基于单片机控制的降雨量实时监测系统 - 图文-

1、收稿日期:2010-01-07;修回日期:2010-04-27作者简介:彭建(1964,男,湖南人,副教授,主要从事电子信 息的理论和实验的教学工作。基于单片机控制的降雨量实时监测系统彭建1,孙志江2(1.贵州大学电气工程学院,贵州贵阳550003;2.贵阳永青仪电科技有限公司,贵州贵阳550007摘要:介绍了利用89C 51单片机为核心设计的降雨量数据采集、远距离无线数据传输并在监测中心显示、存储降雨量数据的实时监测系统。该系统具有成本低、安装方便、工作稳定、抗干扰能力强、采集的降雨量数据准确的特点,便于水库、江河流域、气象部门实现实时降雨量数据的无人采集、无人记录和自动实时显示。另外,该系

2、统还具有历史数据查询、上传数据到管理级计算机的功能,因此具有较大的推广价值。关键词:单片机;降雨量;数据采集;无线数据传输;实时监测中图分类号:T P 274文献标识码:A 文章编号:1000-8829(201009-0079-06AR e a l -T i m e Mo n i t o r i n g S y s t e m o f R a i n f a l l B a s e d o nM i c r o c o n t r o l l e rP E N GJ i a n 1,S U NZ h i -j i a n g2(1.C o l l e g e o f E l e c t r i

3、 c a l E n g i n e e r i n g ,G u i z h o uU n i v e r s i t y ,G u i y a n g 550003,C h i n a ;2.G u i Y a n g Y o n g Q i n g I n s t r u m e n t &E l e c t r o n i c S c i e n c e &T e c h n o l o g y C o .,L t d ,G u i y a n g 550007,C h i n a A b s t r a c t :Ar e a l -t i m e m o n i t o r i n

4、 g s y s t e mo f r a i n f a l l b a s e d o n 89C 51m i c r o c o n t r o l l e r i s i n v e s t i g a t e d ,w h i c h i n -c l u d e s d a t a a c q u i s i t i o n ,r e m o t e w i r e l e s s d a t a t r a n s m i s s i o n ,d a t a d i s p l a y a n d s t o r a g e i n t h e m o n i t o r i

5、n g c e n t e r .T h e s y s t e mh a s a d v a n t a g e s o f l o wc o s t ,c o n v e n i e n t i n s t a l l a t i o n ,w e l l s t a b i l i t y ,s t r o n g a n t i -i n t e r f e r e n c e a b i l i t y ,a n d a c c u r a t e d a t a a c q u i s i t i o n .T h e r e f o r e ,i t c a nb e u s e

6、 di n t h e a u t o m a t i c d a t a a c q u i s i t i o n ,r e c o r d i n g a n d r e a l -t i m e d i s p l a y f o r r e s e r v o i r ,r i v e r ,a n dm e t e o r o l o g i c a l d e p a r t m e n t s .I na d d i t i o n ,t h eh i s t o r i c a l d a t a c a nb ei n q u i r e d ,w h i l e t h

7、e r e a l -t i m e d a t a c a n b e u p l o a d e d t o t h e m a n a g e m e n t l e v e l c o m p u t e r b y t h e s y s t e m .C o n s e q u e n t l y ,t h i s s y s t e mc a n b e p o p u l a r i z e d .K e y w o r d s :m i c r o c o n t r o l l e r ;r a i n f a l l ;d a t a a c q u i s i t i

8、o n ;w i r e l e s s d a t a t r a n s m i s s i o n ;r e a l -t i m e m o n i t o r i n g 当前水安全和水资源问题已经成为社会和经济发展中的重要因素。建立兼顾防灾和水资源优化管理的保障系统,是现代水利和水利工程管理的需要。水情自动监测是采用现代科技对水文信息进行实时遥测、传送和处理的专门技术,是有效解决水库及江河流域洪水预报、防洪调度及水资源合理利用的先进手段;它提高了水情监测速度和洪水预报精度,改变了以往仅靠人工测量水情数据的落后状况,扩大了水情测报范围,在水库及江河流域安全度汛和电厂经济运行以及水资源

