1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、前言

由于我国的水灾频频发生,,每年6到9月份，我国很多地区进入雨季，很多地方发生洪灾，对国民经济以及国民安全有很严重的影响，因此必须对河道、湖泊、水库等水位进行实时监测。河道水位遥测是对河道、水库等水位自动测量与及时预警，是保证人民群众生命和财产安全的重要手段。这种监测主要是为预防水灾、及时进行防汛决策提供大量可靠的数据, 在保护人民财产安全方面起了重大的作用[1]。水位监测要求监测数据的准确性和实时性，将数据及时反馈给工作人员起到预警的作用，因此利用现代化的通信手段对水位进行监控以及使用计算机管理系统来实现对水位监测点现场水位等数据的采集与监测，并可在水位信息管理平台上进来水位数据的存储、显示、查询等，将是对水资源实现科学管理的一个重要手段[2,3]。

目前国内外盛行的水情遥测系统常见的有有以下三种：自报式、问答式、自报式和问答混合式三种类型。自报式水情遥测系统功耗最低，故而自报式遥测系统在行业应用中相对较多。自报式遥测系统采用的是小容量蓄电池就能支持其常年在野外不间断连续性运作，如果再配上小容量太阳能电池对蓄电池充电，还能延长工作时间，甚至能做到十几年不换蓄电池。通过自报式水情研究，可以节约人力资源，合理利用了环境资源。利用现代化技术，保证了测量数据的精确度和实时性。

二、系统方案设计

水位遥测系统根据被测参数的变化信号，然后启动单片机，在单片机运行的同时，将数据信息经通信模块发送出去。其类型可分为：浮子式、超声波式、压力式、雷达水位式、激光式电子水尺[4]。

系统总体设计结构图如图1所示，主要由数据采集模块和信息处理模块组成。数据采集模块主要有水位传感器、单片机、无线发射装置实现对河道水位的实时监测，水位传感器采集水位信息，然后传输给单片机，单片机将采集到的数据进行处理，再通过无线传输模块实现数据的远程传送。

数据处理模块主要有无线接收装置、单片机、蜂鸣器、显示屏组成，当河道水位超过阈值时，进行远程报警，工作人员可通过终端监控系统的显示界面看到水位信息以及地理位置信息[5~8]。

三、硬件设计

1、1、太阳能蓄电池

太阳能模块包括太阳能电池板、太阳能充电控制器、蓄电池三部分组成。太阳能充电控制电路采用PHLIPS公司的8位单片机P87LPC767, 它内含有4kB的EPROM存储器和一个8位的A /D转换器, 结构简单、功耗低, 比较适合用作充电器的控制芯片,蓄电池采用铅酸蓄电池,电池容量为6Ah。蓄电池和传感器及无线射频模块电路连接, 作为其工作电源[9~10]。P87LPC767的管脚图如图2所示。

2、水位传感器

采用的是超声波式水位传感器,水位测量的原理图如图3所示。

超声波测量水位的原理是利用超声波的反射时间来测距，传感装置向水面发射超声波，水面反射部分回波，反射波被装置探测，波的运动时间与距离成正比，通过声速及所测时间即可求得水位。设超声波传感器到河底的距离为H，超声波式传感器到水面的距离为h1，水深为h2，超声在空气中的传播速度为v，超声波从发射超声波到接收到超声波所用的时间为t[11]。水位的计算公式为：

H 和v 已知，测量水位h2转换成测量时间t。用单片机STC12C5A60S2自带定时计数器，实现计时是很容易的。

3、单片机

单片机采用的是STC12C5A60S2，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。

STC12C5A60S2的管脚图如图4所示。

各个引脚的功能如下[12]：

VCC：供电电压；

GND：接地；

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚写”1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部电位必须被拉高；

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入”1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收；

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写”1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址”1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号；

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入”1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)，也是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：

P3.0 RXD(串行输入口)

P3.1 TXD(串行输出口)

P3.2 INT0(外部中断0)

P3.3 INT1(外部中断1)

P3.4 T0(记时器0外部输入)

P3.5 T1(记时器1外部输入)

P3.6 WR (外部数据存储器写选通)

P3.7 RD (外部数据存储器读选通)

同时P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号;

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高平时间;

ALE / PROG ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时,ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效；

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在访问内部部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现；

EA/VPP：当EA保持低电平时，访问外部ROM；注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时，访问内部ROM。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)；

