《基于单片机的水文检测系统设计与实现》8600字

绪论1.1设计背景水资源影响着人们的生活和生产，是人类赖以生存和发展的重要资源。目前已知，地球的淡水资源不仅少，而且大部分被储存在冰川中，剩下的极少部分水资源多存储在江河湖泊之中，占比不足1%。近年来，随着经济的发展，很多地方以资源换发展，导致水资源污染严重，水资源保护成为迄今为止人类面临的重要问题。因此，水文测试可以实施的监控某一地方水资源的变化状况，保障水资源的安全。地表水和地下水的污染不仅影响经济的发展，更关乎人们的用水安全。于是乎。水资源变得越来越引人注目。根据我国环境报告中的数据显示，从2015年起，对我国的七个主要河流系统（包括长江，黄河和珠江）的100个州管理的州进行水文监视发现。整个流域的III类水文部分占36％，1V和V类水文部分占40％，下V类水文部分占24％。和2013年相比，就2年时间，III型水文的比例下降了17.4％，下V型水文的比例增加了15.3％。这表明我国水污染状况逐年恶化。此外，在中国28个州管理的28个主要湖泊（水库）中，劣V类水文学的比例高达43％，而满足II类水文的湖(库)仅占7％。虽然地球的土地比较小小，水占据了地球的大部分，但是其中的淡水资源却非常稀缺。淡水资源稀缺到它占地球的1％。基于工业用水量的剧增，以及人们没有节约用水的习惯，使得有限能用的淡水资源成为一项紧缺的资源。随着各项技术的逐渐成熟，人们借助科技的手段对水污染展开治理，并对地域的水资源状况进行监控。1.2设计状况和重要性人类进入21世纪以来，在生活和市场需求的推动下，电子技术发展迅速，各类电子产品给人类的生产生活带来了极大的便利，人们的生活水平有了显著的提高。在此种情况，人们从追求温饱转向追求生活的质量，开始关注食品安全、环境安全和水资源安全等。以家庭为单位，使用物联网技术将他们邮箱的连接，以单片机为控制核心的水温检测设备能够有效的检测水文的发展状况，保障人们的用水安全。国家注意到电子技术对于水温检测方面有着较大的应用潜力，因此推动和鼓励此领域的发展。水文监测的对象是某些关乎人们用于安全，且容易被污染的河流。对水体的数据采样，可以对该河流的污染状况有一个充分的了解。评估水中的水文条件；通过分析不同时期的水文探测参数，可以掌握水体的水文变化趋势。水文监测对于加强水环境保护治理和解决我国水污染危机具有重要性意义。当前，水文监测受到了全世界的广泛关注，各国根据实际情况制定了相应的水环境质量标准和水文监测规范。我国也有相关的水环境质量标准和水文监测，例如《国家标准地下水环境质量标准》（GB3838.2002），《国家标准地下水环境质量标准》（GB/T14848.93）。当今市场上主要的水文监测探测器使用人工和资源密集型人工化学监测，因此无法及时获得水文结果。在此种情况下，水文监测尤为重要性，定点水文检测是指对某一特定的地点，使用专门的设备对水资源继续数据采样。点水文信息通过微系统处理器获取并实时发送到LCD模块。单片机系统可以实时的显示水文的采样状况。水文在线监测系统专为水文安全风险而设计，例如某些水参数，例如温度，湿度和水位。1.3本文的主要内容本文设计的水文监控系统，控制的核心是STC89C52单片机，根据实际电路功能对电路进行划分，进行硬件设计和软件编程，使得设计出来的水文监控系统能够满足实践的应用要求。本文各章节的具体写作内容如下所示：第一部分主要是本题研究方面的背景以及意义，通过结合当今世界对于水文检测的研究状况和设计背景来突显出该设计研究的重要性，以此来展开进行研究设计。第二部分是在介绍本设计在研究设计时的整体思路，对于整体系统和各个分部的版块进行阐明，加深对于系统设计的问题要求，对于整个研究设计进行系统性的解释。第三部分主要是对于硬件部分的设计解释说明，通过对于硬件相关电路图的设计来确保硬件可以正常使用，硬件主要包括传感器模块设计、水位检测模块设计、LCD显示模块、电源模块和水流速监控模块等方面的设计。第四部分则为主要的软件部分设计。2系统设计2.1系统结构本课题设计的基于单片机水文监测系统研究可以实时检测水温，水位和流量等基本信息，并在液晶显示器上显示当时的监控数值。