模擬水庫監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計開題報告剖析.doc

西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文)開題報告題目：模擬水庫監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計系 別 電子信息系 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 B130305 姓 名 楊源博 學 號 B11030925 導 師 焦靈俠 2016年12月22日開題報告填寫要求1開題報告作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成。2開題報告內(nèi)容必須按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）填寫并打?。ń勾蛴≡谄渌埳虾蠹糍N），完成后應及時交給指導教師審閱。3開題報告字數(shù)應在1500字以上，參考文獻應不少于15篇（不包括辭典、手冊，其中外文文獻至少3篇），文中引用參考文獻處應標出文獻序號，“參考文獻”應按附件中參考文獻“注釋格式”的要求書寫。4 年、月、日的日期一律用阿拉伯數(shù)字書寫，例：“2008年11月26日”。14參考文獻1 中國水力資源概述，中國農(nóng)村水電及電氣化信息網(wǎng)，2002.9.22 2 國外小水電的新近發(fā)展，中國農(nóng)村水電及電氣化信息網(wǎng) 3 大壩安全監(jiān)測自動化網(wǎng)絡系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，北京木聯(lián)能工程科技有限公司4 蔡曉峰，SWK2000 閘門控制系統(tǒng)，水電自動化與大壩監(jiān)測，2002.4，2628 5 段波、范鍇，三峽永久船閘控制系統(tǒng)研究，水利水電快報，2002.4，33356 樊玉林，十三陵蓄能電廠上池事故閘門控制系統(tǒng)改造，水電自動化與大壩監(jiān)測，2003.1，3235 7 何立民，單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術，北京：北京航空航天大學出版社1990 8 黃世年，水輪發(fā)電機單片微機自動監(jiān)控系統(tǒng)的研究，西北農(nóng)業(yè)大學 1998 屆碩士學位論文9 賴壽宏，微型計算機控制技術，北京：機械工業(yè)出版社，2003.1 10 李賓、楊光鎮(zhèn)，淺談 SCADA 系統(tǒng)的安全管理，水利水文自動化，2003.3，1315 11 李華，MCS51 系列單片機實用接口技術，北京：北京航空航天大學出版社，1993 12 李立秋，天荒坪抽水蓄能電站閘門系統(tǒng)介紹，水電站機電技術，2002.2，710 13彭兵，單片機在中、小水電站閘門監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，西北農(nóng)林科技大學，2004 屆碩士學位論文14樂嘉萍，水電廠自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，浙江工業(yè)大學，2012屆碩士學位論文15 陳忠孝，單片機原理及應用，2011.11,2142一、課題研究綜述1、課題研究的背景水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)研究是一門集計算機學科、網(wǎng)絡通訊、控制學科及數(shù)學和信息學科為整體的綜合型技術，它需要對水壩安全監(jiān)控儀器的選型、布局、數(shù)據(jù)采集、傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和分析以及相應的網(wǎng)絡設計、通訊設計等內(nèi)容進行深入的研究和科學規(guī)劃整理。系統(tǒng)通過合理布置水庫大壩的監(jiān)控設備和數(shù)據(jù)采集裝置，可以獲取可靠的水庫大壩監(jiān)控的參數(shù)。通過科學的分析和處理原有的監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠在線監(jiān)測出水庫大壩的異常情況，并及時發(fā)現(xiàn)水庫大壩的安全隱患，迅速的做出準確的補救措施。