9、合理利用等方面发挥了重大的作用。根据贵州省某水库管理部门的实际情况和提出的具体要求,设计了一套基于单片机控制的远距离无线数据传输降雨量实时监测系统,以作为对该单位雨水情自动监测系统的补充和完善,现就该系统做一下介绍。1系统组成降雨量实时监测系统主要由2个智能雨量采集站R T U 、1个雨量数据接收显示装置和相应数据采集、通信、显示处理软件组成。系统组成结构如图1所示。图1系统组成结构雨量采集站A 和B 负责在有降雨时将同一库域中两个不同雨量采集点的降雨量数据通过数传模块传到位于监测室的显示装置。显示装置负责实时显示和存储A 、B 两个雨量站的降雨量数据,必要时可通过其配备的标准R S -232

10、接口将数据上传给P C 机,以便对数据进行处理和长期保存。A 、B 两站与显示装置的通信频率在223235M H z 频段上,无需特别申请,数据传输速率为1200b /s 。系统中软件由雨量采集站控制软件和显示装置控制软件两部分组成。2系统硬件介绍2.1雨量采集站电路及工作原理雨量采集站R T U 由以89C 51单片机为核心的控制器、数传发送模块、电源模块、雨量传感器、复位电路和工作状态显示电路等单元构成,电路原理图如图2所示。 图2雨量采集站电路原理图由89C 51单片机(U 7、电容C 5C 8、晶体振荡器Z 1、按钮开关K 1、电阻R 3、74L S 00(U 5的1/4与非门和“看门

11、狗”集成电路A D M 691(U 3等组成89C 51最小单片机系统。“看门狗”集成电路A D M 691(U 3的R E S 端与由C 5、C 6、K 1、R 3组成的上电、手动复位电路通过U 5的1/4与非门(1脚和2脚从3脚将3种复位信号分别送到单片机的R S T 端,以实现单片机的上电复位、手动复位和“看门狗”复位。正常情况下,单片机的P 2.0周期性地送一个喂“狗”脉冲给A D M 691的W D I 端;如果程序一旦“跑飞”,喂“狗”脉冲消失,A D M 691的R E S 端将发出一个负脉冲送到74L S 00(U 5的1/4与非门的1脚上,于是在其3脚输出一个相应的正脉冲送到

12、单片机的R S T 复位端,使单片机复位,实现了单片机死机后自动复位的功能,提高了雨量采集站电路的稳定性和抗干扰能力,使其更适应于无人值守的工作状态。雨量传感器U 4在有降雨时,其内部机械装置使一个干簧管开关接通或断开,通过电阻R 1在单片机的P 1.0端产生脉冲,单片机则通过程序对脉冲进行计数(一个脉冲对应0.1m m 雨量,并将计数值通过单片机的串口T x D 端经插座J 3的2脚送入数传发送模块U 6的T T L 输入端,于是U 6实时地将数据发送到位于监测室的显示装置。电阻R 2和发光二极管D 2组成工作状态显示电路,通过单片机的程序使P 0.0端产生周期为2s 、占空比为50%的方波

13、信号,于是发光二极管D 2以1s 亮、1s 灭的周期循环方式闪烁显示,以表示单片机处于正常工作状态。一旦D 2不闪烁,或一直亮,或一直灭,说明雨量采集站电路出现故障,需对其进行检修。电源模块U 1只有1路+13.5V 输出,它直接给数传发送模块U 6供电;其他电路的工作电压为+5V ,由7805稳压集成块、电容C 1C 4和稳压二极管D 1组成的稳压电路提供;稳压二极管D 1的作用是将+13.5V 降低5V 后给7805的输入端提供+8.5V 的电压,在保证其稳定工作的同时,减小7805自身的功耗。雨量采集站A 和B 的电路完全相同,只是在传输数据时用软件定义了不同的地址。如A 、B 两雨量采

14、集站处无交流市电,可采用太阳能电池板供电。2.2显示装置电路及工作原理显示装置电路由以89C 51单片机为核心的控制器、数传接收模块、电源模块、R S -232接口模块、显示模块、键盘模块和复位电路等单元构成,电路原理图如图3所示。由89C 51单片机(U 1、电容C 5、C 6、C 13、C 14、晶体振荡器Z 1、按钮开关K 6、电阻R 15、74L S 00(U 7的1/4与非门和“看门狗”集成电路A D M 691(U 6等组成89C 51最小单片机系统。“看门狗”集成电路A D M 691(U 6的R E S 端与由C 5、C 6、K 6、R 15组成的上电、手动复位电路通过U 7的