当水文检测系统采样的数据超过设定的阈值，就会触发系统的警报。系统原理框图如下图2.1所示：图2.1系统原理框图图2.1是整个系统的设计框图，以下对设计框图的每个组成部分的功能做介绍：1、STC89C52单片机控制模块本次设计的控制器是STC单片机，搭建了复位电路。2、液晶显示模块数据的显示是由LCD液晶显示屏实现的，显示的内容是采集的温度数据和相应的时间数据，显示的方法是动态显示和静态显示。3、电源模块本文设计的系统接的是实验室的220V交流电，但是系统的供应电路限制在5V。基于系统安全的考量，需要将220V生活用电降到5V左右的低压电，具体操作的步骤有降压、整流、滤波等，最后得出的是5V低压直流电。单片机的供电是5V低压直流电，将整理出来的5V低压直流电接到单片机,可以运行系统。4、液位检测模块本课题的液位检测模块主要检测水位。.6、温度传感器模块本课题的温度传感器模块主要监测水温。7、流速传感器检测模块本课题使用流速传感器主要检测水流速度。2.2系统软件介绍2.2.1Proteus介绍在计算机技术没有成熟，以及计算机没有普及之前，电路设计、电路原理图的绘制和电路仿真很多时候都是人工操作，随着电子科技的逐渐成熟，以及计算机价格的平民化，电路设计等操作均是借助计算机来完成。尤其是基于市场的需求，大量的新型的元器件被开发出来，电子线路相较过去更加的复杂，如果使用手工进行的电子线路的设计，就会相当的困难，出现的错误也比较多，使用计算机软件可以有效的提高工作的效率，保证工作的质量。Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件。如图2.2所示为Proteus软件打开界面：图2.2Proteus软件打开界面2.2.2KeilC51软件KeilSoftware公司在市场需求的推动下，为了更好实现系统的仿真，推出了uVision3软件，该软件支持的单片机较多，支持多种单片机的集成开发。就其使用功能来说，在其配置的基础功能之上，还配设有功能导航器，所以在该软件的使用过程中，不仅可以实现模板的编写与修改，还可以进行功能向导。完成代码的书写和方针图的设计之后，可以将仿真代码生成Hex文件，嵌入到仿真图实现仿真。晶振电路可以起到计数的作用，原理在于晶振震荡频率的快慢，一般使用的晶振频率为11.0592MHz，这个频率并不是固定的，可以根据实际需要进行修改。在进行仿真调试的时候，需要仿真器与PC机之间实现流畅的数据通信，keil配置了LEC，功能是用于数据的接收，当它通信流畅的时候，则其会一直处于闪光状态。在开始使用keil软件的时候，打开时keil软件处于灰色状态，无法直接的进行程序的编辑和调试，需要先创建一个新文件。具体的操作流程如下：打开keil文件，选择菜单栏的“project”，选定“Target1”，点击“SourceGroup1”，选择“addfilestogroupssourcegroup1”，在进行编辑的时候，可以发现系统的指示灯开始闪烁，基于程序的编辑顺序，一步一步的进行编译。如果编译出现错误，最下面的空白窗口会进行相应的提示，使用鼠标单机提示，自动索引到错误出现的位置，设计人员根据提示，进行错误的纠正或警报的处理。在进行多轮的错误修改之后，在程序编译没有错误的时候，可以生成“HEX”文件，如果程序还存在着错误，则无法生成该文件。导出“HEX”文件的操作步骤如下所示：用鼠标点击菜单栏的“project”选项卡，在下拉菜单中选择“optionsfortarget1”，系统弹出窗口，进行晶振频率的设置，本次设计使用的晶振频率为12MHz，设置完成后，点击弹出窗口的“output”选项卡，在“createHEXfile”前的方框内勾选。当程序的编译没有错误之后，该窗口会有“createHEXfilefrom”的选项，点击该选项，将“HEX”导出来。KeilC51软件的打开界面具体如图2.3所示：图2.3KeilC51软件打开界面3系统的硬件设计3.1主处理器系统电路STC89C52单片机出现的时间较早，基于多年的更新和完善，设计较为成熟，应用广泛。