水位与降雨量监测系统的研究

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［摘 要］为解决防洪中水位和降雨量人工监测存在的操作不安全、数据不准确和实时性不强等问题,我们设计了单片机控制的水位与降雨量监测系统。该系统以单片机为控制核心,采用了较好的系统软件与硬件。利用该系统,可实现江河、湖泊与水库水位及降雨量信息的自动采集和处理。

［关键词］单片机；水位；降雨量；监测

［中图分类号］TP277 ［文献标识码］A ［文章编号］1005-6432（2011）31-0136-03

由于我国的水灾频频发生,因此必须监测江河、湖泊与水库等的水位及这些区域的降雨量。这种监测不但可为预防水灾、及时进行防汛决策提供大量可靠的数据和资料,同时还可为防洪抢险救灾和保护人民生命财产安全发挥重要作用。目前,国内许多水文站监测水位和降雨量仍采用人工方法。该方法不但存在测量的人身安全问题,而且还存在数据测量难准确、监测实时性不强等问题。为了实时准确监测水位及降雨量,我们设计了一套单片机控制的水位与降雨量监测系统。该系统以单片机为控制核心,采用了较好的系统软件与硬件。利用该系统,可以实现江河、湖泊及水库等水位和该区域降雨量的有效监测。

1 系统功能

由于单片机控制水位与降雨量监测系统是用于江河、湖泊及水库水位和该区域降雨量的监测,因此这个系统应具有如下功能：

1.1 水位自动检测功能

该系统能自动检测江河、湖泊及水库等水位。水位检测范围为0~100m,误差≤10m。

1.2 降雨量自动检测功能

该系统能自动检测江河、湖泊及水库等区域的降雨量。降雨量测量范围为0~500m,误差≤1m。

1.3 自动报警、数据处理、显示及打印功能

当水位、降雨量达警戒线时,该系统能自动进行声、光报警。能自动记录水位及降雨量数据,并可利用自己的数据处理软件实时进行数据处理。能自动显示与打印指定时间段的水位、降雨量报表等。该系统的显示器件采用液晶显示屏。

1.4 通信功能

该系统通过RS232通信协议进行内部数据传送,它可与其他水文信息监测系统进行联网运行。

2 系统总体结构及工作原理

系统总体结构如图1所示。系统主要由数据采集器、数据传送器、数据处理部分等组成。该系统是一种单片机集散控制系统。图中的数据采集器主要担负水位和降雨量信息的采集任务,并将采集的信息实时传送数据传送器中。数据传送器接收信息后,无线发送信息至采集点主机,再由该主机进行分析和处理。由于采集点主机通过RS-232C接口与Modem相连,Modem又接入公用电话网(PSTN),因此该主机处理后的信息又可通过PSTN以数据包的形式发送到数据处理中心。

3 数据采集器

3.1 数据采集器硬件

数据采集器由80C51单片机、通信电路、复位及“看门狗”电路、时钟电路、A/D转换器电路等组成。其组成方框图如图2所示。由于数据采集器被置于水下,因此它不宜自带电源。其电源由位于水面上的数据传送器提供。水位传感器与降雨量传感器的原理和结构都有所不同,但本文不作详细介绍。微处理器监控芯片采用ADM692。时钟芯片采用S―3530。时钟芯片每5分钟输出一个中断信号,请求CPU进行数据采样和转换。A/D转换器芯片采用AD0809,其分辨率为8位,其逐次逼近的转换时间为100uS。

3.2 数据采集器软体

为提高水位和降雨量采样信号的真实度,本系统利用程序对外部干扰进行数字滤波。即利用程序将采样信号进行加工处理,去除或削弱干扰的影响。由于测量水位时江河、湖泊及水库波浪冲击可能引起采样信号产生瞬时、幅值较大的脉冲干扰。这种干扰一旦出现在采样时刻,则破坏系统的正常工作,因此数据采集器必须对采样信号进行滤波。数据采集器采用中值滤波法。即对水位或降雨量信息在每5分钟连续采样5次,然后将采样值从小到大排队,再取中间值为真实信号。在软件设计时,为防止干扰,系统软件的程序中安排了“冗余指令”和“软件陷阱”,同时还考虑到万一程序“弹飞”,应能让其自动复位到正常状态而设置了“看门狗”。“看门狗”溢出周期为1.6s,复位时间为50ms。

