基于单片机的水库控制系统设计

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1.2 本课题的发展趋势
  CC1100模块的无线通讯性能非常好，可以高效稳定地完成信息传输任务，而且操作简单，能克服复杂的环境，传送的数据不容易受到外界的干扰，使得上位机能接收到水库完整的信息，以对其进行准确地监测分析。
  随着我国社会经济的快速发展，对水资源的需求越来越大，换言之，水库的重要性越来越显著，对水库的管理力度必须加大。我国山区多，极易发生自然灾害，合理地控制水库的参数，可以减少很多损失。本课题所研究的模拟水库监测系统采用的是无线远程监测，它的实用性非常强，能有效地监测建在偏远山区人力难至的水库的实时参数，而且在原设备老化的情况下，能够轻松地进行更新和扩展，省却了大量的人力物力，工作效率也大大提高。
  在要求全球自动一体化的现代社会，它是相当有研究价值的。因此，该系统有着很大的发展潜力，基于无线通讯的水库监测系统定会得到非常广泛的应用。
1.3 本课题的研究意义和目的
  在通常情况下，由于水库在地理位置上分布较高或位置较偏僻。并且与监控中心的距离较远，利用传统的有线连接方式，线路铺设成本高昂，而且施工周期长，同时，因为物理因素如河流山脉等障碍而难以架设线缆。长期以来，水文工作者都是靠手测、目测收集水库水文信息，直接影响到测报的精度和成果质量。
  利用模拟水库无线监控测系统采集数据，不但可提高精确度，还可以使水文工作者告别传统的工作方式。而且水文信息安全防范要求高，采用有线通讯在遇到刮风、暴雨、决口等灾害时，线路一断，水文信息就无法及时传递上去，因此有线传输的抗灾性比较差，难以适应高可靠性要求，加之水库区域地形复杂、偏僻，铺设光纤成本也比较高。相比之下，无线通信布线简单、方便，抗灾性比较好，成本也比较低，可大量节省投资。
  用户采用无线监控解决方案，可迅速方便地在采集水库各种需要的实时数据，而且可以对现有的无线监控系统进行扩展升级，具有很强的灵活性和可扩充性。可实现真正意义的实时水文信息的采集和监控、统一管理。
  本课题中，利用自动控制、计算机网络和无线通讯新技术来构成无线监测系统，采用CC1100无线模块来进行无线传送，具有实时信息自动采集、传输、无线监控、远程数据和图像传输、信息、查询等功能，可实时监控管理区水库的情况。该系统信息传递速度快，结构简单，全面实现了水文监测自动化。

1.4 本课题的主要研究工作和各章节内容安排
  本课题主要研究如何设计模拟水库监测系统的问题。由于关键在于数据的无线通讯传输上，所以必须对CC1100模块等硬件特性要有一定的研究，要设计好功能实现的过程，实际上，整个课题的难点就在于调试上。
  各章内容安排：第一二章两章主要是基础理论知识的介绍。主要有本课题的研究意义、模拟水库监测系统的相关理论知识以及简要的分析了一下所用到芯片相关理论及应用；第三章主要从总体方面分析系统的设计思路以及用到的相关原理；第四章是本次系统设计的硬件电路设计部分，详细分析了每一模块的原理、功能、相关原理图以及元件和参数的选择；第五章阐述了系统的软件部分，介绍了各模块软件的编译流程图，并对部分程序进行了分析；第六章和第七章主要讲述了系统的干扰和调试情况；最后是主要是总结和参考的文献及附录，在附录中介绍采集部分程序，CC1100无线模块通讯代码, 步进电机控制程序,串口通讯程序及上位机的VC监测界面的编译程序。

2 相关技术和基本理论介绍
2.1 CC1100无线模块的相关特性

2.1.1 CC1100无线模块接口电路

  CC1100 单片无线收发器工作在433/868/915MHZ 的ISM 频段由一个完全集成的频率调制器一个带解调器的接收器一个功率放大器一个晶体震荡器和一个调节器组成。工作特点是自动产生前导码 和 CRC 可以很容易通过SPI 接口进行编程配置，电流消耗低。


