城市河道水位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計

1、 題 目 城市河道水位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 學(xué)生姓名 馬 柱 柱 學(xué)號 1113024076 所在學(xué)院 物 理 與 電 信 工 程 學(xué) 院 專業(yè)班級 通 信 工 程 專 業(yè) 1103 班 指導(dǎo)教師 鄭 爭 兵 完成地點 物 理 與 電 信 工 程 學(xué) 院 實 驗 室 2015 年 6月 3日畢業(yè)論文設(shè)計任務(wù)書院(系) 物理與電信工程學(xué)院 專業(yè)班級 通信1103班 學(xué)生姓名 馬柱柱 一、畢業(yè)論文設(shè)計題目 城市河道水位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 二、畢業(yè)論文設(shè)計工作自 2015 年 1 月 10 日 起至 2015 年 6 月 10 日止三、畢業(yè)論文設(shè)計進(jìn)行地點: 物理與電信工程學(xué)院實驗室 四、畢業(yè)

2、論文設(shè)計的內(nèi)容要求：目前我國對河道水位的監(jiān)測大部分區(qū)域仍舊處在人工定時測量的層次上，比如說使用電表、測鐘、測繩等半自動測量工具。這些測量方法不僅會耗費許多人力和物力資源，而且很容易造成很大的人為誤差。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著對社會勞動成本的不斷增長，傳統(tǒng)的測量方法在許多領(lǐng)域已經(jīng)不能滿足人們的要求，因此，設(shè)計了城市河道水位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，具體要求如下： 1. 采用超聲波非接觸式測量方法完成水位測量； 2. 利用GPRSDTU模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能和報警功能； 3.系統(tǒng)集成，完成功能調(diào)試。 成果形式：實驗樣機(jī)一套。 畢業(yè)設(shè)計進(jìn)度安排: 1.103.20：查閱資料（參考文獻(xiàn)不少于10篇），進(jìn)行方

3、案論證，完成開題報告。完成不少于3000字的外文翻譯； 3.204.30：設(shè)計硬件電路，編寫相關(guān)軟件、完成電路仿真及樣機(jī)調(diào)試； 5.15.20：完善系統(tǒng)調(diào)試，撰寫論文，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計驗收等工作； 5.21-6.10：整理資料，修改論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。 指 導(dǎo) 教 師 系 (教 研 室) 通 信 教 研 室 系(教研室)主任簽名 批準(zhǔn)日期 接受論文 (設(shè)計)任務(wù)開始執(zhí)行日期 學(xué)生簽名 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計城市河道水位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 馬柱柱（陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院通信1103班，陜西 漢中 723003）指導(dǎo)教師：鄭爭兵 摘 要 目前我國對河道水位的監(jiān)測大部分區(qū)域仍舊處在人工定時測量

4、的層次上，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，傳統(tǒng)的河道水位測量方法在許多領(lǐng)域已經(jīng)不能滿足人們的要求。結(jié)合世界上應(yīng)用廣泛的全球移動通訊系統(tǒng)即GSM（Global System for Mobile Communications），設(shè)計出來一款遠(yuǎn)程報警系統(tǒng)提上了日程。本設(shè)計主要由STC89C52RC單片機(jī)和GSM MODEM組成，通過超聲波對水位的監(jiān)控，借助最可靠、最成熟的GSM移動網(wǎng)絡(luò)，以最直觀的英文短消息，直接把報警距離的情況反映到用戶的手機(jī)屏幕上，一改傳統(tǒng)的有線方式，使整個水位監(jiān)測系統(tǒng)更加完善、更加現(xiàn)代化。設(shè)計中介紹了單片機(jī)、GSM、超聲波的基礎(chǔ)知識，同時設(shè)計出了相關(guān)的各部分電路原理圖以及軟件流程

5、，軟、硬件相結(jié)合，詳細(xì)介紹了整個系統(tǒng)。 關(guān) 鍵 詞 單片機(jī)，全球移動通訊系統(tǒng)模塊，超聲波 Research and design of remote monitoring system for urban river channel water levelMa Zhuzhu (Grade11,Class3,Major of Communication Engineering，School of Physics and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,China)

6、Tutor: Zheng ZhengbingAbstract：At present, the monitoring of river water level in China is still at the level of manual measurement .With the advancement of economic and social development, the traditional method of river water level measurement cannot meet peoples demands in many fields. Combined w

7、ith the world's widely used global system for mobile communication system that is GSM (Global System for Mobile Communications), designed a remote alarm system put on the agenda. This paper will present the application to the security system, primarily by the design of MCU and GSM MODEM STC89C52

8、RC composed by Ultrasonic, with the most reliable, mature GSM mobile network in the most intuitive English short message directly to the alarm distance reflected in the user's phone screen, a change in the traditional wired, so that the whole Water level monitoring system better and more modern.

