摘 要：为解决防洪中水位和降雨量人工监测存在的操作不安
全、数据不准确和实时性不强等问题，我们开发了单片机控制
的水位与降雨量监测系统。

该系统以单片机为控制核心，采用
了较好的系统软件与硬件。

利用该系统，可实现江河、湖泊与
水库水位及降雨量信息的自动采集和处理。

关键词：单片机 水位 降雨量 监测
1、前言
由于我国的水灾频频发生，因此必须监测江河、湖泊与水
库等的水位及这些区域的降雨量。

这种监测不但可为预防水
灾、及时进行防汛决策提供大量可靠的数据和资料，同时还可为防洪抢险救灾和保护人民生命财产安全发挥重要作用。

目前，国内许多水文站监测水位和降雨量仍采用人工方法。

该方法不但存在测量的人身安全问题，而且还存在数据测量难准确、监测实时性不强等问题。

为了实时准确监测水位及降雨量，我们新近开发了一套单片机控制的水位与降雨量监测系统。

该系统以单片机为控制核心，采用了较好的系统软件与硬件。

利用该系统，可以实现江河、湖泊及水库等水位和该区域降雨量的有效监测。

2、系统功能
由于单片机控制水位与降雨量监测系统是用于江河、湖泊及水库水位和该区域降雨量的监测，因此这个系统应具有如下功能：
2、 1水位自动检测功能
该系统能自动检测江河、湖泊及水库等水位。

水位检测范围为0-100M ，误差≤10MM 。

2、 2降雨量自动检测功能
该系统能自动检测江河、湖泊及水库等区域的降雨量。

降雨量测量范围为0-500MM ，误差≤1MM 。

2、3自动报警、数据处理、显示及打印功能
当水位、降雨量达警戒线时，该系统能自动进行声、光报警。

能自动记录水位及降雨量数据，并可利用自己的数据处理软件实时进行数据处理。

能自动显示与打印指定时间段的水位、降雨量报表等。

该系统的显示器件采用液晶显示屏。

2、 4通信功能
该系统通过RS232通信协议进行内部数据传送，它可与其他水文信息监测系统进行联网运行。

3、系统总体结构及工作原理
系统总体结构如图（1）所示。

系统主要由数据采集器、数据传送器、数据处理部分等组成。

该系统是一种单片机集散控制系统。

图中的数据采集器主要担负水位和降雨量信息的采集任务，并将采集的信息实时传送数据传送器中。

数据传送器接收信息后，无线发送信息至采集点主机，再由该主机进行分析和处理。

由于采集点主机通过RS-232C 接口与Modem 相连，Modem 又接入公用电话网（PSTN ），因此该主机处理后的信息又可通过PSTN 以数据包的形式发送到数据处理中心。

