【正文】 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 共 61 頁 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，另外一個是上位機部分。測量站部分以單片機作為該部分的核心，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)成的外圍電路進行完善，以達到對城市河道水位的測量的目的。手機短信將把報警信息 顯示在屏幕上。 城市河道水位遠程監(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、單片機部分、 GSM 無線通信模塊部分、接收手機。該單片機是 8052 系列單片機中相對來說綜合性能比較不錯的一款單片機，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 單片機要低很多，能夠大幅度提高該系統(tǒng)的工作效率。該單片機 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核， 經(jīng)過許多 的改進 后大大提高了其基于 傳統(tǒng) 51 單片機 的 功能。 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 ， 液體次之 ， 氣體最差。 輻射式物位計既可進行連續(xù)測量 ， 也可進行定點發(fā)送信號和進行控制 。 這些特點使得輻射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 。 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。在傳輸過程中受到粉塵、煙霧、火焰及強光的影響小 ,具有很強的環(huán)境適應能力。激光用于液位測量 ， 克服了普通光亮度差、方向性差、傳輸距離近、 單色性差、易受干擾等缺點 ,使測量精度大為提高。 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 ， 不易進行連續(xù)測量。 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。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)：有機械的浮子方法；利用電阻、電感、電容的非電量電測量方法；有光學或激光測量方法；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；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 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 共 61 頁 受到嚴重干擾 ,此時超聲測量的高精度就會體現(xiàn)出來。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。水位的測量方式一般分為兩大類：接觸式與非接觸式。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、使用方便等優(yōu)點。 HCSR04 超聲波測距模塊可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。 采用無 線通信模塊將系統(tǒng)采集處理過的信息，通過 GSM 網(wǎng)絡，以短信的方式 發(fā)送給接收手 機，便可 對河道水位的具體情況進行實時顯示，并對河道水位數(shù)據(jù)做好歷史記錄。 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行實時的顯示。 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用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用，比 傳統(tǒng)的 LED 顯示器件有很大的優(yōu)勢。 單片機模塊超 聲 波 發(fā) 射 模 塊超 聲 波 接 收 模 塊L C D 顯 示 模 塊聲 光 報 警 模 塊電 源 模 塊S I M 9 0 0 A 模 塊 串 口 圖 系統(tǒng)最佳方案 總體結(jié)構(gòu)框圖 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 共 61 頁 3硬件設(shè)計及實現(xiàn) 單片機最小系統(tǒng) 歷史上 第一臺 單片機 誕生于 20 世紀 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。 發(fā)展 到現(xiàn)在 國 內(nèi)外單 片機的 應用 領(lǐng)域 已經(jīng) 變得十分 廣泛， 其中包括 水位測量領(lǐng)域。它有很多優(yōu)點 ， 比如說， 加密性比 較 強 、 很難解密 或者破解 、 超強抗干擾能力 、 超低功耗。 單片機最小系統(tǒng)一般包含三部分：單片 機部分、復位電 路和 晶振電 路。 所以 ， 在單片機硬件設(shè)計系統(tǒng)中， 52系列單片機是最理想的選擇，因此 本 設(shè)計采用 STC89C52。由 STC89C52 組成的單片機系統(tǒng)原理圖如圖 所示。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?折射、 反射、干涉、 散射 、 衍射等 特性 。 超聲波發(fā)射 器 1234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 0124 03 93 83 73 63 53 43 33 23 12 92 82 72 62 52 42 32 22 13 0STC89C52P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7R S T( R X 0 ) P 3 . 0( T X 0 ) P 3 . 1( I N T 0 ) P 3 . 2( I N T 1 ) P 3 . 3( T 0 ) P 3 . 4( T 1 ) P 3 . 5( W R ) P 3 . 6( R D ) P 3 . 7X T A L 2X T A L 1G N DV C CP 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2 P 0 . 3 P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 6 P 0 . 7E A / V P PA L E / P R O GP S E NP 2 . 7 ( A 1 5 )P 2 . 6 ( A 1 4 )P 2 . 5 ( A 1 3 )P 2 . 4 ( A 1 2 )P 2 . 3 ( A 1 1 )P 2 . 2 ( A 1 0 )P 2 . 1 ( A 9 )P 2 . 0 ( A 8 )K 11 1 . 0 5 9 2 M3 0 p f3 0 p f1 0 μ FV c cV c c1 0 KV c c 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 61 頁 向某一 固定方向發(fā)射長一個 頻率為 40KHz的脈沖信號，發(fā)射的同時進行計時，當聲波在傳播途徑當中碰到障礙物就 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 。 定 時控 制計 算傳 輸調(diào) 制計 時4 0 K 振 蕩增 益 放 大超 聲 波 發(fā) 射超 聲 波 接 收 障 礙 物 圖 超聲波測距裝置的原理框圖 采用 HCSR04 超聲波收發(fā)模塊，它可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感測功能。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： ① 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。 ③ 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。 其中 RS232 串口如圖 所示 ， 超聲波時序圖如 圖 所示 ： 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 共 61 頁 C 1 R 2 I N R 2 O U T R 1 I N R 1 O U T T 2 I N T 2 O U T T 1 I N T 1 O U T V C 2 G N DV C CV +C 1 +C 2 +14571 21 01 3821 61 527618495P 3 . 0P 3 . 1 1 1C 91 u FC 1 01 u FV C CU 63 1 u F1 u F C 1 1C 1 239 J 2D B 9 圖 RS232 串口 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?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比。 超聲波模塊電氣參數(shù)如表 所示 ： 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 陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 61 頁 表 超聲波模塊電氣參數(shù)表 電氣參數(shù) HCSR04 超聲波模塊 工作電流 15mA 工作頻率 40Hz 工作電壓 DC5V 最遠射程 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 EM78P153 是采用高速 CMOS 工藝制造的八位單片機，其內(nèi)部有512*13 位一次性 ROM，因此，用戶可以很方便地改進完善程序，有 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。 EM78P153 引腳描述如表 ： 表 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 通用 I/O 引腳 ， 上拉 /下拉 /漏極開路 ， 引腳狀態(tài)變化將單片機從休眠模式喚醒 P60/INT 通用 I/O 引腳 ， 上拉