水位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計說明書

1、摘 要作為水資源大國，合理利用水資源成為現(xiàn)在面臨的一個嚴峻問題。因此，應用新技術(shù)，實時監(jiān)控水庫水位，有利于更好地對水資源進行調(diào)度和管理。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，水位監(jiān)控系統(tǒng)由原來的人工目視手動監(jiān)控發(fā)展到如今的基于單片機自動控制，這對于水位監(jiān)控不僅是從技術(shù)上解決人工監(jiān)控的誤差，更有利于對水資源的合理利用和節(jié)約用水。單片機技術(shù)越來越成熟，現(xiàn)如今單片機更是向著高度集成、低功耗、低價格、處理速度高等方向發(fā)展，因而越來越多的水位監(jiān)控系統(tǒng)采用單片機來控制，這種系統(tǒng)具有成本低、可靠性高、易于操作、維護簡單方便等特點，一般大量應用于大型的水庫以及工業(yè)生產(chǎn)。水位監(jiān)系統(tǒng)的設(shè)計理念是適合大眾使用，體積相對小，功能齊全，

2、操作簡單，交互界面人性化，能實現(xiàn)不間斷的水位監(jiān)控，以及對所測水位信息進行實時顯示、遠距離傳送和高低水位上下限的報警，同時對相應的水泵電機進行相應的控制，真正實現(xiàn)節(jié)約水資源。水位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案,主要采用STC89C52單片機作為系統(tǒng)的核心控制部件，采用TLC1549采集水位信息并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，利用LCD12232液晶顯示水位信息，通過VB編寫上位機監(jiān)控程序，從而實現(xiàn)上位機與水位監(jiān)控系統(tǒng)進行信息交換。水位監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包含電源、振蕩、復位、下載、鍵盤、顯示、時鐘、串行通信、模數(shù)轉(zhuǎn)換、模擬水位、報警、電機等模塊,利用電子繪圖軟件進行原理圖、PCB圖的繪制，并完成了硬件系統(tǒng)實物的制作。軟件

3、系統(tǒng)包含監(jiān)控等各個模塊的模塊化程序。通過硬、軟件系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)、測試，該水位監(jiān)控系統(tǒng)的功能和性能指標完全符合設(shè)計任務書的要求。據(jù)初步測算，系統(tǒng)成本遠遠低于市場所售其它同類產(chǎn)品，而且該系統(tǒng)具有應用范圍廣、操作簡單、可靠性高等優(yōu)點，具有一定的推廣價值。關(guān)鍵詞 ：水位監(jiān)控；單片機；串行通信；VBIABSTRACTOur country is a rich country of water resources, rational use of water resources has become a serious problem our country has to face. Therefore, a

4、pplying new technologies to monitor reservoirs levels in real-time is conducive to better scheduling and the management of water resources. After decades of developments, the waters level monitoring system has developed from the original artificial manual monitoring in eyes to the today s automatic

5、control based on microcontroller, which is not only solve the errors of manual monitoring in technical for water level monitoring, but also more conducive to the rational use of water and the conservation of water.SCM technology becomes more mature. And now it is developing to the direction of high

6、integrated single-chip, low-power, low-cost, high processing speed. Thus more and more water levels monitoring systems are using the microcontroller to control. This system is low cost, high reliability, easy operation, easy maintenance, etc.So it is generally used in large reservoirs and industrial

7、 production.The design of water levels monitoring system is suitable for public use. The volume is relatively small, and its full-featured, easy to operate, user-friendly inter face. It can achieve continuous water levels monitoring, as well as real-time display of the measured water level informati

8、on, long-distance transmission and the alarm of the lower and the higher level, while control the corresponding pump motor, in order to save water resources in real.The design of the water level monitoring system mainly use STC89C52 microcontroller as the core of the system control unit, and use TLC

9、1549 to gather levels information and analog to digital conversion process, use LCD12232 LCD display water level information. According to VB for compiling monitoring program, it can achieve the information exchange between PC and water levels monitoring system.The hardware system of the water level

10、s monitoring system includes a power supply, oscillation, reset, download, keyboard, display, clock, serial communication, analog to digital conversion, analogs level, alarms, motors and other modules. Using the electronic drawing software can draw the schematics, PCB map, and complete the IIphysica

11、l hardware production. Modular software system contains various modules monitoring.Through the alignment and testing of hardware and software systems, the function and performance of the water levels monitoring system is fully consistent with the requirements of the design specification. According t

12、o preliminary estimates, the systems costs is far less than to other similar products in the market for sale. And the system has wide range of applications, simple operation, high reliability. It has some promotional value.Key words water level monitoring；mcu；serial communication；vb III目 錄1 緒論11.1 課

13、題的背景及意義11.2 設(shè)計的主要工作22 設(shè)計思想與方案32.1 設(shè)計思想32.2 設(shè)計方案33 硬件系統(tǒng)的設(shè)計53.1 主要元器件介紹53.1.1 STC89C52單片機53.1.2 TLC1549模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片53.1.3 DS1302時鐘芯片63.1.4 LCD12232液晶顯示屏73.1.5 直流電機驅(qū)動模塊83.1.6 蜂鳴器83.1.7 MAX232芯片93.1.8 DAC8512數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片93.1.9 WT588D語音模塊103.2 硬件單元電路的設(shè)計113.2.1 STC89C52單片機最小系統(tǒng)113.2.2 下載電路123.2.3 鍵盤模塊電路123.2.4 蜂鳴器報警電路

