基于AT89C52的防汛系统子站设计

李铁良，彭 刚

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456）

当今世界进入灾难高发的历史时期，洪涝灾害频发。实践证明：防汛工作的规范化建设，对迅速处置洪涝灾害、减轻灾害损失等方面都起到巨大作用。本项目旨在搭建某沿海城市的防汛系统，根据该城市的地域特点及气象特征，防汛系统监测重点是雨量及水位数据，保证雨量、水位数据信息的实时性和准确性。从而实现雨量、河道水位采集自动化、标准化，提高防汛资料的时效性和准确度，获取高质量雨量、河道水位信息，减少人工和维护费用，给防汛指挥部门提供时实、准确的数据，保障正确即时调度防汛资源，为促进现代化管理提供条件［1-7］。

1 系统设计

该系统由18个子站＋1个中心站＋调试仪组成，其中：中心站由PC机＋工业手机＋防汛信息采集软件组成。中心站自动完成各子站信息的接收和处理并建立数据库，以供后续查询和输出；调试仪便于维护人员现场检测及初始化子站；子站需自动采集雨量和河道水位，并通过GSM工业手机上传至中心站。子站的设计是该项目的核心部分，是决定数据信息实时性及准确性的关键。本文介绍了基于89C52的防汛系统子站设计。

子站结构框图如图1所示。以AT89C52作为控制及数据处理核心，系统采用太阳能板为电源，并配有电池及充电保护；由BCD拨码开关设定水位初值；雨量计及水位计经过单稳触发器向单片机实时发送数据；调试仪通过RS232接口与子站进行通信；由于测点分散、距离远等特点，采集的雨量及水位信息通过GSM无线通信模块完成数据远程传输。

图1系统组成框图Fig.1 System components

1.1 工作方式

子站安装于野外，无人值守自动运行。工作方式有两种：自动上报和人工呼叫。

（1）自动上报。子站程序根据设定条件自动将采集到的水位和雨量信息通过GSM工业手机上报。中心站自动接收子站信息，经预处理后自动建立数据库，以供后续查询和输出。

（2）人工呼叫。根据实际情况需要，工作人员随时可通过中心站PC机进入人工呼叫状态，以向子站发送SMS短信命令的方式采集即时信息。

子站工作于上述两种方式时，会将累计水量、水位、电池电压、触发源等信息同时传向中心站，其基本功能如表1所示。

表1基本功能Tab.1 Basic function

1.2 雨量计

翻斗式雨量计是由感应器及信号记录器组成的遥测雨量仪器，根据所测防洪信息的空间特性以及数据传递方式，本项目选择DY1090AX型翻斗式雨量计。该雨量计分辨率为1 mm，即降雨满1 mm动作；雨强范围0.01～4 mm/min，允许通过最大雨强8 mm/min。

当积水量达到设定值，翻斗失去平衡翻转使开关接通电路，向记录器输送一个脉冲信号，记录器电路将雨量记录下来，如此往复即可将降雨过程测量下来。该城市年最大降雨量≤800 mm。该雨量为累计数据，故选用12位二进制计数器/分频器4 040，其单片计数量M＝212-1＝4 095个。所选雨量计分辨率为1 mm，故单片4 040可累计雨量为4 095 mm。

1.3 水位计

本项目采用WFH-2型全量机械编码浮子水位计，分辨率为1 cm，测量范围40 m，12位格雷码输出。由于水位计采用格雷码输出，但显示和传送至中心站的数据都不采用格雷码，因此需要进行码制转换。

自然二进制码转换成二进制格雷码，其法则是保留自然二进制码的最高位作为格雷码的最高位，而次高位格雷码为二进制码的高位与次高位相异或，而格雷码其余各位与次高位的求法相类似。自然二进制码转换成二进制格雷码的硬件实现法，电路图如图2所示。

二进制格雷码转换成自然二进制码，其法则是保留格雷码的最高位作为自然二进制码的最高位，而次高位自然二进制码为高位自然二进制码与次高位格雷码相异或，而自然二进制码的其余各位与次高位自然二进制码的求法相类似。根据二进制格雷码转换成自然二进制码的法则，电路如图3所示。

图2二进制码转换格雷码电路图Fig.2 Circuit diagram of Binary code convert to Gray code

图3格雷码转换二进制码电路图Fig.3 Circuit diagram of Gray code convert to Binary code

1.4 GSM

由于现场安装条件的限制，考虑数据可靠性、安全性等因素，选择GSM/GPRS作为远程数据传输通道。本项目选用WAVECOM M1206（OEM版）工业手机，为RS-232接口。通过串口将工业手机固定在一个位置上，配吸盘天线。其优点是不需要任何驱动，适合各种操作系统，吸盘天线的磁力很大，可以吸附在机箱上提供长期稳定的GSM信号。

1.5 电源

整套设备自动运行，为无人职守的监测系统，需要电源不间断工作。由于该城市光照充足，本项目采用太阳能电池板做为主要电源，CR2032电池为备用电源。太阳能电池板在太阳光的照射下，其内部PN结会形成新的电子空穴对，在一个回路里就能产生直流电流；这个电流流入控制器，同时控制器会发出指令对蓄电池进行充电。即蓄电池在白天的时候会接受充电，为系统提供电能。太阳能电池板进来后会首先经过一个开关连接到直流/直流变换器，即蓄电池充电电路，此变换器的输出先通过一个保险丝再连接到蓄电池两端。在此它有2个作用：一是防止太阳能电池输出较低时由蓄电池过来的反充电流；二是当太阳能电池板极性接反时起到保护电路的作用。直流/直流变换器采用降压拓扑结构，拓扑结构的选择需考虑太阳能电池板最大功率点电压和蓄电池最大电压，兼顾效率和成本。

由于具有先进的微功耗设计和应用多种电源控制技术，仪器功耗小，在阴雨天气下可以保障设备连续工作2个月以上。系统电源提供2种电压，I/O口供电电压为5 V，水位计供电电压为+12 V，通过78M05将电源稳压至5 V。

2 系统软件设计

2.1 主程序设计

主程序进行系统初始化及创建任务基本流程（图4）。主控单元的软件设计主要包括数据采集模块（雨量值和水位值），数据存储模块和数据传送模块。主程序开机后不间断循环，永不停止，直至掉电。程序在各个部分不会停下来等待某一部分的结果，而是继续运行到下一个循环再来查询是否得到了相应结果，是则马上处理，否则继续循环。这种运行机制保证了程序执行的准确可靠，尤其对于需要周期性采样的系统。

图4主程序流程图Fig.4 Main program flow chart

2.2 数据采集程序

数据采集子程序在主程序接收到启动数据采集过程命令字后运行。通过软件将雨量、水位分时段（日、旬、月）上报。为提高水位采样信号的真实度，本系统利用程序对水位信息在每10 min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，并将采集到的水位值写入固态存储模块。雨量计每次翻斗触发将降雨时间写入固态存储模块，并使雨量累计值增量。配置大容量固态存储模块，保证报汛与整编数据的一致性。数据传输，以定时的方式触发，每隔1 h报送一次数据，利用GSM信道进行数据传输。

3 总结

本项目设计的防汛信息采集系统是某沿海城市防汛信息现代化的实际需求，实现了无人值守的自动化、智能化防汛信息采集。该系统自投入使用以来，实现了对雨量、水位的无人化远程实时监测，得到的数据准确，并能够实时自动传输至中心站，极大地提高了设备安全运行的可靠性，达到了科学预警提高效率。

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