如果仅仅是让单片机运行起来，只需要配置相应的晶振电路和复位电路，组成的系统被称为“最小系统”。晶振电路的作用是为单片机提供计数，是维持单片机运行的核心模块，复位电路能够实现单片机的重启。任何系统如果想正常的运行，都需要配置单片机的“最小系统”，本文设计的“水文检测系统”，“最小系统”也发挥了巨大的作用。在单片机学习网站或相关的专业资料上，关于“最小系统”的搭设和用途，都有详细的说明，在设计具体单片机系统的时候，可以进行参考。如下图3.1为STC89C52型号单片机的最小系统图。图3.1单片机最小系统51单片机功能强大，指令系统完善，现在市场上较为流行的16位单片机和32位单片机都是在51单片机的基础上发展起来的，本次设计使用的STC89C52型号单片机也不例外。STC89C52型号单片机配置相应的存储单元，在系统运行课程中，不仅可以实现程序的控制，而且还可以实现相应数据的存储。3.1.1复位电路单片机最小系统配置了“复位电路”，VCC引脚给电容供电，复位引脚短地，进而实现单片机的复位，该系统的复位操作使用的时间在几毫秒内。在操作过程中，当VCC给电容充满电后，复位引脚短地，但是系统没有产生复位，表示复位电路发生故障，重启电源，重新运行系统。3.1.2晶振电路根据“单片机最小系统”可知，晶振电路的构成是8MHZ晶振，外加两30PF电容，缺少任何一个部分，都无法实现晶振电路的正常运行。晶振会产生频率，频率的大小与安装的晶振有关。单片机计数和计时都是靠接受晶振发出的脉冲信号，晶振的参数设置欸8MHZ，表示晶振会产生的频率我为8MHZ，该参数设置的越高，表示频率就越高，高参数设置的越低，表示频率就越低。单品机结构紧凑，晶振电路属于外设电路，因此对于配置了晶振电路的单片机系统来说，就不需要在嵌入晶振芯片。单片机引脚的定义如下所示：40引脚：VCC，接的是电源，给系统供应5V的直流电；20引脚：GND，接地，该引脚的电压为0V；9引脚：外界电路是复位电路，复位电路对于单片机系统来说，是必不可少的，可以使单片机程序运行出现故障的时候，直接跳到程序的原始位置。复位电路有一个RC电路，承担滤波的职责，能够稳定电路。31引脚：当该引脚的电平为高电平的时候，单片机访问的是片内程序，当该引脚的电平为低电平的时候，单片机可以访问片外程序。19引脚：对单片机配设的时钟振荡器具有控制作用。18引脚：外接的是晶振电路，晶振电路是由8MHZ晶振和两个30PF的电容组成的，晶振电路的作用是为单片机提供计数，是维持单片机运行的核心，晶振电路能够产生持久恒定的频率，实现单系统的计数和计时，是单片机系统的重要模块，对于单片机系统的运行起到关键作用。P0，P1,P2和P3口是单片机的输入输出口，对于单个具体的输入输出口来说，又有特殊的作用，具体使用可自行查阅相关的专业资料。尤为重要的是，P3口具有复位作用，当单片机外设的复位电路出现故障的时候，可以使用P3进行电路的复位。3.2LCD显示模块本次设计经费有限，因此选用了性价比较高的1602显示模块，数据模块与主控单元相连，连接的引脚如下图3.2所示，在每条连接线上都会串联一个1000欧姆的电阻，以此提高数据传输的稳定性。图3.2LCD1602显示模块3.2.1LCD的分类市场上较为流行的液晶显示器有两种，分别是段码式液晶，另一种是点阵式液晶。段码式液晶设计之初是为了代替数码管的，因此其具备数码管的一切功能，成本低廉，不仅可以显示公司的品牌商标，而且还可以显示数字和特定图案，受到了各大顾客公司的广泛认可。点阵式数码管主要用于显示汉字，本次设计的系统需要显示汉字，且点阵式数码管种类繁多，常用的LCD1602设计简单、应用方便，受到师生的喜爱，且价格低廉，所以本次设计使用点阵式液晶显示器LCD1602。3.2.2LCD模块的引脚和封装下面介绍常用的16字*2行（简称16*2）字符模块，如图3.3所示，通过图3.4可以得知PCB封装。图3.3LCD的原理图图3.4LCD封装图针对LCD1602的引脚功能进行具体阐述，其有16个引脚，具体功能如下：引脚1：VSS，接地；引脚2：VCC，为LCD1602提供5V直流低压电；引脚3：当液晶显示屏接电的时候，屏幕的对比度就会降低，引脚3可以有效的提高屏幕的对比度，使得显示出来的数字更加的清晰准确。