水文站的水位自动监测系统设计方案

目录

第一章绪论 (1)

1.1国内外的发展概况 (1)

1.2目的和意义 (1)

1.3主要内容 (2)

第二章数据采集的硬件设计 (3)

2.1单片机数据采集系统 (3)

2.1.1基本组成 (3)

2.1.2采集方式 (3)

2.1.3硬件组成 (4)

第三章硬件电路设计 (5)

3.1水位传感器的选择 (5)

3.1.1浮子式水位传感器 (5)

3.1.2压力式水位传感器 (5)

3.1.3气泡式水位传感器 (6)

3.1.4超声波水位传感器 (6)

3.2传感器检测电路 (8)

3.2.1超声波发射电路 (9)

3.2.2超声波接收电路 (10)

3.3 A/D转换电路设计 (10)

3.3.1 A/D转换器工作过程 (10)

3.3.2 A/D转换单元电路设计 (11)

3.4单片机最小系统 (13)

3.5 LED显示电路 (14)

3.6 报警电路 (16)

3.7串行通信电路设计 (16)

3.7.1 RS-485通信总线 (17)

3.7.2串行通信电路设计 (18)

3.8 电源电路设计 (19)

第四章软件设计 (20)

I

4.1数据处理程序设计 (20)

4.2数据采集处理................................................................... 错误！未定义书签。

4.3数据显示........................................................................... 错误！未定义书签。

4.4报警程序设计................................................................... 错误！未定义书签。

4.5数据通信........................................................................... 错误！未定义书签。第五章系统的抗干扰及可靠性设计. (24)

5.1电磁干扰对系统的干扰 (24)

5.2系统抗干扰设计 (24)

第六章总结 (26)

谢辞 (27)

参考文献 (28)

附录A 外文翻译－原文部分： (29)

附录B 外文翻译－译文部分 (35)

附录C总体接线图 (40)

附录D 主要源程序 (42)

1.A/D转换子程序 (42)

2.动态扫描显示子程序 (42)

3.控制报警电路连续鸣音30ms的控制子程序的清单 (43)

第一章绪论

1.1目的和意义

水情水位测量一直是水文、水利部门的重要课题。为及时发现事故苗头，防患于未来，经济实用、可靠的水位无线监测系统将会发挥巨大的作用水位是水库大坝安全、水利排灌调度、蓄水、泄洪的重要参数之一。水位的自动化监测、传输和处理为水库现代化建设提供了良好的基础资料。在工农业生产的许多领域都需要对水位进行监控，可能现场无法靠近或现场无需人力来监控。我们就可以通过远程监控，坐在仪器前就能对现场进行监控，既方便又节省人力。为了保证水利发电站的安全生产,提高发电效率,水电站生产过程需要对水库水位、拦污栅压差和尾水位进行监测。但是,由于不同电站有着不同的实际情况,因此就有着不同的技术要求,而且水位参数的测量方法和测量位置不同，对监测设备的要求亦有所不同。这样往往造成监测系统设备专用化程度高,品种多,互换性差,不利于设备维护,亦增加了设备设计、生产、安装的复杂性。因此,在综合研究水电站水位监测的实际情况以及特点的基础上,利用现代电子技术,特别是单片机技术和不挥发存储器技术,设计开发一种通用性好,可靠性高,维护方便,可适用于多种监测环境的多模式水位自动监测系统具有重要的实际意义。

1.2国内外的发展概况

传感器是实现测量及控制的首要环节，一般传感器有模拟式和数字式两类，模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相连的时候必须采用A/D转换器把模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传输。数字式传感器直接将待测量转换为数字量输出，其输出信号抗干扰能力强，功耗小，可与数字设备直接连接。数字式传感器的这些特点，特别适合应用于水情遥测系统中。但限于成本控制本设计依然采用模拟传感器。

水位监测系统在我国的应用已相当普及。大型国家水坝常采用由PC机和单片机组成的主从式的多机联网系统，单片机作为下位机，负责大坝现场各水位点的选通和采集，作为上位机的PC机，则负责大坝水位的集中显示和管理记录，PC机作为通用机，在用于专项的应用上时，难免会在很多方面存在问题，比如体积大，功耗大，运行不稳定、很难做到不间断运行等。而PC机与单片机之间的通讯方式主要采用RS485总线技术和现场总线技术两种。RS-485是使用较为广泛的双向有补偿传输线标准，其最大每段总线长度为1200米，每段最多支持32个节点，采用单组双绞线双向主从通信。当总线加长或节点增多时需要使用中继器连接，全网络支持最多256个节点。RS-485通信技术应用时间较长，软硬件实现较为容易，因此是国内粮情测控系统采用较多的通信方式。