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

4、无线模块

nRF905是北欧集成电路公司的多频段无线收发芯片nRF905, 它采用优化GMSK调制解调技术, 可在155.6kHz的有效带宽下以最高达76.8kb / s的速度传输数据, 其通道、频段、输出功率和输出时钟频率等参数可以通过一个14位寄存器进行设置[13~14]。

nRF905因具备工作频率低，输出功率大的特点，所以更适合在环境较复杂或者障碍较多的场合使用。同时nRF905因传输速率较低，所以在数据量较大的应用中请注意是否能够满足实际设计需要的数据传输量。所以当您需要在环境相对较差，对通讯距离要求较远的情况下选用nRF905模块，而在在距离要求相对较近，传输数据量较大，且对模块的功耗要求较高的情况下选用nRF2401A、nRF24L01 模块。与nRF905相对比Zigbee总线模式，传输速率可达250kbps，且内部集成高性能8051内核。但是此模块价格较贵，

且Zigbee协议相对较为复杂。

nRF905和STC12C5A60S2硬件连接

表１　nRF905和STC12C5A60S2硬件连接引进对照表

STC12C5A60S2	nRF905	功能
P1^0	TXEN	设置收发模式，1为发送模式，0为接收模式
P1^1	PWR	芯片上电
P1^2	CD	载波检测
P1^3	CSN	SPI使能
P1^4	AM	地址匹配
P1^5	MOSI	SPI输入
P1^6	MISO	SPI 输出
P1^7	SCK	SPI 时钟
P3^2	DR	收发数据完成
P3^2	TRX_CE	芯片使能

无线接收模块完成一次数据接收主要经过五个步骤：

第一步，载波检测，当nRF905处在接收状态，检测到相同频段载波出现时，使CD=1；

第二步，地址匹配，当nRF905处在接收状态时，接收的地址与自己地址相同，地址匹配成功，使AM=1；

第三步，CRC校验，当nRF905接收到有效的数据包，CRC校验正确，使数据准备就绪位DR=1；

第四步，单片机STC12C5A60S2通过SPI接口从nRF905读出有效数据；

第五步，nRF905再次进入接收模式。

5、GSM模块

TC35是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块。TC35的优点是易于集成，使用它您可以在较短的时间内花费较少的成本开发出新颖的产品。主要应用于远程监控和无线公话以及无线POS终端等领域。任何一个TC35模块以用PC机的串口调试软件进行调试。TC35 模块从功能上看主要由4 部分组成:GSM 基带处理器、GSM 射频部分、电源ASIC(Application Specific Integ rated Circuit)、Flash 。GSM 基带处理器是整个模块的核心, 它由一个C166CPU 和一个DSP 处理器内核控制着模块内各种信号的传输、转换、放大等处理过程。GSM 射频部分是一个单片收发器SMARTi , 它由一个外差式接收器、上变频调制环路发送器(upconversion modulation loopt ransmi tter)、一个射频锁相环路和一个全集成中频合成器4 个功能块组成, 共同完成对射频信号的接收和发送等处理。GSM 模块电流变化非常大, 空闲时电流小于3.5mA , 而在通话期间电流最大可达2.3A ,这就对供电电路提出了较高的要求。GSM 模块电源ASIC 部分使用线性电压调节器把外部输入的电源电压Vbat t 进行稳压处理后供GSM 基带处理器和GSM 射频部分使用, 此外它还输出一个2.9V/70mA的电压供模块外的其他电路使用。GSM 射频部分的功率放大器对电源电压要求不高, 所以直接使用外部的输入电压Vbat t 。Flash 用来存储一些用户配置信息、电话本和其他信息[15~16]。

6、报警模块

系统的显示模块采用LCD1602,它是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。报警电路就由一个LCD和一个蜂鸣器灯组成，当水位超过阈值后LCD灯亮，蜂鸣器及时响起，以便及时做出处理。

四、工具和开发平台的简介

系统主程序见图6所示[17~18]。

参考文献：

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[11]http://wenku.baidu.com/link?url=6sZioutM83KY8IHyekb_8YlVRWbDz0i_Exzn8jIxwTi_pzt5ywTiSy2GVzEQn7fGToRKzSuFmkoKDLhAC1kbrwTa7w-RePjoAoqre8f60ji 利用超声波传感器测量距离.

[12]http://baike.baidu.com/link?url=PSOqjdVcqwB8uvBRE3RLqB3eAmO3-TSkpfnB_2i_vTaVYBDO9fuG3Dl0vWrNU58y1xMX0G14tSfX2naVXa6C8a STC12C5A60S2的管脚及其功能.

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、研究的问题

主要设计河道水位遥测系统。系统分为数据采集、数据接收和数据处理。要求设计可实现远距离大范围水位监测的系统，要求采用无线收发模块和单片机。水位测量端的水位测量模块采集水位信号，经过处理后将水位数据送无线发射模块发出。接收端将接收数据处理记录，在超过阈值后报警，同时显示地理信息和水位信息。

二、研究手段