CN111681392A - 一种河流水文测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种河流水文测量系统，属于水文测量领域，所述的河流水文测量系统包括硬件系统和软件系统，所述的硬件系统包括处理器、压力探头、电源模块、复位电路、液晶显示、JTAG接口、信号放大、串口芯片、红外线元件、LED指示灯、Flash外部存储，所述的压力探头输出端与信号放大输入端连接，信号放大输出端与处理器连接，处理器输入端与复位电路、红外线元件连接，处理器输出端与液晶显示、LED指示灯连接，处理器数据通信段与JTAF接口、串口芯片、Flash外部存储双向连接，电源模块与各个部件的VCC供电端口连接。本发明系统不仅能实时检测河流水压，而且当水位上升，堤坝水压偏大偏大时进行报警，以防工作人员的疏忽，水压偏大的值由单片机通过短信猫向主要负责人发送短信，来更加确保河流堤坝的安全。

Description

一种河流水文测量系统
技术领域
本发明属于水文监测领域，更具体的说设计一种河流水文测量系统。
背景技术
随着自动化技术的发展，微处理器在自动测量和仪器仪表的使用越来越多，单片机在河流的水文检测也越来越受到更多人的关注。文中主要是对河流下水压的检测。文中基于MSP430单片机的河流水文检测系统，采用国产BDH6－MW485型压力探头为测量元件，把水下的压力信号转化为电信号送入单片机进行处理，由单片机把数据送入上位机进行监视，上位机不但能接受数据并且能向下位机发送部分指令，来调节单片机。目前还有很多采用是表压形式来测量堤坝承受的水压，数据有人工定时记录，这样并不能及时的反应堤坝水压的实时情况。系统不仅能实时检测河流对堤坝水压，而且当水压偏大时进行报警，以防工作人员的疏忽，水压偏大的值由单片机通过短信猫向主要负责人发送短信，来更加确保河流堤坝的安全。
发明内容
本发明该系统不仅有监控报警作用，而且报警后上位机向单片机发送指令，单片机通过短信猫向该项目主管发送危险数据，从而保证河流堤坝更加安全。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：所述的河流水文测量系统包括硬件系统和软件系统，所述的硬件系统包括处理器、压力探头、电源模块、复位电路、液晶显示、JTAG接口、信号放大、串口芯片、红外线元件、LED指示灯、Flash外部存储，所述的压力探头输出端与信号放大输入端连接，信号放大输出端与处理器连接，处理器输入端与复位电路、红外线元件连接，处理器输出端与液晶显示、LED指示灯连接，处理器数据通信段与JTAF接口、串口芯片、Flash外部存储双向连接，电源模块与各个部件的VCC供电端口连接；所述的软件系统包括数据采集处理以及非线性矫正。
优选的，所述的电源电路采用LM7805和REG-1117稳压芯片，LM7805能够产生5V直流电压，REG-1117能够产生3.3V直流电压，所述的LM7805输入端VIN与12V直流电源正极连接，12V直流电源负极与GND地连接，且LM7805输入端VIN与GND之间并联有两个滤波电容C1、C2，LM7805输出端VOUT与5V直流输出端连接，另一端与REG-1117输入端VIN连接，REG-1117输出端VOUT一端与3.3V直流输出端连接，另一端与通过下拉电阻R与GND地连接，REG-1117输出端与GND地之间并联有两个滤波电容C3、C4。
优选的，所述的处理器采用MSP430单片机，信号放大电路采用OP07信号放大器，压力探头输出端与与OP07的P0.3管脚相连接，P6.0与单片机的DAC口相连，用于传输数据。
优选的，所述的测量系统还包括温度补偿模块，由于压力探头环境温度影响其测量精度也会受到影响，因此为了提高传感器的测量精度，使用DS18B20数字温度传感器对系统进行温度补偿。
优选的，所述的软件系统此系统包括上位机软件设计与单片机软件设计，主要任务是首先通过单片机把压力探头的信号进行采集，滤波，温度补偿等一系列处理，然后通过串口及串口转以太网模块5130与上位机通讯，为了是提高测量精度需对传感器经行线性校正，本软件系统采用查表法对传感器测量精度进行校准。
优选的，所述的查表法对传感器精度进行校准的具体方法如下：横坐标为u1,u2,u3,u4,u5，纵坐标为x1,x2,x3,x4,x5，各段线性的输出表达式如下：
Y(I)＝x(I)＝u (1)
Figure BDA0002489704190000021
Figure BDA0002489704190000022
Figure BDA0002489704190000023
输出y＝x的通用表达式为：
Figure BDA0002489704190000024
式中k为折点的序数，即K＝1,2,3,4,5。
优选的，所述的软件系统为例避免上位机接收到错误的数据，上位机在读取数据时必须按照以下协议才能够读取单片机的数据，协议如下：
扫描命令：
帧头0x2E(1字节)+智能模拟地址(1字节)+地址反码(1字节)+0x0D；