14、133.2.5 液晶顯示模塊電路133.2.6 DS1302時鐘電路143.2.7 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊電路143.2.8 模擬水位及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路153.2.9 通信模塊電路153.2.10 語音報警模塊電路163.2.11 LED電路17IV3.2.12 撥動開關(guān)電路174 軟件系統(tǒng)的設(shè)計184.1 軟件設(shè)計的描述184.2 系統(tǒng)軟件的程序設(shè)計184.2.1 系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計184.2.2 鍵盤模塊程序設(shè)計184.2.3 液晶顯示模塊程序設(shè)計194.2.4 DS1302時鐘程序設(shè)計194.2.5 報警模塊程序設(shè)計204.2.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計204.2.7 通信模塊程序設(shè)計214.2.8

15、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計224.2.9 語音模塊程序設(shè)計224.2.10 VB上位機設(shè)計234.2.11 水位算法設(shè)計235 系統(tǒng)調(diào)試運行及結(jié)果分析245.1 系統(tǒng)使用說明245.2 系統(tǒng)運行結(jié)果245.2.1 密碼輸入245.2.2 水位信息狀態(tài)顯示255.2.3 當前日期顯示255.2.4 水位上下限的修改265.2.5 報警開關(guān)265.2.6 密碼修改275.2.7 調(diào)節(jié)水位的反映275.2.8 上位機監(jiān)控功能295.3 設(shè)計課題的誤差及缺陷分析325.4 設(shè)計體會32結(jié)束語33參考文獻34致 謝37V附 錄38附錄A 元件清單38附錄B 實物圖39附錄C 程序清單40VI1 緒論 1.1

16、課題的背景及意義在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，大型的水庫、水箱是工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的蓄水工具，對水位進行有效的實時監(jiān)控、可靠控制直接關(guān)系到工廠生產(chǎn)的效率以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量，同時也影響其生產(chǎn)的安全1。在以前，對水庫和水箱的控制一般是基于人工進行控制的，由于人工操作存在不及時、不準確，容易造成很大測量誤差，在這種情況下帶來的危機，輕則影響產(chǎn)品的質(zhì)量，重則影響人員和設(shè)備的安全。所以對于水庫、水箱的控制,如果能夠使用一種能自動且不間斷的測量工具，能夠?qū)崟r反應水位信息，能根據(jù)當前水位信息自動與預設(shè)的水位進行對比分析，從而自動向運行人員提供水位超上限和超下限的聲光報警，并自動控制相應的閘門或閥門電機進行蓄水和放水。

17、這不僅提高了水位監(jiān)控的安全性，實時性，更大程度提高了可靠性。從節(jié)約水資源方面考慮，相對于傳統(tǒng)的水位監(jiān)控，由于存在自動化水平不高，集成電路應用程度不高，水位數(shù)據(jù)一般都是人工目視采集，因而產(chǎn)生的誤差容易造成水資源的浪費。這其中的原因很大程度上是因為傳統(tǒng)的水位監(jiān)控系統(tǒng)沒有具備對水位測量傳輸?shù)膶崟r性，導致實時水位信息沒有及時反饋到控制室，不能及時告知運行值班人員，以致對閘門或閥門的電機控制有一定的誤差，或延遲。從而造成水位超過最大上限時沒能打開相應閘門或閥門及時放水或者當水位低于最低下限時沒能及時的關(guān)閉相應的閘門或閥門進行相應的蓄水。所以對水庫或水箱水位的監(jiān)控引入具有操作簡單、維護方便、實時反應水位信

18、息、水位信息遠距離傳送、實時水位報警、并根據(jù)實時水位情況準確控制相應電機的自動化水位監(jiān)控系統(tǒng)，已必不可少。這對于節(jié)約水資源和合理利用水資源有著不可代替的意義2。隨著社會的發(fā)展，科學知識不斷的研究和探討，自動化理論的完善，集成電路的迅速發(fā)展。如今水位監(jiān)控出現(xiàn)了以單片機、PLC為核心的可靠性比較高的水位監(jiān)控系統(tǒng)，技術(shù)上實現(xiàn)了自動化、智能化、遠距離遙控、遙測以及無人值班的突破。通過他們可以將全國乃至全世界的水資源進行資源共享和分析，這對于水資源的保護和合理利用有著重要的意義。從單片機誕生開始，單片機作為微機控制的核心，具有高速度、低功耗、編程方便、低價格等特點，一直大規(guī)模的應用于智能控制、遠程控制、

19、自動化程度比較高的場合，隨著16位、32位甚至更高處理位數(shù)的單片機的出現(xiàn)，使單片機的應用場合越來越廣。畢業(yè)設(shè)計的意義在于培養(yǎng)學生學習、思考、動手的能力，讓學生在整個過程中通過查詢相關(guān)資料學習水位監(jiān)控系統(tǒng)的有關(guān)理論知識，熟悉理論的同時要明白水位監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理，從而展開主要功能的實現(xiàn)。通過老師的指導，查詢相關(guān)資料確定水位監(jiān)控系統(tǒng)各個硬件模塊的構(gòu)建制作，以及完善軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。學生通過查詢資料、設(shè)計方案、制作調(diào)試的過程，真正做到了理論實踐相結(jié)合，這不僅對學生的學習能力、動手能力得到了相應的提高、更激發(fā)了學生自主學習、實踐的興趣。 1.2 設(shè)計的主要工作水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的主要任務是：水位監(jiān)控系

20、統(tǒng)中硬件設(shè)計配合軟件設(shè)計，即把水位監(jiān)控系統(tǒng)所需要的各個硬件模塊的設(shè)計配合軟件設(shè)計，把硬件模塊和軟件模塊進行聯(lián)調(diào)，得出結(jié)果。水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計采用的是基于51單片機為核心，由獨立電源供電模塊、下載模塊、液晶顯示模塊（采用LCD1232液晶顯示器）、鍵盤接口模塊（采用4個獨立式按鍵鍵盤）、MAX232通信、DS1302時鐘芯片、TLC1549模數(shù)轉(zhuǎn)換、DAC8512數(shù)模轉(zhuǎn)換、聲光報警、直流電機控制等模塊組成3。把所需模塊通過電路連接在一起，設(shè)計其原理圖、PCB圖、并制作實物電路板，并利用VB編寫上位機監(jiān)控程序。利用KEIL單片機程序開發(fā)軟件編寫水位監(jiān)控系統(tǒng)相對應的C語言程序，并把它編譯成單片機能識別

