1、 摘 要在水资源利用方面，对流量、水质等参数的测量非常重要，但很多水库资源在高山地区，难以对其进行实时监测。无线通讯技术的迅速发展和普及，为远程监控系统的实现提供了理想的平台，因此越来越多的水文站把基于无线通讯技术的监控系统作为水利系统自动化管理的新手段。而随着水利自动化技术不断发展，水利系统的自动化水平逐步提高，各水库都能通过远程监控系统逐渐实现少人、无人监管的管理模式，以提高生产效益。本文主要探讨了基于无线通讯的模拟水库监测系统的设计问题。该系统要求对水库的水位，流量等参数进行远程实时监测，能控制阀门开/关，调节水位的高度，保证水库的安全。设计思路是在下位端利用单片机将传感器采集的水库信息
2、进行处理，将处理好的数据通过 CC1100 无线模块传送到上位机端，在上位机上可以清楚地观察水库的实时情况。上位机对信息进行监测分析，并将分析后的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，保证水库的安全。近年来，本课题在国内外已受到非常多的关注与研究，并且不断地得到改进，在实际应用中也取到了较好的效果，具有非常好的应用推广价值。关键词：水库；CC1100；单片机；自动化AbstractIn water resources utilization, the measurement of parameters such as the rainfall,
3、 flow, water quality,etc. These are very important, but a lot of reservoir resources are in the alpine areas, it is difficult to monitor it in real time. Rapid development and popularization of wireless communication technology, which have offered the ideal platform for realization of the long-range
4、 monitoring system, so more and more hydrometric stations regard monitoring system based on wireless communication technology as the systematic automatic management new means of water conservancy. And as the automatic technology of water conservancy is being developed constantly, the automatic level
5、 of the water conservancy system is being improved progressively, every reservoir can realize the management mode that few people, nobody supervises gradually through the long-range monitoring system, in order to improve the productivity effect.This text has mainly probed into the design question ba
6、sed on simulation reservoir monitoring system of the wireless communication. This system requires the water level to the reservoir, the flow is monitored when the parameter is carried on long-range and really, can control valve turn on or off，height to regulate water level, security to guarantee res
7、ervoir. Mentality of designing to utilize one-chip computer go on, dealing with reservoir information that transducer gather in the next end, it is ones that handle well data until CC1100 convey to modules wireless for location machine, in location can situations real-time to observe reservoir clear
8、ly. Go location plane go on, monitor, analyzed to information and information feedback analyze, got back to the next end, control, and walk into electrical machinery to be positive and negative to look around through one-chip computer, simulation valve turn on or off, controlling reservoir water lev
9、el and flow, guarantee the security of the reservoir. In recent years, subject this pay close attention to the fact and study a very many one already at home and abroad, and is being improved constantly, fetch in practical application to better result, having very good application value to populariz
10、e.Key word: Reservoir; CC1100; Monolithic integrated circuit; Automation目 录引言 .11 绪论 .11.1 本课题的发展现状.11.2 本课题的发展趋势.21.3 本课题的研究意义和目的.31.4 本课题的主要研究工作和各章节内容安排.32 相关技术和基本理论介绍 .32.1 CC1100 无线模块的相关特性.42.1.1 CC1100 无线模块接口电路 .42.1.2 CC1100 无线模块的特性与应用 .52.2 串口通讯应用.62.3 传感器应用.82.3.1 水流量传感器的应用.82.3.2 超声波传感器的应用.
