基于堤坝防洪系统的设计

1、沈阳理工大学应用技术学院毕业设计验收报告题 目：基于单片机的堤坝防洪控制系统的 设计与实现 院 系： 信息与控制学院 专 业： 通信工程 班级学号： 11304111 学生姓名： 王伊赛 指导教师： 张可菊 成 绩： 2015 年 6 月 8 日1 硬件部分设计1.11.1 总体设计本系统由无线数据传输的发射处理模块、无线数据传输接收处理模块组成。无线数据传输的发射处理模块主要功能是测量水面高度并通过液晶显示，然后将测量的高度信息发送给无线数据传输的接收处理模块。无线数据传输接收处理模块主要是接收和液晶显示数据，并且能设置高度阈值，当数值超过阈值时，蜂鸣器发出警报。其中，无线数据传输的发射处理

2、模块由可编程的主控芯片STC89C52、超声波测量模块、LCD1602液晶显示模块及NRF24l01无线数据传输模块构成。无线数据传输的接收处理模块由可编程的主控芯片STC89C52、报警和阈值设置模块、LCD1602液晶显示模块及NRF24l01无线数据传输模块构成。系统总体设计框图如图1.1所示。图1.1 系统总体设计框图1.2 距离测量模块1.2.1 距离测量模块方案选择超声波测距的特点是比较抗灰尘，即使传感器上有细小的尘土，只要没有完全遮挡就可以测量，可以在比较差的环境中使用。超声波是人耳无法听到的，一般超过20千赫频率的声音。波的传播速度是用频率乘以波长来表示。声波在空气中的传播速度

3、较慢，约为344m/s(20ºC)。在这种较低的传播速度下，波长很短，就意味着可以获得较高的距离和方向分辩率。因为这样的高分辨率功能，使得我们有可能在测量过程中的精确度得到相当大的提高。超声波设备的外表面尺寸易于获得精确的辐射。综合使用方便、测量距离及测量精度等方面分析，本系统距离测量模块采用HY-SRF05 超声波测距模块测距精度可高达到3mm，测量距离为2cm-450cm。1.2.2 硬件连接说明（1）超声波测距模块使用TRIG引脚触发测距，所以将模块的TX连接到STC89C52的P3.5管脚并置高至少10us；使TRIG管脚产生至少10us的高电平信号以触发模块测距。

4、（2）超声波测距模块自动发送8个方波，频率为40khz 。当超声波遇到障碍物反射回来时，模块自动检测是否有返回信号。（3）超声波测距模块检测到返回的声波，则STC89C52会轮训检测模块引脚ECHO输出的一个高电平。故RX连接STC89C52的P3.6管脚，使用单片机的内部定时器测量接收的高电平持续时间。而超声波模块从发射脉冲到检测到返回信号的时间就是高电平持续时间。测试距离d=t*v/2。其中t为高电平时间、v为声速。距离测量模块硬件连接图如图1.2所示。图1.2 距离测量模块硬件连接图1.3 无线通信模块1.3.1 无线通信模块方案选择Wi-Fi主要目的是提供无线局域网接入点，作

5、为目前WLAN的主要技术标准，可实现几Mbps至几十Mbps的接入速率。对于用户终端的无线接入问题，WLAN将各种终端都使用无线进行互联，满足了家庭无线用户终端的无线LAN接入通信的需求，为用户屏蔽了各种终端之间的差异。尽管WLAN具有很好的便携性，但是本系统不需要建立局域网络，且该方案成本太高。蓝牙工作在24GHz的频段，收发器的连接距离可达10m。由于蓝牙传输距离近频率高的特性，因此被广泛应用于音频的无线传输，医疗设备数据传输和实时定位系统等领域以及游戏控制器，无线通信装置，手机物品防丢失等通信产品。蓝牙技术通信协议复杂，不适合在单片机上运行。而且只能实现点对点传输，不能与路由器连接组网。