处理器返回：
帧头0x2E(1字节)+智能模拟地址(1字节)+数据高(1字节)+数据低(1字节)+校验和(1字节)+0x0D；
校验和为：
智能模拟地址(1字节)+数据高(1字节)+数据低(1字节)。
本发明有益效果：
本发明该系统不仅有监控报警作用，而且报警后上位机向单片机发送指令，单片机通过短信猫向该项目主管发送危险数据，从而保证工作人员更加安全，而且当河流对堤坝水压过大时进行报警，以防工作人员的疏忽，水压偏大的值由单片机通过短信猫向主要负责人发送短信，来更加确保河流堤坝的安全。
附图说明
图1，为硬件系统框图；
图2，为电源电路原理图；
图3，为信号放大电路原理图；
图4，红外元件连接电路图；
图5，为液晶显示连接电路图；
图6，为串口芯片电路图；
图7，为软件系统流程图；
图8.为软件系统非线性逼近图；
图9，为非线性校准流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图与实例对本发明作进一步详细说明，但所举实例不作为对本发明的限定。
所述的河流水文测量系统包括硬件系统和软件系统，所述的硬件系统包括处理器、压力探头、电源模块、复位电路、液晶显示、JTAG接口、信号放大、串口芯片、红外线元件、LED指示灯、Flash外部存储，所述的压力探头输出端与信号放大输入端连接，信号放大输出端与处理器连接，处理器输入端与复位电路、红外线元件连接，处理器输出端与液晶显示、LED指示灯连接，处理器数据通信段与JTAF接口、串口芯片、Flash外部存储双向连接，电源模块与各个部件的VCC供电端口连接；所述的软件系统包括数据采集处理以及非线性矫正。
所述的电源电路采用LM7805和REG-1117稳压芯片，LM7805能够产生5V直流电压，REG-1117能够产生3.3V直流电压，所述的LM7805输入端VIN与12V直流电源正极连接，12V直流电源负极与GND地连接，且LM7805输入端VIN与GND之间并联有两个滤波电容C1、C2，LM7805输出端VOUT与5V直流输出端连接，另一端与REG-1117输入端VIN连接，REG-1117输出端VOUT一端与3.3V直流输出端连接，另一端与通过下拉电阻R与GND地连接，REG-1117输出端与GND地之间并联有两个滤波电容C3、C4。
所述的处理器采用MSP430单片机，信号放大电路采用OP07信号放大器，压力探头输出端与与OP07的P0.3管脚相连接，P6.0与单片机的DAC口相连，用于传输数据。
所述的测量系统还包括温度补偿模块，由于压力探头环境温度影响其测量精度也会受到影响，因此为了提高传感器的测量精度，使用DS18B20数字温度传感器对系统进行温度补偿。DS18B20有3个引脚，分别为电源引脚(Vcc)，接地引脚(GND)和信号输出引脚(DQ)，其中信号输出引脚(DQ)连接到MSP430149的数据传输接收端口即P2.3口，电源引脚接3.3V，并和信号输出引脚之间串联4.7kΩ电阻。工作时信号输出引脚(DQ)输出数字温度信号，以ⅡC总线串行传送CPU。
优选的，所述的软件系统此系统包括上位机软件设计与单片机软件设计，主要任务是首先通过单片机把压力探头的信号进行采集，滤波，温度补偿等一系列处理，然后通过串口及串口转以太网模块5130与上位机通讯，为了是提高测量精度需对传感器经行线性校正，本软件系统采用查表法对传感器测量精度进行校准。
如图4所示为了方便调试传感器，设计了红外线遥控，液晶显示，单片机波特率的选择，传感器调零等都可以通过红外线进行设置，不但使用方便而且小巧易于携带，HX1838红外线探头为接收于一体，工作电压为2.7～25.5V，最大测试距离17m，发射频率为38kHz.通过软件编程来控制红外线的收发。
如图5所示该系统采用19624液晶显示屏，用来显示水压，单片机波特率调试及调零测试。
如图6所示井下数据传输的距离较远，因此系统选用RS－485串口为通讯接口，数据的传输首先由单片机经RS-485串口经以串口转太网模块NP5130进入交换机，然后经网络传输给上位机。
如图8，为了获得较为精确的测量值，就必须考虑单片机采样时所受到的外界干扰，从实际应用环境，不仅要考虑由于偶然因素引起的波动干扰，还要消除由于脉动干扰所引起的采样偏差，综合以上因素，采取中位值平均滤波法，该方法是中位值滤波法与算术平均滤波法组成的复合滤波法，所述的查表法对传感器精度进行校准的具体方法如下：横坐标为u1,u2,u3,u4,u5，纵坐标为x1,x2,x3,x4,x5，各段线性的输出表达式如下：
Y(I)＝x(I)＝u (1)
Figure BDA0002489704190000051
Figure BDA0002489704190000052
Figure BDA0002489704190000053
输出y＝x的通用表达式为：
Figure BDA0002489704190000054
式中k为折点的序数，即K＝1,2,3,4,5。