最后根據(jù)水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的工作情況，進一步提出水壩的安全監(jiān)控的辦法。因此，建立一套完善的水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)對社會有很高的實際價值，同時也給學術上很高的應用價值。2、課題研究的目的和意義中國經(jīng)過近60年的發(fā)展，在水庫大壩建設方面己經(jīng)取得了巨大成就，據(jù)我國國家水利部門介紹，我國水庫大壩建設數(shù)量和庫容量位居世界第一，這些水壩還有防洪、發(fā)電、灌概等很多功能，國家建設的水現(xiàn)有8.7萬座，庫容量有6924億立方米水庫大壩的建設給國民經(jīng)濟的發(fā)展帶來了巨大的作用，這樣就更為有效的利用水資源。隨著水庫大壩理論和技術的不斷發(fā)展和完善，在國家投入水利資源開發(fā)力度不斷加大對西部大開發(fā)、西電東送等形式和政策的推動下，水壩的規(guī)模向著更高、更大的方面發(fā)展，如今我國已建成的錦屏一級的壩高305米、溪洛渡278米及在建的小灣（云南）292米等。水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展不僅可以促進人們生活水平的提高和社會環(huán)境的穩(wěn)定，還可以促進國民經(jīng)濟的發(fā)展。近年來一些水庫大壩在常年的嚴寒酷暑侵蝕下，在暴風雨的沖擊下，隨著時間推移，大壩運行的年限增長、材料的老化，裂縫等問題將會產(chǎn)生很大的隱患甚至導致大壩饋決就像二灘水電站泄洪洞被毀，在雅若江下游，幸好被發(fā)現(xiàn)的及時，如果任其發(fā)展，二灘水電站工程將受到嚴重威脅。研究水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)就是系統(tǒng)的選擇水庫大壩的安全監(jiān)控儀器和數(shù)據(jù)采集裝置，大力發(fā)揮水庫大壩的各種運行數(shù)據(jù)，從高級的數(shù)學、人工智能儀器及力學方面，憑借現(xiàn)代的計算機技術，科學分析原有的監(jiān)控數(shù)據(jù)并及時作出分析，盡快的對水庫大壩的運行狀況給出建議。近些年來，國家和政府的水利部門加大投資力度，摸底調研工作做的很扎實，使水庫大壩安全監(jiān)控理論和方法都有了高度發(fā)展，也取得了很好的成果，為安全管理提供了技術支持。水庫大壩安全是影響國民經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分之一，大壩安全監(jiān)控管理系統(tǒng)也是國家的重要需求，但是開發(fā)一套全面性的水庫大壩監(jiān)控系統(tǒng)有很大的困難。隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)的增多，傳統(tǒng)的技術靠大量工作人員去做數(shù)據(jù)處理和分析，有太多的困難和障礙，效率低，鑒于數(shù)據(jù)的繁多，需要大量的人力和物力去處理數(shù)據(jù)，所以根據(jù)現(xiàn)代社會需求開發(fā)了一套自動化的水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)。因為建設一套大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)有著重要意義。首先，系統(tǒng)可以為大壩正常運行的狀況提供真實數(shù)據(jù)，并對其安全隱患提出報警，從而更能對大現(xiàn)有針對性的進行隱患管理，改善安全運行條件，其次，這種自動化監(jiān)控系統(tǒng)操作簡單，數(shù)據(jù)及時有效，避免了傳統(tǒng)檢測手段的復雜操作、人為主及檔案管理繁瑣，最后，系統(tǒng)可以預測大壩潰堤時的災害事故，相關部門也能夠保證保護上下游居民的安置，并報告給相關人員做好物資準備。3、國內(nèi)外研究狀況3.1、國外研究狀況水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)在國外處于領先的地位，但由于每個國家的技術不相同，并且目前對水庫大壩安全監(jiān)測的數(shù)據(jù)還不能做整體的處理，就目前國外來說，美國、日本、俄羅斯在這方面領先，他們的系統(tǒng)完善，通訊方式多樣化并且十分先進，使用了可靠性很強的測量設備和購買了精度很高的分析預報設備。