6、而本系统需要传输距离远且系统简单，该方案明显不符。nRF24L01工作于2.42.5GHz 频段，是一款新型射频收发芯片。其收发模式、数据通道、通信地址和数据速率都可通过SPI接口设定；nRF24L01集成硬件处理数据帧的增 强型ShockBurst技术，减小CPU处理负担，增加系统的稳定性和可靠性。nRF24L01的芯片的功 耗相对较低，降低系统电能损耗，更能适应恶劣的环境。掉电模式和空闲模式等多种低功耗工作模式使系统设计更节能。本系统采用51单片机作为主控芯片，整个系统简单。而信息需要从堤坝发送到监控室，对传输距离和穿透能力有一定的需求。综合需求与成本考虑，最后决定选用nRF24L01作为

7、通信模块。1.3.2 无线通信模块模块特性2.4GHz各国共同的无需授权许可频段，只需要以不低于1W的发射功率并且不对其它频段造成干扰即可使用；采用GFSK调制，抗干扰能力强，特别适用于无线报警安全系统；而数据速率最高可达2Mbps，适合线数据传输系统和家庭和楼宇自动化等领域；具有126 频道，满足多点通信和跳频通信需要；内置单点对多点通信地址控制和硬件 CRC 自动检错；低功耗模式可在 1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态为 22uA；掉电模式下为 900nA ；内置 2.4Ghz 天线，体积种类多样；接收模式下nRF24L01硬件检测收到信息的地址与本机地址是否相同、CRC校验是否出

8、错，若正确，nRF24L01会储存接收到的数据并发出中断指示；而模块地址可编程设置，方便多点通信配置，采用SPI接口通信，可直接和各种单片机连接，芯片间通信速率高；工作于增强型ShockBurst模式，具有自动包处理, 自动包发送处理功能, 具有可选的内置包应答功能，很大程度上降低丢包率。1.3.3 工作模式NRF2401工作在增强型ShockBurstTM这种模式下，硬件添加和去除帧头、源地址、目的地址和CRC校验位等数据包帧部分，直接提取出数据以供STC89C52读取。这种自动包处理操作简化了NRF2401模块的编程，减少了单片机的处理负担，从而提高系统稳定性。并且增强型ShockBurs

9、tTM 的配置寄存器使NRF24L01 能够处理射频协议。通过SPI接口配置完各个寄存器后，只需改变相应寄存器的低字节，就可以在 NRF24L01 工作期间更改接收模式和发送模式。因此，本系统将采用增强型ShockBurstTM模式作为收发模式。而且采用自动回复功能，使通信完成后接收信息模块自动发送一个回复信息给发送模块，从而增加信息传输的可靠性并且省略回复过程，简化编程降低单片机资源消耗。由于系统主控芯片为8位的STC89C52单片机且对数据传输速率要求不高，故数据位数设置为8位1Mbps的传输速率。即满足系统需求，有提供系统的可靠性。1.3.4 硬件连接说明nRF24L01无线收发信机工作

10、频段在世界无线公用频段，其功能包括: 功率放大功能、晶体振荡功能、调制功能、解调功能、频率发生功能、增强型SchockBurstTM模式控制器功能。数据帧的设置、功率放大倍数和工作信道等无线数据传输的参数可以通过SPI接口进行设置，SPI接口数据速率08Mbps，全双工同步传输，传输速率高。nRF24L01模块引脚说明见下表1.1所示。表1.1 nRF24L01模块引脚说明引脚号名称连接引脚功能描述1CEP1.2数字输入SPI片选信号2CSNP1.5数字输入RX或TX模式选择3SCKP1.1数字输入SPI时钟4MOSIP1.6数字输入数据的输入端5MISOP1.0数字输出数据输出端6IRQP1

11、.7数字输出中断引脚7VCCVCC电源电源（+5V）8GNDGND电源接地（0V）由于STC89C52没有硬件SPI等外设，故使用其P1接口模拟SPI接口的时序；其中，中断引脚采用轮训法检测电平变化。1.4 LCD1602液晶显示模块1.4.1 LCD1602液晶显示方案选择LCD1602液晶显示器因为它的显示内容丰富，数字式接口和功耗低等优点，它在万用表、工业设备和低功耗系统等诸多领域作为显示器件。这些模块类比之下，LCD1602具有位数多，可以显示32位，32个数码管体积相当庞大有的优点。显示内容丰富，可显示所有数字和大、小写字母。程序简单。LCD1602液晶模块内部自带DDRAM 和CG