9、 Design introduces the basics of MCU, GSM, and Ultrasonic while the design of the relevant parts of the circuit diagram and software processes, software and hardware combination, detailing the entire system. Key words：MCU, GSM Modules, Ultrasonic.II 目 錄1緒論12系統(tǒng)方案選擇和論證43硬件設(shè)計及實現(xiàn)63.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)63.2 超聲波電路63

10、.3 LCD顯示電路103.4 報警電路123.5 串行與無線通信電路124軟件設(shè)計154.1開發(fā)環(huán)境與主程序設(shè)計154.2 數(shù)據(jù)處理采集程序設(shè)計194.3 顯示程序設(shè)計194.4 SIM 900A程序設(shè)計205系統(tǒng)調(diào)試265.1硬件電路調(diào)試265.2軟件仿真調(diào)試28總 結(jié)31致謝32參考文獻(xiàn)33附錄A 英文文獻(xiàn)原文34附錄B 英文文獻(xiàn)譯文41附錄C 源程序47附錄D 元器件清單61III1緒論1.1課題背景 伴隨著社會的發(fā)展以及社會生產(chǎn)力水平的逐漸提高，大量的農(nóng)村戶口居民轉(zhuǎn)入城市，使得城市人口數(shù)量急速增長，眾多城市的人口密度越來越大，使得城市現(xiàn)代化建設(shè)面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。其中城市河道的治理與維護(hù)

11、顯得非常重要。一座城市，不僅作為一個地區(qū)的政治中心，更是作為經(jīng)濟(jì)、文化和科技中心，其單位土地的價值是非常高的。然而快速的城市化發(fā)展使得相應(yīng)的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)跟不上來，尤其是城市河道的建設(shè)與治理。城市化快速的發(fā)展已然改變了城市附近區(qū)域的河道水位情況，每當(dāng)遇到大雨時，河流總量猛然增大，經(jīng)常引起城市洪澇問題。而且許多城市發(fā)展的過快，城市河道基礎(chǔ)設(shè)施也不是非常完善，防災(zāi)防水措施也十分薄弱，最終導(dǎo)致城市河道水位的急劇上升，河道水位的溢出，造成了大量慘重的城市洪災(zāi)問題，很有可能直接威脅到廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全。所以，城市河道水位的實時監(jiān)測是十分有必要的。近些年來，對河道水位進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的監(jiān)測越來越受

12、到廣大人民群眾的重視。然而要建立一個穩(wěn)定的、可靠地、準(zhǔn)確的城市河道水位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，就必須要解決由人工監(jiān)測向自動化監(jiān)測的轉(zhuǎn)變，使用新科技來進(jìn)行設(shè)計。近些年來我國對河道水位的監(jiān)測大部分區(qū)域依然處于人工定時測量的階段，比如說使用測鐘、測繩電表、等半自動測量工具。這些測量方法不僅會耗費許多人力和物力資源，而且很容易造成很大的人為誤差。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會勞動成本的陸續(xù)增長，傳統(tǒng)的測量方法在諸多領(lǐng)域已經(jīng)不能滿足我們的要求，例如本課題所要求的對水位進(jìn)行實時遠(yuǎn)程監(jiān)測，傳統(tǒng)的測量方法已經(jīng)無法達(dá)到課題的要求。本課題所使用的超聲波非接觸式測量方法，就可以很容易的去解決許多傳統(tǒng)方法所達(dá)解決不了的問題。但是

13、伴隨著人們對單片機(jī)的開發(fā)與研究，基于單片機(jī)來完成的好多技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的完善與發(fā)展，例如超聲波測距技術(shù)。再結(jié)合單片機(jī)上的各個優(yōu)點，使得該技術(shù)較容易地得到非常廣泛的實際應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)測的技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到了各行各業(yè)，各個領(lǐng)域。本課題所設(shè)計的河道水位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)使用的是基于GSM模塊的新型遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。它充分地利用了GSM無線通信模塊的功能，可以實時、準(zhǔn)確、快速的實現(xiàn)城市河道水位的遠(yuǎn)程監(jiān)測，同時也可以實現(xiàn)無人看守以及遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，最終節(jié)省了大量的物理資源和人力資源1。本次課題綜合運用了多種技術(shù)，并且逐步陳述了基于GSM無線通信模塊的超聲波河道水位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理和具

14、體實現(xiàn)方法。城市河道水位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)在避免了傳統(tǒng)監(jiān)測不足的同時，還具有實時、準(zhǔn)確和快捷等眾多優(yōu)點，是十分不錯的。經(jīng)無線通訊將監(jiān)測到的城市河道水位數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，通過與以往測量記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，經(jīng)過合理的推測，可以大致的預(yù)測出下年的城市河道水位情況，這樣的話，就可以相對準(zhǔn)確的提前制定下年的城市河道水位管理措施。1.2 課題研究現(xiàn)狀和前景自上世紀(jì)60年代以來，人們對超聲波測量技術(shù)就已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。近幾年來，隨著自動化測量技術(shù)和控制工程的蓬勃發(fā)展，尤其是計算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，使得人們對超聲波測量技術(shù)的研究更加深入，更加廣泛，同時也為超聲波測量技術(shù)的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。近年來超聲波測

