模拟水库监控系统的硬件设计开题报告剖析

西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题汇报题目：模拟水库监控系统硬件设计系 别 电子信息系 专 业 电气工程及其自动化 班 级 B130305 姓 名 杨源博 学 号 B 导 师 焦灵侠 12月22日开题汇报填写规定1开题汇报作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查根据材料之一。此汇报应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完毕。2开题汇报内容必须按教务处统一设计电子文档原则格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（严禁打印在其他纸上后剪贴），完毕后应及时交给指导教师审阅。3开题汇报字数应在1500字以上，参照文献应不少于15篇（不包括辞典、手册，其中外文文献至少3篇），文中引用参照文献处应标出文献序号，“参照文献”应按附件中参照文献“注释格式”规定书写。4 年、月、日日期一律用阿拉伯数字书写，例：“11月26日”。参照文献1 中国水力资源概述，中国农村水电及电气化信息网，.9.22 2 国外小水电新近发展，中国农村水电及电气化信息网 3 大坝安全监测自动化网络系统现实状况及发展趋势，北京木联能工程科技有限企业4 蔡晓峰，SWK 闸门控制系统，水电自动化与大坝监测，.4，2628 5 段波、范锴，三峡永久船闸控制系统研究，水利水电快报，.4，33356 樊玉林，十三陵蓄能电厂上池事故闸门控制系统改造，水电自动化与大坝监测，.1，3235 7 何立民，单片机应用系统设计系统配置与接口技术，北京：北京航空航天大学出版社1990 8 黄世年，水轮发电机单片微机自动监控系统研究，西北农业大学 1998 届硕士学位论文9 赖寿宏，微型计算机控制技术，北京：机械工业出版社，.1 10 李宾、杨光镇，浅谈 SCADA 系统安全管理，水利水文自动化，.3，1315 11 李华，MCS51 系列单片机实用接口技术，北京：北京航空航天大学出版社，1993 12 李立秋，天荒坪抽水蓄能电站闸门系统简介，水电站机电技术，.2，710 13彭兵，单片机在中、小水电站闸门监控系统中应用，西北农林科技大学， 届硕士学位论文14乐嘉萍，水电厂自动监控系统设计与实现，浙江工业大学，硕士学位论文15 陈忠孝，单片机原理及应用，.11,2142一、课题研究综述1、课题研究背景水库大坝安全监控系统研究是一门集计算机学科、网络通讯、控制学科及数学和信息学科为整体综合型技术，它需要对水坝安全监控仪器选型、布局、数据采集、传播数据、数据处理和分析以及对应网络设计、通讯设计等内容进行深入研究和科学规划整顿。系统通过合理布置水库大坝监控设备和数据采集装置，可以获取可靠水库大坝监控参数。通过科学分析和处理原有监测数据，可以在线监测出水库大坝异常状况，并及时发现水库大坝安全隐患，迅速做出精确补救措施。最终根据水库大坝安全监控系统工作状况，深入提出水坝安全监控措施。因此，建立一套完善水库大坝安全监控系统对社会有很高实际价值，同步也给学术上很高应用价值。2、课题研究目和意义中国通过近60年发展，在水库大坝建设方面己经获得了巨大成就，据我国国家水利部门简介，我国水库大坝建设数量和库容量位居世界第一，这些水坝尚有防洪、发电、灌概等诸多功能，国家建设水既有8.7万座，库容量有6924亿立方米水库大坝建设给国民经济发展带来了巨大作用，这样就更为有效运用水资源。伴随水库大坝理论和技术不停发展和完善，在国家投入水利资源开发力度不停加大对西部大开发、西电东送等形式和政策推进下，水坝规模向着更高、更大方面发展，如今我国已建成锦屏一级坝高305米、溪洛渡278米及在建小湾（云南）292米等。水库大坝安全监控系统发展不仅可以增进人们生活水平提高和社会环境稳定，还可以增进国民经济发展。近年来某些水库大坝在常年寒冷酷暑侵蚀下，在暴风雨冲击下，伴随时间推移，大坝运行年限增长、材料老化，裂缝等问题将会产生很大隐患甚至导致大坝馈决就像二滩水电站泄洪洞被毁，在雅若江下游，幸好被发现及时，假如任其发展，二滩水电站工程将受到严重威胁。研究水库大坝安全监控系统就是系统选择水库大坝安全监控仪器和数据采集装置，大力发挥水库大坝多种运行数据，从高级数学、人工智能仪器及力学方面，凭借现代计算机技术，科学分析原有监控数据并及时作出分析，尽快对水库大坝运行状况给出提议。近些年来，国家和政府水利部门加大投资力度，摸底调研工作做很扎实，使水库大坝安全监控理论和措施均有了高度发展，也获得了很好成果，为安全管理提供了技术支持。水库大坝安全是影响国民经济发展重要构成部分之一，大坝安全监控管理系统也是国家重要需求，不过开发一套全面性水库大坝监控系统有很大困难。伴随监测数据增多，老式技术靠大量工作人员去做数据处理和分析，有太多困难和障碍，效率低，鉴于数据繁多，需要大量人力和物力去处理数据，因此根据现代社会需求开发了一套自动化水库大坝安全监控系统。由于建设一套大坝安全监控系统有着重要意义。