2.1.2 CC1100无线模块的特性与应用
(1) CC1100无线模块的特性
  ① VCC脚接电压范围为 1.9V-3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块。推荐电压3.3V左右。
  ② 除电源VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连，无需电平转换。当然对3V左右的单片机更加适用了。
  ③ 硬件上面没有SPI的单片机也可以控制本模块，用普通单片机IO口模拟SPI不需要单片机真正的串口介入，只需要普通的单片机IO口就可以了，当然用串口也可以了。
  ④ 9脚，10脚为接地脚,需要和母板的逻辑地连接起来
  ⑤ 排针间距为100mil,标准DIP插针，如果需要其他封装接口，比如密脚插针，或者其他形式的接口，可以联系我们定做。
  ⑥ 与52系列单片机P0口连接时候，需要加10K的上拉电阻,与其余口连接不需要.其他系列的单片机，如果是5V的，请参考该系列单片机IO口；输出电流大小，如果超过10mA，需要串联电阻分压，否则容易烧毁模块! 如果是3.3V的，可以直接和CC1100模块的IO口线连接。
(2) CC1100模块的应用
  在本系统中，采用的CC1100无线模块的工作电压是3.3V,频率波段为300-348 MHz、400-464 MHz和800-928 MHz，有很高的灵敏度（1.2kbps，1％数据包误差率），可编程控制的数据传输率可达500kbps，有较低的电流消耗（RX中15.6mA，2.4kbps，433MHz），有可编程控制的输出功率，其所有的支持频率可达+10dBm，有优秀的接收器选择性和模块化性能。
  ① CC1100无线模块中有极少的外部元件：芯片内频率合成器，不需要外部滤波器或RF转换，可编程控制的基带调制解调器；有理想的多路操作特性，有可控的数据包处理硬件，可快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统，有可选的带交错的前向误差校正，有单独的64字节RX和TX数据FIFO高效的SPI接口：所有的寄存器能用一个“突发”转换器控制，有数字RSSI输出与遵照EN 300 220(欧洲)和FCC CFR47 Part 15 标准的系统相配，还有自动低功率RX拉电路的电磁波激活功能，并拥有许多强大的数字特征，使得使用廉价的微控制器就能得到高性能的RF系统。
  ② CC1100无线模块还包含集成模拟温度传感器，及能自由引导的绿色数据包，能对数据包导向系统的灵活支持：对同步词汇侦测的芯片支持，地址检查，灵活的数据包长度及自动CRC处理。还有可编程信道滤波带宽OOK和灵活的ASK整型支持2-FSK，GFSK和MSK支持自动频率补偿，可用来调整频率合成器到接收中间频率对数据的可选自动白化处理；对现存通信协议的向后兼容的异步透明接收/传输模式的支持可编程的载波感应指示器 ，可编程前导质量指示器及在随机噪声下改进的针对同步词汇侦测的保护，支持传输前自动清理信道访问（CCA），即载波侦听系统 ，支持每个数据包连接质量指示。
  ③ CC1100无线模块是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在315、433、868和915MHz的ISM和SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为300-348 MHz、400-464 MHz和800-928 MHz的其他频率。RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。
  ④ CC1100无线模块为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。CC1100的主要操作参数和64位传输/接收FIFO（先进先出堆栈）可通过SPI接口控制。
  本课题通过实验验证，系统中使用的CC1100无线模块的功效距离大约1.2公里，只要再对其进行一些技术上的改进，可以确定地说，在以后对水库无线远程监控的应用中，它会起到非常大的作用。

