表3-3RS-232接口定义

   RS-232接口属单端信号传输，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此，通信距离较短，最大传输距离约15m。

   RS-232在进行通信时需要12V的电压才能识别，即相对高低电平为12V和0V，但是51单片机的高低电平仅为5V和0V。所以为了避免二者电平不一样而造成的无法通信，中间就需要一个电平转换芯片，在本设计中选用了MAX232。

   MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电，片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生10V和-10V电压V+、V-，而且功耗低，典型供电电流为5mA。

3.1.2.5输出控制模块

   主要控制模块在接收到经过AD模块处理过的数据之后，经过逻辑判断从而有针对性地对现场基层泵站的水泵进行控制，此模块即输出控制指令的模块。

3.2本章小结

  本章主要介绍了系统的硬件设计部分，首先从下位机现场控制模块的总体思路入手，简要介绍了设计步骤，给出系统的设计方案。然后，对于每个单元电路的设计进行了较为详细的阐述；对无线传输模块做了必要的阐述和介绍。

第四章 系统软件设计

  下位机软件开发主要使用了Keil uVision4。Keil uVision4引入灵活的窗口管理系统，使开发人员可以使用多台监视器，在可视界面任何地方全面控制窗口放置。新用户界面可以更好地利用屏幕空间，更有效地组织多个窗口，为开发应用提供整齐高效的环境。总的来说，提供了语言与汇编语言的编辑、编译与连接、调试与仿真等功能。

4.1下位机软件设计

4.1.1项目管理

4.2无线通讯软件设计

第五章结论和展望

5.1结论

  论文根据梯级泵站的运行特点，针对系统要实现的功能，分析确定了水泵工作状况实时监控与水泵启停智能控制的总体方案。

   论文的主要工作是：利用通讯技术实现远程无线通信；通过编程实现各基层泵站中水泵的接力式运行；考虑到梯级泵站多采用农用电，突然断电现象十分常见，进行相关设计，保证下位机系统在断电后可以继续保持运行状态，等来电之后可以继续工作；对设计出的方案进行测试。

(1) 系统根据工艺技术要求实现了对水泵工作状况的实时监控，并采用多种方法相结合控制水泵的启停，实现了各基层泵站协调控制、接力式运行。大大的降低了生产成本，减少了损耗，延长了水泵的使用寿命。

(2) 应用Protus进行系统硬件设计，通过对直流稳压电源模块、主要控制模

块、A/D转换模块、无线数传接口模块、输出控制模块、无线传输模块的选型设计，完成了系统硬件电路的设计.

   (3) 应用Keil uVision4进行系统软件设计，完成了系统的试验流程设计。

  （4）系统选用无线通讯模块进行无线通信，现场数据以“自组网技术”和“直序扩频传输方式”得以无线和无冲突远距离的发送，实现了较远距离的可靠通信。

   总之，论文设计的监控系统具有技术先进、功能合理、造价低廉、可靠耐用的特点，达到了预期的设计要求。

5.2 展望

   管国内在大规模调水工程梯级泵站运行调度的研究方面已经取得了可喜的成果，但是为了能够进一步发挥运行调度在梯级泵站的安全运行和经济效益方面的作用，我们仍然需要在运行调度的自动化水平和决策可视化方面进行进一步的探究。

   一方面，必须增强在运行调度中进行的计算机仿真研究的可视化，力争做到不仅可以应用在规划设计阶段的拟定、验证、优选三方面作为设计方案，同时也可以作为调水工程（梯级泵站运行）实时监控系统中的子系统，做到可以实时的进行调度过程的模拟，为调度决策的可靠性提供有理有据的技术支撑；另一方面，必须进一步开展于提高梯级泵站的实时调度其自动化水平的探究。就目前而言，在数据采集以及计算机监控方面，相关技术已经日趋成熟和完善，系统硬件可靠性与20世纪80年代相比已有质的提升。