21、的程序下載到硬件系統(tǒng)中進行調(diào)試，記下運行的結(jié)果4。2 設(shè)計思想與方案2.1 設(shè)計思想為了實現(xiàn)水位監(jiān)控系統(tǒng)的大眾化，讓節(jié)約水資源從監(jiān)控、合理利用出發(fā)，根據(jù)所學的知識和自身能力對水位監(jiān)控系統(tǒng)的進行設(shè)計。具有以下四點要求：（1）水位監(jiān)控系統(tǒng)操作簡單，能耗低，通過模擬的水位進行直觀的顯示。通過電位器模擬水位，其測量水位范圍為0-102.3米。（2）具有上位機通信能力，能通過電腦對系統(tǒng)的水位上下限制進行設(shè)置，并把水位信息傳送至電腦。（3）具有系統(tǒng)軟件更新升級的能力。（4）具有超高水位超低水位報警的功能?？梢杂秒姍C正反轉(zhuǎn)模擬閘門或閥門升降。2.2 設(shè)計方案隨著科技的發(fā)展，水位監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)也有了飛速的發(fā)展，

22、出現(xiàn)了以基于單片機控制水位監(jiān)控系統(tǒng)和基于PLC控制的水位監(jiān)控系統(tǒng)，兩者都可實時直觀的顯示水位狀態(tài)，具有可靠性高、人機交互界面、遠程通信監(jiān)控等優(yōu)點，在運行中可以很方便的修改水位的上下限，因而逐步取代傳統(tǒng)的水位監(jiān)控系統(tǒng)，成為當代最主要的水位監(jiān)控系統(tǒng)5。所以有以下兩種設(shè)計方案： 方案一：利用PLC對水位進行監(jiān)控。PLC水位監(jiān)控系統(tǒng)具有可靠的運行性能、不受外界波動、能耗低等特點。其方案包含電源、報警、模數(shù)轉(zhuǎn)換、測量、輸出、輸入、按鍵、電機等模塊，方案框圖如圖1所示。 圖1 方案一 系統(tǒng)框圖方案二：基于單片機的水位監(jiān)控系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)核心采用的是STC89C52單片機，系統(tǒng)包含電源、振蕩、復位、下載、鍵盤

23、（采用4位一體的獨立式按鍵）、顯示（用LCD12232液晶作為顯示媒介）、時鐘（DS1302產(chǎn)生時鐘信號）、串行通信、模數(shù)轉(zhuǎn)換（TLC1549模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）、模擬水位、報警（蜂鳴器加LED燈光）、數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC8512）、直流電機等模塊6。以及相對應的各個模塊的軟件系統(tǒng)，并且利用VB編寫上該系統(tǒng)的上位機程序?qū)λ恍畔⑦M行監(jiān)控和控制。系統(tǒng)框圖如圖2所示。 圖2 方案二 系統(tǒng)框圖結(jié)合上面兩種方案，比較PLC控制和單片機控制。PLC控制具有價格昂貴、操作復雜、維護不方便且不同品種的PLC不能通用等，一般適用于大型監(jiān)控系統(tǒng)。單片機控制具有體積小，高度集成，編程方便，功耗低，使用簡單，價格低等特點，被

24、大量應用于大型的水庫以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。通過分析對比，決定采用方案二對水位監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計。43 硬件系統(tǒng)的設(shè)計3.1 主要元器件介紹3.1.1 STC89C52單片機水位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計采用STC89C52單片機作為系統(tǒng)的核心。STC89C52單片機是STC公司生產(chǎn)制造的，采用PQFP封裝，具有44個引腳，相比DIP封裝多了四個NA引腳，具有豐富的資源，有一個8位的高性能并行處理器和一個布爾處理器，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）為512B字節(jié)，內(nèi)部程序存儲器大小達到8KB字節(jié)，并采用電可擦除寫入的FlashROM方式，方便對程序的更新。具有4個可進行8位輸入輸出接口，一共32位，都屬于準雙向口。除此之

25、外，STC89C52單片機在低功耗時還具有節(jié)電模式，也可對數(shù)據(jù)存儲器（RAM）數(shù)據(jù)進行保存，保證了數(shù)據(jù)不易丟失。STC89C52RC單片機的引腳圖如圖3所示。圖3 STC89C52單片機引腳圖3.1.2 TLC1549模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC1549模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是美國德州儀器生產(chǎn)的一款高精度高速度的AD轉(zhuǎn)換器。TLC1549抗干擾，抗噪聲的能力強，對于轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號數(shù)據(jù)能準確反映模擬信號。根據(jù)不同引腳分布的功能，TLC1549還能通過三總線傳輸?shù)姆绞胶蛦纹瑱C進行串行數(shù)據(jù)交換7。其主要管腳功能如下：REF+：引腳的功能是為轉(zhuǎn)換提供正參考電壓的接入端，也就是進行模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的參考電壓值接在此管腳，通常把

26、電源VCC端接到此處。通過和REF-引腳相配合對輸入的模擬電壓最高值，最低值進行設(shè)定。當輸入的模擬電壓大于或等于正參考值時，數(shù)字信號輸出即為所能轉(zhuǎn)換的最大值。當輸入的模擬電壓小于或等于負參考值時，其數(shù)字信號輸出就為0。ERF-：轉(zhuǎn)換所需負參考電壓的輸入管腳。通常把地接至此管腳。ANALOG IN：為模擬信號的輸入口，需要把要測的模擬信號接入該引腳。CS：為芯片的片選信號，一般為低電平有效。I/O CLOCK：TLC1549的輸入輸出所需的時鐘接口。DATA OUT：轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸出接口。它的輸出是基于CS的電平狀態(tài)，當CS為高電平時是沒有數(shù)字信號輸出；當CS為低電平時輸出的才是轉(zhuǎn)換后的有效