2.2 串口通讯应用
  串行通信是指数据的各位是一位一位得按顺序传送的通讯方式。它的突出优点是只需要一根传输线，甚至可以利用电话线作为传输线，这样就大大降低了传输成本，特别使用于远距离通讯。其缺点是传送速度较低。假如并行传送N位数据所需要的时间为T，那么串行传送的时间至少为NT，而实际上总是大于NT。
(1) 串行通讯的两种基本方式
  围绕着当两个设备进行串行通讯时，如何才能保证接受机接受到正确的字符这个问题，通常采用通讯双方都认可的两种传送方式（即通信方式）。
① 异步传送方式
  在异步传送方式中，字符是按帧格式进行发送的。在帧格式中，先是一个起始位“0”，然后是5至8位数据。异步传送方式规定低位在前，高位在后；接下来是奇偶校验位（可略）；最后一位是停止位“1”。异步通信的帧格式如图2.3所示。

  这种传送方式利用每一顿的起、止信号来建立发送与接收之间的同步。其特点是：每一帧内部各位均采用固定的时间间隔，但帧与帧之间的时间间隔是随机的。接收机完全靠每一个帧的起始位与停止位来识别字符传送是正在进行还是已经结束，或是一个新的字符。这也就是“异步”的涵义所在。必须指出，在异步传送时，同步时钟脉冲并不传送到接收方，即双方各用自己的时钟源来控制发送和接收。本系统中所用到的串口通讯程序，就是采用了异步传送方式。
② 同步传送方式
  同步传送方式是一种连续传送的方式，它不必像异步传送方式那样要在每个字符都加上起止位，而是在要传送的数据块前加上同步字符SYN，而且数据没有间隙，如图2.4所示，使用同步传送方式，可以实现高速度，大容量的数据传送。

  在同步传送中，为了保证接收正确无误，发送方除了传送数据外，还要将时钟信号同时传送。
  在串行通讯中有一个重要的指标叫做波特率。它定义为每秒钟传送的二进制数码的位数，以位/秒作为单位。波特率反映了串行通讯的速率，也反映了对传输通道的要求，波特率越高，要求传输通道的频带就越宽。在异步通讯中，波特率为每秒传送的字符数和每个字符位数的乘积。
(2) 串行口的工作方式
  串行口控制寄存器SCON格式如下：

  SM0，SM1为串行口工作方式选择位。可选择四种工作方式，如表2.2所示。表中f为单片机时钟频率。

由于本设计中只用到方式1，故在此详细介绍工作方式1。
  在方式1状态下，串行口为8位异步通信接口。一帧信息位10位：1位起始位（0），八位数据位（低位在前）和1位停止位（1）。TXD位发送端，RXD为接收端，波特率可变。
① 发送
  串行口以方式1发送时，数据由TXD端输出，CPU执行一条写入SBUF的指令后，便启动串行口发送，发送完一帧信息时，将发送中断标志TI置1。
方式1发送时的定时信号，即发送移位脉冲，是由定时器1送来的溢出信号经过16或32分频（取决于SMOD的值）而取得的，因此其波特率是可变的。
② 接收
  方式1接收是在REN位置1的前提下，从搜索到起始位而开始的，在无信号时，RXD的线的状态为1，当检测到存在由1到0的变化时，即认为收到个字符的起始位，接收过程随即开始，在接受移位脉冲的控制下，把接受到的数据一位一位地移入接收寄存器，直到9位数据（包括1位停止位）全部收齐。在9位数据收齐之后，还必须同时满足以下两个条件，这次接收才能被真正确认：
  RI=0；SM2=0或接收到地停止位为1。
  当满足这两个条件时，便将接收移位寄存器中的8位数据存入串行口数据缓存器SBUF，收到的停止位则进入RB8,并使接收中断标志RI置1。若这两个条件不满足，则所接收的数据无效，串行口接着又开始寻找下一个起始位，准备接收下一帧数据。
2.3 传感器应用
2.3.1 水流量传感器的应用
(1) 流量传感器的基本特性
  流量范围是1－30L/MIN，工作电压范围是3.5－24VDC，脉冲特性F＝（8.5Q－3）（Q=L/MIN）,误差为5%，该水流量传感器与相关电路配合可监测实时流量或计算累计流量，输出信号为脉冲信号。

