎn)換電路如圖3.13

48、。</p><p>　　圖3.13 電源轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　二極管U3是為了防止電源的反接，以保護整個系統(tǒng)。電源芯片4264的輸入和輸出端并入電容以達到濾除電源紋波，提供一個干凈的5V電源。電源芯片1117的輸入和輸出端并入電容以達到濾除電源紋波，提供一個干凈的3.3V電源。</p><p><b>　　3.8 本章小節(jié)</b>&l

49、t;/p><p>　　本章主要研究的是硬件電路的設計與實現(xiàn)，基于對水位傳感器的分析與設計，水位測量方面主要采用的是自制電容傳感器，從而實現(xiàn)了經(jīng)濟，可操作的效果。當水位值低于0.5m時，報警電路工作，繼電器電路給水工作。當水位值達到距上限0.5m時，報警電路工作，繼電器電路放水工作。本系統(tǒng)有很高的可靠性與實用性。</p><p>　　本章主要介紹應用PADS Logic 、PADS Layout

50、與PADS Router對系統(tǒng)進行原理圖與PCD圖的繪制。PCD圖如附錄B中圖5.6所示。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設計</b></p><p>　　本次設計程序的編寫采用C語言， C語言是一種計算機程序設計語言。C語言具有繪圖能力強，可移植性，并具備很強的數(shù)據(jù)處理能力，因此適于編寫系統(tǒng)軟件，三維，二維圖形和動畫。它是數(shù)值計算的高級語言[13]。C語

51、言具有以下優(yōu)點：</p><p>　?。?）簡潔緊湊、靈活方便。C語言一共只有32個關鍵字，9種控制語句，程序書寫自由，主要用小寫字母表示。它把高級語言的基本結(jié)構(gòu)和語句與低級語言的實用性結(jié)合起來。 C 語言可以象匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作， 而這三者是計算機最基本的工作單元。</p><p>　　（2）運算符豐富。C的運算符包含的范圍很廣泛，共有種34個運算符。C語言把括號、賦值

52、、強制類型轉(zhuǎn)換等都作為運算符處理。從而使C的運算類型極其豐富表達式類型多樣化，靈活使用各種運算符可以實現(xiàn)在其它高級語言中難以實現(xiàn)的運算。</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富。C的數(shù)據(jù)類型有：整型、實型、字符型、數(shù)組類型、指針類型、結(jié)構(gòu)體類型、共用體類型等。能用來實現(xiàn)各種復雜的數(shù)據(jù)類型的運算。并引入了指針概念，使程序效率更高。另外C語言具有強大的圖形功能， 支持多種顯示器和驅(qū)動器。且計算功能、邏輯判斷功能強大。

53、</p><p>　　（4）C是結(jié)構(gòu)式語言。結(jié)構(gòu)式語言的顯著特點是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?便于使用、維護以及調(diào)試。C語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結(jié)構(gòu)化。</p><p>　?。?）C語法限制不太嚴格，程序設計自由度大。雖然C語言也是強類型語

54、言，但它的語法比較靈活，允許程序編寫者有較大的自由度。</p><p>　?。?）C語言允許直接訪問物理地址，可以直接對硬件進行操作。因此既具有高級語言的功能，又具有低級語言的許多功能，能夠象匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元，可以用來寫系統(tǒng)軟件。</p><p>　?。?）C語言程序生成代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高。一般只比匯編程序生成的目標代碼效率低1

55、0~20%。</p><p>　　（8）C語言適用范圍大，可移植性好。</p><p>　　根據(jù)設計要求和各個芯片的工作原理，以及編程的要求需要先畫出它的程序流程圖。下面是程序的流程圖：</p><p>　　4.1 主電路的軟件設計</p><p>　　對于整個系統(tǒng)的軟件設計分為一下幾個部分：水位測量部分、無線傳輸部分、數(shù)碼管顯示部分、繼電

56、器閥門控制部分和報警部分。主程序的流程圖如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 水位遙測自控主程序設計流程圖</p><p>　　4.2 水位測量軟件設計</p><p>　　水位測量傳感器接在單片機PF0口上，故對PF0口置1。再設置定時器一的二通道為輸入捕捉模式，傳感器對水位進行測量，得到的水位值進行處理之后保存并傳輸給無線發(fā)送模塊進行發(fā)送。</

57、p><p>　　水位子程序流程圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 水位測量子程序設計流程圖</p><p><b>　　水位測試程序如下：</b></p><p>　　void Init_555(void){</p><p>　　PTADD_PTADD0=1;</p>&l

58、t;p>　　VCC_555_CTRL=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void Init_TPM(void){</p><p>　　TPM1SC =0XCA;</p><p>　　TPM1MOD =6250; //1.25ms溢出</p><p&g