15、量技術(shù)已明顯表現(xiàn)出下列趨向：(1)、由定性的判斷缺陷的有無而發(fā)展為對缺陷的位置、大小、形狀、性質(zhì)進(jìn)行定量判斷,并且利用各種成像技術(shù)直接顯示缺陷的二維、三維圖像；(2)、向在線自動檢測和儀器的智能化發(fā)展,其中非接觸超聲測試技術(shù)取得突破進(jìn)展;；(3)、超聲測試技術(shù)和材料的物性評價相結(jié)合,材料的設(shè)計、加工和工程應(yīng)用迅速發(fā)展.。超聲在許多領(lǐng)域內(nèi)比可聽聲的用途更加廣泛,是基于以下兒個原因：(1)、具有方向性,超聲波的頻率越高,則方向性越強(qiáng).在無損探傷、水下聲納系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)中方向性是一個重要的考慮因素。(2)、超聲波的頻率越高,則波長越短,波長可以小到與超聲傳播媒介材料尺寸相比更小的程度.在高分辨率

16、探傷、微小厚度測量、高精度Mail距中,這一點相當(dāng)重要。(3)、超聲是不可聽聲,這樣就避免產(chǎn)生噪聲,因而超聲具有綠色特性。在工業(yè)生產(chǎn)中,超聲波被應(yīng)用在金屬材料和部分非金屬材料探傷,鋇口厚,以及超聲振動切削加工、清洗、焊接等行業(yè).以及進(jìn)行物位、濃度、硬度、溫度等檢測。超聲波還被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,在診斷顯像技術(shù),血流測量計,胎兒檢查儀,超聲波潔牙器等醫(yī)療器械都是利用了超聲波的特性。使用超聲波技術(shù)進(jìn)行水位測量在國內(nèi)外的技術(shù)研究中已經(jīng)有很長的發(fā)展歷史了?，F(xiàn)在，國內(nèi)超聲波技術(shù)的發(fā)展也在日趨成熟，與國外先進(jìn)測量技術(shù)相比，目前國內(nèi)的測量精度還有待提高。影響超聲波測量精度的除了傳感器的制作方面的技術(shù)之外，還

17、有發(fā)射電路和接收電路的性能和測量誤差的修正技術(shù)。然而隨著國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波測量技術(shù)的精度也在人們的研究下一點一點提高，所使用的范圍也在進(jìn)一步的擴(kuò)大。現(xiàn)在該技術(shù)不僅用于野外河流環(huán)境的不同指標(biāo)的監(jiān)測，還用于工業(yè)環(huán)節(jié)中液位的監(jiān)測。超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計數(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。由于超聲波指向性好,能量消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn),因而超聲波經(jīng)常被用于距離的,利用超聲波檢測距離設(shè)計比較簡單,計算處理也比較簡單,并且在測量精度方面也能達(dá)到日常使用要求。超聲波是一種頻率在20khz以上的聲波，作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦裕悍瓷?、折?/p>

18、、干涉、衍射和散射，與物理聯(lián)系緊密，應(yīng)用靈活。并且更適合于高溫、高粉塵、高濕度和強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。無論從精度還是可靠性方面，超聲波測距都做得比較好。利用超聲波測距往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制。具有廣泛的應(yīng)用前景。超聲波測距應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動控制，建筑工程測量和機(jī)器人視覺識別。超聲波作為一種檢測技術(shù)，采用的是非接觸式測量，由于它具有不受外界因素影響，對環(huán)境有一定的適應(yīng)能力，且操作簡單、測量精度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。這些特點可使測量儀器不受被測介質(zhì)的影響，大大解決了傳統(tǒng)測量儀器存在的問題，比如，在粉塵多情況下對人引起的身體接觸傷害，腐蝕性質(zhì)的被測物對測量儀器

19、腐蝕，觸電接觸不良造成的誤測等。此外該技術(shù)對被測元件無磨損，使測量儀器牢固耐用，使用壽命加長，而且還降低了能量耗損，節(jié)省人力和勞動的強(qiáng)度。因此，利用超聲波檢測既迅速、方便、計算簡單，又易于實時控制，在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求。本課題的遠(yuǎn)程監(jiān)測部分用的是GSM無線通信模塊。一般來說，遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)采用接入互聯(lián)網(wǎng)或者企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)兩種方式來實現(xiàn)。目前，這兩種遠(yuǎn)程監(jiān)測方法已經(jīng)在視頻會議、遠(yuǎn)程加工和遠(yuǎn)程診斷等領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。但是這兩種遠(yuǎn)程監(jiān)測方式一般是以時間進(jìn)行收費，或者是租用或架設(shè)專線，這導(dǎo)致成本過高。本課題的無線通信模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不大，而且需要長時間保持遠(yuǎn)程通信狀態(tài)，如果用這兩種通