   自从20世纪90年代开始，我国就已经集成开发了众多实用而可靠的计算机监控系统，譬如江都抽水站、东深供水三期工程（梯级泵站调水工程）、万家寨引黄入晋调水工程、深圳市罗湖区排涝工程（泵站、水闸）、东深供水改造工程等。总体来说，这些系统中的计算机监控以及通信硬件配置已经比较先进和合理了，但是其中传感器及其执行机构（例如叶片安放角调节机构）等的可靠性和基于安全运行调度理论的专用的调度软件在很大程度上都制约了系统的自动化水平。因此，除了考虑进一步提高传感器及其执行机构的可靠性外，还应该根据各梯级泵站不同情况下的实时数据进行优化调度专用软件的开发和研究，以进一步提高我国梯级泵站运行调度的自动化水平，力争做到可以根据调水需求，结合工程实际工作情况形成安全且优化的调度决策，实现操作控制全过程的自动化。

   在本次论文设计中，由于多种原因，包括上位机设计在内的许多设想还未完全实现，还有很大一部分测试工作没有做。虽然进行了一定的仿真、实验和调试，理论上达到了预期的设计要求，但还可能存在现场环境的影响。所以，本设计还需要继续努力的是

  （1）考虑到地形等自然环境的复杂性，无线通讯模块需要在现场做进一步的调试和考验。

  （2）对上位机进行深入开发，完善与下位机的交互，可以达到更好的效果。

基于C51单片机梯级泵站监控系统的设计

摘要：泵及泵站是耗能的设施，据有关统计，其耗电量约占全国总用电量20%的。随着经济的进一步发展，人们必将对泵站的运行提出更高的要求。因此，如何从泵的设计、制造及应用等各个环节研究，可以进一步提高性能和效率。从泵站工程上来说，如何加强规划设计，对现有泵站如何改善其管理和经营，进行技术革新创新，挖潜改造，及提高其经济效益，减少耗能，降低抽水成本提高利用效率，是目前迫切需要研究的重要课题。本文针对梯级泵站的工程组成和工作特点，提出了利用监控系统进行泵站优化调度的思想，并进行了总体方案设计，达到降低生产成本，减少损耗，延长水泵寿命的目的。

关键词：梯级泵站、监控系统、单片机、无线传输

ABSTRACT

   Pumps and pumping stations are energy consuming facilities. According to the statistics, the power consumption of the pump accounts for about 20% of the total electricity consumption in the country. With the further development of the economy, people will put forward higher requirements for the operation of the pump station. Therefore, how to improve the performance and efficiency can be further improved from the research of the design, manufacture and application of the pump. From the pumping station projects, how to strengthen the planning and design of the existing pumping station to improve the management and operation, technological innovation, innovation, and improve the economic efficiency, reduce energy consumption, reduce the cost of pumping efficiency, is necessary and important research. Aiming at the engineering composition and working characteristics of cascade pumping stations, this paper puts forward the idea of using the monitoring system to optimize the dispatching of pumping stations, and designs the overall scheme, so as to reduce production costs, reduce losses and prolong the life of pumps.

Key words: Cascade pumping station, Monitoring system, Single chip microcomputer, Wireless transmission

第一章 综述

1.1我国泵站工程发展概况

我国利用现代化机械提水，大约始于20世纪初期，在江苏和天津等地陆续兴建了一些小型泵站，利用煤油机带动龙骨水车或者小型水泵来抽水灌溉及排涝。1924年江苏省常州郊区安装了一台口径150mm（约6英寸）的离心泵，由一台的20Kw的电动机来带动提水，是我国电力提灌技术的先例。直到1949年，现代机械的灌溉面积只,25.2万，只占当时总灌溉面积的约1.6%。

自新中国成立以来，随着工农业生产的不断发展和科学技术的飞速进步，我国的泵站建设也进入了一个崭新的阶段。目前，全国已经建成农业灌排泵站50多万座，灌溉面积已经达到2667万，在促进农业生产的发展上发挥了重要的作用。

为了解除干旱对于农业生产的极大威胁，我国的黄河中上游广大的黄土高原地区和西北，早在50年代末就建成了陕西渭惠渠高塬电力抽水灌溉工程，泵站共有22座，安装有大型离心泵83台，灌溉面积达6.4万。1960年7月黄河干流上的第一座大型泵站——山西夹马口泵站建设投入运行，总抽水流量达9.5，分三级扬水，累计的净扬程为110m，取水一级泵站中安装了24sh-10型双吸离心泵共10台，总灌溉面积2.67万。在随后的年代中，在黄河干流上又陆陆续续兴建了百余处泵站提水工程，总计灌溉面积约为60万，其中，装机容量超过一万Kw或者灌溉面积大于2万的大型电力提灌工程32处。这些泵站灌溉工程，对于促进地区的农林牧发展发挥了极大的作用。