59、t;　　TPM1C2SC =0X44; //設置輸入捕捉模式</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void Conversion(){</p><p>　　level= (uint)((((subTemp/5))*10/74)-1); </p><p>　　comma

60、nd_buffer[0]=0X20;</p><p>　　command_buffer[1]=level;</p><p>　　command_buffer[2]=(level>>8);</p><p>　　command_buffer[3]=(0X20+command_buffer[1]+command_buffer[2]); </p&g

61、t;<p><b>　　}</b></p><p>　　void interrupt VectorNumber_Vtpm1ovf timer(){</p><p>　　TPM1SC = TPM1SC;</p><p>　　TPM1SC_TOF=0;</p><p>　　timer_num++;</p&

62、gt;<p><b>　　}</b></p><p>　　void interrupt VectorNumber_Vtpm1ch2 input(){</p><p>　　TPM1C2SC_CH2F=0;</p><p>　　if(input_num==1) {</p><p>　　input_f=TPM1C

63、NT;</p><p>　　timer_num=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(input_num==2){</p><p>　　input_s=TPM1CNT;</p><p>　　input_num=0;</p><p>　　su

64、bTemp=timer_num*6250+input_s-input_f;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　input_num++;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.3 數(shù)碼管顯示軟件設計</p><p>　　SMS

65、0501E3 液晶顯示模塊的地址映射表如表4.1所示。</p><p>　　表4.1 SMS0501E3 液晶顯示模塊的地址映射表</p><p>　　數(shù)碼管依次對百位，十位，個位進行顯示。數(shù)碼管顯示子程序如圖4.3所示。以下是SMS0501程序：</p><p>　　unsigned char LCD_table[12]={</p><p&g

66、t;　　0x41, 0x77, 0xc2, 0x52, // 0, 1, 2, 3</p><p>　　0x74, 0x58, 0x48, 0x73, // 4, 5, 6, 7</p><p>　　0x40, 0x50, 0xff, 0xfe, // 8, 9, , - </p><p><b>　　};</b></p&

67、gt;<p>　　void Init_LCD() {</p><p>　　PTCDD_PTCDD4=1;</p><p>　　PTCDD_PTCDD5=1;</p><p>　　PTGDD_PTGDD3=1; </p><p>　　LCD_BLK=1; //open BLK is high</p><

68、p><b>　　}</b></p><p>　　void LCD_write_byte(uint data)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　char i;</b></p><p>　　for(i=0; i<8; i++) {&l

69、t;/p><p>　　LCD_CLK = 1;</p><p>　　if(data&0x01)</p><p>　　LCD_DATA = 1;</p><p><b>　　else</b></p><p>　　LCD_DATA = 0;</p><p>　　data &

70、gt;>= 1;</p><p>　　LCD_CLK = 0; </p><p>　　LCD_CLK = 1; </p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void LCD_write_bytes(ui

71、nt data, char dp, char minus) </p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　char i;</b></p><p>　　char temp[5];</p><p><b>　　if(minus)</b></p&g

72、t;<p>　　temp[0] = 0xff;</p><p><b>　　else</b></p><p>　　temp[0] = 0xfe;</p><p>　　temp[1] = LCD_table[data%10000/1000];</p><p>　　temp[2] = LCD_table[dat

73、a%1000/100];</p><p>　　temp[3] = LCD_table[data%100/10];</p><p>　　temp[4] = LCD_table[data%10];</p><p><b>　　if(dp)</b></p><p>　　temp[dp] &= 0xbf;</p&g

74、t;<p>　　for(i=0; i<5; i++) {</p><p>　　LCD_write_byte(temp[i]);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　圖4.3 數(shù)碼管顯示子程序</p>

75、<p>　　4.4 無線數(shù)據(jù)傳輸軟件設計</p><p>　　NRF905一共有四種工作模式，其中有兩種活動RX/TX模式和兩種節(jié)電模式[14]?；顒幽Ｊ剑⊿hockBurst RX和ShockBurst TX），節(jié)電模式（掉電和SPI編程，STANDBY和SPI編程）。nRF905 工作模式由TRX_C E、TX_EN、PWR_UP 的設置來設定如表4.2所示。</p><p&g

76、t;　　表4.2 nRF905 工作模式設定</p><p>　　ShockBurstTM 收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從微控制器送入，但高速發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻 協(xié)議相關的所有高速信號處理都在片內(nèi)進行，這種做法有三大好處：盡量節(jié)能；低的系統(tǒng)費用(低速微處理器也能進行高速射頻發(fā)射)；數(shù) 據(jù)在空中停留 時間短，抗干擾性高。Shoc k