20、信的任意一種，都是很不合適的。因此針對本課題中系統(tǒng)對通信模塊所提出的要求，綜合考慮，最終選用GSM遠(yuǎn)程通信方式來實現(xiàn)對河道水位的實時監(jiān)測。GSM遠(yuǎn)程通信方式的優(yōu)點很多，費用廉價、通信穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)、安裝十分靈活，此通信方式在遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用2。1.3設(shè)計的目的和任務(wù)(1)、設(shè)計目的： 水位數(shù)據(jù)采集：能夠使用超聲波自動監(jiān)測河道水位，可以對河道水位進(jìn)行實時監(jiān)測。 水位數(shù)據(jù)分析和顯示：測得的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳給單片機(jī)，然后單片機(jī)對這些數(shù)據(jù)分析，將河道實時水位數(shù)據(jù)傳送到LCD和報警器，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和報警。 水位數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信：通過GSM模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信，把現(xiàn)場測得的實時河

21、道水位數(shù)據(jù)通過GSM模塊傳送到手機(jī)，從而對河道水位的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時顯示。(2)、設(shè)計任務(wù)：采用超聲波非接觸式測量方法完成水位測量；利用GPRSDTU模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能和報警功能；系統(tǒng)集成，完成功能調(diào)試。2系統(tǒng)方案選擇和論證本課題所設(shè)計的河道水位監(jiān)測系統(tǒng)分為兩大部分：一是測量站部分，另外一個是上位機(jī)部分。這兩個部分通過GSM無線通訊模塊連接在一起。測量站部分以單片機(jī)作為該部分的核心，另外再對超聲波傳感模塊、顯示模塊、報警模塊與通信模塊所構(gòu)成的外圍電路進(jìn)行完善，以達(dá)到對城市河道水位的測量的目的。測量站測量的的數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)測站的GSM模塊，然后通過GSM模塊傳輸給手機(jī)。手機(jī)短

22、信將把報警信息顯示在屏幕上。該系統(tǒng)通過對城市河道水位進(jìn)行實時監(jiān)測，來進(jìn)行對城市河道水位情況的記錄與分析。城市河道水位遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下部分組成：水位測量部分、聲光報警部分、LCD數(shù)據(jù)顯示部分、單片機(jī)部分、GSM無線通信模塊部分、接收手機(jī)。該系統(tǒng)部分硬件模塊的方案選擇如下： 1 單片機(jī)的選擇該系統(tǒng)的主控制器部分選用STC89C52單片機(jī)。該單片機(jī)是8052系列單片機(jī)中相對來說綜合性能比較不錯的一款單片機(jī)，它擁有非常高的處理速度，不僅能夠兼容8052指令系統(tǒng)，更重要的是其功耗比原來的51單片機(jī)要低很多，能夠大幅度提高該系統(tǒng)的工作效率。STC89C52單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能C

23、MOS8位微控制器。該單片機(jī)使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，經(jīng)過許多的改進(jìn)后大大提高了其基于傳統(tǒng)51單片機(jī)的功能。在單芯片上，該芯片擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 2水位測量模塊方案選擇：方案（1）：核輻射法不同物質(zhì)對同位素射線的吸收能力不同,一般固體最強(qiáng)，液體次之，氣體最差。因此，測液位可通過測量射線在穿過液體時強(qiáng)度的變化量來實現(xiàn)。輻射式物位計既可進(jìn)行連續(xù)測量，也可進(jìn)行定點發(fā)送信號和進(jìn)行控制。射線不受溫度、壓力、濕度、電磁場的影響，而且可以穿透各種介質(zhì),包括固體，因此能實現(xiàn)完全非接觸測。這些特點使得輻射

24、式測距計適合于特殊場合或惡劣環(huán)境下的液位測量，如高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、劇毒、有爆炸性、易結(jié)晶、沸騰狀態(tài)介質(zhì)、高溫熔融體等的液位測量。但在使用時仍要注意控制劑量，作好防護(hù)，以防射線泄漏對人體造成傷害。方案（2）：微波測量法在電磁波譜中將波長為1 l000mm 的電磁波稱為微波。微波的特點是在各種障礙物上都能產(chǎn)生良好的反射，具有良好的定向輻射性能;在傳輸過程中受到粉塵、煙霧、火焰及強(qiáng)光的影響小,具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理技術(shù)的迅速發(fā)展，微波檢測技術(shù)從長期停滯不前的原理性、實驗性研究階段,迅速進(jìn)入工程實用和產(chǎn)業(yè)化階段。激光用于液位測量，克服了普通光亮度差、方向性差、傳輸距離