12、ROM能够存储了不同的命令和点阵字符图形，不需要STC89C52不断扫描液晶，减小CPU占用；其数字、字母等各种字符也与ASCII码表映射，按计算机字符串输入便能显示所需字符。 数码管分为共阴和共阳两种，共阴数码管就是将八个发光二极管的阴极被封装在一起接地并组成数字模块，然后给相应发光二极管的阳极高电平，便能控制点亮不同的发光二极管来显示不同的字形。而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起接高电平。数码管显示亮度高，显示大。驱动部份的软件简单，但数码管动态显示会占用很多时间来刷新显示。由于LCD1602微功耗、简单易用，而且体积小，在堤坝布点方便。显示英文数字和多种符合，显示界面简单易用。故本系

13、统采用LCD1602作为主显示模块。1.4.2 硬件连接说明LCD1602液晶分为液晶体和控制两个部分，控制部分由 KS0066、 KS0065 及几个电阻电容组成，KS0065 是扩展显示字符用的。本系统采用LCD1602模块，集成KS0066等元器件。接口方面，有 8 条数据，三条控线。可与微处理器或微控制相连,通过送入数据和指令，就可使模块正常工作. 其中，RS、R/W、EN为LCD1602的三个控制接口，分别接STC89C52的P2.7、P2.6、P2.5口；D0-D7为8为LCD1602的数据接口，接STC89C52的P0口；LCD1602的V0接口接一个10k的电位器，用于调节背光

14、亮度。LCD1602液晶电路设计如图1.3所示。图1.3 LCD1602液晶电路设计1.5 报警模块1.5.1 报警模块方案选择无源蜂鸣器和有源蜂鸣器的主要区别是产品的输入信号不一样。有源蜂鸣器一般贴有标签，内部集成振荡电路：当输入直流电时，电路将直流电转化成一定频率的方波交流电，而变化的交流电引起磁场变化从而吸引蜂鸣器钼片振动。有源蜂鸣器由直流电平驱动工作。无源蜂鸣器行业标准称为讯响器，国家标准称为声响器，内部没有集成振荡电路。当输入一定频率的脉冲波时，交流脉冲导致无源蜂鸣器磁场变化，从而带动蜂鸣器钼片振动。当输入入恒定不变的直流电时，由于磁路恒定，钼片不能来回振动，所以直流信号无法驱动无源

15、蜂鸣器。当水面高度超过一定阈值时，本系统需要蜂鸣器产生一个报警信号提醒监控室的相关人员，所以采用有源蜂鸣器，设计简单三极管驱动电路后引脚给相应电平就能正常工作。虽然频率固定了，就只一个单音，但是使用方便。然后采用两个按键调节报警阈值。1.5.2 硬件连接说明报警模块由按键部分和蜂鸣器部分组成。按键一端接地，当按键按下时按键两端电路导通，STC89C52相应引脚连接到，STC89C52检测引脚为低电平时，则表示有按键按下。蜂鸣器驱动电路由电阻和pnp型三极管组成，由于STC89C52单片机引脚的电流驱动能力较差，引脚输出高电平时能输出电流最大值很小，有时不足以使三极管饱和，所以使用低电平驱动，利

16、用电源的灌电流来驱动蜂鸣器电路。当STC89C52将相应引脚拉低时，三极管发射极正偏，集电极反偏，使得发射极、集电极电路导通，蜂鸣器发出声响。蜂鸣器驱动电路如图1.4所示。图1.4 蜂鸣器驱动电路本设计采取了模块化的思想进行设计，并且根据各个部分所要实现功能不同把硬件部分划分为四个部分：第一个部分是单片最小系统，负责为系统提供处理和控制功能；第二部分是无线收发部分，负责收发超声波模块采集的距离数据；第三部分是显示部分，负责显示经过单片机处理过的距离数据；第四部分是报警部分，负责水面高度超过阈值时发出蜂鸣声报警。2 软件部分设计2.1 主程序设计整个系统主要任务是初始化各个模块，然后启动超声波模