77、BurstTM 技術同時也減小 了整個系統(tǒng)的平均工作電流。</p><p>　　在 ShockBurstTM 收發(fā)模式下， RF905 自動處理字頭和CRC 校驗碼。在接收數(shù)據(jù)時，自動把字頭和 CRC 校驗碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上字頭和CRC校驗碼，當發(fā)送過程完成后，DR引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。</p><p>　　4.4.1 ShockBurst TX 發(fā)送流程 </

78、p><p>　　典型的 NRF905 發(fā)送流程分以下幾步：</p><p>　?。?）當微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，通過SPI接口，按時序把接收機的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給RF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定；</p><p>　?。?）微控制器置高 TRX_CE 和 TX_EN，激發(fā) RF905 ShockBurstTM發(fā)送模式；</p>

79、<p>　　（3）RF905 的ShockBur stTM 發(fā)送：射頻寄存器自動開啟，數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC 校驗碼)，發(fā)送數(shù)據(jù)包，當數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準備好引腳被置高； </p><p>　?。?）AUTO_RETRAN被置高，RF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低；</p><p>　?。?）當 TRX_CE 被置低，RF905發(fā)送過程完成，自動進入空閑模式。</

80、p><p>　　注意：ShockBurstTM 工作模式保證，一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始，無論 TRX_EN 和 TX_EN 引腳是高 或低，發(fā)送過 程都會被處理完。只有在前一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，RF905才能接受下一 個發(fā)送數(shù)據(jù)包。 </p><p>　　無線發(fā)送流程圖如圖4.4所示，程序見附錄A。</p><p>　　圖4.4 無線發(fā)送流程圖</p>&l

81、t;p>　　4.4.2 ShockBurst RX 接收流程 </p><p>　　（1）當TR X_CE 為高、TX_EN 為低時，RF905進入ShockBurstTM接收模式； </p><p>　　（2）650us 后 ，RF905 不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)；</p><p>　?。?）當 RF905檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高；<

82、/p><p>　?。?） 當接收到一個相匹配的地址，AM 引腳被置高；</p><p>　?。?）當一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢， RF905自動移去字頭、地址和 CRC校驗位，然后把 DR 引腳置高</p><p>　　（6）微控制器把 TRX_CE 置低，nRF905 進入空閑模式；</p><p>　　（7） 微控制器通過 SPI 口，以一定的

83、速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)；</p><p>　　（8）當所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905 把DR引腳和AM引腳置低；</p><p>　　（9）nRF905此時可以進入 ShockBurstTM 接收模式、ShockBurstTM 發(fā)送模式或關機模式。當正在接收一個數(shù)據(jù)包時，TRX_CE 或 TX_EN 引腳的狀態(tài)發(fā)生改變，RF905 立即把其工作模式改變 ，數(shù)據(jù)包則丟失。當微處理器接 到

84、AM引腳的信號之后，其就知道 RF905 正在接收數(shù)據(jù)包，其可以決定是讓 RF905 繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包還是進入另一個工作模式。 </p><p>　　無線接收流程圖如圖4.5所示，程序見附錄A。</p><p>　　圖4.5 無線接收流程圖</p><p>　　4.4.3 節(jié)能模式</p><p>　　RF905 的節(jié)能 模式包括關機模式和節(jié)

85、能模式。</p><p>　　在關機模式，RF905 的工作電流最小，一般為 2.5u A。進入關機模式后，RF905保持配置字中的內(nèi)容，但不會接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)。 空閑模式有利于減小工作電流，其從空閑模式到發(fā)送模式或接收模式的啟動時間也比較短。在空閑模式下，RF905內(nèi)部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)。</p><p><b>　　4.5 本章小結(jié)</b></

86、p><p>　　本章主要利用在軟件對系統(tǒng)進行設計，而程序的編寫采用C語言，它既有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點[15]。它可以作為系統(tǒng)設計語言，編寫工作系統(tǒng)應用程序，也可以作為應用程序設計語言，編寫不依賴計算機硬件的應用程序。因此，它的應用范圍廣泛。對操作系統(tǒng)和系統(tǒng)使用程序以及需要對硬件進行操作的場合，用C語言明顯優(yōu)于其它解釋型高級語言，有一些大型應用軟件也是用C語言編寫的。 </p><p

87、>　　主電路的軟件進行水位的讀取，得到值轉(zhuǎn)換為水位值，并且不斷的進行檢測，將測得的值送至無線發(fā)送端進行發(fā)送，無線接收端接收到水位信息后，單片機控制數(shù)碼管進行顯示。當水位值低于0.5m時，報警電路工作，繼電器電路給水工作。當水位值達到距上限0.5m時，報警電路工作，繼電器電路放水工作。</p><p><b>　　5 實物結(jié)果分析</b></p><p>　　水