25、近、單色性差、易受干擾等缺點,使測量精度大為提高。激光式液位檢測儀由激光發(fā)射器、接收器及測量控制電路組成。工作方式有反射式和遮斷式，在物位測量中兩種方式都可使用，但一般只用作定點檢測控制，不易進(jìn)行連續(xù)測量。方案（3）：超聲波測量：超聲波測距的基本原理是由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號，在空氣中傳播，遇到空氣與物體的界面后被反射，接收到回波信號后能得到超聲波傳播時間。根據(jù)其傳播速度和傳播時間計算出其傳播距離，得到傳感器到物體的距離。超聲波測距優(yōu)越性：位移測量是工業(yè)中經(jīng)常遇到的一個問題。針對不同用途和要求(從測量范圍、精度要求、測量條件等考慮)，位移測量有多種測量技術(shù)：有機(jī)械的浮子方法；利用電阻、電感

26、、電容的非電量電測量方法；有光學(xué)或激光測量方法；有利用放射性或射流技術(shù)的測位方法等，在本設(shè)計中采用的是超聲波測量技術(shù)，超聲波測位移有很多優(yōu)點,與放射性技術(shù)相比不需防護(hù)；與目前的激光測距相比，超聲技術(shù)雖在精度上略遜一籌,但比較簡單、價格低廉；更重要的是在惡劣環(huán)境下,激光測距將受到嚴(yán)重干擾,此時超聲測量的高精度就會體現(xiàn)出來。一般來說,超聲波位移測量無須有運動的部件,所以在安裝和維護(hù)上占有很大的優(yōu)越性。超聲波位移測量可以選用氣體、液體或固體作為傳聲媒介,具有很大的適應(yīng)性,因此,在測量要求比較特殊,一般測量方法無法采用時,可考慮采用超聲測位移。因此本課題測量部分選擇方案（3）。水位的測量方式一般分為兩

27、大類：接觸式與非接觸式。該系統(tǒng)中使用的超聲波測量是非接觸式測量的典范。超聲波測量和其他測量方法相比，具有許多優(yōu)點，比如精度高、適用性強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點。在使用超聲波傳感器對河道水位進(jìn)行測量時，由單片機(jī)控制某個端口輸出信號經(jīng)發(fā)射電路發(fā)出超聲波，這時由超聲波接收電路接收反射回來的超聲波信號，在對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，就可以很容易地得出河道水位實時數(shù)據(jù)。HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。 3通訊控制模塊的選擇測量站和監(jiān)測站之間使用無線通訊模塊來實現(xiàn)連接。采用無線通信模塊將系統(tǒng)采集處理過的信息，通

28、過GSM網(wǎng)絡(luò)，以短信的方式發(fā)送給接收手機(jī)，便可對河道水位的具體情況進(jìn)行實時顯示，并對河道水位數(shù)據(jù)做好歷史記錄。本系統(tǒng)的無線遠(yuǎn)程通信功能是通過用SIM 900A模 塊來實現(xiàn)的，當(dāng)單片機(jī)接收到超聲波所檢測道德數(shù)據(jù)之后并將其 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后通過串口送給SIM 900A模塊，然后SIM 900A模塊將這個信息發(fā)送 給已經(jīng)設(shè)置好的手機(jī)號碼，接收號碼將通過短信的形式讀取報警內(nèi)容。 4數(shù)據(jù)顯示模塊的選擇測量點的河道水位數(shù)據(jù)可以通過顯示模塊來進(jìn)行實時的顯示。一般系 統(tǒng)的 顯示 方案有 兩種：一種是 LCD顯示 屏，另一 種是LED數(shù) 碼管。本設(shè)計采用LCD1602模塊實現(xiàn)液晶顯示，采用此模塊的原因在于：液晶

29、顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點，因此，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，比傳統(tǒng)的LED顯示器件有很大的優(yōu)勢。綜上所述，系統(tǒng)的最佳方案總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)最佳方案總體結(jié)構(gòu)框圖3硬件設(shè)計及實現(xiàn)3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)歷史上第一臺單片機(jī)誕生于20 世紀(jì)70年 代，核心部分由存 儲器、運 算器、 控 制器 和輸 入輸 出設(shè)備 等組成。經(jīng) 過這多年 的開 發(fā)與 完善 ，使它 具有了 體積 小、質(zhì)量 輕、價 格便 宜、有利于 學(xué)習(xí)和 開發(fā) 的各 個優(yōu) 點。發(fā)展 到現(xiàn)在國 內(nèi)外單 片機(jī)的 應(yīng)用 領(lǐng)域 已經(jīng)變得十分廣泛，其中包括水位測量領(lǐng)域。本課