(图1)系统总体结构图
4、数据采集器
4、１数据采集器硬件
数据采集器由80C51单片机、通信电路、复位及看门狗电路、时钟电路、A/D转换器电路等组成。

其组成方框图如（图2）所示。

由于数据采集器被置于水下，因此它不宜自带电源。

其电源由位于水面上的数据传送器提供。

水位传感器与降雨量传感器的原理和结构都有所不同，但本文不作详细介绍。

微处理器监控芯片采用ADM692。

时钟芯片采用S-3530。

时钟芯片每5分钟输出一个中断信号，请求CPU进行数据采样和转换。

A/D转换器芯片采用AD0809，其分辨率为8 位，其逐次逼近的转换时间为100uS。

数据采集器硬件电路图如（图3）所示。

（图2）数据采集器硬件组成方框图
（图3）数据采集器硬件电路图
4、2数据采集器软体
为提高水位和降雨量采样信号的真实度，本系统利用程序对外部干扰进行数字滤波。

即利用程序将采样信号进行加工处理，去除或削弱干扰的影响。

由于测量水位时江河、湖泊及水库波浪冲击可能引起采样信号产生瞬时、幅值较大的脉冲干扰。

这种干扰一旦出现在采样时刻，则破坏系统的正常工作，因此数据采
集器必须对采样信号进行滤波。

数据采集器采用中值滤波法。

即对水位或降雨量信息在每5分钟连续采样5次，然后将采样值从小到大排队，再取中间值为真实信号。

在软件设计时，为防止干扰，系统软件的程序中安排了“冗余指令”和“软件陷井”，同时还考虑到万一程序“弹飞”，应能让其自动复位到正常状态而设置了“看门狗”。

看门狗溢出周期为1.6S、复位时间为50mS。

数据采集器主程序流程图如图（4）所示。

（图4）数据采集器主程序流程图
5、数据传送器
5、1数据传送器硬件数据传送器接收数据采集器传送的水位或降雨量信号，并采用无线发送方式将此信号传送给采集点主机。

数据传送器硬件组成方框图如（图5）所示。

图中，微处理器监控芯片采用ADM695。

无线发射模块采用微型远程无线发送组件CSJ-TGN 150，最大发射距离1500M、工作频率351MHZ，最大功耗500mW。

由于电源需同时为数据采集器和数据传送器供电，因此需具备电源监控和后备电池切换功能，而这种功能可由微处理器监控芯片ADM695自身电路来实现。

由于电池切换电路所能提供的100mA的输出电流不能满足用电量要求，所以硬动三极管来获得更大的输出电流。

数据传送器硬件电路图如（图6）所示。

（图6）数据传送器硬件电路图
5、2数据传送器软件
数据传送器抗干扰措施与上述数据采集器基本相同。

它除设置“冗余指令”、“软件陷井”和“看门狗”外，还采用中值方法进行数字滤波。

为减少发射功率消耗，降低电源的能源负担，数据传送器采用间歇工作策略，即每5分钟发射一次信号。

也就是单片机的每次的“休眠”时间为5分钟。

在休眠状态下，ADM695中CPU 的主要任务是等待串行口发出的中断请求信号，一旦出现这种信号，CPU便响应这个请求，并顺序执行启动“看门狗”、接收数据、中值滤波和发送数据等程序。

数据传送器主程序流程图如（图7）所示。

图中“看门狗”的溢出周期为1.6S，复位时间为50mS。

（图7）数据传送器主程序流程图
6、采集点主机
6、1采集点主机硬件
采集点主机完成水位和降雨量数据处理任务。

处理内容包括数据的分析、显示、打印、报警等。

同时还通过公用电话网（PSIN）将数据发送到数据处理中心。

采集点主机的微处理器监控芯片采用ADM695，其看门狗溢出周期为1.6S，复位时间为50mS。

由于该芯片具有电源监控和后备电池切换等功能，因此它为采集点主机提供了完备的监控体系。

数据存储器采用CAT24WC64。

其特点：宽工作电压(2.7¬¬-6V)、有擦写安全保护措施，从而可提高数据的安全性和可靠性。

数据存储器存储空间可按存储一天的数据分配1K空间，按最大存储2月（62天）的数据总共分配62K空间，其地址为2K--64K。

此时已将前2K作为备用空间。

数据存储管理采用段页式，即每8K为一段，并在存储器开辟一段空间放置段内基址表，通过查表获得段内基址。

采集点主机打印机选用PP40型，它具有体积小、价格低、可靠性高等特点，能较好地满足本系统的要求。

液晶显示模块采用日本东芝公司生产的DMF5005N液晶显示屏。

它具有体积小、重量轻、低电压和低功耗等特点。

键盘采用4×4键，键盘接口选用zlg7289A。

无线接收模块采用微型远程无线接收组件CSJ-R3，其最大接收距离为1500M、工作频率为351MHZ，最大功耗为500mW。

时钟芯片采用X1203，它具有日历和定时信号输出功能。

采集点主机硬件的组成方框图如（图8）所示。

6、2采集点主机软件
采集点主机主程序较为简单，它主要采用中断工作方式。

如单片机CPU响应显示时间中断请求时，它便调用显示子程序来实时显示时间、水位与降雨量情况。

CPU响应串行口的输入中断请示时，它便调用数据接收子程序。

CPU响应键盘中断请求时，它便调用键盘子程序。

其他子程序调用情况如（图9）的采集点主机主程序流程图所示。

（图9）采集点主机主程序流程图
7、结束语
本文所介绍的单片机控制水位与降雨量监测系统经实验室调试成功，且经水库实地运行效果良好。

参考文献
[1]何立民《单片机应用技术选编》北京航空航天出版社1997年2月
[2]万福君《单片微机原理、系统设计与开发应用》中国科学技术大学出版社1994年11月
[3]郭敬枢《微机控制技术》重庆大学出版社1994年11月
[4]周立功单片机网。