88、位遙測系統(tǒng)各部分實物圖片展示見附錄B。經(jīng)過實驗測試，實物裝置能夠?qū)崿F(xiàn)水位的測試，無線發(fā)送接收，水位顯示，控制和報警的功能。但是水位遙測自控裝置的水位測試和無線傳輸存在一定的誤差。</p><p>　　實驗測得，開發(fā)板的水位測試的精確度達到0.01m，分析造成誤差的原因有：</p><p>　?。?）自制電容傳感器，平行導線的間距不是很精確地平行，存在導線間距上的誤差，導致線性關系公式上有一

89、定的誤差。</p><p>　?。?）水溫影響電容的值。電容的許多參數(shù)與溫度密切相關，電容的損耗角正切值是隨溫度的生高而增加的。一般情況下，電容的絕緣電阻隨溫度的生該而降低，絕緣電阻的降低又將導致電容的漏電流增大，電容的電容量隨溫度的變化而變化。</p><p>　?。?）濕度影響電容間介質(zhì)的介電常數(shù)，從而影響電容傳感器的值。</p><p>　　無線傳輸?shù)木嚯x受到

90、許多因素的限制，在空曠的地區(qū)，電磁干擾比較小的情況下傳輸距離能達到200m,無線傳輸還受到天線的接收信號的性能的影響[16]。</p><p><b>　　6 全文總結(jié)</b></p><p>　　本次設計完成了設計的要求，包括水位的測量遠程傳輸及顯示，以及通過程序設定在低于0.5m的水位的時候，通過控制繼電器停繼續(xù)上水；以及在達到距上限0.5m時，繼電器控制閥門進

91、行放水并報警。在這個過程中遇到了芯片的選擇問題、程序問題，比如水位測量傳感器的選擇，壓力傳感器價格昂貴，不宜仿真操作，所以后來采用了簡單的自制電容傳感器，它更經(jīng)濟、更實用，同時達到了壓力傳感器同樣的效果。在現(xiàn)實生活中人們往往會因為忘記上水閥，導致水資源的浪費。而且本設計也可以在一定程度上進行改進，進而滿足更多人的需求，也可以更加趨于智能化。 </p><p>　　本次設計雖然實現(xiàn)了設計的基本要求，但是這些還是需要

92、改進，比如水位測量的精確度還可以有更進一步的提高，還可以通過鍵盤來設定自動停水的水位值，水位遙測自控系統(tǒng)的智能化發(fā)展將有更好的發(fā)展趨勢。</p><p><b>　　附錄B</b></p><p>　　實物圖及原理圖展示。</p><p>　　圖6.3 PCB板4</p><p>　　圖6.9 電路原理圖</p&

93、gt;<p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張志平,王建摸,辛建之.高層水箱遙測控制裝置.MECHATRONICS. 1999:3 </p><p>　　[2] 王本德,周惠成.水庫汛限水位動態(tài)控制理論與方法及其應用.水利水電出版社.2006. 8:75</p><p>　　[3] 丁鎮(zhèn)生.傳感及其遙控

94、遙測技術應用.電子工業(yè)出版社.2003:7 </p><p>　　[4] 水位觀測平臺技術指標.中華人民共和國水利部.2007:5 </p><p>　　[5] 吳持恭,水力學.四川大學 高等教育出版社.2008:22 </p><p>　　[6] 朱志勤.遙測遙感技術的現(xiàn)狀及發(fā)展.計算機自動測量與控制.1999:7 </p><p>　　[

95、7] 李明偉,盧秉娟.半導體壓力硅在水位控制系統(tǒng)中的應用.工業(yè)控制計算機.2005:5</p><p>　　[8] 曹志剛.現(xiàn)代通信原理［M］.北京.清華大學出版社.1994:34 </p><p>　　[9] 胡文明，翁建永，陳鵬.NewMsg- RF905 開發(fā)指南. 杭州源中通信技術有限公司.2009:5</p><p>　　[10]freescale.MC9

96、S08AW60 Data Sheet.freescale.2007:48</p><p>　　[11] 李定國，倪慶棋，劉照世，陳聰.多通道紅外遙控系統(tǒng).電力系統(tǒng)自動化網(wǎng),2006:3 </p><p>　　[12] 沈宇超,沈樹群.射頻識別技術及其發(fā)展現(xiàn)狀.電子技術應用.1999:1 </p><p>　　[13]譚浩強.C語言程序設計.清華大學出版社.1999:

97、79</p><p>　　[14] 張開生,李霞,王金廣.工業(yè)控制計算機紅外遙控鍵盤的設計[J]微計算機信息.2005-01.117-119 </p><p>　　[15] Rao,K,V,S.An overview of backscattered radio frequency indenti-</p><p>　　fication system(RFID).M