而本文多路水位监测系统特点：

1

水位站的水位自动检测系统设计

1)能够灵活适应测量库水位、拦污栅压差、尾水位等变化缓慢或剧烈的水位的需要。

2)系统工作体制采用轮询方式，实时性好。

3)采用无线/有线双通道传输方式，提高了传输的可靠性。

4)水位采集站工作模式可灵活编程设定，以适应不同的监测环境。

5)监测分中心提供微波接口和RS-485接口，为上级监控中心提供监测数据。

1.3主要内容

本次所设计的水位自动监测系统主要包括以下几个内容：

1. 多点水位数据采集：具有自动检测水位等功能，可根据需要进行定时检测、选点检测

和巡回检测；

2. 水位数据传输：采集的数据进行远程传输，需要解决远程传输数据不稳定和有干扰等

影响；

3. 水位数据分析：通过单片机进行数据分析，然后将数据传输到LED和报警器，进行数

据显示或报警；

4. 水位数据显示：根据传回的数据通过LED显示；

5. 水位预警：根据水位实测值与人工设定的超限制或相关数据模型进行对比分析，若实

测值超过设定的范围，则语音报警。

水位自动监测系统采用液体压力探头采集水位原始资料，在单片机上进行模数转化资料处理，通过专线把资料传输到工作站；同时也可以在远程工作站通过电话拨号调用资料；在工作站的计算机上进行资料加工、存取、分析等处理。远离水库的指挥中心通过该系统可获得当前时刻的水位、水库库容、淹没面积、当天最高水位、最低水位、日水位升降、平均水位等一系列数据，为水库的防洪、水库水资源调度、蓄水灌溉提供科学的数据。该系统由数据采集、数据传输、数据分析、数据显示和水位预警等部分组成。

2

3 第二章 数据采集的硬件设计

2.1单片机数据采集系统

本文的设计是基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件。单片机具有体积小、功耗小、成本低、可靠性高、灵活方便、价格廉以及控制功能强等特点而得到广泛的应用。利用单片机的硬件、软件资源，实现信号采集的智能化控制和管理。

2.1.1基本组成

基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件；结合外围电路所构成。基本组成如图2.1所示。

图2.1 数据采集系统的组成 采集系统硬件主要包括传感器、转换器、单片机、输入输出接口电路等。由单片机做为控制单元的数据采集系统的工作过程可分为以下几个步骤：数据采集是将被测量的信号转换为能够被单片机所识别的信号并输入给单片机；数据处理是由单片机执行以测试为的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的决策与判断。

2.1.2采集方式

一个具体的采集系统的构成，根据所测信号的特性而定。力求做到既能满足系统的性能要求又能在性能价格比上达到最优。根据这个要求，这种方式轮流循环采样的转换速度较慢，但是节省硬件。结构框图如图2.2所示。

图2.2 多路开关方框图 数据处理部分采用AT89S52做为核心控制器件。模数转换器采用8位串行模数转换器TLC0838，该芯片占用单片机的引脚资源少，仅占有单片机5个引脚即可完成8个通道的传感器

（S ） 传感器 （S ） 传感器

（S ）

模

拟

多

路

开

关 采样\保持 （S\H ） A\D I\O 主 机

输入通道 单片机

输出通道

水位站的水位自动检测系统设计

4

数据采集，简化了电路设计，降低了成本。

2.1.3硬件组成

硬件部分分为数据采集和数据处理两部分。整体硬件框图如图2.3所示。

图2.3 整体硬件框图

数据采集部分采用多路开关方式进行，设计有8个模拟数据采集通道，满足了生产中多通道的要求。可以对常见的模拟信号量，如水位、压力、流量、速度、频率等进行采集。每一种信号量都可以使用不同的传感器。扩大了数据采集系统的应用范围，具有较强的通用性。

它常用于采集多路变化缓慢的信号，如水位变化、应变信号等。用这种方式采集多通道信号时，不能同时采集同一时刻的各种参数。

本文所设计的硬件框图，主要是超声波传感器采集电路，采集到水位数据后经过信号放大和采样保持后再由TLC0838进行A/D 转换，然后输入到AT89S52单片机中，其中AT89S52单片机是整个系统的核心，单片机通过处理后再进行LED 显示和越限报警，并将数据传送至上位机进行人工操作。