15、1/4与非门(10脚和9脚从8脚将3种复位信号分别送到单片机的R S T 端,以实现单片机的上电复位、手动复位和“看门狗”复位。其工作原理同雨量采集站电路,在此不再赘述。因此提高了显示装置电路的稳定性和抗干扰性,适应于无人值守的工作状态 。图3显示装置电路原理图电源模块U12给数传模块U11提供+13.5V工作电压;7805集成三端稳压器U9、U10及电容C1C4组成+5V稳压电源,给其他电路供电。M A X232集成电路U8、电容C7C10等组成串行接口电平(T T L-R S232转换电路。该接口是单片机U1与数传模块U11、外部P C机通信的桥梁,U11接收的雨量站的雨量数据经其串行输出

16、端(J2插座的2脚送到1/4与非门U7的2脚;另一路由外部P C机串口发出的“收集显示装置存储的雨量数据”指令代码,经标准D型9芯插座J3的T x D脚送到U8的13脚,经M A X232集成电路将R S232电平信号转换成T T L电平信号从12脚输出到1/4与非门U7的1脚;该两路信号分时通过U7中两个与非门组成的逻辑电路从其6脚输出到单片机的R x D端,单片机通过通信协议可分辨出接收的是雨量数据还是P C机发出的指令代码,并作出相应的处理。按键开关K1K4、上拉电阻R11R14和插座J4组成单片机的键盘输入电路。K1用于开机输入初始时间时,选择激活“时”或“分”的调整;K2、K3分别用

17、于时间或查阅雨量历史纪录时的“+”或“-”操作; K4用于进入或退出查阅雨量历史纪录状态。D触发器U5、电阻R16、R17和电容C12组成单片机程序流向外部控制电路。显示装置刚开机时,根据程序的运行路径,必须输入开机时间,才能使它进入正常工作状态,一但进入正常工作状态后,时间就无法改变,否则只有重新开机,重新输入开机时间。U5在显示装置上电后处于清零状态,Q=“1”,Q接到单片机的P3.6,程序检测到它为“1”,则单片机等待从键盘输入时间,输入时间的动作为:按下K1(进入调整时间的“时”时,在U5的4脚(1/2D触发器置位端上产生一个负脉冲,使D触发器“置位”,Q=“0”。当单片机由于某种原因

18、复位时,它就不会再要求重新输入时间,而直接进入正常工作状态。显示单元由电阻R1R10、七段共阴极数码管L E D1L E D16、段码驱动集成电路U2(U D N2981A和两片电流吸收集成电路U3、U4(U D N2596等组成16位动态显示电路。R1R8为单片机P0的上拉电阻, R9、R10分别为七段数码管L E D3和L E D7的小数点控制限流电阻;U2为单片机P0口输出的显示段码提供外部驱动;U3、U4吸收七段数码管阴极电流,这种结构为16只七段数码管的高亮度显示创造了外部条件。其中L E D1L E D4、L E D5L E D8分别显示雨量采集站B和A的降雨量数据累加值;L E

19、D3和L E D7上的小数点分别由R9和R10接电源直接固定点亮;L E D9 L E D10、L E D11L E D12、L E D13L E D14分别显示时 钟的时、分、秒,L E D15L E D16显示进入“历史雨量查询”状态时,离当前日期的天数,如显示“02”,则L E D1 L E D8显示的是前天的降雨量数据;L E D9、L E D11、L E D13、L E D15上的小数点控制脚通过接到U2的11脚(O T7,由程序在输出相应位显示段码的最高位(D7动态控制;L E D9、L E D11、L E D13上的小数点只是在开机输入时间时显示,且只有一个点亮,它分别表示进入时

20、间的“时”或“分”或“秒”的设置状态,开机时间设置完后小数点全灭;L E D13上的小数点点亮时,表示进入“历史雨量查询”状态。3系统软件介绍3.1雨量采集站软件框图雨量站单片机程序由两大模块组成,即主程序模块(如图4所示和T0定时数据发送中断服务子程序模块(如图5所示。图4雨量站主程序模块框图图5雨量站T0定时数据发送中断服务子程序模块框图主程序模块主要对雨量传感器在下雨时发出的脉冲进行计数,并将其值保存在指定的单元。而T0中断服务子程序模块主要是完成1s和20s定时,并负责每隔20s检查一次雨量计数单元,如其值不等于0,则向监测室的显示装置(上位机发送一次数据,否则不发送数据;另外,每隔1

