单片机在水位远程检测系统中的应用毕业论文.doc
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1、西安邮电学院 毕 业 设 计(论 文)题 目: 单片机在水位远程检测系统中的应用院 (系): 专 业: 班 级: 学生姓名: 导师姓名: 职称: 目录:1. 标题32. 摘要,关键词33. 引言34. 正文41) 水位的检测及显示系统42) 水位远程检测系统硬件组成5 21 微控制器 6 22 GSM无线短信芯片8 2. 3 系统硬件接口连接 93) 水位数据无线传输的软件实现14 31 数据包格式 14 32 命令集 154) 系统应用拓展17 51 系统优点 17 52 应用拓展 185) 结束语205. 参考文献20单片机在水位远程检测系统中的应用周强南京信息工程大学通信工程专业,南京2
2、10044摘 要:本文介绍一种利用单片机及GSM无线收发模块构成的水位显示及远程检测系统。在系统中,设计一种简易的水位检测方法以测得水位的状况,通过单片机显示系统在水位现场以LED的方式显示出来,并通过与之相连的GSM模块将水位信息以一种无线的方式发送给远程终端,起到检测的作用。另一方面,本文还介绍了此系统在现阶段的防洪,汛期水位检测中的运用。其覆盖范围广,成本低廉,实现方便的特点,完全可以替代现有广域水位检测以及警报系统,保证广大人民群众生命和财产的安全。关键词:GSM GSl00 AT89C2051 串口通信 远程检测 如大家所知,供水系统中的水塔和高位水池等设备由于所处地势高,人员上下极
3、为不便,有时水即将用完也不知道,造成需用水时却无水可用的情况。此外,在向池中注入水的过程中,由于不知道水位的情况,也就无法控制注水量的多少,这会严重影响正常的工作效率。为此,需要对水位进行自动显示、监测和报警。传统的水位检测系统一般通过有线方式与监控中心取得联系,这种方式不但维护起来困难,需要专门人员进行维护调控,而且在很大程度上限制了其在时空上的拓展性,而内部架设的无线网络成本又极高。采用GSM模块与单片机构成的系统则能利用现有GSM网络的覆盖范围以及单片机的通用性,能有效节约成本。通过单片机的并行I0口可以很方便的实现实时水位的显示功能。现有的GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游,具有网
4、络能力强的特点,用户无需另外组网,在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的建网成本和维护费用。当采用GSM模块时,相比码分多址技术,目前基于时分多址技术的移动通信体制是最成熟、最完善、应用最广的一种系统。我国目前已经建成覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网,可以通过其实现远程终端监控和报警的功能。下图为数传电台组网与GSM短信模块组网的比较。在数据量较大、网络覆盖范围小于15KM、要求系统响应时间的应用中使用数传模块组网 从经济性及实现的难易程度上看较有优势。在要求网络覆盖范围大于15KM以上、数据量很小的应用中使用GSM短信模块组网 从经济性及实现的难易程度上看较有优势。数传电台组网GS
5、M短信模块组网比较组网形式自建网络,一般采用一个中心站的大区制。一般受无线电管理及经费的限制,网络覆盖范围小于30公里,在使用一个中心站的情况下,作用半径内有通信死角。使用GSM公众网,蜂窝制式。在城市及人口有一定密集的区域,GSM网络几乎能全面覆盖。网络覆盖区域很少有死角。GSM模块网络覆盖范围大组网费用费用主要包括主台天线,馈线,天线支撑架。终端天线,馈线,天线支撑架。无组网费用。GSM模块无组网费用组网难度有一定难度。使用公网。GSM模块无需组网。终端费用5W电台相当于GSM模块价格。功率加大费用增加。终端价格与网络范围无关,5W电台相当于GSM模块价格。在网络范围大于10KM时,数传电
6、台终端价格大于GSM模块价格。在1-2KM时数传电台终端价格小于GSM模块。使用费用每个分台每年应向当地无线电关系部门交纳频率占用费。费用与通信数据量无关。每发送一次数据向GSM网络运营商交纳短信费。每次发送字节数不大于140字节。费用与通信数据量相关。一般来说数传电台组网费用较低。数据速率一般使用1200bit/s,9600bit/s受每次发送字节数不大于140字节及GSM网络管理的限制,实际速率不会超过1200bit/s。数传电台速率较高。系统响应时间终端响应时间小于200MS与GSM网络及发送的时间有关,不可控。一般为若干秒。数传电台系统响应时间较快。1 水位的测试及显示系统 一般的实际
7、使用中,水位的测试通常有两种方法:超声波水位探测仪和干簧管式水位显示仪。这两种方法虽然可行但不切实际,应用起来成本过高,实现起来非常复杂,同时也不易维护。本文结合了现阶段通用的一些技术,设计了一种简单易用,并且成本低廉的水位检测系统。 该水位检测部分由绝缘支架、电极、导管和浮球几部分构成,如图1所示。浮子由1个直径15 cm的不锈钢球与1根长105 cm、外径15 mm的不锈钢管焊接而成。导管是一根外径20 mm、内径17 mm的PVC塑料管。支架由长80 cm的电工导轨制作而成。其余部分安装在1个长25 cm、宽20 cm、厚5 cm的塑料盒内。而水位检测显示系统则由水位测试系统、单片机的并