27、數(shù)字信號。VCC：為轉(zhuǎn)換芯片提供正電源電壓。GND：接地，一般不做特殊要求，全部的地都應接在此管腳。TLC1549芯片的管腳圖如圖4所示。 圖4 TLC1549管腳圖3.1.3 DS1302時鐘芯片產(chǎn)生時間的方法有很多，其中可以直接用單片機中的內(nèi)部定時器計時。但應用單片機內(nèi)部定時器來產(chǎn)生實時時鐘，這無疑是對單片機資源的一種浪費，而且還將影響水位監(jiān)控系統(tǒng)的其他主要功能，因而采用時鐘芯片進行實時計時。DS1302芯片作為一款時鐘芯片，是由DALLAS公司設(shè)計并生產(chǎn)的一種能夠使用涓流對電池充電的一款新型時鐘芯片，DS1302時鐘芯片里面包含一個具有實時計時的時鐘、日歷和具有能存儲31字節(jié)的靜態(tài)數(shù)據(jù)存

28、儲器RAM，通過集成技術(shù)把它們集成在芯片內(nèi)部8。DS1302具有顯示實時時間信息和對實時時間進行處理的功能。比如要把24/12小時制的實時時鐘進行調(diào)整，以及對其年、月、日、星期等數(shù)據(jù)的調(diào)整，只需將單片機通過串行接口的通信方式與DS1302芯片相連接，就可以把以上信息進行實時計時，并能自動的對時鐘、天數(shù)、年、月、日進行調(diào)整9。芯片還具有寬電壓的設(shè)計，使用電壓范圍為2-5.5V，從而使用范圍更廣。DS1302芯片的管腳的主要功能描述：Vcc1：DS1302芯片的主電源接入，為芯片的正常工作提供電源。Vcc2：DS1302接電池的管腳。芯片根據(jù)對兩個電源的管腳電壓值進行比較，確定從哪個管腳獲取能量。

29、I/O：作為DS1302的雙向數(shù)據(jù)輸入輸出管腳。為DS1302芯片提供輸入信息，作為輸出口把DS1302芯片的信息通過此管腳輸入給單片機。X1、X2：DS1302芯片晶振的輸入管腳，為DS1302芯片提供振蕩信號。其一般選用32.168KHZ晶振。GND：芯片的接地管腳。其管腳排列如圖5所示。圖5 DS1302時鐘芯片管腳圖3.1.4 LCD12232液晶顯示屏液晶顯示屏能夠很直觀的把系統(tǒng)處理好的信息通過文字或圖像顯現(xiàn)出來，是實現(xiàn)人機交互不可缺少的硬件之一。液晶屏在兩塊玻璃中加入液晶等材料，通過兩個電極產(chǎn)生電場，使液晶分子在電場的效應下產(chǎn)生不規(guī)則的運動。通過對不同光源進行實效控制，產(chǎn)生明暗的圖

30、像顯示。所以控制兩級之間的電壓就能把所需要的信息顯現(xiàn)出來10。水位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計采用的是LCD12232液晶屏作為信息顯示。通過顯示屏可以對水位監(jiān)控系統(tǒng)進行功能、時間、密碼的設(shè)置以及明確得知實時水位信息、地址信息、電機正反轉(zhuǎn)狀態(tài)等信息。在水位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中為了節(jié)省單片機的I/O口資源，采用單片機串行口的方式對所選擇的液晶進行操作。對于選擇的液晶串行方式主要管腳的描述如下：VDD：液晶屏所需電源引入的管腳，管腳號為1號。CLK：液晶屏串口所需同步觸發(fā)時鐘的輸入管腳。SID：液晶串行所需的數(shù)據(jù)輸入管腳。CS：作為液晶顯示器的片選端口，只對高電平有效。選擇的液晶顯示器實物如圖6所示。圖6 LCD1

31、2232液晶顯示屏3.1.5 直流電機驅(qū)動模塊水位監(jiān)控系統(tǒng)采用直流電機作為模擬的水庫閘門、水箱閥門。通過對其進行正反轉(zhuǎn)的控制模擬閘門或閥門的打開和關(guān)閉。低壓直流電機作為一種執(zhí)行機構(gòu)，采用L298電機驅(qū)動模塊控制，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換得到的模擬信號，使得驅(qū)動直流電機的轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)11。通過給定不同的模擬量數(shù)據(jù)使直流電機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止轉(zhuǎn)動三個狀態(tài)來模擬閘門升降。對于直流所加入的電壓一般為5V。其實物圖如圖7所示。圖7 直流電機驅(qū)動實物圖3.1.6 蜂鳴器蜂鳴器作為水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計報警發(fā)聲部件，通過發(fā)出嘀嘀的聲音告知運行值班人員水位是否超出設(shè)定的水位值。蜂鳴器按形式可以分為電磁蜂鳴器和電壓式蜂鳴器，通