优选的，所述的软件系统为例避免上位机接收到错误的数据，上位机在读取数据时必须按照以下协议才能够读取单片机的数据，协议如下：
扫描命令：
帧头0x2E(1字节)+智能模拟地址(1字节)+地址反码(1字节)+0x0D；
处理器返回：
帧头0x2E(1字节)+智能模拟地址(1字节)+数据高(1字节)+数据低(1字节)+校验和(1字节)+0x0D；
校验和为：
智能模拟地址(1字节)+数据高(1字节)+数据低(1字节)。
该系统在实验室采用真空增压机给压力传感器加压，用PC机作为上位机，单片机为下位机，单片机采集数据后从RS-485串口接入NP5130模块，模块另一端用网线接入交换机，用增压机增压单片机液晶显示数据分别为0.06MPa，0.18MPa。上位机监控软件显示数据与单片机数据完全一致。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本案进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本案的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本案技术方案的精神，其均应涵盖在本案请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种河流水文测量系统，其特征在于：所述的河流水文测量系统包括硬件系统和软件系统，所述的硬件系统包括处理器、压力探头、电源模块、复位电路、液晶显示、JTAG接口、信号放大、串口芯片、红外线元件、LED指示灯、Flash外部存储，所述的压力探头输出端与信号放大输入端连接，信号放大输出端与处理器连接，处理器输入端与复位电路、红外线元件连接，处理器输出端与液晶显示、LED指示灯连接，处理器数据通信段与JTAF接口、串口芯片、Flash外部存储双向连接，电源模块与各个部件的VCC供电端口连接；所述的软件系统包括数据采集处理以及非线性矫正。
2.根据权利要求1所述的一种河流水文测量系统，其特征在于：所述的电源电路采用LM7805和REG-1117稳压芯片，LM7805能够产生5V直流电压，REG-1117能够产生3.3V直流电压，所述的LM7805输入端VIN与12V直流电源正极连接，12V直流电源负极与GND地连接，且LM7805输入端VIN与GND之间并联有两个滤波电容C1、C2，LM7805输出端VOUT与5V直流输出端连接，另一端与REG-1117输入端VIN连接，REG-1117输出端VOUT一端与3.3V直流输出端连接，另一端与通过下拉电阻R与GND地连接，REG-1117输出端与GND地之间并联有两个滤波电容C3、C4。
3.根据权利要求1所述的一种河流水文测量系统，其特征在于：所述的处理器采用MSP430单片机，信号放大电路采用OP07信号放大器，压力探头输出端与与OP07的P0.3管脚相连接，P6.0与单片机的DAC口相连，用于传输数据。
4.根据权利要求1所述的一种河流水文测量系统，其特征在于：所述的测量系统还包括温度补偿模块，由于压力探头环境温度影响其测量精度也会受到影响，因此为了提高传感器的测量精度，使用DS18B20数字温度传感器对系统进行温度补偿。
5.根据权利要求1所述的一种河流水文测量系统，其特征在于：所述的软件系统此系统包括上位机软件设计与单片机软件设计，主要任务是首先通过单片机把压力探头的信号进行采集，滤波，温度补偿等一系列处理，然后通过串口及串口转以太网模块5130与上位机通讯，为了是提高测量精度需对传感器经行线性校正，本软件系统采用查表法对传感器测量精度进行校准。
6.根据权利要求5所述的一种河流水文测量系统，其特征在于：所述的查表法对传感器精度进行校准的具体方法如下：横坐标为u1,u2,u3,u4,u5，纵坐标为x1,x2,x3,x4,x5，各段线性的输出表达式如下：
Y(I)＝x(I)＝u (1)
Figure FDA0002489704180000021
Figure FDA0002489704180000022
Figure FDA0002489704180000023
输出y＝x的通用表达式为：
Figure FDA0002489704180000024
式中k为折点的序数，即K＝1,2,3,4,5。
7.根据权利要求5所述的一种河流水文测量系统，其特征在于：所述的软件系统为例避免上位机接收到错误的数据，上位机在读取数据时必须按照以下协议才能够读取单片机的数据，协议如下：
扫描命令：
帧头0x2E(1字节)+智能模拟地址(1字节)+地址反码(1字节)+0x0D；
处理器返回：
帧头0x2E(1字节)+智能模拟地址(1字节)+数据高(1字节)+数据低(1字节)+校验和(1字节)+0x0D；
校验和为：
智能模拟地址(1字节)+数据高(1字节)+数据低(1字节)。
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