超声波 传感器 电路

多 通 道 A\D 报警电路 LED 显示

单

片

机 上

机 位 通信芯片

第三章硬件电路设计

3.1水位传感器的选择

传感器是实现测量及控制的首要环节，一般传感器有模拟式和数字式两类，模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相连的时候必须采用A/D转换器把模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传输。数字式传感器直接将待测量转换为数字量输出，其输出信号抗干扰能力强，功耗小，可与数字设备直接连接。数字式传感器的这些特点，特别适合应用于水情遥测系统中。但限于成本控制本设计依然采用模拟传感器。

目前主要测水位的液位传感器有浮子式水位传感器、水位跟踪式传感器、超声波水位传感器、雷达激光水位传感器,压力式水位传感器等。下面是一些主要水位传感器的简单介绍。

3.1.1浮子式水位传感器

其主要产品有上海精浦机电有限公司的GEMPLE GPH500，正天科技的FYC-3型浮子式水位传感器等。

1)工作原理：它利用液体浮力测液位的原理，靠浮子随水面升降的位移反映水位变化。漂浮通过绳索经滑轮与编码器相连，编码器的数字输出即为水位高度。为防止错码的出现，其编码器的编码为格雷码。机械浮子式和光电浮子式都是来用机械齿轮减速产生进位和退位的办法来形成编码。其工作示意图如图3.1所示。

图3.1 浮子式水位计工作示意图

2）特点：稳定，可靠，优点：成熟、运用最广泛，价格相对较低。

3）缺点：机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散。

3.1.2压力式水位传感器

其主要产品有重庆华正的WYZ-1型压力水位计，武汉华凯的JWRWX-3压力水位计。

1）原理：根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，运用压敏元件作传感器的水位汁。当传感器固定在水下某一测点时，该测点以上水柱压力高度加上该点高程，即可间接地测出水位。压力式水位计是一种通过压力传感器及其有关的引压信号传输数据处理等

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水位站的水位自动检测系统设计

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装置来测定水位的仪器可有数字显示编码输出及自动记录的功能它可分为引压式和直接式两种记录特征可分为模拟过程线数字显示分时段记时打印磁带记录固态存贮微机处理等形式。

2）优点：测量精度高，价格相对低廉，安装简便，不需要建造水位井。

3）缺点：对泥沙含量大的水流，测量精度会受到影响，工作不稳定，压阻式有时飘、温飘，要定时率定。

3.1.3气泡式水位传感器

原理：将一根上端装有压力传感器和气源的管子插入水中，以恒定流向管子里通入少量空气或惰性气体，压力传感器即可测出管内气体压力，此值与管子末端以上水头成正比，通过记录系统转换成水位。

优点：该仪器的压力传感器不直接与水体接触，可不建测井，特别适用水体污染严重和腐蚀性强的工业废水等场合。国外 应用气泡式水位计较普遍。

缺点：在一些水位变幅较大较快而且含沙量较大的山区河流误差偏大，针对这种情况，我生产厂家要采取必要的措施，如加装防浪头。

3.1.4超声波水位传感器

超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器，是在SCA6-1型声学水位计基础上的改进设计。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测

井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；

RS-485数据输出。应用于沿海水文台站的常

规长短期潮位观测，江河湖泊的水位连续自

动测量，以及港工水文调查、港口调度、船

舶航行等部门的水位测量。目前智能水位传

感器由声学传感器、温度传感器、声管、测

量电路、信号传输电缆组成。其水位测量原

理如图3.2所示。

1.水位采集系统 图3.2水位测量原理图

（1）水位测量工作原理

水位测量原理如图所示，由收发共用声学探头发射一声脉冲，经声管传声L 声程遇水界面产生反射，反射波（下称回波），又经L 声程由同一声学探头接收，只要测得声波（由发射至接收到回波）在空气中的传播时间t 及现场声速c ，就可测算出声学探头发射面至水面的距离，即错误！未指定书签。

2/ct L （3-1）

7

在设计上采用自校准技术对声速进行补偿，即在连接声学探头的第一节声管（称此声管为校准管）的已知距离L0处开有一校准用小圆孔。声学探头发射的声脉冲首先遇小孔这一界面产生反射回波，这一回波传播的声程2L0为已知，传播时间T0可测出，传播声速若为C0则有：