需要说明的是，当显示屏幕的对比度过高，就会出现“鬼影”现象，所以需要合理操作，有效调节对比度；引脚15和引脚16，分别接背光的正极和负极。对程序进行编辑可以有效的进行液晶模块的读写和光标的移动等操作。下面针对相关指令进行具体阐述：指令1：清楚01H里的内容，光标复位，计数器数据不变，最后复位到00H；指令2：光标恢复至原来的位置；指令3：在写书数据的时候，显示光标移动的位置。指令4：当B接高电平的时候，光标开始闪烁，当B接低电平的时候，光标停止闪烁；当C接高电平的时候，光标开始出现，当C接低电平的时候，光标消失；当D接高电平的时候，屏幕内的内容开始显示，当D接低电平的时候，屏幕内的内容消失；指令5：该指令的功能在与实现光标和屏幕内容的移动，并且配合引脚10和引脚9的使用。当引脚10为高电平的时候，表示屏幕内容可以移动，当引脚10为低电平的时候，表示光标可以移动。当引脚9为高电平的时候，移动的方向为右方，当引脚9为低电平的时候，表示移动的方向为左方。指令6：用于设置相应的格式，配合引脚9，引脚10和引脚11的使用。当引脚9接的是高电平的时候，表示显示的字符是按照5乘10的规范，当引脚9接的是低电平的时候，表示显示的字符是按照5乘7的规范；当引脚10为高电平的时候，表示是以双行的形式进行显示，如果引脚10是低电平，则表示以单行的形式进行显示；当引脚11为高电平的时候，使用的数据接口规格是8位，当引脚11为低电平的时候，使用的数据接口规格为4位。指令7：设置地址。指令8：对DDRAM进行地址索引，或者数据存储的时候，使用的地址范围00H-7FH；指令9：显示“忙”或者读取计数器地址，与引脚14配置使用。当引脚前接入的是高电平的时候，表示系统的状态为“忙”，此时系统不接收任何指令和信息；如果系统处于不忙的状态，此时引脚14显示为“低”电平。指令10：进行写CGRAM或者是DDAM，要配合地址设置命令；指令11：读CGRAM或DDAM在配置命令是要考虑到地址。初始化LCD1602模块，则数据清零的模块具体如下：屏幕的内容清除掉：功能设置恢复原始状态；是否显示恢复至原始设定；输入模式恢复至原始设定。3.3电源电路本次设计的系统，所有的模块的供电电压均为5V直流，外部接入的电压为220V交流电，因此需要将220V交流电变成５V直流电，使用的电路图如图3.5所示：图3.5电源电路3.4温度传感器检测电路确保数据的安全，提高系统的抗干扰能力，使用的是“一线总线”的传输方法，配置使用的温度传感器DS1822、DS18B20，都支持该种数据传输方式。其中DS18B20的误差在±0.5℃，而相对来说，DS1822的测温精度较差，误差为±2℃。基于上述阐述的原因，本次设计使用的显示器件是DS18B20，其引脚配置以及具体功能如下所示。DS18B20引脚的作用与功能具体如下：（1）DQ：进行输入信号的输入和输出；（2）GND：接地，该引脚的电平为0；（3）VDD：供电电源的输入。本次设计的系统，使用的温度传感器是DS18B20，窗帘式封装可以实现实时的数据读取。将DS18B20与单片机TXD相连，单片机通过该引脚可以实现温度数据的读取，并使用显示模块，进行温度数据的显示。具体的连接图如下图3.6所示：图3.6DS18B20与单片机连接图3.5水位监测模块本模块的核心知识是三极管的电流放大原理，一定的液位会使得基级和发射级导通，那么集电极和发生级之间会产生较大的电流。水位监控模块如下图3.7所示：图3.7水位监测模块3.6水流速度检测模块水流速度检测脉冲信号需要借助LM293芯片进行整形，将整形完成后的脉冲接入光电耦合电路，进行光电耦合处理后，脉冲才能输入到处理器的TCLK1引脚。本次设计中配置了定时器和计数器计算速度传感器产生的脉冲个数。51单片机本身有2个8位的定时器。定时器和计数器本质是先用的，定时是根据计数的多少。