17、块采集距离数据，并调用LCD1602模块显示采集到的数据并通过NRF24L01模块发送。主程序流程图如图2.1所示。图2.1 主程序流程图2.2 数据接收模块数据接收模块主要任务是初始化各个模块。采用轮训法检测按键程序，以调节报警模块阈值。然后调用NRF24L01模块接收发送模块发送的距离数据并调用LCD1602显示接收到的数据。将接收的数据与所设阈值进行对比，若超过阈值，则蜂鸣器发声。数据接收系统流程如图2.2所示。图2.2 数据接收系统流程图2.3 距离测量模块STC89C52相应引脚触发测距，给至少10us的高电平信号，启动模块； 8个脉冲，频率为40khz的超声波由超声波测距模块发送，

18、当超声波遇到障碍物反射回来时，模块自身检测返回脉冲 ；数据发送系统轮训相应引脚，检测是否有高电平产生；若检测到高电平，则启动定时器计算高电平持续时间，并转化成距离。距离测量模块流程图如图2.3所示。图2.3 距离测量模块流程图2.4 无线通信模块2.4.1 数据发送模块把要发送的数据和接收模块的地址按SPI时序传输到nRF24L01相应寄存器；配置CONFIG寄存器，使之进入发送模式。nRF24L01的CE被STC89C52相应引脚置高，使能nRF24L01以增强型ShockBurstTM模式进行发射。数据发送模块流程图如图2.4所示。图2.4 数据发送模块流程图2.4.2 数据接收

19、模块按SPI时序把命令和数据传输到NRF24L01模块相应寄存器，以配置本机地址和要接收的数据包大小；配置CONFIG寄存器，使之进入接收模式，STC89C52相应引脚把CE置高。NRF24L01模块经过130us后自动进入监视状态，STC89C52延时一段时间之后轮训相应引脚，等待数据包的到来；NRF24L01接收到数据包后，芯片内部硬件校验帧头中的数据地址和CRC校验等内容。如果不正确，芯片选择丢弃该数据包。反之，芯片通过硬件去除数据帧头等信息，提取出发送内容；当数据接收提前成功之后，STATUS寄存器的相应位被芯片硬件置高并且相应引脚产生中断通知STC89C52单片机；STC89C52把

20、数据从NewMsg_RF2401寄存器读出；数据读取完毕后，STC89C52读取STATUS寄存器数据以清除状态标志位。数据接收模块流程图如图2.5所示。图2.5 数据接收模块流程图2.5 LCD1602液晶显示模块显示部分主要包含了初始化函数、写命令函数、写数据函数和写字符串数据。其中写字符串函数主要是实现一次写入多个字符，通过设定位置参数，可以直接设置显示数据的位置，并一次写入所以要显示的字符串。显示程序模块流程图如图2.4所示。图2.4 显示程序模块流程图根据各个部分所要实现功能要求把软件部分划分为四个部分：第一个部分是距离测量模块，负责收发超声波模块采集的距离数据；第二部分是数据通信模

21、块，负责传输和接收数据；第三部分是LCD1602液晶显示模块，负责显示经过单片机处理过的距离数据； 主程序部分将各个模块组合起来，实现整个系统的功能。3 系统调试3.1 硬件调试在系统设计阶段时，模块化设计思想从始至终指导着系统的各个部分的设计与仿真。所以硬件调试主要分成四个部分进行检测，分别是STC89C52、LCD1602模块、通信模块（包括发射和接收电路）以及报警模块的硬件电路。而为了保护电路和各模块的安全性，以免上电时电流过大烧毁芯片，硬件调试过程被分成两部分：断电调试和上电调试。在焊接过程中焊接不到位等引起的断路容易导致芯片无法正常工作，而焊接错误导致的短路、正负极反接等问题不仅造成