32、常在蜂鳴器的兩端加入一定的電流通過電磁感應產(chǎn)生震動就可以使蜂鳴器發(fā)出聲音。蜂鳴器的組成一般由振膜、電磁感應線圈組成，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，適用于各種聲音報警場合。但要注意蜂鳴器的正極不能接反。蜂鳴器的外觀圖如圖8所示。圖8 蜂鳴器外觀圖3.1.7 MAX232芯片MAX232芯片是能夠和通用RS232通信標準兼容的一塊集成片。MAX232芯片是一塊能把單片機的TTL電平通過轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娔X串口能識別的RS232電平。在水位監(jiān)控系統(tǒng)中是把單片機所測的水位以及其他數(shù)據(jù)產(chǎn)生的串行輸出TTL電平信號轉(zhuǎn)換為電腦能識別的RS232電平信號，實現(xiàn)與電腦通信的能力，從而使電腦具備上位機的功能，水位監(jiān)控系統(tǒng)具備下位

33、機的功能12。MAX232芯片的管腳如圖9所示。圖9 MAX232的管腳圖3.1.8 DAC8512數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用DAC8512芯片作為水位監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，DAC8512作為一款具有12位高速轉(zhuǎn)換能力的D/A芯片，采用三總線控制方式，只需要5V單電源，內(nèi)部有輸出的緩沖放大器13。對于芯片所需的基準電壓為內(nèi)置的2.5V，具有分辨率為每位1mv。DAC8512可以通過片選管腳進行多個連接，在水位監(jiān)控系統(tǒng)中主要是把單片機處理后的水位數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，從而控制直流電機。其主要管腳功能如下：VDD：為DA轉(zhuǎn)換芯片提供+5V電源，把電源接于此管腳。CLK：觸發(fā)脈沖輸入管腳。CS：為芯片選擇

34、信號，一般低電平對其有效。SDI：數(shù)字信號的輸入管腳。Vout：為模擬電壓的輸出管腳，通常在1mv-4.095V之間。GND：接地，一般不做特殊要求，全部接地都應接在此管腳。CLR：清空模擬數(shù)據(jù)的管腳，一般低電平有效。DAC8512數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的管腳圖如圖10所示。圖10 DAC8512數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片管腳圖3.1.9 WT588D語音模塊采用WT588D語音芯片作為水位監(jiān)控系統(tǒng)的語音報警模塊，采用8歐姆的揚聲器作為聲音輸出元件。其主要作用是在系統(tǒng)通電的時候通過語音提醒輸入密碼，當輸入秘密正確時發(fā)出語音提醒系統(tǒng)已經(jīng)起動，當水位發(fā)生變化時，提示超水位上限，超水位下限，通過發(fā)出相應的報警聲音告知運行人

35、員，使系統(tǒng)具有人性化。采用了三線串口的控制方式對WT588D語音芯片進行控制。WT588D語音模塊的實物圖如圖11所示。圖11 WT588D語音模塊實物圖3.2 硬件單元電路的設(shè)計3.2.1 STC89C52單片機最小系統(tǒng)一塊單片機只有把它接入相應的電源，相應的晶體振蕩電路，再加入相應的復位電路然后下載相應的程序，通過這樣組合的單片機才能正常的按照所寫的程序要求來執(zhí)行操作。因而對于水位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，首先要對單片機的最小系統(tǒng)要進行設(shè)計規(guī)劃。（1）電源電路部分：水位監(jiān)控系統(tǒng)的各個功能實現(xiàn)首先必須要對其引入穩(wěn)定的供電電壓+5V，能讓各個模塊具有驅(qū)動能力。為了能更方便獲取所需的電源電壓，采用專用的電

36、源變壓器將市電降壓成所需要的12V交流電壓，通過濾波、整流、穩(wěn)壓、濾波給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓+5V，詳見設(shè)計圖紙電源電路原理圖。通過下載口對系統(tǒng)供電的電路如圖12所示。圖12 下載口電源電路（2）單片機只有滿足相應的時鐘信號才能進行工作，時鐘信號由時鐘電路產(chǎn)生，通過在STC89C52的XT1、XT2引腳上接入11.0592MHz的石英晶振外加兩個電容器(電容器根據(jù)經(jīng)驗一般取30PF)組成的電路為單片機提供時鐘信號。采用11.0592MHz的晶振更能實現(xiàn)對計算機進行通信的波特率，使用11.0592MHz的晶體晶振為系統(tǒng)單片機提供必要的時鐘信號14。時鐘電路如圖13所示。圖13 振蕩電路（3）單

37、片機的復位有上電復位和對其進行按鍵復位，當出現(xiàn)死機和運行錯誤的時候一般采用按鍵方式對單片機進行復位操作。因為硬件系統(tǒng)中采用的是STC單片機，需要在復位管腳RST上產(chǎn)生兩個周期的高電平才能使單片機復位。單片機復位信號的產(chǎn)生采用了按鍵方式的電路設(shè)計。按復位鍵通過電容（一般采用104）對單片機產(chǎn)生復位信號。系統(tǒng)復位如圖14所示。圖14 單片機復位電路3.2.2 下載電路水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了兩套下載電路，一套可以直接通過RS232串行通信口更改系統(tǒng)所必要的程序。另一套是通過一個接口把單片機的P3.0/RXD引腳和P3.1/TXD引腳以及電源接地引腳與接口模塊相連接，通過專用的STC下載連接線就可以對單片

38、機進行下載操作，能很方便的對水位監(jiān)控系統(tǒng)進行程序升級功能。水位監(jiān)控系統(tǒng)更新程序需要的下載電路如圖15所示。圖15 下載電路3.2.3 鍵盤模塊電路鍵盤作為水位監(jiān)控系統(tǒng)的輸入設(shè)備，能對系統(tǒng)的功能進行操作和設(shè)置，只需要4個獨立式鍵盤就可以滿足水位監(jiān)控系統(tǒng)各個功能的操作需求。鍵盤電路為共陰極設(shè)計，即有按鍵按下的時候，單片機通過掃描發(fā)現(xiàn)相應的端口有低電平即為按鍵的按下，通過消抖，做出相應的執(zhí)行動作。由于獨立式鍵盤的每個按鍵連接著單片機的不同端口，所以各個按鍵相互獨立，不干擾，四個按鍵分別為左鍵（P10）、上鍵（P13）、下鍵（P12）、右鍵（P11）。水位監(jiān)控系統(tǒng)獨立鍵盤電路如圖16所示。圖16 獨立