21、s 向“看门狗”电路发一个“喂狗”脉冲。3.2雨量数据接收显示装置软件框图接收显示装置单片机程序由三大模块组成,即主程序模块(如图6所示,T 0时钟定时中断服务子程序模块(如图7所示和串口中断服务子程序模块组成(如图8所示 。图6接收显 示装置主程序模块框图图7接收显示装置T 0时钟定时中断服务子程序框图 图8接收显示装置串口中断服务子程序框图主程序模块负责时间的输入、显示和降雨量数据的显示以及对面板按键的监控。T 0时钟定时中断服务子程序主要完成1s 定时,在1s 到时,改变时间显示数据并向“看门狗”电路发一个“喂狗”脉冲;另外,每天早上8点钟,把显示数据清0,并将头一天的降雨量累计值数据存

22、入单片机内指定的历史数据保存区备用。串口中断服务子程序负责接收两雨量站发来的雨 84 量数据 , 经变换后送显示缓冲区 ; 当收到外部 P C 机请 求传送数据指令时 , 将单片机内历史数据保存区的 30 天降雨量数据传给 P C 机 , 以作长期保存 。 其中 , 显示子程序主要是负责将单片机内显示缓 冲区中的 16 B 的时间 、A B 两雨量站降雨量和历史天 数数据转换成相应的显示段码送外部动态显示接口 。 测控技术 2010 年第 29 卷第 9 期 1 环境相对湿度 : 4 95%; 5 大气压力 : 1 86 106 k P a ; 6 供电电源 : 1 220 V+ 10 V (

23、 或 30 V , 50 H z ; 7 全天候在线检测 。 1 5 结束语 本系统是利用 89C 51单片机和日精 N D 250A 无线 数传模块作为核心部件设计出的一套具有两个雨量采 集站和一个雨量数据接收显示装置的降雨量数据实时 监测系统 。 经过长期的实际运行证明 , 该系统具有成 本低 、 操作简单 、工作稳定可靠 、 抗干扰能力强 、 采集的 数据准确等特点 , 在软硬件的设计上使雨量采集站数 量便于扩展 , 另外在雨量数据接收显示装置上还设置 了 R S 232 接口 , 为降雨量数据上传 P C 机作进一步综 合处理提供了条件 。 该系统在相关领域具有一定的推 广运用价值 。

24、 参考文献 : 1 李建忠 . 单片机 原理及应 用 M . 西安 : 西安 电子科 技大 学出版社 , 2002-02. 2 王煜 东 . 传 感 器 及应 用 M . 北京: 机械工业出版社, 2002-08. 3 王钧 铭 . 数 字 通 信技 术 M . 北京: 电子工业出版社, 2003-03. 4 技术指标 本雨量数据实时监测系统的技术指标如下 : 雨量采集强度 : 4m m/m i n ; 雨量测量最小分度 : 0. 1m m ; 雨量显示最小分度 : 0. 1m m ; 雨量测量误差 : 4%; 雨量存储最小分度 : 1m m ; 历史数据回放显示最小分度 : 1m m ; 记

25、录雨量最大值 : 255 m m ; 数据传送方式 : 半双工异步通信 ; 数据调制方式 : F S K ; 通信频率 : 230 M H z ; 1 数传模块发射功率 : 1 10 W( 视距离可调 ; 2 显示装置与 P 1 C 机通信标准 : R S 232; 3 工作温度 : 1 5 40 ; ( 上接第 76页 该 I T F 系统作为某型飞机地面试验系统的重要组 成部分 , 参与了型号研制中的全部地面半物理仿真试 验 。 在近半年的试验过程中 , 系统运行稳定 , 完成了预 定功能 , 圆满完成了试验任务 。 ( 上接第 78页 参考文献 : 1 R i mGH, P a v l

26、o vEP ,L e eHS , e t a l . P u l s ef o r mi n gl i n e s f o r s q u a r ep u l s eg e n e r a t o r s J . I E E ET r a n s a c t i o n so nP l a s m a S c i e n c e , 2003, 31( 2 : 196 -200. 2 C a b a l l e r oB , S m i t hLS , P a u l W. D i s c r e t ep u l s ef o r m i n gl i n e s h f o r ac o

27、 mp a c t z p i n c hp u l s e dp o w e r g e n e r a t o r A . 16t I E E E I n t e r n a t i o n a lP u l s e dP o w e rC o n f e r e n c e C .A l b u q u e r q u e , N M: 2007, 1: 546 -549. 3 常安碧 , 罗敏 , 张 之福 , 等 . 100 k V低 阻抗 非均 匀集 中参 数 B l u m l e i n 脉冲形成网络的 研制 J . 强激光 与粒子 束 , 1997, 9( 3 : 331 -335. 4 杨建华 , 钟辉煌 , 舒挺 , 等