11、102.4 步进电机的控制原理.122.5 主要器件和应用.132.5.1 AT89S52 单片机 .132.5.2 TLC549 A/D 转换器 .152.5.3 MAX232 芯片.172.5.4 七段数码管.182.5.5 LM298 芯片.183 系统设计 .193.1 系统要求.193.2 系统总体方案.204 硬件原理与设计 .214.1 步进电机的控制电路.214.2 单片机工作电路.224.3 数码管显示电路.224.4 电源模块设计.234.5 CC1100 无线模块及串口通讯电路.245 软件设计 .245.1 程序流程图.245.2 CC1100 模块发送和接收部分程序分
12、析.266 误差与干扰分析 .276.1 干扰因素及解决方法.276.2 硬件系统设计的抗干扰技术.287 系统调试 .307.1 软件调试.307.2 硬件调试.317.3 整体调试.328 结论与展望 .32谢 辞 .34参考文献 .35附 录 .36引言水库是我国防洪和蓄水广泛采用的工程措施之一。随着计算机及无线通信技术的发展，水库自动监测的信息采集、处理及发布已完成手工方式向自动方式的转变。通过建设水文站实时监控系统，利用先进的无线通讯监控手段对水库信息实施监测。采用CC1100 无线网络实时网上传输水文数据，能实现对水库及其附属建筑物及管理区进行全面视频监控。长期以来，水文工作者都是
13、，靠手测、目测收集水文信息。直接影响到测报的精度和成果质量。利用无线监控系统采集数据，不但可提高精确度，还可以使水文工作者告别传统的工作方式。在通常情况下，由于水文站点在地理位置上分布较广或位置较偏僻。并且与监控中心的距离较远，利用传统的有线连接方式，线路铺设成本高昂，而且施工周期长，同时，因为物理因素如河流山脉等障碍而难以架设线缆。而且水文信息安全防范要求高，采用有线通讯在遇到刮风、暴雨、决口等灾害时，线路一断，水文信息就无法及时传递上去，因此有线传输的抗灾性比较差，难以适应高可靠性要求，加之流域地形复杂、偏僻，铺设光纤成本也比较高。相比之下，无线通信布线简单、方便，抗灾性比较好，成本也比较
14、低，可大量节省投资。 本文中提到的 CC1100 水文数据无线监控解决方案可很好地解决上述问题。用户采用无线水库监测系统，无需铺设网络电缆，可迅速方便地采集各种需要的实时数据资料，建立新的无线监控系统或对现有的无线监控系统进行扩展，具有很强的灵活性和可扩充性。可实现真正意义的实时水文信息的采集和监控、统一管理。本课题所研究的水库监测系统采用了自动控制、计算机网络和无线通讯新技术，具有实时信息自动采集、传输、视频监控、远程数据和图像传输、信息、查询等功能。系统应用了单片机，传感器，CC1100 无线模块，步进电机等元器件。可实时监控管理区水库的实时参数。该监控系统采用无线传送，传递速度快，系统结
15、构简单。被监控点实时采集的数据文件通过无线网络通信线路及时地传输给监控中心，实时动态地报告被监测点的情，及时发现问题并进行处理，既方便又简捷。并可确保系统在各种恶劣天气情况下，都能正常运行，满足系统各种信号相互传输的准确性。可全面实现水文信息采集自动化、数字化和网络化。大大提高了水库了安全系数和水资源利用率。1 绪论1.1 本课题的发展现状当前，我国水资源的短缺已严重影响了经济的可持续发展，可以说已经成为社会经济稳定增长的瓶颈。水资源时空分布严重不均，人口众多和传统工业经济发展速度较快等因素加剧了缺水问题；严重的水污染又使缺水问题日益突出，随着流域内经济的快速增长和人口的增加，水资源的供需矛盾
16、将越发急剧。因此，充分利用水资源，防治水污染已成当务之急！在大力加强节水、保护水质，实现水资源的可持续利用的前提下，如何提高现有水资源的管理水平就显得尤为重要，是一直困扰我们的难题。在很多偏远山区或河流的峡道口，都建立了各型的水库，它们的作用毋庸置疑。通过水库的作用，可以充分合理地利用水资源。有了水库的蓄水功能，我们就可以充分地将水能转化为所需的能源，对社会经济的发展有着很深远的影响。但福兮祸所依，水库同时存在很严重的隐患。如若控制不当，其结果必导致巨大的灾难。因此，在大力加强节水、保护水质，实现水资源的可持续利用的前提下，如何提高现有水库的管理水平就显得尤为重要。长期以来，水文工作者都是靠手
17、测、目测收集水文信息。直接影响到测报的精度和成果质量。利用无线监控系统采集数据，不但可提高精确度，还可以使水文工作者告别传统的工作方式。在通常情况下，由于水文站点在地理位置上分布较广或位置较偏僻。并且与监控中心的距离较远，利用传统的有线连接方式，线路铺设成本高昂，而且施工周期长，同时，因为物理因素如河流山脉等障碍而难以架设线缆。而且水文信息安全防范要求高，采用有线通讯在遇到刮风、暴雨、决口等灾害时，线路一断，水文信息就无法及时传递上去，因此有线传输的抗灾性比较差，难以适应高可靠性要求，加之流域地形复杂、偏僻，铺设光纤成本也比较高。 1.2 本课题的发展趋势CC1100 模块的无线通讯性能非常好