2/o o o t c L ?= （3-2）

取校准孔回波与水面回波传播声程的比值则有：

000/l c ctl L = （3-3）

由式（1）可知声程L 是传播声速C 、C 0，传播时间t 、T 0和校准孔距L 0的函数。如果在声管中传播声速由发射面至水面间变化很小，这样（1）式就可简化为：

00/T tL L = （3-4）

发射声脉冲后，测得T0、t 即可测算出声程L 。

由图2知，探头安装基准面至水位零点高度为S （S 可以当地水准点或水尺为参考，安装时测量确定）则水位值H 为：

L S H -= （3-5）

式中：H 为水位值

S 为探头发射面至水位零点距离

L 为探头发射面至水面间距离

（2）水位采集系统的组成

水位测量是应用空气声学回声测距原理，将声学探头安装在自流道进口和出口处，通过电缆将信号传至水位采集系统，采集并输出进口和出口处的水位值。

水位采集系统由声学探头，声路总成、外保护管总成、水位采集主机系统、显示及电源组成、水位采集系统通过RS-485接口与流量数据处理系统相连。

在智能声学水位传感器工作中，用户可以根据实际需要选择安装不同个数的温度传感器。为了便于互换和维护，每个DS1820有独自的单线接口与微处理器连接通讯。智能声学水位传感器可以挂接1～8个温度传感器。当传感器测量至水面距离时，如果是声程范围内温度均匀或对精度要求较低时，可以不使用温度传感器，通过自校准技术直接测量水位，因为校准管距离L0为已知，测得T0、t 之后，根据公式（3）即可算出声程L ，再由公式（4）得出水位。如果声程范围内温度不均匀，就会产生测量误差，上述方法将不能满足精度要求。所以，为了提高水位测量的准确度，采集水位（声程）的同时，还要采集声程数点的温度值，在数据处理时可以对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。具体计算步骤如下：

声程内平均温度：

水位站的水位自动检测系统设计

8

n n

t a

t

a

t a

Ta+

+

+

=

2

2

1

1

(3-6)

式中：ai:声程内第i个温度因子（与现场安装位置等有关；用户可以根据实际比测作出修正）

Ti:声程内第i个温度传感器温度值。

n:声程内温度传感器个数。

将平均温度代入公式（5），算出平均声速C0、c,根据公式（2）即可算出声程L，再由公式（4）得出水位温度对测量精度的影响及修正空气中，不考虑湿度和气压的影响，则声速c为：

C=331.4+0.607 T (m/s) (3-7) 式中：T为温度（℃）。温度变化1℃，将影响声速变化约0.18％，如果声管中传播声速由发射面至水面间变化较大。为了在不均匀的声场进行准确测量，采集水位的同时，还要采集声程数点的温度值，修正声速，对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。声学测量中，温度的影响是产生测量偏差的主要原因。在水位测量的实际应用过程中，声程不同位置测得的温度数据为非均匀变化，最大差值会达到6℃以上。经过温度修正，减小了声场温度影响产生的测量误差。尤其是在声程远端，未修正误差较大，修正后误差明显减小。声场受温度影响产生的测量误差，可以通过加入测温传感器，测量声路不同位置的温度，在软件上对测量值进行修正，减小测量误差。实际应用表明，效果很好。

浮子式水位传感器的缺点是机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散；压力式水位传感器工作不稳定，压阻式有时飘、温飘，要定时率定；超声波水位传感器的优势：在测量过程中没有任何部件接触水面，实现了非接触测量。不需建设观测井，基建投资少，见效快。运动部件，不因部件磨损锈蚀而产生故障，提高了无故障工作时间。周边环境无特殊要求，具有很高的兼容性，可多种组合，功能齐全，能够满足各种用户要求。实时全变量温度补偿，精度高，运用有线或无线传输水位信息，时效性强，降低劳动强度，提高了现代化水平。软件功能齐全，更适于水位站使用，提高经济效益。故本文选用的是超声波传感器。

3.2传感器检测电路

本文设计的超声波传感检测电路是利用40kHz的超声波发生器，实现40kHz的振荡是很容易的，并且方法有多种，取液位计与水面的距离为适当的高度，可令超声波发出去后能有效地返回，让接收器收到信号，送到微处理器，经微处理器处理所得的数据，即可算出水位高度。超声波在空气中一般可以实现有效传播，只要外部的环境不是特别的恶劣，所受的干扰并不是很大，测量结果不会有太大的误差。整个系统的核心是AT89S52。所选用是超声波传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这可很容易地用软件编程使AT89S52的P1口中的第0位产生40KHz方波的方法来实现。并在第一个脉冲产生时开始启动计时。