我国北方广大地区，地表水极端缺乏，因此，从上世纪60年代起，北方各地区就大力开发利用地下水资源，已打机井达200多万眼，每年提取井水量约为400亿--500亿，井灌面积约为1133万，约占此地区总灌溉面积的，对于促进区域农业稳产高产，扭转“南粮北调”这一局面起了重要的作用。为了从根本上缓解我国的水资源短缺问题，规模宏大跨流域的南水北调工程已经在实施当中，其中，东线调水工程中已建成的江都枢纽泵站首期抽取长江水为500，输水线路长达646km，沿线将兴建约20余座大型泵站，共15个梯级，提升高度50多m，把水送到黄河以南的广大地区。二期工程将抽水流量加大到700，穿越了黄河，将水引入了冀鲁及天津等省20市，输水线路总长达到1150km。

1.2单片机的发展及应用

1.2.1单片机的发展简史

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

（1）第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS–48为代表。MCS–48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。

（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在MCS–48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。①完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。②CPU外围功能单元的集中管理模式。③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。

（3）第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS–51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。

（4）第四阶段（1990—至今）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

1.2.2单片机的应用

  目前，普通PC机的运行速度已经达到了3GHz以上，并具有80GB、160GB甚至200GB的海量硬盘空间，256MB、512MB甚至1GB的内存，大屏幕液晶显示器等，为我们实现海量数据运算、信息处理、多媒体和网络应用成为可能。相比之下，单片机晶振频率一般只有几兆至几十兆Hz；单片机内部程序空间也比较小，一般在几KB到几十KB；其内存（RAM）一般是几百字节到几千字节。虽然单片机的性能无法和PC机相比，但是它具有的体积小、价格低、高可靠性、智能性、实时性、可塑性好等诸多特点，使其成为了工程师们开发嵌入式应用系统和小型智能化产品的首选机种。

时至今日，已经很难找到没有单片机身影的领域。从导弹的导航装置、飞机上各种仪表的控制、计算机的网络通信与数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处理，到人们生活中广泛应用的各种智能IC卡、汽车的安全保障系统、摄像机、全自动洗衣机、程控玩具、电子宠物等应用和产品中，都能找到单片机的身影。

在工业自动化领域，如在工业过程控制、环境控制、过程检测、工业控制器及机电一体化控制系统中，单片机主要用于实现信号的检测、数据的采集及应用对象的控制，本文正是利用了单片机在工业自动化控制系统中的应用，实现了对梯级泵站的远程监控。

由于MCS-51单片机系列仍是目前国内外最为广泛应用的机种，因此，本文主要以MCS-51（MCS是Intel公司的注册商标）单片机系列中的典型产品8951单片机展开设计，其内部含有8位CPU，4KB的ROM和128B的RAM、4个I/O接口电路、一个全双工的异步接口、5个中断源和2个中断优先级，寻址能力达到2×64KB。

1.3设计背景

   能提供一定压力和流量的抽水装置和配套建筑物所组成的抽水系统称为泵站工程。梯级泵站在调水工程中的输水线路比较长，各级泵站之间大多采用明渠输水，沿线区域之间分水工况也比较复杂，各级泵站之间的流量和扬程联系也非常紧密，泵站的装机功率较大、装机台数也很多，因次，这就决定了对梯级泵站的运行管理提出了更高的要求。在实际运行过程当中，经常由于调度决策不恰当，使各级泵站之间的流量配合出现不协调的情况，从而造成了水泵开停机操作非常频繁、渠道发生漫顶或者水位波动明显过大的现象，这也便造成了能源的大量浪费，同时不可避免降低了设备的使用寿命，甚至极有可能会出现严重的工程安全问题。因此，有必要通过科学合理的调度，同时设计一套符合实际、可操作性强、技术先进的远程监控系统，以保证梯级泵站不仅安全稳定而且高效经济的运行。对于输水线路中无调蓄水库湖泊的梯级泵站调水工程输水渠道的调蓄能力比较小，如果调度运行不够合理，经常会影响到工程的安全稳定运行，对于单线输水调水工程来说，将会直接导致输水中断事故的发生。

