液位高底测试毕业设计正文.docx
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液位高底测试毕业设计正文
基于GSM水位检测系统设计
学生:
指导教师:
内容摘要:
水位检测系统主要由超声波测距模块、GSM数据传输模块和远程操作模块构成。
超声波测距模块的工作原理是由PIC16F873单片机产生40KHZ的脉冲信号,信号经反向器反向后由超声波发射头发射,当超声波遇障碍物后被反射回来,由超声波接收器接收,经过处理后送至PIC16F873。
单片机记录超声波传播时间,再利用距离和时间、速度之间的关系:
L=C×Δt,即可实现对距离的测量。
系统使用UART接口和GSM数据传输模块通信。
以短信方式向远程操作模块发送水位信息。
并为远程操作模块留有多种控制命令,以满足实际控制需要。
如定时发送水位信息或高于设定水位报警等。
另外此系统既可以使用管理员手机进行水位监控,也可以使用远程操作模块对水位信息进行管理。
远程操作模块由MicrosoftVisualC++6.0开发,其界面友好、功能强大。
水位检测系统可用于流域机构管理部门、防汛抗旱指挥机构以及水库等基层单位。
关键词:
水位监测系统超声波测距GSM通信远程操作模块
WaterLevelDetectionSystemBasedonGSM
Abstract:
WaterLevelDetectionSystemismainlyconsistedofultrasonicrange-findingmodule,GSMmoduleandlong-distanceoperationmodule.Theprincipleofultrasonicrange-findingmoduleisasfollows:
the40kHzimpulsesignalwhichisproducedbyPIC16f873chipisinverteredandsentoutbyultrasonicemitter;theultrasonicwillbereflectedwhenitmeetsbarrier,thenreceivedbytheultrasonicreceiverandsendtoPIC16F873afterdealingwith.TheultrasonictransmittingtimeisrecordedbyMCU.Thenafterapplyingtherelationamongspace,timeandvelocity:
L=C*T,themeasurementofthedistancewillbedone.ThesystemcommunicateswithUARTinterfaceandGSMmodule,andsendshydrologicinformationtolong-distanceoperationmodulebytextmessages.What’smore,varietiesofcommandsisremainedforlong-distanceoperationmoduletomeettheneedsofpracticecontrol,forexample,sendinghydrologicinformationatfixedtimeorthealarmofoversetwaterlevel.Inaddition,themonitorofhydrologiccanbeachievedeitherbythesupervisor’scellphoneorusingthelong-distanceoperationmodule.ExplorerbyVC++6.0,thelong-distanceoperationmoduleisanassemblysoftwaresystemwithfriendlyinterfaceandstrongfunctions.Thesystemcanbeappliedbythegrass-rootsorganizations,forexample,theriverbasinorganizationmanagement,foot-controlanddrought-reliefcommandorganizationandreservoir.
Keywords:
hydrologicmonitoringsystemultrasonicrange-finding
GSMcommunicationlong-distanceoperationmodule
基于GSM水位检测系统设计
前言
5·12汶川地震以后,计算机技术和通信技术在水位和防汛监测方面得到了广泛的应用。
目前,随着水位行业技术的进步,迫切需要在远程条件下开发一套功能齐全、操作简便的水位资料分析系统。