首先，系统可认为大坝正常运行状况提供真实数据，并对其安全隐患提出报警，从而更能对大既有针对性进行隐患管理，改善安全运行条件，另一方面，这种自动化监控系统操作简朴，数据及时有效，防止了老式检测手段复杂操作、人为主及档案管理繁琐，最终，系统可以预测大坝溃堤时灾害事故，有关部门也可以保证保护上下游居民安顿，并汇报给有关人员做好物资准备。3、国内外研究状况3.1、国外研究状况水库大坝安全监控系统在国外处在领先地位，但由于每个国家技术不相似，并且目前对水库大坝安全监测数据还不能做整体处理，就目前国外来说，美国、日本、俄罗斯在这方面领先，他们系统完善，通讯方式多样化并且十分先进，使用了可靠性很强测量设备和购置了精度很高分析预报设备。对美国来说，一直以卫星为平台，通过多种通讯方式来监控水库大坝安全，这种方式通过卫星传播数据，并实现对大量数据处理，因此这种监控系统具有较高集中化性能和综合性能。同步有些水库大坝监控系统采用常规集成电路或继电器来替代使用计算机，这样也实现了无人值守，例如莱茵河梯级电站和罗纳河。3.2、国内研究状况我国经济发展相对国外水平要慢，计算机技术很落后于发达国家水平，像水库大坝安全监控系统全套设备数据资料并不是很全面，由于国家长期努力和科学技术攻关，开展了大量工作，这样才使我国水库大坝安全监控系统遍及在全国各省、自治区和直辖市。这十几年，我国也已建成有计算机监控大坝已达上千处，例如国内第一最高现305米锦屏一级、云南小湾292米等。由于我国这几十年研究和探索在水库安全监控系统方面有了很大突破，尽管能自行研发出某些设备，但总体构造质量还相差甚远，有两个原因较为明显，第一，国内水库大坝安全监控系统还不能实现远距离控制和无线通讯技术控制，不能运用网络技术迅速做出响应，很大一部分依赖人为去处理、分析数据，这样导致效率很低。第二，国内水库大坝安全监控系统硬件系统和传感器采集设备还不够先进，达不到对水库大坝数据精确、迅速和实时传播数据。因此我国要抓紧技术研究，迅速提高水库大坝安全监控技术。二、本课题研究重要内容和拟采用研究方案、研究措施或措施1、研究重要内容该模拟水库监控系统规定对水库水位，流量等参数进行远程实时监测，能控制阀门开关，调整水位高度，保证水库安全。在下位端运用单片机将传感器采集水库信息进行处理，将处理好数据通过无线传播模块传送到上位机端，在上位机上可以清晰地观测水库实时状况。上位机对信息进行监测分析，并将分析后信息反馈回到下位端，通过单片机控制步进电机正反转，模拟阀门开关，来控制水库水位和流量，保证水库安全。可以运用自动控制、计算机网络和无线通讯新技术来构成无线监测系统，采用无线模块来进行无线传送，具有实时信息自动采集、传播、无线监控、远程数据和图像传播、信息、查询等功能，可实时监控管理区水库状况。该系统信息传递速度快，构造简朴，全面实现了水文监测自动化。2、本课题拟采用研究方案2.1设计水库大现安全监控系统总体构造，并对对应系统模块功能和工作原理做分析。STC89C52单片机A/D转换2.2设计水库大坝安全监控系统硬件部分。系统硬件部分重要由下端信息采集传感器、无线传播模块、A/D转换，单片机控制系统等模块构成，深入设计系统通讯组网工作方式。数据传播控制信号步进电机传感器采集信息信号传播发送CC1100无线模块接受STC89C52单片机CC1100无线模块报警显示系统控制信号数据传送PC上位机2.3硬件选择对于水库监控系统需要有一定理解，明确自己设计需要实现功能并确定自己研究方案，在本课题研究中对于该系统需要先确定一种主控部分。主控部分使用单片机为STC89C52。然后确定传感器、报警显示系统以及步进电机选择，由于测量水库水位、流量因此选用水流传感器和超声波传感器进行数据采集，对于无线传播模块我们选择CC1100无线传播模块。2.3.1 STC89C52处理器STC89C52RC是STC企业生产一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典MCS-51内核，但做了诸多改善使得芯片具有老式51单片机不具有功能。在单芯片上，拥有机灵8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效处理方案。具有如下原则功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定期器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定期器/计数器，4个外部中断，一种7向量4级中断构造（兼容老式515向量2级中断构造），全双工串行口。此外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，容许RAM、定期器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保留，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一种中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。引脚图如下所示2.3.2超声波传感器 超声波传感器包括发送和接受两部分，电路图简介如下： 图2.8 超声波发送电路由三个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。 