對美國來說，一直以衛(wèi)星為平臺，通過各種通訊方式來監(jiān)控水庫大壩的安全，這種方式通過衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對大量的數(shù)據(jù)處理，因此這種監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的集中化性能和綜合性能。同時有些水庫大壩監(jiān)控系統(tǒng)采用常規(guī)的集成電路或繼電器來代替使用計算機，這樣也實現(xiàn)了無人值守，例如萊茵河梯級電站和羅納河。3.2、國內(nèi)研究狀況我國的經(jīng)濟發(fā)展相對國外的水平要慢，計算機技術很落后于發(fā)達國家的水平，像水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的全套設備的數(shù)據(jù)資料并不是很全面，由于國家的長期努力和科學技術攻關，開展了大量的工作，這樣才使我國水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)遍布在全國各省、自治區(qū)和直轄市。這十幾年，我國也已建成有計算機監(jiān)控的大壩已達上千處，例如國內(nèi)第一最高現(xiàn)305米錦屏一級、云南的小灣292米等。由于我國這幾十年的研究和探索在水庫安全監(jiān)控系統(tǒng)方面有了很大的突破，盡管能自行研發(fā)出一些設備，但總體結構質量還相差甚遠，有兩個因素較為明顯，第一，國內(nèi)的水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)還不能實現(xiàn)遠距離控制和無線通訊技術控制，不能利用網(wǎng)絡技術快速的做出響應，很大一部分依賴人為去處理、分析數(shù)據(jù)，這樣導致效率很低。第二，國內(nèi)的水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和傳感器采集設備還不夠先進，達不到對水庫大壩的數(shù)據(jù)的準確、快速和實時傳輸數(shù)據(jù)。因此我國要抓緊技術研究，快速提高水庫大壩的安全監(jiān)控技術。二、本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施1、研究的主要內(nèi)容該模擬水庫監(jiān)控系統(tǒng)要求對水庫的水位，流量等參數(shù)進行遠程實時監(jiān)測，能控制閥門開關，調節(jié)水位的高度，保證水庫的安全。在下位端利用單片機將傳感器采集的水庫信息進行處理，將處理好的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳送到上位機端，在上位機上可以清楚地觀察水庫的實時情況。上位機對信息進行監(jiān)測分析，并將分析后的信息反饋回到下位端，通過單片機控制步進電機正反轉，模擬閥門開關，來控制水庫水位和流量，保證水庫的安全。能夠利用自動控制、計算機網(wǎng)絡和無線通訊新技術來構成無線監(jiān)測系統(tǒng)，采用無線模塊來進行無線傳送，具有實時信息自動采集、傳輸、無線監(jiān)控、遠程數(shù)據(jù)和圖像傳輸、信息、查詢等功能，可實時監(jiān)控管理區(qū)水庫的情況。該系統(tǒng)信息傳遞速度快，結構簡單，全面實現(xiàn)了水文監(jiān)測自動化。2、本課題擬采用的研究方案2.1設計水庫大現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構，并對相應的系統(tǒng)模塊功能和工作原理做分析。STC89C52單片機A/D轉換2.2設計水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分。系統(tǒng)硬件部分主要由下端信息采集傳感器、無線傳輸模塊、A/D轉換，單片機控制系統(tǒng)等模塊組成，進一步設計系統(tǒng)通訊組網(wǎng)的工作方式。數(shù)據(jù)傳輸控制信號步進電機傳感器采集信息信號傳輸發(fā)送CC1100無線模塊接收STC89C52單片機CC1100無線模塊報警顯示系統(tǒng)控制信號數(shù)據(jù)傳送PC上位機2.3硬件選擇對于水庫監(jiān)控系統(tǒng)需要有一定的了解，明確自己設計需要實現(xiàn)的功能并確定自己的研究方案，在本課題的研究中對于該系統(tǒng)需要先確定一個主控部分。主控部分使用的單片機為STC89C52。然后確定傳感器、報警顯示系統(tǒng)以及步進電機的選擇，因為測量水庫的水位、流量因此選用水流傳感器和超聲波傳感器進行數(shù)據(jù)采集，對于無線傳輸模塊我們選擇CC1100無線傳輸模塊。