【正文】 計算機(jī) 控制技術(shù) 課程設(shè)計 計算機(jī)控制 技術(shù) 課 程 設(shè) 計 成績評定表 設(shè)計課題 : 基于 單片機(jī)的 地下水監(jiān)測系統(tǒng)研究 學(xué)院名稱 ： 專業(yè)班級 ： 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號 ： 指導(dǎo)教師 ： 設(shè)計地點(diǎn) ： 設(shè)計時間 ： 指導(dǎo)教師意見： 成績 : 簽名： 年 月 日 計算機(jī) 控制技術(shù) 課程設(shè)計 2 計算機(jī)控制技術(shù) 課 程 設(shè) 計 課程設(shè)計名稱： 基于 單片機(jī)的 地下水監(jiān)測系統(tǒng)研究 專 業(yè) 班 級 ： 學(xué) 生 姓 名 ： 學(xué) 號 ： 指 導(dǎo) 教 師 ： 課程設(shè)計地點(diǎn)： 課程設(shè) 計時間： 計算機(jī)控制技術(shù) 課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 學(xué)號 題 目 基于單片機(jī)的地下水監(jiān)測系統(tǒng)研究 課題性質(zhì) 工程設(shè)計 課題來源 自擬 指導(dǎo)教師 計算機(jī) 控制技術(shù) 課程設(shè)計 3 主要內(nèi)容 （參數(shù)） 系統(tǒng)使用 ST3011型液位變送傳感器 測水位 ， AD590電流型溫度傳感器 測水溫及光纖溶解氧傳感器測溶氧濃度；然后 將 轉(zhuǎn)換為電信號的 地下水參數(shù) ， 經(jīng)過 AD623測量放大器一級放大 ， 再經(jīng) MAX275濾波電路， 運(yùn)算放大器 0P07二級放大處理 ，AD7705A／ D轉(zhuǎn)換，送入微處理器 AT89C52單片機(jī)。在單片機(jī) 智能測控系統(tǒng) 進(jìn)行報警、顯示、打印等各種數(shù)據(jù)處理 ,從而進(jìn)行地下水監(jiān)測。 任務(wù)要求 （進(jìn)度） 第 1天：熟悉課程設(shè)計任務(wù)及要求，針對課題查閱技術(shù)資料。 第 2天：確定設(shè)計方案。要求對設(shè)計方案進(jìn)行分析、比較、論證，畫出方框圖，并簡述工作原理。 第 3 4天：按照確定的方案設(shè)計單元電路。要求畫出單元電路圖，元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù)，各單元電路的設(shè)計要有詳細(xì)論述。 第 5天：撰寫課程設(shè)計報告。要求內(nèi)容完整、圖表清晰、文理流暢、格式規(guī)范、方案合理、設(shè)計正確，篇幅不少于 6000 字。 主要參考 資料 [1]楊華舒，楮福濤 ．單片計算機(jī)系統(tǒng)抗干擾的軟件途徑 [Ｊ ]．電子技術(shù)應(yīng)用，— 22. [2]鄒伯敏 ,自 動控制理論 [M]．機(jī)械工業(yè)出版社． [3]程繼興 ， 劉霞．單片機(jī)系統(tǒng)軟件抗干擾措施分析 [J]．電子測量技術(shù) ,:61 [4]胡嗣云 ， 圖形點(diǎn)陣式液晶顯示模塊的控制技術(shù)．國外電子元 器 件 , [5]蘇凱． MCS51單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用 ．沈陽：冶金工業(yè)出版社， 2020． 審查意見 系（教研室）主任簽字： 年 月 日 摘 要 為保護(hù)有限的水資源，進(jìn)行地下水監(jiān)測是必要的。本文詳細(xì)闡述了多參數(shù)地下水監(jiān)測系統(tǒng)的研究方案、組成結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。整個采集系統(tǒng)完成對地下水的水位、水溫等參數(shù)的測量，而且在需要時，可適當(dāng)擴(kuò)充被測量的地下水參數(shù)。系統(tǒng)使用相應(yīng)的傳感器，將地下水參數(shù)由物理量轉(zhuǎn)換為電信號 ， 經(jīng)過各自的前置放大電路進(jìn)行一級 放大，信號變?yōu)楹线m的幅度， 經(jīng)過濾波電路以消除其它頻率的干擾信號，并進(jìn)行二級放大處理，送入 A／ D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 A／ D 轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號被送入微處理器，微處理器采用 AT89C52 單片機(jī)，進(jìn)行報警、顯示、打印等各種數(shù)據(jù)處理。