摘要
作为水资源大国，合理利用水资源成为现在面临的一个严峻问题。因此，应用新技术，实时监控水库水位，有利于更好地对水资源进行调度和管理。经过近几十年的发展，水位监控系统由原来的人工目视手动监控发展到如今的基于单片机自动控制，这对于水位监控不仅是从技术上解决人工监控的误差，更有利于对水资源的合理利用和节约用水。
单片机技术越来越成熟，现如今单片机更是向着高度集成、低功耗、低价格、处理速度高等方向发展，因而越来越多的水位监控系统采用单片机来控制，这种系统具有成本低、可靠性高、易于操作、维护简单方便等特点，一般大量应用于大型的水库以及工业生产。
水位监系统的设计理念是适合大众使用，体积相对小，功能齐全，操作简单，交互界面人性化，能实现不间断的水位监控，以及对所测水位信息进行实时显示、远距离传送和高低水位上下限的报警，同时对相应的水泵电机进行相应的控制，真正实现节约水资源。
水位监控系统的设计方案,主要采用STC89C52单片机作为系统的核心控制部件，采用TLC1549采集水位信息并进行模数转换处理，利用LCD12232液晶显示水位信息，通过VB编写上位机监控程序，从而实现上位机与水位监控系统进行信息交换。
水位监控系统的硬件系统包含电源、振荡、复位、下载、键盘、显示、时钟、串行通信、模数转换、模拟水位、报警、电机等模块,利用电子绘图软件进行原理图、PCB图的绘制，并完成了硬件系统实物的制作。软件系统包含监控等各个模块的模块化程序。
通过硬、软件系统的联调、测试，该水位监控系统的功能和性能指标完全符合设计任务书的要求。据初步测算，系统成本远远低于市场所售其它同类产品，而且该系统具有应用范围广、操作简单、可靠性高等优点，具有一定的推广价值。
关键词：水位监控；单片机；串行通信；VB
ABSTRACT
Our country is a rich country of water resources, rational use of water resources has become a serious problem our country has to face. Therefore, applying new technologies to monitor reservoir’s levels in real-time is conducive to better scheduling and the management of water resources. After decades of developments, the water’s level monitoring system has developed from the original artificial manual monitoring in eyes to the today' s automatic control based on microcontroller, which is not only solve the errors of manual monitoring in technical for water level monitoring, but also more conducive to the rational use of water and the conservation of water.
SCM technology becomes more mature. And now it is developing to the direction of high integrated single-chip, low-power, low-cost, high processing speed. Thus more and more water level’s monitoring systems are using the microcontroller to control. This system is low cost, high reliability, easy operation, easy maintenance, etc..So it is generally used in large reservoirs and industrial production.
The design of water level’s monitoring system is suitable for public use.The volume is relatively small, and it’s full-featured, easy to operate, user-friendly inter face. It can achieve continuous water level’s monitoring, as well as real-time display of the measured water level information, long-distance transmission and the alarm of the lower and the higher level, while control the corresponding pump motor, in order to save water resources in real.
The design of the water level monitoring system mainly use STC89C52 microcontroller as the core of the system control unit, and use TLC1549 to gather level’s information and analog to digital conversion process, use LCD12232 LCD display water level information. According to VB for compiling monitoring program, it can achieve the information exchange between PC and water level’s monitoring system.
The hardware system of the water level’s monitoring system includes a power supply, oscillation, reset, download, keyboard, display, clock, serial communication, analog to digital conversion, analog’s level, alarms, motors and other modules. Using the electronic drawing software can draw the schematics, PCB map, and complete the
physical hardware production. Modular software system contains various modules monitoring.
Through the alignment and testing of hardware and software systems, the function and performance of the water level’s monitoring system is fully consistent with the requirements of the design specification. According to preliminary estimates, the system’s costs is far less than to other similar products in the market for sale. And the system has wide range of applications, simple operation, high reliability. It has some promotional value.