我们通过需求分析,把该系统分为超声波测距模块、GSM数据传输模块、远程操作模块,如图1所示。
超声波测距模块和GSM模块独立设计开发,可单独使用,也可和远程操作模块构成水位检测系统。
手机
图1水位检测系统总构架结构图
系统可由被测点定时反馈数据,也可由监测中心随时监测。
我们可以设置多个监测点构成分布式网络。
系统利用超声波测距模块测出距离,送LCD显示(温度和距离),并通过GSM数据传输模块将水位数据以短信息的方式发送到远程操作模块。
从而实现远距离传输数据和人机交互。
系统监测水位高度,并具有温度补偿功能,测量精度高。
远程操作模块是用MicrosoftVisualC++6.0开发的友好图形界面。
它集水位资料的整编数据录入、处理、报表生成。
功能齐全、操作简便易行。
使水位测试变的简单直观。
该系统可用于流域机构管理部门、防汛抗旱指挥机构以及水库等基层单位,也可推广到电力系统等部门。
将取得良好的使用效果和社会效益。
一、超声波测距的总体方案设计
(一)超声波的基本概述
声波是物体机械振动状态(或能量)的传播形式。
所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。
譬如,鼓面经敲击后,它就上下振动,这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播,这便是声波。
超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数(频率)甚高,超出了人耳听觉的上限(20000Hz),人们将这种听不见的声波叫做超声波。
超声和可闻声本质上是一致的,它们的共同点都是一种机械振动,通常以纵波的方式在弹性介质内会传播,是一种能量的传播形式,其不同点是超声频率高,波长短,在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性,目前腹部超声成象所用的频率范围在2∽5兆Hz之间,常用为3∽3.5兆Hz(每秒振动1次为1Hz,1兆Hz=10^6Hz,即每秒振动100万次,可闻波的频率在16-20,000HZ之间)。
超声波是声波大家族中的一员。
2.超声波的特性
◆超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。
◆超声波可传递很强的能量。
◆超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。
◆超声波在液体介质中传播时,可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。
(二)超声波测距的工作原理及运用
1.超声波测距的设计方案论证
测量距离的方法有很多种,短距离可以用尺,远距离有激光测距等。
但传统距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷。
例如,液面测量就是一种距离测量,传统的电极法是采用差位分布电极,通过给电或脉冲来检测液面高度,电极长期浸泡在水里或其他液体中,极易被腐蚀、电解,失去灵敏性。
超声测距是一种非接触式的检测方式。
与其它方法相比,它不受光线、被测对象颜色等影响。
对于被测物处于黑暗、有灰尘、有电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力,是作为液面测距的理想手段。
特别是应用于空气测距,由于空气中波速较慢,其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来,具有很高的分辨力,因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、信号处理可靠等特点。
因此得到了广泛的应用。
2.设计背景及工作原理
传统的利用固定电平判断回波到达时刻的超声波测距方法存在较大误差。
针对这种误差提出的可变阈值的超声波测距方法,由于干扰信号的存在,超声波测距主芯片会产生误判回波时刻的到来,从而导致测量数据不准确。
超声波传感器通过压电晶片的逆效应——电致伸缩,在空气介质中产生超声波。
测距所用超声波一般都是以间断的高压单脉冲发射,每测距一次,需要发射、接收一次。
所以在测距脉冲的发射过程中,传感器晶片经历了起震、加强和衰减三种状态,并产生多个谐振周期的超声波;接收过程中,传感器晶片在多个谐振周期的超声波脉冲作用下,通过压电效应在晶片两端产生起伏电压。
超声波测量距离的原理可用图2示意,简单描述为:
超声波发射器定期发送超声波,超声波经接收器接收并转化为电信号,测量声波在遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
图2超声波测量距离原理示意图