本儀器是一套適合野外現(xiàn)場使用的、攜帶方便的地下水監(jiān) 測 系統(tǒng)。 計算機(jī) 控制技術(shù) 課程設(shè)計 4 關(guān)鍵字 :地下水監(jiān)測；多路數(shù)據(jù)采集；單片機(jī)；傳感器 目錄 1 引言 5 研究的目的與意義 5 國內(nèi)外地下水監(jiān)測研究的現(xiàn)狀 5 2 總體方案設(shè)計 6 系統(tǒng)總體設(shè)計 6 硬件方案論證 6 3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 9 水位傳感器 9 水溫傳感器 10 溶解氧傳感器 10 測量電路設(shè)計 11 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計 13 電源電路設(shè)計 19 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 20 系統(tǒng)程序設(shè)計概述 20 主程序設(shè)計 21 子程序設(shè)計 22 上位機(jī)通信程序 24 5 總結(jié) 25 6 參考文獻(xiàn) 25 7 附錄： 26 計算機(jī) 控制技術(shù) 課程設(shè)計 5 1 引言 研究的目的與意義 地下水是水資源的重要組成部分。在我國北方地 區(qū)及許多城市，地下水是重要的供水水源對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會發(fā)展起著十分重要的作用。自 60 年代以來，水利部門開始監(jiān)測地下水水位、水質(zhì)、開采量和水溫等要素。多年來，這些地下水監(jiān)測信息為水資源管理和合理開發(fā)利用做出了很大貢獻(xiàn)。但目前地下水監(jiān)測仍然存在許多問題．整體工作還很薄弱。如在重要水源地和大型漏斗區(qū)都缺少地下水監(jiān)測井，地下水監(jiān)測手段落后，信息傳輸時效性差等，滿足不了水資源管理的需要。 為了合理的開發(fā)和利用地下水資源，遏制地下水環(huán)境進(jìn)一步惡化，防止新的地下水環(huán)境問題出現(xiàn)，在加強(qiáng)勘查研究的基礎(chǔ)上，必須對地下動態(tài)變化 進(jìn)行監(jiān)測。地下水動態(tài)是指地下水的數(shù)量和質(zhì)量的變化狀況。對地下水動態(tài)實(shí)施監(jiān)測，從而可了解地下水在時空上的分布情況和動態(tài)變化規(guī)律，以適時地制定相應(yīng)的對策，達(dá)到地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用的目的。 地下水監(jiān)測是為保障社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展而開展的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性、公益性工作。加強(qiáng)地下水動態(tài)監(jiān)測，一方面是為制定開發(fā)利用和保護(hù)方案提供基礎(chǔ)資料，另一方面，也是檢驗(yàn)水資源開發(fā)利用是否合理，地質(zhì)環(huán)境保護(hù)措施是否得當(dāng)?shù)闹苯邮侄?，通過長期監(jiān)測資料的分析，找出開發(fā)利用中存在的問題，提出改進(jìn)方向和進(jìn)一步的保護(hù)措施。因此，地下水監(jiān)測既是國 民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)性支撐條件，又是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的保障措施。 國內(nèi)外地下水監(jiān)測研究的現(xiàn) 狀 目前全國大部分監(jiān)測點(diǎn)仍以傳統(tǒng)的人工測量方法 (電表、鍘鐘、測繩等 )為主，監(jiān)測精度無法控制，監(jiān)測效率較低，監(jiān)測數(shù)據(jù)無法滿足科研和生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用的需要。部分監(jiān)測孔只能進(jìn)行水位或水質(zhì)單項(xiàng)監(jiān)測：分析項(xiàng)目較少。