Key words water level monitoring；mcu；serial communication；vb
目录
1 绪论 (1)
1.1 课题的背景及意义 (1)
1.2 设计的主要工作 (2)
2 设计思想与方案 (3)
2.1 设计思想 (3)
2.2 设计方案 (3)
3 硬件系统的设计 (5)
3.1 主要元器件介绍 (5)
3.1.1 STC89C52单片机 (5)
3.1.2 TLC1549模数转换芯片 (5)
3.1.3 DS1302时钟芯片 (6)
3.1.4 LCD12232液晶显示屏 (7)
3.1.5 直流电机驱动模块 (8)
3.1.6 蜂鸣器 (8)
3.1.7 MAX232芯片 (9)
3.1.8 DAC8512数模转换芯片 (9)
3.1.9 WT588D语音模块 (10)
3.2 硬件单元电路的设计 (11)
3.2.1 STC89C52单片机最小系统 (11)
3.2.2 下载电路 (12)
3.2.3 键盘模块电路 (12)
3.2.4 蜂鸣器报警电路 (13)
3.2.5 液晶显示模块电路 (13)
3.2.6 DS1302时钟电路 (14)
3.2.7 数模转换模块电路 (14)
3.2.8 模拟水位及模数转换模块电路 (15)
3.2.9 通信模块电路 (15)
3.2.10 语音报警模块电路 (16)
3.2.11 LED电路 (17)
3.2.12 拨动开关电路 (17)
4 软件系统的设计 (18)
4.1 软件设计的描述 (18)
4.2 系统软件的程序设计 (18)
4.2.1 系统监控程序设计 (18)
4.2.2 键盘模块程序设计 (18)
4.2.3 液晶显示模块程序设计 (19)
4.2.4 DS1302时钟程序设计 (19)
4.2.5 报警模块程序设计 (20)
4.2.6 模数转换模块程序设计 (20)
4.2.7 通信模块程序设计 (21)
4.2.8 数模转换模块程序设计 (22)
4.2.9 语音模块程序设计 (22)
4.2.10 VB上位机设计 (23)
4.2.11 水位算法设计 (23)
5 系统调试运行及结果分析 (24)
5.1 系统使用说明 (24)
5.2 系统运行结果 (24)
5.2.1 密码输入 (24)
5.2.2 水位信息状态显示 (25)
5.2.3 当前日期显示 (25)
5.2.4 水位上下限的修改 (26)
5.2.5 报警开关 (26)
5.2.6 密码修改 (27)
5.2.7 调节水位的反映 (27)
5.2.8 上位机监控功能 (29)
5.3 设计课题的误差及缺陷分析 (32)
5.4 设计体会 (32)
结束语 (33)
参考文献 (34)
致谢 (37)
附录 (38)
附录A 元件清单 (38)
附录B 实物图 (39)
附录C 程序清单 (40)
1 绪论
1.1 课题的背景及意义
在工、农业生产中，大型的水库、水箱是工业和农业生产中重要的蓄水工具，对水位进行有效的实时监控、可靠控制直接关系到工厂生产的效率以及农业生产的质量，同时也影响其生产的安全[1]。
在以前，对水库和水箱的控制一般是基于人工进行控制的，由于人工操作存在不及时、不准确，容易造成很大测量误差，在这种情况下带来的危机，轻则影响产品的质量，重则影响人员和设备的安全。所以对于水库、水箱的控制,如果能够使用一种能自动且不间断的测量工具，能够实时反应水位信息，能根据当前水位信息自动与预设的水位进行对比分析，从而自动向运行人员提供水位超上限和超下限的声光报警，并自动控制相应的闸门或阀门电机进行蓄水和放水。这不仅提高了水位监控的安全性，实时性，更大程度提高了可靠性。