22、电路无法正常工作，还可能导致电路或者芯片烧毁。为了防止电路中存在断路短路、正负极反接等问题，我们必须在上电前检测电路的断路或短路情况，防止电路烧毁。其主要方法试用万用表来检测电路中各支路是否存在断路或者短路，各模块正负极是否反接等情况。断电调试完成之后，修改电路在确保硬件电路正常即可上电调试。上电调试主要是为了检测电源是否接对，各个引脚是否存在错误连接。本系统上电调试可分成单片机部分、LCD1602模块、nRF24L01无线通信模块和报警模块的的硬件上电调试。（1） 单片机部分硬件调试首先检测时钟电路、复位电路是否存在错误，然后检测是否存在引脚损坏等问题。（2） LCD1602模块不亮或者无法

23、显示：上电之后LCD1602正常发光则模块的电源部分没有相应错误，不会导致器件烧毁。 然后看LCD1602的上面一行的方框是否有缺损。若无，则模块显示部分没有相应错误。最后转动电位器，以调节LCD1602的背光和液晶显示的对比度。（3） 通信模块无法正常通信：这一部分电路硬件调试主要目的是检查电源部分电源是否正常，各引脚是否连接错误，有无错接漏接现象。（4） 报警模块无法发出声音：给相应引脚低电平若产生蜂鸣声，则电路无误。由于模块化设计理念，使得软件的检测也可以分模块化进行。测试报警模块可使单片机相应引脚置低，若产生蜂鸣声则该部分不存在问题。测试通信模块可使该模块传送一段信息，若收到

24、信息则使蜂鸣器响。若蜂鸣器没有响，则电路或者软件中存在未知问题。硬件部分可用万用表检测电路连接问题，软件部分可分成进行检测。LCD1602部分可以显示一段字符。在测试过程中，字符出现乱码。在调试时适当改变软件延时的时间使得显示回复正常。3.2 系统使用方法堤坝防洪控制系统系统B板先上电时，系统显示接收数据和初始阈值。系统配有三个按键：第一个按键是模式选择，默认是接收数据；按一下选择调节阈值个位；按两下选择调节阈值十分位；按三下表示调剂阈值百分位；按四下表示恢复默认。第二个按键是阈值加键。第三个按键是阈值减键。阈值设置完成后，再按下第一个键恢复接收。接收完毕后，若超过阈值，则蜂鸣器报警。3.3

25、系统检测B板上电，等待设置状态如图3.1所示图3.1 等待设置状态A板上电，测量并发送数据如图3.2所示图3.2 测量并发送数据B板接收数据如图3.3所示图3.3 B板接收数据3.4 系统误差分析硬件软件部分全部调试完后，需对整体系统进行测试。首先测试测量精度，将尺放在底下，用障碍物挡在超声波模块前并改变距离测量记录发送和接收系统的相应值。测量结果误差1cm。由于发送板先测量、显示再发送，接收板先接收再显示。故产生一个数据长度延时。显示有一个数据时间长度的延时。传输距离测试时，虽然达不到理论值的100米以上，但是也在80米左右符合实际需求。但是障碍物对传输距离的影响比较大。附录A电路图发送系统

26、接收系统附录B实物图：发送系统接收系统附录C无线发射测量系统部分源程序:#include<reg52.h>#define unchar unsigned char#define unint unsigned int/*宏定义*/#define TX_ADDR_WITDH 5#define TX_DATA_WITDH 6#define RX_DATA_WITDH 6#define R_REGISTER 0x00#define W_REGISTER 0x20#define R_RX_PAYLOAD 0x61#define FLUSH_RX 0xe2#define CONFIG 0x00

27、#define EN_AA 0x01#define EN_RXADDR 0x02#define RF_CH 0x05#define RF_SETUP 0x06#define STATUS 0x07#define RX_ADDR_P0 0x0a#define RX_PW_P0 0x11/*引脚定义及声明*/sbit LCD_RW=P26; sbit LCD_RS=P27;sbit LCD_E =P25;#defineLCD_Data P0;sbit MISO = P1 0;sbit MOSI = P1 6;sbit SCK= P1 1;sbit CE = P1 2;sbit CSN = P1 5

28、;sbit IRQ = P1 7;unchar code TxAddr=0x34,0x43,0x10,0x10,0x01;uncharbufferdata7;uncharbdatasta;sbit RX_DR=sta6;sbit TX_DS=sta5;sbit MAX_RT=sta4;sbit RX =P36;sbit TX =P35;/*延时函数*/void Delay(unint t)unintx,y;for(x=t;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);/* LCD1602写命令函数*/voidWriteCommandLCD(unsigned char WCLCD