缺乏專門針對與地下水有關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題和地質(zhì)災(zāi)害的地下水監(jiān)測。 經(jīng)過廣大地質(zhì)環(huán)境 工 作者的努力，如今，全國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站向國 家 資源部有關(guān)部門提交的《全國地下水情預(yù)報》、《地下水動態(tài) 5年研究報告》等成果資料已運(yùn) 用到監(jiān)測工作中，這些成果在我國環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大的影響；此外，為了使地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測成果規(guī)范化，全國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站還相繼制定了 《 國家級地下水監(jiān)測技術(shù)要求》等規(guī)程，為地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測成果奠定了基礎(chǔ)．在地下水環(huán)境監(jiān)測儀器方面，自 20世紀(jì) 70年代初開始，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，目前國內(nèi)已研制生產(chǎn)了不少產(chǎn)品， 但高質(zhì)量的分析儀器、專用監(jiān)測儀器和自動監(jiān)測系統(tǒng)多是國外引進(jìn)的，國內(nèi)仍然是采用現(xiàn)場水樣的采取、保存和送到化驗(yàn)室進(jìn)行分析測定。 國外一些發(fā)達(dá)國家在地下水監(jiān)測方面都有幾十年乃至上百年的歷史，其監(jiān)測設(shè)備水平各異。其中美國、荷 蘭的產(chǎn)品在技術(shù)性能上代表著當(dāng)今世界的先進(jìn)水平。近 計算機(jī) 控制技術(shù) 課程設(shè)計 6 年來，水質(zhì)現(xiàn)原位測試技術(shù)在國外一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始發(fā)展，如美國、日本等國家已相繼研制出水質(zhì)自動監(jiān)測設(shè)備，并開始走進(jìn)國內(nèi)市場 (以水利系統(tǒng)為主 )．表 l為國外地下水環(huán)境監(jiān)測儀器對比表． 表 國外地下水環(huán)境監(jiān)測儀器對比 2 總體方案設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計 該系統(tǒng)設(shè)計是多參數(shù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計．能夠?qū)σ欢▍^(qū)域的地下水的多種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測．并通過 RS232 總線，把相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送到主控機(jī)房，集中分析。本系統(tǒng)能夠?qū)Φ叵滤乃?、水溫和溶解氧進(jìn)行監(jiān)測，并 且在需要時可以添加其它傳感器對其它相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。 整個設(shè)計框圖如圖 ，各項(xiàng)參數(shù)通過傳感器和測量電路變成單片機(jī)所能接受的模擬電壓。這些電壓分別送入 A／ D轉(zhuǎn)換通道。轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后送給單片機(jī)。此時單片機(jī)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行各種處理．如數(shù)據(jù)記錄、顯示、報警等功能。 存 儲傳 感 器 1傳 感 器 2傳 感 器 3測量電路多路模擬開關(guān)A / D轉(zhuǎn)換單片機(jī)顯 示打 印報 表通 信 圖 硬件方案論證 單片機(jī)系統(tǒng) 的選擇 ，單片機(jī)主要完成信號的采樣、數(shù)據(jù)處理、濃度的計算、測量結(jié)果的顯示和打印、與 PC 機(jī)串行通信、為 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器提供步進(jìn)脈沖等任務(wù)。 