图2.9 超声波接受电路超声波换接受电路所接受到从发送端传来微弱信号，要通过LM358芯片进行放大，使得所采集信号足够大，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。 2.3.3 TLC549 A/D转换器(1) TLC549原理 如图2.11，作为数据采集芯片，TLC549均有片内系统时钟，该时钟与I/OCLOCK是独立工作，不必特殊速度或相位匹配。当CS为高时，数据输出(DATAOUT)端处在高阻状态，此时I/OCLOCK不起作用。这种CS控制作用容许在同步使用多片TLC549时，共用I/OCLOCK，以减少多路(片)A/D并用时I/O控制端口。TLC549可以便地与具有串行外围接口(SPI)单片机或微处理器配合使用，应用接口及采样程序。该芯片有一种模拟输入端口，3态数据串行输出接口可以以便地和微处理器或外围设备连接。TLC549仅仅使用输入输出时钟（I/CLOCK）和芯片选择（CS）,就可以正常启动。图2.11 TLC549 A/D转换器(2) TLC549特点表2.4 TLC549基本特性CMOS技术低功耗数据采集系统8位转换成果电池供电系统与微处理器或外围设备接口工业控制差分基准电压输入工厂自动化系统等转换时间：最大17us每秒访问和转换次数：到达40000片上软件控制采样和保持功能所有非校准误差：0.5LSB宽电压供电：36V 封装及引脚低功耗：最大15mW5V供电时输入范围：05V 输入输出完全兼容TTL和CMOS电路所有非校准误差：1LSB工作温度范围：070（TLC549）; -4085（TLC549I）TLC549片型小，采样速度快，功耗低，控制简朴。合用于低功耗袖珍仪器上单路A/D或多路并联采样。2.3.4 七段数码管LED数码管多段发光二极管构成，其形状有7段8字形、14段米字形等。根据接法不一样又可分为共阴极和共阳极两类。每一段由一种引脚控制，根据规定，对各个引脚加上不一样电压，使其显示需要数字或字符。假如是一种共阴极数码管，则要显示0时就要给a、b、c、d、e、f、g七只发光二极管加高电平，给g管加低电平，十六进制数为7E。从09十六进制显示码分别为3F，06，5B，4F，66，6D，7D，07，7F，6F。在该单片机系统中，使用了LED数码显示屏来显示采集到水库水位和流量。由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长特点，因此使用非常广泛。八段LED显示屏由8个发光二极管构成。基中7个长条形发光管排列成“日”字形，另一种点形发光管在显示屏右下角作为显示小数点用，它能显示多种数字及部份英文字母。LED显示屏有两种不一样形式：一种是8个发光二极管阳极都连在一起，称之为共阳极LED显示屏；另一种是8个发光二极管阴极都连在一起，称之为共阴极LED显示屏。如2.5.4图所示。本系统中使用了一块四位七段数码管。 图2.13 数码管原理图2.3.5 报警系统实现单频音报警接口电路比较简朴，其发音元件一般可采用压电蜂鸣器，这种蜂鸣器只需在其两引线上加3-15V直流电压，就能产生3KHz左右蜂鸣振荡音响，比电研式蜂鸣器构造简朴，耗电少，且更适应于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器，约需10mA驱动电流。因此，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以使用一种晶体三极管驱动。报警程序设计如图所示：鉴别与否触发报警信号ST89C52单片机不报警 N报警 Y2.3.6步进电机(1) 步进电机概念步进电机是一种将电脉冲转化为角位移执行机构。当步进驱动器接受到一种脉冲信号，它就驱动步进电机按设定方向转动一种固定角度(称为“步距角”)，它旋转是以固定角度一步一步运行。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达精确定位目；同步可以通过控制脉冲频率来控制电机转动速度和加速度，从而到达调速目。步进电机可以作为一种控制用特种电机，运用其没有积累误差(精度为100%)特点，广泛应用于多种开环控制。(2) 步进电机某些特点： 一般步进电机精度为步进角3-5%,且不累积; 步进电机外表容许最高温度。步进电机温度过高首先会使电机磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表容许最高温度应取决于不一样电机磁性材料退磁点。 步进电机力矩会随转速升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组电感将形成一种反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它作用下，电机随频率（或速度）增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 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 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一种脉冲信号，步进电机就转动一种角度，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）。 