39、式鍵盤電路3.2.4 蜂鳴器報警電路蜂鳴器作為水位超最高水位上限和超低水位下限的聲音報警器件，它發(fā)出的聲音能讓運行人員知道當前水位監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)。在水位監(jiān)控系統(tǒng)中蜂鳴器的電路采用單片機的I/O口再加一個三極管（三極管根據(jù)經(jīng)驗一般采用PNP型）的方式來使蜂鳴器發(fā)出報警。其中單片機的I/O選用P33引腳作為驅(qū)動蜂鳴器的端口，即當單片機的P33引腳輸出高電平的時候蜂鳴器就相應的發(fā)出蜂鳴報警，反之停止發(fā)聲報警15。其蜂鳴器連接方式如圖17所示。 圖17 蜂鳴器報警電路3.2.5 液晶顯示模塊電路液晶屏作為輸出器件，在水位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中采用了LCD12232液晶作為人機交互媒介，通過它可以很直觀的得知

40、當前水位信息，實時時間信息，以及電機是否進行旋轉(zhuǎn)等信息。為了充分利用單片機的端口資源，采用串行口的方式對液晶進行控制，進行電路設(shè)計，對液晶的串行控制的各個管腳做了相應定義16。并采用三極管加電阻對其必要進行驅(qū)動，液晶屏的片選管腳與單片機的P2.2端口相接,串行數(shù)據(jù)口SID接入單片機的P2.3口，液晶屏所需要的脈沖CLK接入單片機的P2.4口。單片機首先通過片選管腳選中液晶顯示器，再給相應的脈沖信號，根據(jù)脈沖信號，把命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給液晶相應的寄存器，從而通過這些引腳實現(xiàn)液晶屏的相應顯示數(shù)據(jù)的功能。液晶電路如圖18所示。 圖18 LCD12232液晶顯示電路3.2.6 DS1302時鐘電路DS13

41、02作為一款時鐘芯片，主要是為水位監(jiān)控系統(tǒng)提供時間的參考。對其進行電路設(shè)計，DS1302芯片需要在其X1、X2管腳上接入一個32.768KHz的石英晶振用來作為芯片的時鐘振蕩信號。單片機首先通過片選管腳選中時鐘芯片，再給相應的脈沖信號，根據(jù)脈沖信號，命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給液晶相應的寄存器或把時間數(shù)據(jù)讀出給單片機。為了控制需要對其端口進行接線的分配，該芯片的I/O數(shù)據(jù)口的管腳與單片機的P3.5引腳相連接，CLK觸發(fā)脈沖口的管腳連接著單片機的I/O口P3.6，RST復位端口管腳連接著單片機的輸入輸出口P3.4，通過對電路的整合。DS1302在水位監(jiān)控系統(tǒng)中的接線如圖19所示。 圖19 DS1302時鐘電

42、路3.2.7 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊電路由于要驅(qū)動直流電機用來模擬水庫閘門、水箱的閥門，所以需要模擬信號的輸出，使用DAC8512數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片來進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)，對其進行電路設(shè)計17。讓DAC8512的LD管腳與單片機的P3.7相連接、SDI數(shù)字信號輸入管腳與單片機的P3.7相連接、LD串行信號管腳與單片機的P3.7相連接，對其電路進行整合。因而數(shù)模轉(zhuǎn)換接線圖的形式如圖20所示。圖20 數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路3.2.8 模擬水位及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路模數(shù)轉(zhuǎn)換對于水位監(jiān)控系統(tǒng)的水位數(shù)據(jù)信息采集至關(guān)重要。水位監(jiān)控系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用了一個電位器來模擬實際水位的電路設(shè)計，給定一個2.5V的穩(wěn)壓二極管，通過

43、電位器（采用10K）產(chǎn)生0-2.5V的電壓，來對應相應的0-102.3米水位數(shù)據(jù)，從中接入TLC1549數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片中進行轉(zhuǎn)換。同時在電路設(shè)計中預留了傳感器輸入端口，只需要加入相應的跳線帽，便可以方便的進行轉(zhuǎn)換，方便傳感器進行實際的水位監(jiān)控測量。根據(jù)所需程序大同小異的情況，基于成本和環(huán)境的考慮，采用電位器的方法模擬產(chǎn)生水位的方式進行后續(xù)程序的設(shè)計。通過一個穩(wěn)壓二級管為TLC1549芯片提供基準電壓，TLC1549主要的管腳CS與單片機的P2.5引腳相連接、DOUT轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸出與單片機的P2.6引腳相連接、CLK與單片機的P2.7引腳相連接。從而實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號2。其模數(shù)轉(zhuǎn)換接

44、線形式圖如圖21所示。3.2.9 通信模塊電路在水位監(jiān)控設(shè)計中，需要與電腦（上位機）進行數(shù)據(jù)傳輸，以及接收上位機所發(fā)出的命令。還可以通過電腦對系統(tǒng)所需要的程序進行更新，單片機在收到命令后并對其進行相應的處理，執(zhí)行相應命令的動作18。采用RS232串行通信口進行通信，其中主要的芯片為MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，對其進行電路設(shè)計，把單片機的串行輸出口P3.1,串行輸入口P3.0分別與相應的MAX232芯片相連接，采用串行線的方式與電腦相連接。通信模塊的接線圖如圖22所示。圖21 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖22 通信模塊電路3.2.10 語音報警模塊電路對于水位監(jiān)控系統(tǒng)的起動、水位超高上限、超低下限都有相應的語音