水流速度采集电路的电路图如图3.8所示：图3.8速度采样电路图4系统的软件设计在程序设计的过程中，所要完成的工作较多，为了保证工作的效率，需要根据特定的步骤和方法来完成。对这些步骤进行梳理，具体操作如下：第一是熟悉系统的控制要求，明确系统所要的算法，理解相应的数据结构，基于控制的需求，确定编程的步骤，并对编程过程中所要注意的点有明确的掌握；第二是科学的编制算法绘制流程图。基于解决问题所需要的步骤，编制相应的算法流程图，指导程序的编辑，降低出错的概率，提高变成的效率。第三是针对选择的算法和编辑的流程图，进行程序的编辑，注重程序的结构，结构化的程序不仅可以提高程序的可读性，而且降低程序的复杂性，使得程序的上下结构趋于一致。4.1主程序该系统软件以51单片机为设计主体，并采用C语言编程实现储能监控过程。图4.1是正常条件下运行的软件的程序流程图。系统上电后，首先进行初始化工作，然后收集温度，水位和水流量。收集这些信息后，信息将被打包，打包后将显示LCD显示屏。用户通过LCD显示屏可以查看测量的实时数据。倘若实时采集的数据超过了数值限制，系统将会自动发出警报。图4.1主程序软件流程图4.2温度检测子程序该程序的作用是写入传感器中的数据，为了保障温度数值读取的正确性，需要严格的按照单总线的命令顺序进行，保障其与主机之间的通信。温度传感器模块程序流程图如图4.2所示：开始发写入指令开始发写入指令初始化发读取指令结束4.3显示程序的流程图本次设计的系统基于数字显示的需要，使用的显示模块是LCD1602，当单片机系统已经接电的时候，需要先进行初始化，然后再使用LCD具体操作流程如图4.3所示：图4.3LCD初始化流程进行数字显示的时候，根据输入的ASCII码，查找相应的汉字，然后根据字模地址进行处置位置的计算，如果需要复位，按下复位键，系统就很快恢复至初始状态。LCD主程序流程图如图4.4所示：图4.4LCD显示流程系统仿真图如图4.5所示：图4.5系统仿真图5结论本次毕业设计是在原有掌握的知识体系内，基于毕业设计的需要，去学习新的知识，综合运用知识，最终才能完成本次毕业设计。在做毕业设计的过程中，有时候为了了解一个新的知识点，需要翻阅大量的专业知识，在查阅资料的过程中，进一步加强了我对单片机的理解。当然，在毕业设计制作的过程中，我也走了很多的弯路，但是我认为这些弯路是必须的，有了这些弯路的经历，增长了我在此方面的知识，磨砺了我的意志和品格，让我能够静下心来做一件事，时常涌现出勇士无畏的心理状态。水文水质的检测仍然在现实生活中必要的，通过系统的设计对于实时监测水文和对于水质环境的治理都用显著的帮助，在设计的过程中，我对Proteus和Keil软件的使用开始并不熟悉，但是基于后面设计的需要，经过多次反复练习，随着毕业设计的完成，我对Proteus和Keil软件也有了很多深刻的认识。通过对于硬件和软件方面的设计也使得我对于单片机方面的知识更加深入的学习，同时对于仿真软件运用也更加熟练。因为本设计使用Proteus仿真，很多模拟检测传感器仿真软件并不支持，因此仅对部分功能进行了仿真，通过仿真设计可以精准的测量水位单位，并通过LCD显示出实时数值，如果数值超出了预先设置的限值，报警器则会发出声响。通过该设计可以有效测量水位，达到实时检测水位的目的。参考文献李虹静,李升辉.基于单片机的继电器控制电路设计[J].科技与创新,2019(13):36-38.陈旭,蔡文静.关于单片机在温湿测控技术中的应用研究[J].电子世界,2019(13):150-152.姚越,吴宝庆.关于单片机技术应用的研究[J].科技资讯,2018,16(09):112-113.周琳博.基于单片机技术开发的水箱液位控制器[J].水利科技与经济,2018,24(08):75-77.张建兴,任沁,王州强.基于单片机技术的温度控制系统设计与实现[J].信息与电脑(理论版),2018(15):99-103.吴凯.高效能源监管智能系统的设计与实现[J].现代电子技术,2019,42(13):142-144.刘光平.基于AT89C51的超声波水位控制系统设计[J].电子世界,2019(13):125-126.赵华峰.基于单片机的火灾报警系统