30、題所用到 的是 宏 晶 公司 生產(chǎn)的AT系 列單片機(jī)。它有很多優(yōu)點，比如說， 加密性比 較強(qiáng)、很難解密 或者破解、超強(qiáng)抗干擾能力、超低功耗。這一系列的優(yōu)點使得AT系列單片機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)最小系統(tǒng)一般包含三部分：單片 機(jī)部分、復(fù)位電 路和 晶振電 路。52系列單片機(jī)的優(yōu)點是價錢便宜,I/O口多,程序空間大。所以，在單片機(jī)硬件設(shè)計系統(tǒng)中，52系列單片機(jī)是最理想的選擇，因此本設(shè)計采用STC89C52。其最小系統(tǒng)如圖3.1所示：圖3.1 STC89C52最小系統(tǒng)該芯片為52內(nèi)核8位單片機(jī)，兼容Intel等52內(nèi)核單片機(jī)，支持ISP下載，適用于常用檢測控制電路。由STC89C52組成的單片機(jī)系

31、統(tǒng)原理圖如圖3.1所示。3.2 超聲波電路超聲波測距原理：超聲波是一種頻率超過20KHz的機(jī)械波。它作為一種特殊的聲波，同時具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦裕赫凵?、反射、干涉、散射、衍射等特性。而且超聲波具有振幅小、方向性集中、加速度大等?yōu)點，可產(chǎn)生很大的力量，并且在不同的煤質(zhì)介面，聲波的大部分能量會反射3。超聲波發(fā)射器向某一固定方向發(fā)射長一個頻率為40KHz的脈沖信號，發(fā)射的同時進(jìn)行計時，當(dāng)聲波在傳播途徑當(dāng)中碰到障礙物就會立刻返回，超聲波接收頭收到反射波的同時立即停止計時。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接受所經(jīng)歷的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到障礙物的距離S可用下式求出：S=ct

32、/2超聲波測距原理框圖如圖3.2所示。圖3.2 超聲波測距裝置的原理框圖采用HC-SR04超聲波收發(fā)模塊，它可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能。測量精度可達(dá)到3mm（本作品因測量工具限制，測量精度在10mm）。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器及其控制電路（1）基本工作原理： 采用IO口TRIG(觸發(fā)信號輸入)觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號。 模塊自動發(fā)射8個40khz的方波，并檢測信號是否有返回。 如果有返回信號， ECHO端（回響信號輸出）會自動輸出一個TTL高電平，該電平所持續(xù)的時間代表聲波從發(fā)射到接收經(jīng)歷的時間。（2）超聲波測距模塊圖如下圖3.3所示：圖 3.3 超聲波收發(fā)

33、裝置實物圖如圖左部分所示：模塊包括一個發(fā)射頭和一個接收頭，四個與外圍電路連接的端口，一個接5V 電壓，一個接地，中間兩個一個是觸發(fā)輸信號輸入，一個是回響信號輸出，圖右側(cè)是模塊內(nèi)部的所有集成電路，包括一個八位單片機(jī)EM78P153，一個芯片MAX232和一個運放集成芯片。其中RS-232串口如圖3.4所示，超聲波時序圖如圖3.5所示：圖3.4 RS-232串口模塊內(nèi)部發(fā)出信號輸出回響信號10us的TTL循環(huán)發(fā)出8個40KHz脈沖觸發(fā)信號回響電平輸出與距離成正比圖3.5超聲波時序圖超聲波時序圖表明觸發(fā)端只需提供一個10us以上的脈沖，模塊內(nèi)部便可自動將發(fā)出8個40KHz周期電平用來檢測是否回波。一

34、旦檢測到有回波信號則輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到公式，S=高電平時間*聲速/2。超聲波模塊電氣參數(shù)如表3.1所示：表3.1 超聲波模塊電氣參數(shù)表電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電流15mA工作頻率40Hz工作電壓DC5V最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm測量角度15度輸入觸發(fā)信號10us的TTL脈沖輸出回響信號輸出TTL電平信號，與射程成正比規(guī)格尺寸45*20*15mm（3）模塊內(nèi)部包含的單片機(jī)EM78P153是采用高速CMOS工藝制造的八位單片機(jī)，其內(nèi)部有512*13位一次性ROM，因此，用戶可以很方便地改進(jìn)完善程序，有

35、13位選項位可滿足用戶要求，其中的保險位可用來防止程序被讀出。該單片機(jī)的工作電壓范圍為2.0v-6.0v,工作溫度范圍為0-7攝氏度，工作頻率范圍為0-8MHz4。EM78P153引腳描述如表3.2所示： 表3.2 EM78P153引腳描述符號功能VDD電源P65/OSCI通用I/O引腳，外部時鐘輸入，XT振蕩器輸入引腳，上拉/下拉P64OSCO通用I/O引腳，外部時鐘輸入，XT振蕩器輸入引腳，上拉/下拉P63/RESET/VPP編程電壓輸入引腳，正常模式下電壓不高于VDD，置為RESET時低電平引起復(fù)位,有上拉P62/TCC通用I/O引腳，上拉/下拉/漏極開路，外部時鐘/計數(shù)器輸入引腳P61