测距的公式表示为:
L=C×(T/2)
L为被测量的距离长度;
C为超声波在空气中的传播速度;
T为测量距离传播的时间差(T/2为发射到接收之间时间数值的一半)。
这样只要测出发射和接收之间的时间差T,即可求出距离。
3.超声波测距仪的分析运用
超声波测距在实际运用中提高距离还比较困难。
限制该系统的最大可测距离主要存在4个因素:
超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。
由于超声波属于声波范围,其波速C与温度有关。
环境温度对超声波传播速度的影响最大。
如在0摄氏度时其传播速度为331.45m/s,在10摄氏度时其传播速度为337.462m/s,在20摄氏度时其传播速度为343.369m/s,在30摄氏度时其传播速度为349.176m/s。
不能一律用340m/s的速度取而代之。
为提高测量精度,需要对超声波模块在测量环境的传播速度加以校正。
超声波为40KHz,由PIC16F873产生并从RC4输出,经4069后驱动超声波发射头。
在发完4个周期的40KHz脉冲信号后启动定时器TMR1开始计时。
超声波遇障碍物后发射回来由超声波接收头接收。
接收到的信号非常微弱,需要放大并整形为TTL脉冲信号送到CCP1模块的输入引脚——RC2。
CCP1捕捉到4个脉冲时把TMR1寄存器的累计值抓取到CCPR1(CCP1在捕捉模式下独有的功能)引起中断并关闭定时器TMR1,此时可以由寄存器CCPR1的值便可知道超声波在空气中的传播用时。
由公式L=C×(T/2)即可计算出测量点与障碍物之间的距离。
测量得到的距离由LCD显示。
再通过串口与GSM数据传输模块相连接。
将所测数据传输到远程操作模块。
实现远距离传输数据和人机交互功能。
(三)超声波测距方法的设计方案论证
方案一:
标准样距测速法简介
所谓标准样距测速法,就是在当时的环境下去测量一标准样距,从而得到在该测量环境下超声波的实际传播速度,以达到校正速度的目的。
可行性分析
设样距为d,测量样距用时t1,被测量距离用时t2,则该环境下的超声波传播速度为C=d/t1,被测量距离为:
L=C×t2=(d/t1)×t2
以25cm样距设计,设超声波的传播速度为V0=340m/s,25cm用时为T0=735.29us。
设MCU的晶振为4MHz,其时间分辨能力为1us。
MCU测量出这25cm用时为735us。
则得出在该环境下的超声波传播速度为
C=25cm/735us=340.13m/s
速度误差为:
ΔV=+0.13m/s
在实际操作中,25cm的样距很难摆放准确,操作和携带都有不便。
设25cm样距在摆放时为25.10cm,测量样距用时为:
t1=25.10cm÷340m/s=738.23us
MCU得出测量样距用时为t1=738us。
在计算速度时,MCU得出在该环境下的超声波传播速度:
C=25cm/738us=338.75m/s
此时的速度误差为:
ΔV=-1.25m/s
同理,当样距为24.9cm时,MCU得出在该环境下的超声波传播速度为:
C=341.53m/s
其速度误差为:
ΔV=+1.53m/s
由此可见25cm样距的摆放准确对测量得出的超声波传播速度有很大的影响。
就被测量距离为5m,我们来看一下它的误差有多大。
(设此时的超声波传播速度为V0=340m/s)5m标准用时为:
T0=5m÷340s=14705.88us
MCU得出的用时为:
T0=14706us
1当样距为25.10cm时,即ΔV=-1.25m/s时,C=338.75m/s。
测量得出的距离误差:
△d=-1.25m/s×14706us=-1.83cm
2当样距为24.9cm时,即ΔV=+1.53m/s时,C=341.53m/s。
测量得出的距离误差:
△d=+1.53m/s×14706us=+2.25cm
方案二:
温度补偿法简介
我们知道,超声波的传播速度受环境的影响,特别是环境温度对超声波传播速度的影响最大。
如在0摄氏度时其传播速度为331.45m/s,在20摄氏度时其传播速度为343.369m/s,在30摄氏度时其传播速度为349.176m/s。
由于超声波传播速度与环境温度有以下关系:
×
式中T为摄氏温度,C为在该温度下的超声波传播速度(单位为m/s)。
当温度知道的情况下,通过该式就可以知道该温度下超声波的传播速度了。
用温度去校正超声波的传播速度,这就是温度补偿法。
可行性分析
根据式子
×
在MCU中建一温度速度表(温度速度表精确到小数点后1位),由温度传感器输出的温度去查表,便找到了在该温度下的超声波传播速度C,再由L=C×t便可以得出被测量距离。
设环境温度为T0=25摄氏度,此时超声波传播速度为
Co=346.285m/s
测量5m的距离用时
To=14438.97us(取T0=14439us)