   基于当地实际情况，对以下问题进行了探究以确定设计方案。对于抽水系统过渡过程的研究。一般而言，在梯级泵站的调水工程中，输水渠道的调蓄能力比较小，往往不设置泵站出水池到进水池的溢流设施，因此，当某级泵站运行机组因发生事故而停机时，如果前一级的泵站不能够在较短的时间内做到紧急停机，那其继续抽来的水量就会不断抬高该泵站进水池的水位，当水位超过泵站进水侧的最高水位时，就会造成水位过高而淹没泵房电机层的事故；而后一级泵站则会在较短时间内，其进水池水位降低到最低运行水位，如此便强迫停机。如果渠道中水位在短时间内的变化过大，对其边坡稳定十分不利。因此从梯级泵站调水工程的安全运行考虑，特别是从单线输水系统安全运行的角度来考虑，十分有必要针对梯级泵站的不同工况来设计一套监控系统来调节水力过渡过程，同时不断完善工程设计方案。

第二章系统总体设计方案

  由于梯级泵站多修建于偏远地区，环境较为复杂，地形多变、高差大，对信号的阻挡、干扰、屏蔽也十分严重。因此，应当选择合适的通信方式及通信模块，使数据能够做到可靠的传输，并且尽最大可能地降低成本

2.1 系统总体设计方案

  根据系统要预期实现的功能，首先形成一个初步的设计方案。设计方案中采用的是以现场基层泵站控制为核心，通过无线数据传输实现远程监控现场水泵控制的方式。

  各个水泵处安装有压力传感器，传感器所输出的信号反映水泵运行状况的模拟信号，通过A/D转换模块，将其转换为数字信号并进入下位机。一方面，下位机通过本地内置的算法，进行逻辑运算及判断，并通过输出控制模块以达到控制基层水泵的目的；另一方面，下位机又将采集到的信号传入至通信模块，然后再经过通信模块传入上位机。上位机在画面上可显示各水泵的基本工作参数，实时而且直观地反映水泵工作状态。同时还可以通过上位机向下位机发送预设参数，修改间隔时间、温度、电流等内置的判断参数，从而使整个系统工作在最优模式。

2.2下位机的设计方案

  下位机即基层泵站单片机控制平台。单片机把中央处理单元、输入/输出单元、存储器等全部放置于一个芯片里，只要再配置一些小元件，如电阻器、电容器、石英晶体、连接器等，就成为一个完整的微型计算机系统。因此整个系统的成本低、体积小、可靠性高，成为目前微型计算机控制系统中的主流。其中，C51是MCS-51系列单片机中一种低端的8位单片机，通常用在工业控制等嵌入式设备中。其主要的软件开发工具有Keil。MCS-51系列单片机的经典产品为8051，其内部含有8位CPU、4KB的ROM、128B的RAM、4个8位I/O接口电路、一个全双工的异步接口、5个中断源和2个中断优先级，寻址能力达2×64KB。凡Intel公司生产的以8051为核心单元的其他派生单片机都可以被称为MCS-51系列，有时简称51系列。8X51单片机发展到今天，虽然有许多厂商各自研制开发了不同的兼容芯片，但是其基本结构并没有多大变动，故8X51系列依然是单片机中比较经典的系列。使用单片机对基层水泵站现场实施控制，具有体积小、成本低、实时性好、可靠性高等特点。

2.3系统通信方式的选择

2.4上位机监控系统设计

  对于上位机监控软件的设计，计划利用Keil uVision4软件来进行开发。系统的软件编程过程主要分为两大部分，串口通信部分和监控部分。

2.4.1监控部分

   由于本设计采用的为下位机在基层水泵现场进行实时控制，故上位机的主要用途是对基层泵站的水泵进行监测。此部分通过读取现场通信模块传输至中心计算机数据，从而获取现场水泵的工作状态，达到监测基层水泵运行状况的目的。

2.4.2串口通信部分

  此部分主要是涉及中心计算机与通信模块进行串口通信。程序主要有初始化部分、接收数据部分和发送数据部分。初始化部分包括对波特率、校验方式的设置等；发送数据要为发送按钮添加一个单击消息即BN-CLICKED处理函数，并在函数中添加相应的代码；接收数据主要在串口事件消息处理函数Oncomm（）中完成，每当串口接收到数据，就会产生一个串口接收数据缓冲区中有字符的消息事件，Oncomm（）函数就会执行，在Oncomm（）函数加入相应的处理代码就能实现想要的功能。