36、通用I/O引腳，上拉/下拉/漏極開路，引腳狀態(tài)變化將單片機(jī)從休眠模式喚醒P60/INT通用I/O引腳，上拉/下拉/漏極開路，編程模式下斯密特觸發(fā)輸入，下降沿觸發(fā)的外部中斷輸入信號P66,P67通用I/O引腳，上拉/漏極開路，引腳狀態(tài)變化時會將單片機(jī)從休眠模式中喚醒P50-P52通用I/O引腳，下拉P53通用I/O引腳VSS地（4）40KHz超聲波發(fā)射電路由單片機(jī)控制，模塊內(nèi)部產(chǎn)生40KHz的頻率信號，由于單片機(jī)輸出電流較小，無法驅(qū)動超聲波傳感器，需要外接驅(qū)動電路，采用74LS04的反向器并接以擴(kuò)大電流，以及電路的倒相功能使電路的驅(qū)動電壓可以達(dá)到10V左右，超聲波傳感器輸入端接上拉電阻，可以使本

37、身的阻尼系數(shù)減小，優(yōu)于普通的發(fā)射。（5）超聲波回波接收電路接收部分主要由超聲波接收器和信號的放大、整形電路組成。這里使用三極管構(gòu)成一個三級放大器, 并在回路中適當(dāng)使用電容和電感, 使電容電感的振蕩頻率為40 kHz。反射回來的微弱信號經(jīng)放大、隔直、濾波、整形, 最后將輸出信號送入RS觸發(fā)器。3.3 LCD顯示電路本設(shè)計采用LCD1602模塊實現(xiàn)液晶顯示，采用此模塊的原因在于：液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點，因此，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，比傳統(tǒng)的LED顯示器件有很大的優(yōu)勢。目前字符型液晶顯示模塊已然是單片機(jī)硬件設(shè)計中最常用的顯示器件了，L

38、CD1602顯示字母和數(shù)字比較方便，不僅控制簡單，較低成本，而且開發(fā)起來也比較容易，它能使整體電路更加的簡化，操作更加的方便。顯示部分采用SMC 1602液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，其主要技術(shù)參數(shù)如表3.3所示：表3.3 SMC 1602液晶屏技術(shù)參數(shù)顯示容量16x2個字符芯片工作電壓4.5V-5.5V工作電流2.0Ma(5.0V)模塊最佳工作電壓 5.0V字符尺寸2.95x4.35（WXH）mm接口信號說明如表3.4所示：表3.3 液晶屏接口信號說明編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明1 VSS 電源地9 D2 Data I/O2 VDD 電源正極10 D3 Data I/O3 VL 液晶偏壓

39、編號 11 D4 Data I/O4 RS 數(shù)據(jù)命令（H/L）12 D5 Data I/O5 R/W 讀/寫（H/L）13 D6 Data I/O6 E 使能信號14 D7 Data I/O7 D0 Data I/O15 BLA 背光源正極8 D1 Data I/O16 BLK 背光源負(fù)極引腳接口主要說明：第1引腳：VSS為地電源。第2引腳：VDD接5V正電源。第3引腳：VL為LCD 1602DE 對比度調(diào)整端，接地時對比度最高,接正電源時對比度最弱。在實際使用過程中可以在VSS與VDD之間外接一個10K的電位器來調(diào)整顯示屏的對比度。第4引腳：RS即寄存器選擇端，高電平時為數(shù)據(jù)寄存器，低電平選

40、擇指令寄存器。第5引腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。第6引腳：E端為顯示屏的使能端，E端為低電平時，表示液晶模塊執(zhí)行命令。第714引腳：D0D7是與單片機(jī)相接的8位雙向數(shù)據(jù)線。第15引腳：背光源正極。第16引腳：背光源負(fù)極。與單片機(jī)接口電路如圖3.6所示：圖3.6 LCD與單片機(jī)接口電路其中LCD1602液晶模塊內(nèi)部的控制指令如表3.4所示:表3.4 LCD1602控制指令序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)字符移

41、位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符存儲器地址0001字符發(fā)射存儲器地址8置數(shù)據(jù)存儲器地址001顯示數(shù)據(jù)存儲器地址9讀忙標(biāo)志或地址01該顯示模塊的電路圖如圖3.7所示：圖3. 7 LCD1602顯示模塊電路圖3.4 報警電路蜂鳴器報警電路圖如圖3.8所示。本次電路設(shè)計為低電平輸出時蜂鳴器響，高電平時關(guān)閉（因為單片機(jī)管腳的灌電流比拉電流容量大，拉電流是數(shù)字電路給負(fù)載提供的電流，灌電流為負(fù)載反饋給數(shù)字電路的電流。）。當(dāng)P3.7腳輸出低電平時，PNP型三極管8550導(dǎo)通，有集電極電流通過，蜂鳴器鳴響。當(dāng)P3.7腳輸出高電平時，三極管截止，蜂鳴器關(guān)閉5。圖3.8 蜂鳴器報警