4 数据传送器

4.1 数据传送器硬件

数据传送器接收数据采集器传送的水位或降雨量信号,并采用无线发送方式将此信号传送给采集点主机。数据传送器硬件组成方框图如图3所示。图中,微处理器监控芯片采用ADM695。无线发射模块采用微型远程无线发送组件CSJ―TGN 150,最大发射距离1500m、工作频率351MHZ,最大功耗500mW。由于电源需同时为数据采集器和数据传送器供电,因此需具备电源监控和后备电池切换功能,而这种功能可由微处理器监控芯片ADM695自身电路来实现。由于电池切换电路所能提供的100mA的输出电流不能满足用电量要求,所以硬动三极管来获得更大的输出电流。

4.2 数据传送器软件

数据传送器抗干扰措施与上述数据采集器基本相同。它除设置“冗余指令”、“软件陷阱”和“看门狗”外,还采用中值方法进行数字滤波。为减少发射功率消耗,降低电源的能源负担,数据传送器采用间歇工作策略,即每5分钟发射一次信号。也就是单片机的每次的“休眠”时间为5分钟。在休眠状态下,ADM695中CPU的主要任务是等待串行口发出的中断请求信号,一旦出现这种信号,CPU便响应这个请求,并顺序执行启动“看门狗”、接收数据、中值滤波和发送数据等程序。数据传送器主程序流程图如图4所示。图中“看门狗”的溢出周期为1.6s,复位时间为50ms。

5 采集点主机

5.1 采集点主机硬件

采集点主机完成水位和降雨量数据处理任务。处理内容包括数据的分析、显示、打印、报警等。同时还通过公用电话网(PSIN)将数据发送到数据处理中心。采集点主机的微处理器监控芯片采用ADM695,其看门狗溢出周期为1.6s,复位时间为50ms。由于该芯片具有电源监控和后备电池切换等功能,因此它为采集点主机提供了完备的监控体系。数据存储器采用CAT24WC64。其特点：宽工作电压(2.7-6V)、有擦写安全保护措施,从而可提高数据的安全性和可靠性。数据存储器存储空间可按存储一天的数据分配1K空间,按最大存储2月(62天)的数据总共分配62K空间,其地址为2~64K。此时已将前2K作为备用空间。数据存储管理采用段页式,即每8K为一段,并在存储器开辟一段空间放置段内基址表,通过查表获得段内基址。采集点主机打印机选用PP40型,它具有体积小、价格低、可靠性高等特点,能较好地满足本系统的要求。液晶显示模块采用日本东芝公司生产的DMF5005N液晶显示屏。它具有体积小、重量轻、低电压和低功耗等特点。键盘采用4×4键,键盘接口选用zlg7289A。无线接收模块采用微型远程无线接收组件CSJ―R3,其最大接收距离为1500m、工作频率为351MHz,最大功耗为500mW。时钟芯片采用X1203,它具有日历和定时信号输出功能。

5.2 采集点主机软件

采集点主机主程序较为简单,它主要采用中断工作方式。如单片机CPU响应显示时间中断请求时,它便调用显示子程序来实时显示时间、水位与降雨量情况。CPU响应串行口的输入中断请示时,它便调用数据接收子程序。CPU响应键盘中断请求时,它便调用键盘子程序。其他子程序调用情况如图5的采集点主机主程序流程图所示。

6 结 论

本文所介绍的水位与降雨量监测系统经实验室调试成功,且经水库实地运行效果良好。

参考文献：

［1］何立民.单片机应用技术选编［M］.北京：北京航空航天出版社,1997.

［2］ 郭敬枢.微机控制技术［M］.重庆：重庆大学出版社,1994.

［3］ 万福君.单片微机原理、系统设计与开发应用［M］.合肥：中国科学技术大学出版社,1994.