2.3.1 STC89C52處理器STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。引腳圖如下所示2.3.2超聲波傳感器 超聲波傳感器包括發(fā)送和接收兩部分，電路圖介紹如下： 圖2.8 超聲波發(fā)送電路由三個NPN三極管構成差動放大電路，其放大倍數(shù)由電阻R7，R8和R9等電阻決定，所采集的信號波從J6口輸入，經(jīng)由NPN管級數(shù)放大，在消除共模干擾后，從J6口發(fā)送出去。 圖2.9 超聲波接收電路超聲波換接收電路所接收到的從發(fā)送端傳來的微弱信號，要經(jīng)過LM358芯片進行放大，使得所采集的信號足夠大，然后通過J2口送到單片機上，信號經(jīng)AT89S52單片機處理后，由數(shù)碼管顯示出來。 2.3.3 TLC549 A/D轉換器(1) TLC549的原理 如圖2.11，作為數(shù)據(jù)采集芯片，TLC549均有片內(nèi)系統(tǒng)時鐘，該時鐘與I/OCLOCK是獨立工作的，無須特殊的速度或相位匹配。當CS為高時，數(shù)據(jù)輸出(DATAOUT)端處于高阻狀態(tài)，此時I/OCLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時使用多片TLC549時，共用I/OCLOCK，以減少多路(片)A/D并用時的I/O控制端口。TLC549可方便地與具有串行外圍接口(SPI)的單片機或微處理器配合使用，應用接口及采樣程序。該芯片有一個模擬輸入端口，3態(tài)的數(shù)據(jù)串行輸出接口可以方便地和微處理器或外圍設備連接。TLC549僅僅使用輸入輸出時鐘（I/CLOCK）和芯片選擇（CS）,就能夠正常啟動。圖2.11 TLC549 A/D轉換器(2) TLC549的特點表2.4 TLC549基本特性CMOS技術低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8位轉換結果電池供電系統(tǒng)與微處理器或外圍設備接口工業(yè)控制差分基準電壓輸入工廠自動化系統(tǒng)等轉換時間：最大17us每秒訪問和轉換次數(shù)：達到40000片上軟件控制采樣和保持功能全部非校準誤差：0.5LSB寬電壓供電：36V 封裝及引腳低功耗：最大15mW5V供電時輸入范圍：05V 輸入輸出完全兼容TTL和CMOS電路全部非校準誤差：1LSB工作溫度范圍：070（TLC549）; -4085（TLC549I）TLC549片型小，采樣速度快，功耗低，控制簡單。適用于低功耗的袖珍儀器上的單路A/D或多路并聯(lián)采樣。2.3.4 七段數(shù)碼管LED數(shù)碼管多段發(fā)光二極管組成，其形狀有7段8字形的、14段米字形等。根據(jù)接法不同又可分為共陰極和共陽極兩類。每一段由一個引腳控制，根據(jù)要求，對各個引腳加上不同的電壓，使其顯示需要的數(shù)字或字符。如果是一個共陰極數(shù)碼管，則要顯示0時就要給a、b、c、d、e、f、g七只發(fā)光二極管加高電平，給g管加低電平，十六進制數(shù)為7E。從09的十六進制顯示碼分別為3F，06，5B，4F，66，6D，7D，07，7F，6F。在該單片機系統(tǒng)中，使用了LED數(shù)碼顯示器來顯示采集到的水庫水位和流量。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長的特點，因此使用非常廣泛。八段LED顯示器由8個發(fā)光二極管組成?；?個長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個點形的發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，它能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。LED顯示器有兩種不同的形式：一種是8個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED顯示器；另一種是8個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED顯示器。如2.5.4圖所示。本系統(tǒng)中使用了一塊四位七段數(shù)碼管。 圖2.13 數(shù)碼管原理圖2.3.5 報警系統(tǒng)實現(xiàn)單頻音報警的接口電路比較簡單，其發(fā)音元件通?？