从节约水资源方面考虑，相对于传统的水位监控，由于存在自动化水平不高，集成电路应用程度不高，水位数据一般都是人工目视采集，因而产生的误差容易造成水资源的浪费。这其中的原因很大程度上是因为传统的水位监控系统没有具备对水位测量传输的实时性，导致实时水位信息没有及时反馈到控制室，不能及时告知运行值班人员，以致对闸门或阀门的电机控制有一定的误差，或延迟。从而造成水位超过最大上限时没能打开相应闸门或阀门及时放水或者当水位低于最低下限时没能及时的关闭相应的闸门或阀门进行相应的蓄水。所以对水库或水箱水位的监控引入具有操作简单、维护方便、实时反应水位信息、水位信息远距离传送、实时水位报警、并根据实时水位情况准确控制相应电机的自动化水位监控系统，已必不可少。这对于节约水资源和合理利用水资源有着不可代替的意义[2]。
随着社会的发展，科学知识不断的研究和探讨，自动化理论的完善，集成电路的迅速发展。如今水位监控出现了以单片机、PLC为核心的可靠性比较高的水位监控系统，技术上实现了自动化、智能化、远距离遥控、遥测以及无人值班的突破。通过他们可以将全国乃至全世界的水资源进行资源共享和分析，这对于水资源的保护和合理利用有着重要的意义。
从单片机诞生开始，单片机作为微机控制的核心，具有高速度、低功耗、编程方便、低价格等特点，一直大规模的应用于智能控制、远程控制、自动化程度比较高的场合，随着16位、32位甚至更高处理位数的单片机的出现，使单片机的应用场合越来越广。
毕业设计的意义在于培养学生学习、思考、动手的能力，让学生在整个过程中通过查询相关资料学习水位监控系统的有关理论知识，熟悉理论的同时要明白水位监控系统的工作原理，从而展开主要功能的实现。通过老师的指导，查询相关资料确定水位监控系统各个硬件模块的构建制作，以及完善软件系统和硬件系统。学生通过查询资料、设计方案、制作调试的过程，真正做到了理论实践相结合，这不仅对学生的学习能力、动手能力得到了相应的提高、更激发了学生自主学习、实践的兴趣。
1.2 设计的主要工作
水位监控系统设计的主要任务是：水位监控系统中硬件设计配合软件设计，即把水位监控系统所需要的各个硬件模块的设计配合软件设计，把硬件模块和软件模块进行联调，得出结果。
水位监控系统设计采用的是基于51单片机为核心，由独立电源供电模块、下载模块、液晶显示模块（采用LCD1232液晶显示器）、键盘接口模块（采用4个独立式按键键盘）、MAX232通信、DS1302时钟芯片、TLC1549模数转换、DAC8512数模转换、声光报警、直流电机控制等模块组成[3]。把所需模块通过电路连接在一起，设计其原理图、PCB图、并制作实物电路板，并利用VB编写上位机监控程序。利用KEIL单片机程序开发软件编写水位监控系统相对应的C 语言程序，并把它编译成单片机能识别的程序下载到硬件系统中进行调试，记下运行的结果[4]。
2 设计思想与方案
2.1 设计思想
为了实现水位监控系统的大众化，让节约水资源从监控、合理利用出发，根据所学的知识和自身能力对水位监控系统的进行设计。具有以下四点要求：（1）水位监控系统操作简单，能耗低，通过模拟的水位进行直观的显示。通过电位器模拟水位，其测量水位范围为0-102.3米。
（2）具有上位机通信能力，能通过电脑对系统的水位上下限制进行设置，并把水位信息传送至电脑。
（3）具有系统软件更新升级的能力。
（4）具有超高水位超低水位报警的功能。可以用电机正反转模拟闸门或阀门升降。
2.2 设计方案
随着科技的发展，水位监控系统技术也有了飞速的发展，出现了以基于单片机控制水位监控系统和基于PLC控制的水位监控系统，两者都可实时直观的显示水位状态，具有可靠性高、人机交互界面、远程通信监控等优点，在运行中可以很方便的修改水位的上下限，因而逐步取代传统的水位监控系统，成为当代最主要的水位监控系统[5]。所以有以下两种设计方案：
方案一：利用PLC对水位进行监控。PLC水位监控系统具有可靠的运行性能、不受外界波动、能耗低等特点。其方案包含电源、报警、模数转换、测量、输出、输入、按键、电机等模块，方案框图如图1所示。
图1 方案一系统框图