1.设温度传感器给出的温度为T=24.5摄氏度,得出超声波传播速度为:
C=345.9m/s
速度误差为:
ΔV=-0.3m/s
测量5m产生的距离误差为:
Δd=ΔV×t0=-4.3mm
2.设温度传感器给出的温度为T=25.5摄氏度,得出超声波传播速度为:
C=346.5m/s
速度误差为:
ΔV=+0.3m/s
测量5m产生的距离误差为:
Δd=ΔV×t0=+4.3mm
综上所述:
采用方案一标准样距测量法操作不便,测量误差大,可行性差,不满足设计要求。
采用方案二温度补偿法测量出的距离精度高,使用方便。
由此选择方案二实为测距模块的理想方案。
在测距时,即使温度变化,也可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速C,精确地得出该环境下超声波经过的路程,提高了测量精确度。
(四)RS232异步串行通信协议和接口规范
串行通信是指把一个数据字逐位顺序分时进行的传输方式。
其突出优点是需要数量很少的传输线,特别适合远距离传输。
对于单片机而言,串行通信的另一个重要优点就是,需要占用的引脚资源较少。
PIC16F873单片机内部的USART模块具有异步和同步通信能力。
其异步通信能力主要用于与其他计算机系统或单片机系统进行远程通信,而同步通信能力主要用于本单片机电路系统之内的片外器件串行扩展。
本设计是利用了MCU的USART模块的双向异步串行通信方式与计算机系统进行远程通信的。
1.异步通信方式
在线路上,异步传送的数据是以字符为单位来传送的。
其特点是数据在线路上的传送,各个字符可以是断续的,也可以是连续的,这完全由发送方根据需要来控制。
另外,在异步传送时,起同步作用的时钟脉冲,并不传送到接收方,即收发双方各自使用自己的时钟源,来控制发送的速率和接受的检测(采样)时刻。
为了克服数据传输时,双方时钟的不一致性以及时钟偏差的积累而引起数据接受的错误,异步传送过程中采用了两项技术:
一是通信双方在通信速率,每个字符的总长度上,必须要做预先的约定;二是接受方需要采用字符同步技术,即每接收一个字符都要进行一次起始位的识别和定位。
从物理线路的连接上看,进行异步通信的双方之间的连线,只有信息传输线,而没有时钟传输线。
由于字符发送是随机的,对于接收方来说就是判断何时有字符送来,何时是一个新字符开始的问题。
所以,在异步通信过程中,对于被传送的字符必须进行包装,必须预先规定一种双方认可的信息格式,即每个字符由四个部分组成:
起始位,数据位串,奇偶校验位和停止位。
这样一组信息就被称为一个数据帧。
一帧信息的传送由起始位开始,停止位结束。
(1)起始位:
是一个逻辑0,占用一位的时间,用来通知收信方一个新的字符的到来。
线路上在不传送期间,线路电平应该一直保持为逻辑1。
接收方不断检测线路上的状态,如果连续检测到逻辑1之后,又检测到逻辑0,就断定开始发来一个新的字符,立刻准备接收数据。
字符的起始位还被用来同步接收方的时钟,以保障后面的接收能够按照正确的节奏和正确的检测时刻进行。
(2)数据位串:
起始位后面紧接着就是多位数据,它可以是5位,6位,7位,8位或9位等。
由于串行通信速率是与数据的位数有关,所以要根据实际需要来确定数据的位数,一般采用8位或9位居多,尤其在单片机中更是如此。
另外,在发送时,通常是数据的最低位在前,即紧接起始位的是数据的最低位(LSB),其最高位(MSB)后面紧接奇偶校验位。
(3)奇偶校验位:
占用一位,它不是必须的,也可以规定奇偶校验位,或者将奇偶校验位替换为其他控制位,例如,用该位来确定这个字符所代表信息的性质(如地址,数据,命令等)。
该位的利用,需要通信双方预先做好软件上的约定。
(4)停止位:
用来表示一个字符的结束。
它被规定为逻辑1。
停止位可以是一位,1.5位,或者2位,采用一位的情况较为多见。
接收方收到停止位时,便得知一个字符接收完毕,同时为接收下一个字符做好准备,即只要再收到一位0,就是一个新的字符的起始位。
如果停止位后面不是紧接着传送下一个字符,则让线路上保持逻辑1。
2.串行通信中的数据传送方向
在同步或异步串行通信过程中,通常通信的内容(即数据或字符)是在双方之间双向传送的,只有少数的情况是只能单向传送的。
其传送方式可分为:
单工传送方式,半双工传送方式,全双工传送方式。
本设计是采用的全双工传送方式,即在同一时刻,A,B双方即能发送信息也能接收信息。
发送信息和接收信息在双方之间能够同时进行,如图3所示。
图3串行通信原理图
RS-232C接口被大量的应用,该接口的全称为EIARS-232C(其中“EIARS”意思是ElectronicsIndustroniesAssociationRecommendedStandard),实际上是串行通信接口的一种标准和规范。