29、,BuysC) /BuysCΪ0ʱºöÂÔæ¼ì²âif (BuysC) ReadStatusLCD(); /查忙LCD_Data = WCLCD;LCD_RS = 0;LCD_RW = 0;LCD_E = 0;LCD_E = 0;LCD_E = 1;/* LCD1602写数据函数*/voidWriteDataLCD(unsigned char WDLCD) ReadStatusLCD(); /查忙LCD_Data = WDLCD;LCD_RS =

30、1;LCD_RW = 0;LCD_E = 0; LCD_E = 0; LCD_E = 1;/* LCM1602显示字符串函数*/voidDisplayListChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char code *DData)unsigned char ListLength;ListLength = 0;Y &= 0x1;X &= 0xF; /ÏÞÖÆX²»ÄÜ´óÓÚ15£¬Y

31、²»ÄÜ´óÓÚ1while (DDataListLength>0x19) /Èôµ½´ï×Ö´®Î²ÔòÍ˳öif (X <= 0xF) /X×ø±êӦСÓÚ0xFDisplayOneChar(X, Y, DDataLi

32、stLength); /ÏÔʾµ¥¸ö×Ö·ûListLength+;X+;/* LCD1602初始化函数*/voidLCDInit(void) /LCD³õʼ»¯LCD_Data = 0;WriteCommandLCD(0x38,0); Delay5Ms(); WriteCommandLCD(0x38,0);Delay5Ms(); WriteCommandLCD(0x38,0);Delay5Ms(); Writ

33、eCommandLCD(0x38,1);WriteCommandLCD(0x08,1);WriteCommandLCD(0x01,1); WriteCommandLCD(0x06,1); WriteCommandLCD(0x0c,1); /* nRF24L01的SPI时序函数*/uchar SPI_RW(uchar byte)/дÈëÒ»¸ö×Ö½Úucharbit_ctr;for(bit_ctr = 0; bit_ctr< 8; bit_ctr+) MOSI = (

34、byte & 0x80);byte = (byte << 1); SCK = 1;byte |= MISO; /led=MISO;Delay(150); SCK = 0; return(byte);/*nRF24L01的SPI读寄存器一字节函数*/ucharSPI_Read (ucharreg )ucharreg_val; CSN = 0; SPI_RW(reg);reg_val = SPI_RW(0); CSN = 1;return(reg_val);/*nRF24L01的SPI写寄存器一字节函数*/ucharSPI_RW_Reg (ucharreg, uchar val

35、ue) uchar status; CSN = 0;status = SPI_RW(reg); SPI_RW(value); CSN = 1;return(status);/*nRF24L01的SPI读取RXFIFO寄存器的值*/ucharSPI_Read_Buf(ucharreg, uchar *pBuf, ucharuchars)uchar status, uchar_ctr; CSN = 0; / Set CSN low, init SPI tranactionstatus = SPI_RW(reg); / Select register to write to and read sta

36、tus ucharfor(uchar_ctr = 0; uchar_ctr<uchars; uchar_ctr+)pBufuchar_ctr = SPI_RW(0); / CSN = 1;return(status); / return nRF24L01 status uchar/*nRF24L01的SPI写入TXFIFO寄存器的值*/ucharSPI_Write_Buf(ucharreg, uchar *pBuf, uchar bytes)uchar status, byte_ctr; CSN = 0; / Set CSN low, init SPI tranactionstatus

37、= SPI_RW(reg); / Select register to write to and read status bytefor(byte_ctr = 0; byte_ctr< bytes; byte_ctr+) SPI_RW(*pBuf+); CSN = 1; / Set CSN high againreturn(status); / return nRF24L01 status byte/* nRF24L01设置为接收模式并接收数据*/voidRX_Mode(void) CE = 0;SPI_RW_Reg(FLUSH_RX, 0x00);SPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR,TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH);SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0,TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH);SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA, 0x01); / Enable Auto.Ack:Pipe0SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR, 0x01);