方案二：基于单片机的水位监控系统。硬件系统核心采用的是STC89C52单片机，系统包含电源、振荡、复位、下载、键盘（采用4位一体的独立式按键）、显示（用LCD12232液晶作为显示媒介）、时钟（DS1302产生时钟信号）、串行通信、模数转换（TLC1549模数转换芯片）、模拟水位、报警（蜂鸣器加LED灯光）、数模转换（DAC8512）、直流电机等模块[6]。以及相对应的各个模块的软件系统，并且利用VB编写上该系统的上位机程序对水位信息进行监控和控制。系统框图如图2所示。
图2 方案二系统框图
结合上面两种方案，比较PLC控制和单片机控制。PLC控制具有价格昂贵、操作复杂、维护不方便且不同品种的PLC不能通用等，一般适用于大型监控系统。单片机控制具有体积小，高度集成，编程方便，功耗低，使用简单，价格低等特点，被大量应用于大型的水库以及工农业生产中。通过分析对比，决定采用方案二对水位监控系统进行设计。
3 硬件系统的设计
3.1 主要元器件介绍
3.1.1 STC89C52单片机
水位监控系统的设计采用STC89C52单片机作为系统的核心。STC89C52单片机是STC公司生产制造的，采用PQFP封装，具有44个引脚，相比DIP封装多了四个NA引脚，具有丰富的资源，有一个8位的高性能并行处理器和一个布尔处理器，内部数据存储器（RAM）为512B字节，内部程序存储器大小达到8KB 字节，并采用电可擦除写入的FlashROM方式，方便对程序的更新。具有4个可进行8位输入输出接口，一共32位，都属于准双向口。
除此之外，STC89C52单片机在低功耗时还具有节电模式，也可对数据存储器（RAM）数据进行保存，保证了数据不易丢失。
STC89C52RC单片机的引脚图如图3所示。
图3 STC89C52单片机引脚图
3.1.2 TLC1549模数转换芯片
TLC1549模数转换芯片是美国德州仪器生产的一款高精度高速度的AD转换器。
TLC1549抗干扰，抗噪声的能力强，对于转换的数字信号数据能准确反映模拟信号。根据不同引脚分布的功能，TLC1549还能通过三总线传输的方式和单片机进行串行数据交换[7]。
其主要管脚功能如下：
REF+：引脚的功能是为转换提供正参考电压的接入端，也就是进行模数转换所需的参考电压值接在此管脚，通常把电源VCC端接到此处。通过和REF-引脚相配合对输入的模拟电压最高值，最低值进行设定。当输入的模拟电压大于或等于正参考值时，数字信号输出即为所能转换的最大值。当输入的模拟电压小于或等于负参考值时，其数字信号输出就为0。
ERF-：转换所需负参考电压的输入管脚。通常把地接至此管脚。
ANALOG IN：为模拟信号的输入口，需要把要测的模拟信号接入该引脚。
CS：为芯片的片选信号，一般为低电平有效。
I/O CLOCK：TLC1549的输入输出所需的时钟接口。
DATA OUT：转换后的数字信号输出接口。它的输出是基于CS的电平状态，当CS为高电平时是没有数字信号输出；当CS为低电平时输出的才是转换后的有效数字信号。
VCC：为转换芯片提供正电源电压。
GND：接地，一般不做特殊要求，全部的地都应接在此管脚。
TLC1549芯片的管脚图如图4所示。
图4 TLC1549管脚图
3.1.3 DS1302时钟芯片
产生时间的方法有很多，其中可以直接用单片机中的内部定时器计时。但应用单片机内部定时器来产生实时时钟，这无疑是对单片机资源的一种浪费，而且还将影响水位监控系统的其他主要功能，因而采用时钟芯片进行实时计时。
DS1302芯片作为一款时钟芯片，是由DALLAS公司设计并生产的一种能够使用涓流对电池充电的一款新型时钟芯片，DS1302时钟芯片里面包含一个具有实时计时的时钟、日历和具有能存储31字节的静态数据存储器RAM，通过集成技术把它们集成在芯片内部[8]。
DS1302具有显示实时时间信息和对实时时间进行处理的功能。比如要把24/12小时制的实时时钟进行调整，以及对其年、月、日、星期等数据的调整，