  该水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量。在霍尔元件的正极串入负载电阻，同时通上5V的直流电压并使电流方向与磁场方向正交。当水通过涡轮开关壳推动磁性转子转动时，产生不同磁极的旋转磁场，切割磁感应线，产生高低脉冲电平。由于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比，转子的转速又与水流量成正比。其脉冲信号频率的经验公式见式 (1)。
                   f=8.1q-3 (1)
式中：f—脉冲信号频率，H2;q—水流量，L／min
  由水流量传感器的反馈信号通过控制器判断水流量的值。
(2) 水流量传感器的构造
  水流量传感器主要由铜阀体、水流转子组件、稳流组件和霍尔元件组成。它装在模拟水库中，用来测量水流量。当水流过转子组件时，磁性转子转动，并且转速随着流量成线性变化。霍尔元件输出相应的脉冲信号反馈给控制器，由控制器判断水流量的大小，调节控制比例阀的电流。水流量传感器从根本上解决了压差式水气联动阀启动水压高以及翻板式水阀易误动作等缺点。它具有反映灵敏、安全可靠、连接方便利启动流量超低(1.5L／min)等优点。
  水流转子组件主要由涡轮开关壳、磁性转子、制动环组成。使用水流开关方式时，其性能优于机械式压差盘结构，且尺寸明显缩小。当水流通过涡轮开关壳，推动磁性
子旋转，不同磁极靠近霍尔元件时霍尔元件导通，离开时霍尔元件断开。
(3) 水流量传感器的工作原理
   在本系统中，利用水流量传感器的特性，设计了一个小型的模拟水库。用一般用于给金鱼供氧的小型抽水换氧机作为抽水机，抽动水流运动，使水流通过水流量传感器的涡轮，水流量传感器开始采集数据.通过调整连接在抽水机与水流量传感器间的导水管的高度来调整水流量大小；下位端数码管显示所测水流量值。测得的流量值相当好，可以精确到毫秒，误差几乎可以忽略不计。

2.3.2 超声波传感器的应用
   本系统设计中，使用了一对超声波传感器，配置相应的电路，来实现对模拟水库水位的测量。
(1) 超声波传感器包括发送和接收两部分，电路图介绍如下：

   由三个NPN三极管构成差动放大电路，其放大倍数由电阻R7，R8和R9等电阻决定，所采集的信号波从J6口输入，经由NPN管级数放大，在消除共模干扰后，从J6口发送出去。

   超声波换接收电路所接收到的从发送端传来的微弱信号，要经过LM358芯片进行放大，使得所采集的信号足够大，然后通过J2口送到单片机上，信号经AT89S52单片机处理后，由数码管显示出来。
(2) 超声波的接收与处理
   接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器放大后，作为中断请求信号，送至单片机处理。
(3) 测试中所遇到的干扰信号
   超声波测量水位时，需要测的是开始发射到接收到信号的时间差，需要检测的有效信号为反射物反射的回波信号，故要尽量避免检测到余波信号，这就要求对接收头收到的波束进行处理，这也是超声波检测中存在最小测量盲区的主要原因。在软件中的处理方法就是，当反射头发出脉冲，计时器同时开始记时。我们在记时器开始记时后再开启检测回波信号，可以消除余波信号的干扰，等待的时间可以为1MS左右，更精确的等待时间可以大大地减少最小测量盲区。

2.4 步进电机的控制原理
(1) 步进电机的概念
   步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。
(2) 步进电机的一些特点：
   ① 一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积;
   ② 步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。
   ③ 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
   ④ 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
(3) 步进电机控制原理
   ① 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。
   ② 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。
   ③ 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：
   通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C－D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。
   控制步进电机的转向。如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
控制步进电机的速度
   如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。但脉冲形式的电机控制，使控制端容易受到干扰，所以必须在电机驱动电路中加入光耦电路来减少干扰。
电机的正反转是由单片机来控制的。当单片机的一个口发出1或者0的时候来决定正反转，也可以两个口来决定。电机的启动我们选择用LM298。本文中，主要应用到步进电机的换相功能，通过单片机控制步进电机正反转动，来模拟实现阀门的开/关。

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