刹捎脡弘姺澍Q器，這種蜂鳴器只需在其兩引線上加3-15V的直流電壓，就能產(chǎn)生3KHz左右的蜂鳴振蕩音響，比電研式蜂鳴器結構簡單，耗電少，且更適應于在單片機系統(tǒng)中應用。壓電式蜂鳴器，約需10mA的驅動電流。因此，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅動，也可以使用一個晶體三極管驅動。報警程序設計如圖所示：判別是否觸發(fā)報警信號ST89C52單片機不報警 N報警 Y2.3.6步進電機(1) 步進電機的概念步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。(2) 步進電機的一些特點： 一般步進電機的精度為步進角的3-5%,且不累積; 步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點。 步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。 (3) 步進電機控制原理 步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應式步進電機（簡稱VR）、永磁式步進電機（簡稱PM）和混合式步進電機（簡稱HB）。 步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。 步進電機的驅動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下： 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-CD,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。 控制步進電機的轉向。如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。 控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。但脈沖形式的電機控制，使控制端容易受到干擾，所以必須在電機驅動電路中加入光耦電路來減少干擾。電機的正反轉是由單片機來控制的。當單片機的一個口發(fā)出1或者0的時候來決定正反轉，也可以兩個口來決定。電機的啟動我們選擇用LM298。本文中，主要應用到步進電機的換相功能，通過單片機控制步進電機正反轉動，來模擬實現(xiàn)閥門的開/關。2.3.7 LM298芯片LM298是四路輸出的電機驅動芯片，每路大概500毫安，其本身有壓降，隨輸出電流的變化而變化。它可以同時控制兩個直流電機，可以驅動一個步進電機。LM298的管腳我們已經(jīng)知道，它的作用是控制電機的正反轉和驅動電機。下位端單片機與LM298連接(管腳如下圖)，但電機脈沖會對下位機產(chǎn)生很強的干擾，所以必須在單片機和LM298之間加上一個光耦電路來隔離，減少干擾影響。本系統(tǒng)只用到LM298的部分功能。圖2.14 LM298驅動芯片2.3.8 無線傳輸模塊CC1100無線模塊接口電路圖2.2 CC1100無線模塊的接口電路圖CC1100 單片無線收發(fā)器工作在433/868/915MHZ 的ISM 頻段由一個完全集成的頻率調制器一個帶解調器的接收器一個功率放大器一個晶體震蕩器和一個調節(jié)器組成。工作特點是自動產(chǎn)生前導碼 和 CRC 可以很容易通過SPI 接口進行編程配置，電流消耗低。 表2.1 CC1100接口電路的引腳特性引腳編號 引腳名 引腳類型 描述 1,2 VCC 電源輸入 1.9V-3.6V之間 3 SI 數(shù)字輸入 連續(xù)配置接口，數(shù)據(jù)輸入 4 SCLK 數(shù)字輸入 連續(xù)配置接口，時鐘輸入 5 SO(GD01) 數(shù)字輸出 連續(xù)配置接口，數(shù)據(jù)輸出 當CSn為高時為可選的一般輸出腳 6 GDO2 數(shù)字輸出 一般用途的數(shù)字輸出腳：測試信號，F(xiàn)IFO狀態(tài)信號，時鐘輸出，從XOSC向下分割連續(xù)輸入TX數(shù)據(jù) 7 CSn 數(shù)字輸入 連續(xù)配置接口，芯片選擇 8 GDO0 一般用途的數(shù)字輸出腳：測試信號FIFO狀態(tài)信號時鐘輸出，從OSC向下分割連續(xù)輸入TX數(shù)據(jù)9,10 GND 地(模擬) 模擬接地 在本系統(tǒng)中，采用的CC1100無線模塊的工作電壓是3.3V,頻率波段為300-348 MHz、400-464 MHz和800-92