方案一 ： 89C51 芯片內(nèi)部有 ROM， 且片內(nèi) ROM 全部采用 Flash ROM， 它能于3V 的超低壓工作 ， 與 MCS51 系列單片機(jī)完全兼容 ， 但是其不具備 ISP 在線編程技術(shù) ， 需把程序編寫好以后再放到編程器中燒寫，才可以進(jìn)行硬件電路的調(diào)試，倘若程序編寫出現(xiàn)問題，調(diào)試電路就比較麻煩， 而且其芯片內(nèi)存也只有 4KB。 計算機(jī) 控制技術(shù) 課程設(shè)計 7 方案二 ： AT89C52 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS B 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 (EEPROM)和 256bytes的 隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn) MC$51指令系統(tǒng)及 8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲單元，功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。故選用 ATMEL 公司的 AT89C52 單片機(jī)。 為記錄測量的時間，需要實(shí)時時鐘。本系統(tǒng)采用 DSl302 芯片。 DSl302 是美國Dallas 公司生產(chǎn)的高性能低功耗時鐘芯片，包括實(shí)對對鐘／日歷和 3l 字節(jié)的靜態(tài) RAM?？蓪?shí)時的對秒、分．時、日、周、 月以及閏年進(jìn)行計數(shù)處理。內(nèi)部有 31個字節(jié)的高速 RAM，可通過外部可充電電池加電長期保存數(shù)據(jù)，并能慢速為電池充電。通過簡單的 3線串行方式接口，能在 2． 5～ 5． 5V電源下可靠工作，在 2． 5V時耗電小于 300hA。在主電源關(guān)閉的情況下，能保持時鐘的連續(xù)運(yùn)行。 在單片機(jī)智能測控系統(tǒng)的設(shè)計中，斷電數(shù)據(jù)保存功能、看門狗功能、上電掉電復(fù)位功能、電源電壓監(jiān)控功能等對系統(tǒng)是非常重要的。美國 XiCro 公司生產(chǎn)的X25045 芯片集上述功能于一身，這種組合大大簡化了硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的 空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗。本系統(tǒng)采用x25045 芯片實(shí)現(xiàn)看門狗、電壓監(jiān)視、存儲電路。 點(diǎn)陣式 LCD 不僅可以顯示字符、數(shù)字．還可以顯示圖形、曲線及漢字，并能夠?qū)崿F(xiàn)多種動畫顯示效果。使人機(jī)界而更加友好使用操作也更加靈活、方便。本系統(tǒng)選擇 MGLS 一 12864。 TPup16A 微型打印機(jī)是一種超小型點(diǎn)陣針式打印機(jī)，使用EPSON M． 150 打印機(jī)機(jī)芯，自帶 微 處理器及部分字庫，可使用不同命令打印 240個 5x7 點(diǎn)陣字符，并具備圖形和曲線打印功能，經(jīng)過特殊設(shè)計，可方便地作為各類智能儀器設(shè)備的微型打 印記錄終端使用。 T . 在計算機(jī)系統(tǒng)中． CPU和外部通信有兩種方式：并行通信和串行通信。并行通信，即數(shù)據(jù)的各位同時傳送；串行通信，即數(shù)據(jù)一位一位按順序傳送。串行通信能夠節(jié)省傳輸線，特別是數(shù)據(jù)位數(shù)很多和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送時，這一優(yōu)點(diǎn)更為突出．串行通信的主要缺點(diǎn)是傳送速度比并行通信要慢。串行通信分為同步通信和異步通信兩種，本系統(tǒng)采用異步通信。在異步通信中，數(shù)據(jù)通常是以字符為單位組成字符幀傳送的。字符幀由發(fā)送端一幀一幀地發(fā)送，每一幀數(shù)據(jù)均是低位在前，高位在后。通過傳輸線被接收端一幀一幀地接收。發(fā)送 端和接收端可以由各自獨(dú)立的時鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個時鐘彼此獨(dú)立，互不同步。 傳感器的選擇 目前在水位測量儀器中除了應(yīng)用較為廣泛的浮子式編碼水位傳感器以外，力式水位傳感器有價格合理、簡化土建施工、安