18、，可以高效稳定地完成信息传输任务，而且操作简单，能克服复杂的环境，传送的数据不容易受到外界的干扰，使得上位机能接收到水库完整的信息，以对其进行准确地监测分析。随着我国社会经济的快速发展，对水资源的需求越来越大，换言之，水库的重要性越来越显著，对水库的管理力度必须加大。我国山区多，极易发生自然灾害，合理地控制水库的参数，可以减少很多损失。本课题所研究的模拟水库监测系统采用的是无线远程监测，它的实用性非常强，能有效地监测建在偏远山区人力难至的水库的实时参数，而且在原设备老化的情况下，能够轻松地进行更新和扩展，省却了大量的人力物力，工作效率也大大提高。在要求全球自动一体化的现代社会，它是相当有研究价
19、值的。因此，该系统有着很大的发展潜力，基于无线通讯的水库监测系统定会得到非常广泛的应用。1.3 本课题的研究意义和目的在通常情况下，由于水库在地理位置上分布较高或位置较偏僻。并且与监控中心的距离较远，利用传统的有线连接方式，线路铺设成本高昂，而且施工周期长，同时，因为物理因素如河流山脉等障碍而难以架设线缆。长期以来，水文工作者都是靠手测、目测收集水库水文信息，直接影响到测报的精度和成果质量。利用模拟水库无线监控测系统采集数据，不但可提高精确度，还可以使水文工作者告别传统的工作方式。而且水文信息安全防范要求高，采用有线通讯在遇到刮风、暴雨、决口等灾害时，线路一断，水文信息就无法及时传递上去，因此
20、有线传输的抗灾性比较差，难以适应高可靠性要求，加之水库区域地形复杂、偏僻，铺设光纤成本也比较高。相比之下，无线通信布线简单、方便，抗灾性比较好，成本也比较低，可大量节省投资。 用户采用无线监控解决方案，可迅速方便地在采集水库各种需要的实时数据，而且可以对现有的无线监控系统进行扩展升级，具有很强的灵活性和可扩充性。可实现真正意义的实时水文信息的采集和监控、统一管理。 本课题中，利用自动控制、计算机网络和无线通讯新技术来构成无线监测系统，采用 CC1100 无线模块来进行无线传送，具有实时信息自动采集、传输、无线监控、远程数据和图像传输、信息、查询等功能，可实时监控管理区水库的情况。该系统信息传递
21、速度快，结构简单，全面实现了水文监测自动化。1.4 本课题的主要研究工作和各章节内容安排本课题主要研究如何设计模拟水库监测系统的问题。由于关键在于数据的无线通讯传输上，所以必须对 CC1100 模块等硬件特性要有一定的研究，要设计好功能实现的过程，实际上，整个课题的难点就在于调试上。各章内容安排：第一二章两章主要是基础理论知识的介绍。主要有本课题的研究意义、模拟水库监测系统的相关理论知识以及简要的分析了一下所用到芯片相关理论及应用；第三章主要从总体方面分析系统的设计思路以及用到的相关原理；第四章是本次系统设计的硬件电路设计部分，详细分析了每一模块的原理、功能、相关原理图以及元件和参数的选择；第
22、五章阐述了系统的软件部分，介绍了各模块软件的编译流程图，并对部分程序进行了分析；第六章和第七章主要讲述了系统的干扰和调试情况；最后是主要是总结和参考的文献及附录，在附录中介绍采集部分程序，CC1100 无线模块通讯代码, 步进电机控制程序,串口通讯程序及上位机的 VC 监测界面的编译程序。2 相关技术和基本理论介绍2.1 CC1100 无线模块的相关特性图 2.1 CC1100 无线模块轮廓图2.1.1 CC1100 无线模块接口电路图 2.2 CC1100 无线模块的接口电路图CC1100 单片无线收发器工作在433/868/915MHZ 的ISM 频段由一个完全集成的频率调制器一个带解调器
23、的接收器一个功率放大器一个晶体震荡器和一个调节器组成。工作特点是自动产生前导码 和 CRC 可以很容易通过SPI 接口进行编程配置，电流消耗低。 表2.1 CC1100接口电路的引脚特性引脚编号 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 连续配置接口，数据输入 4 SCLK 数字输入 连续配置接口，时钟输入 5 SO(GD01) 数字输出 连续配置接口，数据输出 当CSn为高时为可选的一般输出脚 6 GDO2 数字输出 一般用途的数字输出脚：测试信号，FIFO状态信号，时钟输出，从XOSC向下分割连续输入TX数据 7 CSn 数字输入 连续配
24、置接口，芯片选择 8 GDO0 一般用途的数字输出脚： 测试信号 FIFO状态信号 时钟输出，从OSC向下分割 连续输入TX数据9,10 GND 地(模拟) 模拟接地 2.1.2 CC1100 无线模块的特性与应用(1) CC1100 无线模块的特性 VCC脚接电压范围为 1.9V-3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块。推荐电压3.3V左右。 除电源VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连，无需电平转换。当然对3V左右的单片机更加适用了。 硬件上面没有SPI的单片机也可以控制本模块，用普通单片机IO口模拟SPI不需要单片机真正的串口介入，只需要普通