2.5本章总结

  本章确定了系统的总体设计方案。选用51系列单片机作为下位机的核心处理器件，并配合其它周边器件达到在现场进行控制的目的；使用通信模块对数据进行无线传输；使用Keil uVision4进行上位机监控软件的开发。

第三章系统硬件设计

  系统采用的是基于C51的下位机现场控制模块实现对基层水泵的实时监测与控制，采用通信模块实现数据的无线传输，结合上位机监控软件，从而实现对整个梯级泵站的有效监控，实现资源的最优配置及利用。

3.1下位机控制模块的设计  

  下位机现场控制模块分布在基层工作水泵附近，是整个控制系统中的核心部分。此部分要求有较高的可靠性及稳定性，并且需要具有良好的可拓展性，方能满足系统的整体要求。

3.1.1总体思路

   （1）集中设计直流稳压电路，为整个电路中的其它部分工作提供稳定的直流电源。电路输入为市电（220V，50Hz），输出为直流5V电压。在当地停电（无市电供应时），应有继续提供可用的电源，使得模块可以继续保持运行状态。

   （2）使用单片机最小系统设计主要控制模块，配合其它外围电路以满足对对象控制的需要。

   （3）设计转换模块，从而可以从传感器获取现场传感器的相关数据，并进行相应的逻辑判断以及分析。

   （4）对串口通信部分进行设计，使得单片机可以与无线数据传接口模块进行正常通信。从而保证下位机现场控制模块可以与上位机（中心计算机）进行通讯。

   （5）设计用于现场控制的输出控制模块，用来控制基层泵站中水泵的开启和停止，从而达到系统的设计目标和要求。

3.1.2单元电路的设计

   按照总体设计思路，设计电路包括直流稳压电源模块、主要控制模块、转换模块、无线数传接口模块、输出控制模块等个模块。首先以单元模块为单位设计相应的电路，设计完成后进行组合，从而形成完整的系统。

3.1.2.1直流稳压模块

直流稳压模块主要由电源变压器、桥式整流电路、滤波电路、集成稳压电路等来构成。图3-1所示为直流稳压电源模块的设计原理框图。

输入                                              输出

                          图3-1

3.1.2.2主要控制模块

   该模块主要基于单片机最小系统电路进行设计。电路主要包括工作电源、振荡电路和复位电路等几部分。

(1) 单片机的工作电源

   直流稳压电源模块中已经对此部分进行了设计，在最后的连接中可以直接进行使用。

(2) 单片机的复位电路设计

   复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，也需按复位键以重新启动。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式，本设计采用的是按键手动复位方式。

(3) 单片机的时钟电路

   时钟电路用于产生时钟信号，单片机本身是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，单片机应设有时钟电路。本设计采用了晶振，电容选择30pF。图3-9所示为主要控制模块在Protues中的电路原理图，即单片机最小系统，此时的单片机已经可以进行简单的工作，但是如果要满足本设计的要求，还需要其它模块的配合。

                       图3-9单片机最小系统电路

3.1.2.3 AD转换模块

   人类直接感受到的模拟信号不容易存储、处理与传输，且容易失真，所以往往要转换为数字信号。故我们需要一个模块（模/数转换器，ADC）来将传感器测得的模拟信号转换成数字信号。

  本设计中选用的是ADC0809芯片。ADC0809是价格适中的逐次逼近型八位A/D转换器，可输入八路模拟信号。由于其与微机有良好的兼容性，故与单片机接口简单，是单片机应用系统最广泛应用的A/D转换芯片之一。

                图3-10 AD转换模块电路原理

3.1.2.4无线数传接口模块

   本设计采用RS-232作为单片机与通讯模块进行通讯的串口。

   RS-232中的RS是英文“推荐标准”的缩写，232是标识号。RS-232总线标准规定了21个信号和25个引脚，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道。对于一般双工通信，仅需3条信号线即可实现，包括一条发送线、一条接收线和一条地线。具体针脚定义见表3-3

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