它采用DB-25连接器或DB-9连接器,其中每一插针的信号功能都是标准的,对于各种信号的电平规范也是标准的,因而便于各种数字设备之间的兼容和互相连接。
RS-232C接口的信号定义如下:
表1DB-9引脚说明
DB-9脚位
信号名称
方向
含义
3
TXD
输出
数据发送端
2
RXD
输入
数据接收端
5
GND
-----
信号地
其中,只有TXD,RXD是数据通信信号,其余基本是实现控制目的的握手信号或互锁信号。
对于各种信号电平规定如下:
·数据信号逻辑1=-3~-25V(一般常用-12V)
·数据信号逻辑0=+3~+25V(一般常用+12V)
·控制信号ON=-3~-25V(一般常用-12V)
·控制信号OFF=+3~+25V(一般常用+12V)
大多数的电脑设备都具有RS-232C接口,它仅需要3根线(TXD,RXD和SG)便可以在两个数字设备之间进行全双工的传送数据。
其他的握手信号可以做适当的处理或直接悬空。
在单片机通信中经常采用的就是这种最简单的连接方式。
模拟通信的主要特征就是信号幅度的取值是连续的,也是无限的;而数字通信的主要特征则是信号幅度的取值是离散的,也是有限的。
数字信号的每一位编码(也叫码元)可以是任意进制的,不过,以二进制常见,其每个码元只有两种编码状态“0”和“1”,信号幅度也只有0V和3V两种。
在数字通信系统的主要性能指标中,衡量传输速率的指标一般有两个:
信息传输速率和符号传输速率。
信息传输速率(通常记作R)指的是,每秒传送的位数,单位是位/秒(bit/s)。
信道或线路上传输速率通常是以每秒所传送的信息量多少来衡量的。
信息论中定义信源发生信息量的度量单位是位(bit)。
一个二进制码元所包含的信息量是一位,所以信息传输速率的单位是位/秒(bit/s)。
符号传输速率(通常记作N)指的是,单位时间内传送的符号(即码元)个数,单位是波特(baud)。
也就是俗称的“波特率”的概念。
这里的码元可以是二进制的,也可以是多进制的。
在二进制通信系统中,符号传输速率N就等于信息传输速率R;而对于多进制通信系统,两者不等。
信息传输速率R和符号传输速率N的关系是:
其中,M为符号编码的进制。
(五)超声波测距的硬件设计总揽
超声波测距模块基本电路包括:
温度检测电路、超声波发射及控制电路、超声波接收及信号处理电路、显示电路、单片机及辅助电路、RS-232通信接口电路等6个部分组成。
如图4所示。
图4超声波测距模块原理示意图
二、超声波测距模块方案设计
(一)测距模块主控芯片选择
方案一:
采用51单片机,51系列单片机是现在最常用的控制MCU,也是性价比很高的单片机。
但由于内部不含CCP模块,不能完成超声波捕捉功能。
方案二:
采用PIC16F877控制外围元件及对超声波距离的计算,PIC16877内部模块多,端口资源丰富,功能强大,易于外围设计,是一般小中型控制芯片的理想选择。
方案三:
采用PIC16F877的兄弟模块PIC16F873来进行控制,既然是兄弟模块,在功能上基本上相同,唯一欠缺点是外围端口相对较少,但适用于本设计。
PIC16F873是一个4k字节可编程EPROM的高性能单片机。
它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。
PIC16F873有以下特点:
4k字节EPROM、28根I/O线、3个定时/计数器、具有3V至5V的电压工作范围。
16位宽的定时器TMR1,输入捕捉模块CCP1,AD模块等。
充分利用PIC16F873的片内资源,如TMR1,CCP1,USART模块等,即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。
综上所述,所以本设计拟选方案三。
(二)测温补偿电路方案论证确定
常用的测温补偿方法有:
热敏电阻、热电偶以及集成温度传感器(如AD590)补偿。
使用传统温度传感器,硬件电路复杂,大都输出的是模拟信号(电压或电流),不能直接送入单片机进行处理,这样就需要经过采样保持、A/D转换然后再与单片机相连,经过数据处理得出温度,这样设计的硬件电路复杂,成本也高。
在本设计中,采用了DALLAS半导体器件公司生产的一种高性能,低价格,数字化的可编程数字温度传感器芯片DS18B20来采集温度,该数字温度传感器为独特的1-Wire总线接口,全部传感元件及转换电路集成在一只形如三极管的集成电路内。
外型如图5所示。
图5DS18B20
它仅占用MCU一只引脚,具有操作简单,温度测量快,精度高等优点。
它具有微型化、低功耗,直接将测得的结果以串行数字信号输出,其中一根线接电源正极,另一根线接电源负极。
只需占用一个普通I/O线
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