步进电机区别于其他控制电机最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制，即电机总转动角度由输入脉冲数决定，而电机转速由脉冲信号频率决定。 步进电机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派。例如：三相步进电机三拍工作方式，其各相通电次序为A-B-CD,通电控制脉冲必须严格按照这一次序分别控制A,B,C，D相通断。 控制步进电机转向。假如给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，假如按反序通电换相，则电机就反转。 控制步进电机速度 假如给步进电机发一种控制脉冲，它就转一步，再发一种脉冲，它会再转一步。两个脉冲间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。但脉冲形式电机控制，使控制端轻易受到干扰，因此必须在电机驱动电路中加入光耦电路来减少干扰。电机正反转是由单片机来控制。当单片机一种口发出1或者0时候来决定正反转，也可以两个口来决定。电机启动我们选择用LM298。本文中，重要应用到步进电机换相功能，通过单片机控制步进电机正反转动，来模拟实现阀门开/关。2.3.7 LM298芯片LM298是四路输出电机驱动芯片，每路大概500毫安，其自身有压降，随输出电流变化而变化。它可以同步控制两个直流电机，可以驱动一种步进电机。LM298管脚我们已经懂得，它作用是控制电机正反转和驱动电机。下位端单片机与LM298连接(管脚如下图)，但电机脉冲会对下位机产生很强干扰，因此必须在单片机和LM298之间加上一种光耦电路来隔离，减少干扰影响。本系统只用到LM298部分功能。图2.14 LM298驱动芯片2.3.8 无线传播模块CC1100无线模块接口电路图2.2 CC1100无线模块接口电路图CC1100 单片无线收发器工作在433/868/915MHZ ISM 频段由一种完全集成频率调制器一种带解调器接受器一种功率放大器一种晶体震荡器和一种调整器构成。工作特点是自动产生前导码 和 CRC 可以很轻易通过SPI 接口进行编程配置，电流消耗低。 表2.1 CC1100接口电路引脚特性引脚编号 引脚名 引脚类型 描述 1,2 VCC 电源输入 1.9V-3.6V之间 3 SI 数字输入 持续配置接口，数据输入 4 SCLK 数字输入 持续配置接口，时钟输入 5 SO(GD01) 数字输出 持续配置接口，数据输出 当CSn为高时为可选一般输出脚 6 GDO2 数字输出 一般用途数字输出脚：测试信号，FIFO状态信号，时钟输出，从XOSC向下分割持续输入TX数据 7 CSn 数字输入 持续配置接口，芯片选择 8 GDO0 一般用途数字输出脚：􀀀测试信号􀀀FIFO状态信号􀀀时钟输出，从OSC向下分割􀀀持续输入TX数据9,10 GND 地(模拟) 模拟接地 在本系统中，采用CC1100无线模块工作电压是3.3V,频率波段为300-348 MHz、400-464 MHz和800-928 MHz，有很高敏捷度（1.2kbps，1数据包误差率），可编程控制数据传播率可达500kbps，有较低电流消耗（RX中15.6mA，2.4kbps，433MHz），有可编程控制输出功率，其所有支持频率可达+10dBm，有优秀接受器选择性和模块化性能。三、本课题研究重点及难点，前期已展开工作3.1 课题研究重点完毕主控模块、信息采集模块、信息监测分析模块以及其他模块链接，并画出电路图，并且对所选择元器件进行充足理解。3.2 课题研究难点主控模块怎样对信息采集模块和信息监测分析模块所传送数据进行处理，正常完毕水库监控系统。3.3 前期已开展工作针对课题研究，查阅与课题有关资料和文献，对所查阅资料和文献进行整顿、分类、吸取，熟悉和理解整个系统构成及功能，确定硬件构成模块和详细流程图。四、完毕本课题工作方案及进度计划（按周次写）毕业设计自12月12日起至06月16日止。毕业设计进行地点：西安工业大学北方信息工程学院。整个设计工作规定严格按照学校计划安排和各项规范进行，保质保量完毕任务书中各项工作，技术指标满足规定并认真撰写学位论文。毕业设计工作进度安排如下：1) 第1周，完毕有关资料搜集、整顿、消化；2) 第2-3周，确定设计方案。并对方案进行论证，撰写开题汇报；3) 第4-5周，总结答辩中导师指出问题，对所作课题进行深入理解，确定硬件型号4) 第6-8周，确定芯片及对应各模块，完毕各元件电路连接和外文资料翻译，对硬件进行初步调试，整顿其中问题，准备中期答辩；5) 第9-10周，对硬件进行调试，改良其中局限性，完善设计，准备撰写设计论文；6) 第11-14周，完毕设计、调试等所有过程，形成成果，撰写设计论文；7) 第15周，上交论文，准备答辩。5 指导教师意见（对课题深度、广度及工作量意见） 指导教师： 年 月 日 6 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日注：1. 正文：宋体小四号字，行距22磅。2. 开题汇报由各系集中归档保留。