45、進行通報。語音報警電路主要采用WT588D語音芯片，采用三線串口的方式進行控制，當通過片選信號選定后，通過單片機給定一定的脈沖信號，再根據(jù)脈沖信號發(fā)送命令和要讀出語音的地址信號給語音芯片。因此語音芯片的DATA數(shù)據(jù)口接入單片機的P1.6、CLK觸發(fā)脈沖接入單片機的P1.5、CS使能端接入單片機的P1.4，因而其語音報警的接線形式圖如圖23所示。圖23 語音報警電路3.2.11 LED電路對于水位超高上限、超低下限，在報警開關(guān)打開的時候，將有相應的一個LED燈點亮作為燈光報警。把LED陰極連接在一起在，作為LED電路接線方式，LED另一端分別接入單片機P1管腳，只要P1口有高電平時點亮。采用P1

46、.7作為燈光報警的反映端口。因而光報警的連電路接的形式如圖24所示。圖24 LED電路3.2.12 撥動開關(guān)電路設(shè)計中，利用撥動開關(guān)接P0口，因為一端與地相連，可以通過調(diào)節(jié)開關(guān)產(chǎn)生高低電平，產(chǎn)生所需要的地址信息，因而撥動開關(guān)的連電路接的形式如圖25所示。圖25 撥動開關(guān)電路4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計4.1 軟件設(shè)計的描述對于水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)軟件包含著系統(tǒng)監(jiān)控、LCD1223液晶顯示、按鍵掃描、TLC1549轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換、DS1302時鐘模塊、語音模塊、報警、串口通信模塊等模塊化程序，以及其它必須要有的基本模塊程序。4.2 系統(tǒng)軟件的程序設(shè)計程序設(shè)計抓住硬件系統(tǒng)的每一個模塊進行分模塊化設(shè)計，

47、這樣更加方便程序的檢查和日后對系統(tǒng)功能的升級，將分模塊對系統(tǒng)的程序進行介紹。4.2.1 系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計水位監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控程序又叫主函數(shù)程序，主要作用是在系統(tǒng)通電后對系統(tǒng)所有的模塊產(chǎn)生初始化命令，并對串口通信進行初始化，密碼輸入正確后，讀取水位信息、讀取DS1302中的時鐘信息，讀取地址信息，同時進入水位信息、時間、地址顯示的狀態(tài)顯示界面，等待按鍵掃描。流程圖如圖26所示。 圖26 系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖4.2.2 鍵盤模塊程序設(shè)計水位監(jiān)控系統(tǒng)采用了四位一體的獨立式鍵盤，采用掃描的方式進行按鍵掃描。因此對于鍵盤模塊的程序設(shè)計有按鍵掃描程序以及鍵盤服務程序組成。鍵盤模塊相對應的程序操作如圖27所

48、示。圖27 鍵盤掃描程序流程圖 4.2.3 液晶顯示模塊程序設(shè)計利用了LCD12232液晶顯示屏作為各種數(shù)據(jù)的顯示，對于LCD12232液晶顯示屏，水位監(jiān)控系統(tǒng)采用了串行方式對其進行控制，因此其程序的設(shè)計應包含對液晶的初始化操作和讀寫進行操作。液晶顯示程序操作的方法如圖28所示。 圖28 液晶顯示程序流程圖4.2.4 DS1302時鐘程序設(shè)計時鐘芯片是為系統(tǒng)提供時間信息,工作原理為首先向DS1302芯片中寫入相應的初始時鐘信息，通過外部的晶振使其自動進行計時工作，然后再通過單片機向時鐘芯片發(fā)送命令，讀取在DS1302寄存器中的時間數(shù)據(jù)，時鐘芯片在收到命令后通過單片機對它的觸發(fā)脈沖進行數(shù)據(jù)傳出。

49、水位監(jiān)控系統(tǒng)中DS1302時鐘程序的設(shè)計如圖29所示。圖29 DS1302時鐘程序流程圖4.2.5 報警模塊程序設(shè)計報警模塊采用蜂鳴器，和一個LED燈組成，可以通過設(shè)置分別關(guān)閉。報警模塊程序動作步驟如圖30所示。圖30 報警模塊程序流程圖4.2.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計TLC1549是一個具有10位轉(zhuǎn)換能力的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，在對它進行軟件設(shè)計時，要對其進行初始化操作，寫入控制命令，讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號信息等命令。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊操作步驟如圖31所示。 圖31 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程圖 4.2.7 通信模塊程序設(shè)計通信模塊采用串口方式，對其進行程序設(shè)計包含對串口的初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、以及接收數(shù)據(jù)并進行處理。串口

50、通信模塊程序的操作步驟如圖32所示。圖32 串口通信流程圖4.2.8 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計DAC8512是一個具有12位轉(zhuǎn)換能力的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，在對其進行軟件設(shè)計時，要對其進行初始化操作，寫入控制命令，以及讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號信息等命令。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的操作步驟方式如圖33所示。圖33 數(shù)模轉(zhuǎn)換程序流程圖4.2.9 語音模塊程序設(shè)計水位監(jiān)控系統(tǒng)采用了WT588D語音芯片，讓它在特定的時候發(fā)出語音信息，從而使系統(tǒng)具有人性化。語音模塊程序的操作步驟的方式如圖34所示 。圖34 語音模塊程序流程圖4.2.10 VB上位機設(shè)計水位監(jiān)控系統(tǒng)具有與電腦通信功能，通過VB里的串口工具編寫水位監(jiān)控系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟

51、件，軟件可以對水位信息進行實時監(jiān)控，可以對水位上下限值進行修改，以及打開或關(guān)閉報警操作19。具體界面如圖35所示。圖35 VB上位機界面圖4.2.11 水位算法設(shè)計水位監(jiān)控系統(tǒng)的水位算法是對水位進行采樣16次，并對這16個數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，取其中出現(xiàn)最多的一個水位數(shù)據(jù)作為當前水位數(shù)據(jù)，這樣對于水位信息讀取準確性得到了保證20。5 系統(tǒng)調(diào)試運行及結(jié)果分析5.1 系統(tǒng)使用說明首先把各個硬件模塊通過杜邦線連接在一起，組成水位監(jiān)控系統(tǒng)，再為水位監(jiān)控系統(tǒng)提供電源。通過串行通信接口或者使用專用的下載線，把編譯好的程序下載到系統(tǒng)中去。通過按相應的按鍵、操作上位機軟件和調(diào)節(jié)相應的電位器，觀察各個模塊反映的現(xiàn)象，從

52、而得出結(jié)論。在系統(tǒng)上電后，首先顯示的是水位監(jiān)控系統(tǒng)等字樣，同時語音做出相應的提示，系統(tǒng)在等待輸入密碼的狀態(tài)下，鍵盤左鍵只作為確定鍵進行密碼確定，右鍵是向右移位鍵，上、下功能鍵為密碼數(shù)字加減鍵。只有當密碼輸入正確后，系統(tǒng)才進入狀態(tài)顯示界面。進入界面后，按鍵左鍵作為進入下個界面的按鍵，而右鍵為進入日期顯示界面，和返回狀態(tài)界面21。當按下左鍵即從狀態(tài)顯示屏進入到水位上、下限的設(shè)置，通過上、下按鍵選擇，右鍵進入所選擇的要設(shè)置的水位限值，在上、下限設(shè)置界面按下左鍵即進入到聲光報警開關(guān)的設(shè)置，通過右鍵可以對其開關(guān)進行打開或關(guān)閉，從這個界面，再按下左鍵即進入系統(tǒng)時間的設(shè)置可以通過其他三個按鍵對時間、日期、星

53、期、年月進行設(shè)置。在時間界面再按下左鍵進入密碼修改顯示屏，可以通過其他三鍵進行密碼修改，如果沒有進行密碼修改，按下左鍵直接進入水位狀態(tài)顯示屏，否則就進入水位監(jiān)控系統(tǒng)，密碼輸入顯示。以此循環(huán)操作。5.2 系統(tǒng)運行結(jié)果5.2.1 密碼輸入下載編寫好的水位監(jiān)控系統(tǒng)軟件至系統(tǒng)中，將水位監(jiān)控系統(tǒng)利用專用電源通電并打開電源開關(guān)，通過觀察，將出現(xiàn)的密碼輸入界面如圖36所示。圖36 密碼輸入界面5.2.2 水位信息狀態(tài)顯示系統(tǒng)顯示的第一界面為歡迎界面，在此界面需要進行必要的密碼輸入，系統(tǒng)的初始密碼為四個0，通過鍵盤右鍵和上下鍵，鍵入該四位密碼。當密碼輸入完成后按鍵盤左鍵系統(tǒng)自動判斷密碼進入到狀態(tài)顯示界面，其中

54、包含模擬的實時水位信息、時鐘信息、地址、以及電機正反轉(zhuǎn)運行狀態(tài)標志等。狀態(tài)顯示的界面如圖37所示。圖37 狀態(tài)顯示界面5.2.3 當前日期顯示在狀態(tài)顯示界面如果按下右鍵就直接進入日期顯示界面，從而顯示當日的年月日，日期顯示界面的顯示如圖38所示。如果是按下左鍵即進入水位上、下限的設(shè)置界面，水位上下限設(shè)置界面的顯示如圖39所示。 圖38 日期顯示界面 圖39 水位上下限設(shè)置界面5.2.4 水位上下限的修改在水位上、下限設(shè)置界面如果通過上、下按鍵選擇修改項，按右鍵就進入相應的上限或下限修改界面，值得注意的是在相應的水位上、下限修改界面，只能通過按左鍵返回水位上、下限設(shè)置界面，相應的水位上限修改界面

55、顯示如圖40所示。水位下限修改界面顯示如圖41所示。如果在水位上、下限設(shè)置界面按下左鍵系統(tǒng)將進入報警修改界面的顯示，如圖42所示。圖40 水位上限修改界面圖41 水位下限修改界面圖42 報警開關(guān)修改界面5.2.5 報警開關(guān)在報警開關(guān)修改界面，其報警開關(guān)可以通過上、下按鍵選擇要打開或關(guān)閉的報警方式，通過按下右鍵對其開關(guān)進行分別打開或關(guān)閉。其所有報警方式全部打開界面如圖43所示。如果在報警開關(guān)修改界面按下左鍵系統(tǒng)即進入時間日期修改顯示界面，其時間日期修改界面的顯示如圖44所示。圖43 報警全打開界面圖44 時間修改界面5.2.6 密碼修改在時間顯示界面可以通過上、下按鍵以及按右鍵移位鍵對時間信息進行修改，當在此界面按下左鍵時，系統(tǒng)進入密碼修改顯示界面，通過此界面可以對密碼進行修改。在密碼修改界面如果沒有通過上、下按鍵和右鍵移位按鍵對密碼進行修改，即按下左鍵按鍵時，系統(tǒng)直接進入水位狀態(tài)顯示界面。反之就要進入密碼輸入界面輸入修改后的密碼。其密碼修改界面的顯示如圖45所示。圖45 密碼修改顯示界面5.2.7 調(diào)節(jié)水位的反映在水位狀態(tài)顯示界面，通過調(diào)節(jié)模擬水位的電位器來調(diào)整當前水位值。當調(diào)整的水位值比系統(tǒng)預設(shè)的最大水位值還要高的時候，這時水位狀態(tài)顯示界面多了一個向上的箭頭“”代表直流電機正轉(zhuǎn)，此時觀察直流電機正在正