42、電路3.5 串行與無線通信電路超聲波模塊內(nèi)部由芯片MXA232來進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，MAX232是一種雙組驅(qū)動器/接收器，片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器以便在單5V電源供電時提供電源，這就是說，如果你想用單片機(jī)和PC機(jī)通過串口進(jìn)行通信，盡管單片機(jī)有串行通信的功能，但單片機(jī)提供的信號電平和RS232的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，因此要通過MXA232這種類似的芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。6MAX232管腳圖如圖3.9所示：圖3.9 MAX232管腳圖連接器使用的是DB-9， 其管腳說明如表 3.5所示。表3.5 DB-9管腳說明引腳號引腳名 說明1DCD數(shù)據(jù)監(jiān)測信號線，用來表示DXE已接通通信鏈路，告知DTE準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。2RX

43、D接收數(shù)據(jù)信號線，通過RXD線，DTE線接收從DCE發(fā)來的串行數(shù)據(jù)。3TXD發(fā)送數(shù)據(jù)信號線，通過TXD線，DTE將串行數(shù)據(jù)發(fā)送給DCE。4DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)線，信號為有效狀態(tài)時，表明數(shù)據(jù)終端可以使用。5SG信號地6DSR數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)線，該信號有效狀態(tài)時，表明DCE處于可以工作狀態(tài)。7RTS請求發(fā)送信號線，用來表示DTE請求DCE發(fā)送數(shù)據(jù)。8CTS允許發(fā)送信號線，用來表示DCE準(zhǔn)備接收DTE的數(shù)據(jù)，是對RTS的響應(yīng)。9RL振鈴提示信號線，當(dāng)DCE收到交換臺信號時，該信號有效，通知發(fā)送短信。本系統(tǒng)的無線遠(yuǎn)程通信功能是 通過用SIM 900A模 塊來實現(xiàn)的，當(dāng)單片機(jī)接收到超聲波所檢測

44、道德數(shù)據(jù)之后并將其 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后通過串口送給SIM 900A模塊，然后SIM 900A模塊將這個息通過AT指令發(fā)送 給已經(jīng)設(shè)置好的手機(jī)號碼，接收號碼將通過短信的形式讀取報警內(nèi)容。本系統(tǒng)中除SIM 900A模塊是使用+5V(1A)電源外，其余部分的模塊都使用的是+5V(3A)電源7。模塊支持1.8/3.0V的SIM卡。SIM卡供電，根據(jù)SIM卡的類型自動選擇輸出電壓，可以為3.0V±10%或者1.8V±10%，該引腳最大輸出電流能力約為10mA。SIM部分設(shè)計注意如下： SIM_VDD：需要并100或220nF電容，以穩(wěn)定電源輸出，減小紋波； SIM_DATA：建議并pF

45、級電容，防止高頻干擾；SIM_RST: 建議并nF級電容，防止高頻干擾； PCB布局、Layout時，注意SIM卡卡座盡量靠近模塊，不要擺放過遠(yuǎn)，走線過長，導(dǎo)致無法識別SIM卡。其它引腳設(shè)計:STATUS：用于判斷模塊是否為開關(guān)機(jī)狀態(tài)，開機(jī)為高電平，關(guān)機(jī)后為低電平； VRTC：電壓范圍2.03.15V，正常供電3V。如果需要VBAT去電后保持實時時鐘，請外接備份電池或電容； 如果不需要保存實時時鐘，請外接uf級電容，推薦4.7uf。NRESET：硬件上復(fù)位，低電平有效。推薦外接100nF電容，這個信號僅用于緊急復(fù)位，建議客戶作為預(yù)留使用，當(dāng)模塊無法關(guān)機(jī)時，最好還是通過VBAT使能給模塊重新上電。4軟件設(shè)計4.1開發(fā)環(huán)境與主程序設(shè)計4.1.1開發(fā)環(huán)境軟件設(shè)計部分采用與STC89C52單片機(jī)兼容的的高級開發(fā)語言軟件 Keil uVision4。它是德國 Keil Software 公司研發(fā)的單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與單片機(jī)系統(tǒng)高度。通過類似于 C 語言的語法進(jìn)行程序的開發(fā)和設(shè)計。由于單片機(jī)系統(tǒng)己被完全集成到 uVision4的集成開發(fā)環(huán)境中，使得該集成開發(fā)環(huán)境包含：C編譯器、匯編器、實時操作系統(tǒng)、庫管理器和仿真調(diào)試器等工具而讓在線編程更加容易。Keil uVision4編譯器在語言上的擴(kuò)展功能為用戶使用軟件資源提供方便，對于8051 系列資源 C51 編譯