8、行I0口、电阻、电源以及LED发光二极管共同组成,如图2所示。电极K1、K2和K3的另一端分别与单片机的并行IC口P11、P12和P13相连,而对应的lO口则通过电阻串联到LED上接电源的正极。当水位达到水满位置时,此时因为水的导电作用,电极开关K1、K2和K3都导通,相应Pl口接地置低,3个发光二极管都点亮;当水位达到正常水位时,K2和K3导通,而K1断开,相应P12和P13置低,2个二极管点亮;当水位达到缺水位置时,此时只有K3导通,对应只有LED3被点亮。所以根据二极管灯点亮的个数的显示,工作人员在现场给水池注水时,就能很清楚的知道现场水位的状况,这样就能够正确的注水,而不会出现文章开头
9、出现的状况。如图一:当水位到达K1 时,水池中的已经接近满的状态。此时,因水接触K1 ,K2 ,K3 ,使之导通,于是K1 ,K2 ,K3 电极所连接的LED1,LED2,LED3,都被点亮,从而可以很直观的报告水池中的水位已满。如图2。但这仅仅局限于工作人员在场的情况下可知。我们今天所要解决的是远程的水位监控,所以接下来就要用到单片机,AT89C2051。2 水位远程检测系统硬件组成 不过上面制作的系统,只有工作人员在水位显示装置前才能得知水位情况,依然需要专门人员定时进行察看以及检测,遇到工作人员不在的特殊情况,或系统异常时,此系统便无法应对。所以下面,本文就要设计一个简单,可以远程检测并
10、控制的水位远程检测系统。水位远程检测系统实际是一个无线数据的收发系统。该系统主要是通过现有的移动通信网络来实现无线数据的传送,相比专用无线网络,此系统架设以及维护成本都比较低廉,实现起来也很方便。此系统主要由两部分组成,即微控制器芯片89C2051和GSM无线短信芯片G100A。21 微控制器 微控制器采用Atrnel公司推出的一种小型单片机89C2051,95年出现在中国市场。其主要特点为采用Flash存贮器技术,降低了制造成本,其软件、硬件与MCS-51完全兼容,可以很快被中国广大用户接受,其程序的电可擦写特性,使得开发与试验比较容易。 其内有2 KB的Flash程序存储器和128 B的片
11、内RAM。89C2051共20引脚,其中P1口8脚(图1),可以作为一般的准双向端口,在引脚的驱动能力上,具有很强的下拉能力。89C2051有很宽的工作电源电压,可为2.76V,当工作在3V时,电流相当于6V工作时的1/4。89C2051工作于12Hz时,动态电流为5.5mA,空闲态为1mA,掉电态仅为20nA。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。我们这里使用的AT89C2051单片机,如上图。其内部电路图如下图:当水池水位已满时,P1.1 ,P1.2 ,P1.3 ,都高电平。在AT89C2051中,P1口是一组8位双向I/O口,P1.2-P1.7提供内部上拉电阻,P1.0和P1.1内
12、务上拉电阻,主要是考虑它们分别是内部精密比较器的同相输入端(AIN0)和反相输入端(AIN1),如果需要应在外部接上拉电阻。P1 口输出缓冲器和吸收20mA电流并可直接驱动LED。当P1 口引脚写入“1”时可作输入端,当引脚P1.2-P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而输出电流(L1L)。P1 口还在FLASH闪速编程及程序校验时接受代码数据。RST口为复位输入,RST引脚一旦变为两个极其周期以上的高电平,所有I/O口都将复位到“1”(高电平)状态,当振荡器正在工作时,持续两个极其周期以上的高电平便可完成复位,每个机器周期为12个振荡时钟周期。所以,此端口作用为工作过程中的
13、复位。4和5 是XTAL1引脚和XTAL2引脚。如图:其中XTAL1引脚为振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2为振荡器反相放大器的输入端。图3中时钟振荡器为内部振荡电路,采用的是石英晶体振荡器组成时钟振荡器。C2,C3=30pf+-10pF。VCC输入端接+5V电压,GND接地。22 GSM无线短信芯片 GSM无线短信模块G100A是由北京捷麦公司推出的,该模块采用全SMT组装,工艺先进、可靠性高,工作电压范围为515 v。工业级产品设计,工作温度范围宽,可适合野外工作。全封闭铝合金外壳,抗干扰能力强。其内置的德国西门子公司GSM模块Tc35使得模块操作简单,无须学习复杂的G
14、SM模块AT指令集。G100A的串口具有TTL、RS232和RS485半双工三种形式,标准配置为RS232。G100A框图23 系统硬件接口连接 整个水位远程检测系统由上位机和下位机构成,其中上位机主要是指移动终端即手机,而下位机是由GSM无线收发模块及与其相连的单片机构成,其电路连接原理图如图3所示。下位机安装在水池附近,而微控制器C2051与G100A之间是通过三线制串口(RS232)相连的,即TX、RX和GND三条线,图3中以网络标号相连。由于各自的工作电压不太一样,在这里采用电平转换芯片MAX3232以实现电平转换,它是Maxim 公司专门为与低压微控制器芯片接口推出的,外围电路简单,
15、工作可靠,用于把单片机串口的TTL电平转换成RS232电平。TTL电路是晶体管-晶体管逻辑电路的英文缩写(Transistor Transistor Logic),是数字集成电路的一大门类。它采用双极型工艺制造,具有高速度低功耗和品种多等特点。从六十年代开发成功第一代产品以来现有以下几代产品。第一代TTL包括SN54/74系列,(其中54系列工作温度为-55+125,74系列工作温度为0+75),低功耗系列简称lttl,高速系列简称HTTL。第二代TTL包括肖特基箝位系列(STTL)和低功耗肖特基系列(LSTTL)。第三代为采用等平面工艺制造的先进的STTL(ASTTL)和先进的低功耗STTL