25、的单片机IO口就可以了，当然用串口也可以了。 9脚，10脚为接地脚,需要和母板的逻辑地连接起来 排针间距为100mil,标准DIP插针，如果需要其他封装接口，比如密脚插针，或者其他形式的接口，可以联系我们定做。 与52系列单片机P0口连接时候，需要加10K的上拉电阻,与其余口连接不需要.其他系列的单片机，如果是5V的，请参考该系列单片机IO口；输出电流大小，如果超过10mA，需要串联电阻分压，否则容易烧毁模块! 如果是3.3V的，可以直接和CC1100模块的IO口线连接。(2) CC1100模块的应用 在本系统中，采用的 CC1100 无线模块的工作电压是 3.3V,频率波段为 300-348
26、 MHz、400-464 MHz 和 800-928 MHz，有很高的灵敏度（1.2kbps，1数据包误差率） ，可编程控制的数据传输率可达 500kbps，有较低的电流消耗（RX 中15.6mA，2.4kbps，433MHz） ，有可编程控制的输出功率，其所有的支持频率可达+10dBm，有优秀的接收器选择性和模块化性能。 CC1100 无线模块中有极少的外部元件：芯片内频率合成器，不需要外部滤波器或RF 转换，可编程控制的基带调制解调器；有理想的多路操作特性，有可控的数据包处理硬件，可快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统，有可选的带交错的前向误差校正，有单独的 64 字节 RX 和 T
27、X 数据 FIFO 高效的 SPI 接口：所有的寄存器能用一个“突发”转换器控制，有数字 RSSI 输出与遵照 EN 300 220(欧洲)和 FCC CFR47 Part 15 标准的系统相配，还有自动低功率 RX 拉电路的电磁波激活功能，并拥有许多强大的数字特征，使得使用廉价的微控制器就能得到高性能的 RF 系统。 CC1100 无线模块还包含集成模拟温度传感器，及能自由引导的绿色数据包，能对数据包导向系统的灵活支持：对同步词汇侦测的芯片支持，地址检查，灵活的数据包长度及自动 CRC 处理。还有可编程信道滤波带宽 OOK 和灵活的 ASK 整型支持 2-FSK，GFSK和 MSK 支持自动
28、频率补偿，可用来调整频率合成器到接收中间频率对数据的可选自动白化处理；对现存通信协议的向后兼容的异步透明接收/传输模式的支持可编程的载波感应指示器 ，可编程前导质量指示器及在随机噪声下改进的针对同步词汇侦测的保护，支持传输前自动清理信道访问（CCA） ，即载波侦听系统 ，支持每个数据包连接质量指示。 CC1100 无线模块是一种低成本真正单片的 UHF 收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在 315、433、868 和 915MHz 的 ISM 和 SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为 300-348 MHz、400-464 MHz 和 800-928 MHz 的其他频率
29、。RF 收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达 500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。 CC1100 无线模块为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。CC1100 的主要操作参数和 64 位传输/接收FIFO（先进先出堆栈）可通过 SPI 接口控制。本课题通过实验验证，系统中使用的 CC1100 无线模块的功效距离大约 1.2 公里，只要再对其进行一些技术上的改进，可以确定地说，在以后对水库无线远程监控的应用中，它会起到非常大的作用。2.2 串口
30、通讯应用串行通信是指数据的各位是一位一位得按顺序传送的通讯方式。它的突出优点是只需要一根传输线，甚至可以利用电话线作为传输线，这样就大大降低了传输成本，特别使用于远距离通讯。其缺点是传送速度较低。假如并行传送 N 位数据所需要的时间为 T，那么串行传送的时间至少为 NT，而实际上总是大于 NT。(1) 串行通讯的两种基本方式围绕着当两个设备进行串行通讯时，如何才能保证接受机接受到正确的字符这个问题，通常采用通讯双方都认可的两种传送方式（即通信方式） 。 异步传送方式在异步传送方式中，字符是按帧格式进行发送的。在帧格式中，先是一个起始位“0”，然后是 5 至 8 位数据。异步传送方式规定低位在前，高位在后；接下来是奇偶校验位（可略） ；最后一位是停止位“1” 。异步通信的帧格式如图 2.3 所示。