16、(ALSTTL)。由于LSTTL和ALSTTL的电路延时功耗积较小,STTL和ASTTL速度很快,因此获得了广泛的应用。下面为各类TTL门电路的基本性能:电路类型TTL数字集成电路约有400多个品种,大致可以分为以下几类:门电路译码器/驱动器触发器计数器移位寄存器单稳、双稳电路和多谐振荡器加法器、乘法器奇偶校验器码制转换器线驱动器/线接收器多路开关存储器特性曲线电压传输特性:TTL与非门电压传输特性LSTTL与非门电压传输特性瞬态特性由于寄生电容和晶体管载流子的存储效应的存在,输入和输出波形如右图。存在四个时间常数td,tf,ts和tr。延迟时间td下降时间tf存储时间ts上升时间tr基本单元
17、“与非门”常用电路形式四管单元 五管单元 六管单元主要封装形式,双列直插;扁平封装。计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低,特别是在远程 传输时,避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时,要求通讯双方都采用一个标准接口,使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS -232-C接口(又称EIARS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调 制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备(DTE)和数据通
18、讯设备(DCE)之间串行二进制数据交 换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器,对连接器的每个引脚的信号内容加以规定,还对各种信号的电平加以规定。 (1)接口的信号内容实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的,在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。RS-232-C最常用的9条引线的信号内容见附表1所示 (2)接口的电气特性在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即:逻辑“1”,-5-15V;逻辑“0”+5+15V。噪声容限为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”,高到-3V的信号作为逻辑“1”附表1(3)接口的物理结构RS-
19、232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端.一些设备与PC机 连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头 座,传输线采用屏蔽双绞线。 (4)传输电缆长度由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下,传输电缆长度应为50英尺,其实这个4%的码元畸变是很保守的,在 实际应用中,约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的,所以实际使用中最大距离会远超过50英尺,美国DEC公司曾规定允许码元畸变为 10%而得出附表2的实验结果。其中1号
20、电缆为屏蔽电缆,型号为DECP.NO.9107723内有三对双绞线,每对由22#AWG组成,其外覆 以屏蔽网。2号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为DECP.NO.9105856-04是22#AWG的四芯电缆。附表2为DEC公司的实验结果。附表2单片机的并行IO口,通过网络标号P11、P12和P13分别与水位测试系统中的电极按键K1、K2和K3的一端相连。当水位处在不同状态时,由于按键K的作用使得对应的P11、Pl2和P13电平的状态也不一致。这样就可以通过检测P1口的状态,将其状态以短消息的形式由GSM短信模块发送出去,手机终端收到短信后就可以判断水位的状态。这样就完成了水位的远程检测功能。实际使
21、用过程中,通过P1端口的电平状态,如P1.1,P1.2,P1.3,都是高点平,AT89C2051通过三线制串口,RS232与G100A,GSM无线网络模块相连,即TX,RX,GND。由于工作电压不同,需要用到MAX3232实现电平转换。转换后的电压适用于G100A无线模块。RS-232-C接口采用的是串行通讯方式。串行接口使用线路少,成本低,特别适用于远程传输。其中TXD为 DTE(数据终端设备)DCE(数据通信设备),发送串行数据;RXD为 DTE(数据终端设备)DCE(数据通信设备),接受串行数据。该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器,对连接器的每个引脚的信号内容加以规定,还对各种信
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