论文总字数：22639字

摘 要

城市隧道积水检测对人们的安全、财产以及城市的抗洪救灾有着极其重要的意义，城市隧道积水若不能及时的检测并反馈给相关部门，很容易威胁到人们的财产和生命安全，同时也会降低城市对抗洪救灾做出的反应，故需要研究出一种即时、准确的城市隧道积水检测系统，能够帮助相关部门做出相对应的决策。

为解决上述问题，此次设计选择以LabVIEW技术和单片机技术为基础设计了一款城市隧道积水液位监测系统，该方案以单片机为核心控制器，以HC-SR04超声波的控制器做为进行测距的控制器，根据超声波测距原理进行测距，依据超声波测距原理测距，将所测数据通过串口通讯的方式将数据传输至PC，同时完成温度补偿，用LabVIEW技术设计一套上位机，实现即时检测、液位报警、数据查询等操作的城市隧道积水液位检测装置。

本次毕业设计所设计出的系统，基本实现了隧道积水的实时测量，能够完成所要求的实时监控、超高报警、历史数据查询等操作的功能。

关键词：城市隧道积水；超声波测距；串口通讯；单片机；上位机

Abstract

The detection of urban tunnel water logging is of great significance to people's safety, property and urban flood relief. If the detection of urban tunnel water logging can not be timely detected and fed back to the relevant departments, it is easy to threaten people's property and life safety, and at the same time, it will reduce the city's response to flood relief. Therefore, it is necessary to study a real-time and accurate detection of urban tunnel water logging Measurement system can help relevant departments to make corresponding decisions.

In order to solve the above problems, this design chooses LabVIEW technology and single-chip technology as the basis to design an urban tunnel water level detection device. The design takes STC89C52 single-chip computer as the central controller, hc-sr04 ultrasonic sensor as the measurement sensor, according to the principle of ultrasonic distance measurement, the measured data is transmitted to PC through serial communication, and The temperature compensation is completed, and a set of upper computer is designed with LabVIEW technology to realize the real-time detection, liquid level alarm, data query and other operations of urban tunnel water level detection device.

The system designed in this graduation project basically realizes the real-time measurement of the tunnel water accumulation, and can complete the required real-time monitoring, ultra-high alarm, historical data query and other operation functions.

Key word：Water accumulation in urban tunnel；Ultrasonic ranging；Serial communication；Singlechip；Upper computer

目录

第1章 绪论 1

1.1背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3论文研究主要内容 2

第2章 整体方案设计及论证 3

2.1系统所有主要技术简介 3

2.1.1超声波测距原理 3

2.1.2LabVIEW技术原理 3

2.2系统设计方案 3

2.2.1下位机方案选择与论证 3

2.2.2上位机方案选择与论证 4

2.2.3数据存储方案选择和论证 5

2.2.4通讯模块方案选择与论证 6

2.3系统整体设计方案 7

2.3总体设计技术路线 8

第3章 硬件设计 10

3.1超声波及其接口电路设计 10

3.2单片机及其外围电路设计 11

3.2.1单片机最小系统 11

3.2.2超声波发射和接收电路 12

3.2.3液晶显示电路 12

3.3温度补偿 15

第4章 下位机软件设计 16

4.1LCD1602液晶显示 16

4.2超声波测距程序设计 17

4.3温度补偿程序 18

第5章 上位机软件设计 20

5.1LabVIEW技术 20

5.2界面实现 20

5.2.1检测系统主页面 20

5.2.2串口配置模块 21

5.2.3实时数据监测界面设计 21

5.2.4报警模块设计 23

5.2.5历史数据查询界面设计 23

5.2.6可执行文件界面设计 24

5.3访问数据库 25

第6章 系统调试 26

6.1下位机调试 26

6.1.1测距调试 26

6.1.2串口通讯调试 27

6.2上位机测试 27

6.2.2检测功能测试 27

6.2.3查询功能测试 28

6.2.4警报功能测试 29

第7章 总结与展望 30

参考文献 32

附录1 33

附录2 35

致谢 39

第1章 绪论

1.1背景与意义

隧道积水是市政建设不可避免的问题，当内涝严重时，隧道积水将严重威胁城市道路安全，受全世界气候问题和都市化的两重影响，再加排水抗涝等基础建设落后、拦蓄雨洪和突发事件应对能力不足等因素，在我国众多大中型地市“逢雨必涝”、“逢涝必瘫”已变成常态化，“瘫”指的是交通出行瘫痪，以武汉举例，在2016年7月武汉市发生特大洪水灾害，据统计，武汉市大约有169处车辆无法通行路段，113条公交线路停运，各个隧道积水水面距离顶部仅有1米，有很多不知情的市民将车开到无法通行路段被迫弃车，造成了很大的人员受伤和财产损失。

隧道积水给市民生活出行带来了极大的不便，如果能及时检测出各个隧道、各个路段的积水深度，一是可以有助于市民合理出行，二是可以帮助政府应对城市道路积水管控和解决措施，降低隧道积水和道路积水对财产的损失。

综上所述，研究城市隧道积水检测可以增强城市的市政建设以及保护财产安全，对于市民和城市市政建设都是必不可少的，为此以武汉理工大学南湖校区机动车隧道为例，拟设计一种实时积水检测系统，以改善我校隧道内积水安全隐患问题。

本设计主要是基于单片机和LabVIEW技术，通过单片机测量出液位深度，将数据通过串口通讯传输至PC，再用LabVIEW技术设计出上位机，实时检测液位深度，可以使管理者能够及时获取城市隧道积水深度，以便于其决策，消除隐患。

1.2国内外研究现状

在液位的科研进步历程中，国内国外产生了许多不一样的积水监测方法，从最初的人力估测法，进步到现代智能化的无损自动检测系统，现阶段，在国内国外的工业生产中广泛选用的液位监测方法包含下列几种：雷达探测液位检测系统、光电液位监测系统、超声波液位监测系统、热力学式液位监测系统、同位素/放射性液位监测系统、液压类液位监测系统、电子类液位监测系统。

在其他国家，隧道积水的监测技术一直居于世界领先水平，近几年来，在液位监测技术及设施的科学研究上，国外专家现已获得了较大的发展，开辟出了许多创新性的方法、开发设计了许多新式产品，具有代表性的有张文昌团队研究的探头式电容传感器的液位检测动态方法^[1]、S. Woeckel团队研究的非浸入式液位检测，它所做的是一种超声波液位检测技术，但是不同于其他的超声波液位检测系统的是他针对了传感器在未对准模型的时候，能够很好的对模型进行补偿，对传播时间进行校正，使得测量出来的距离更加准确^[2]。还有谢里夫工业大学研究的一种光纤液位传感器，该检测方式是基于光强度调制来设计和构造光纤传感器，这种调制是由界面处的反射引起的^[3]，也有其它高校和公司研发的设备如液位传感器，普遍的运用于制造业、食品产业和大批的水位检测方面。

在国内，因为受历史影响，液位传感器的研发相对而言要迟缓的多，很多基础行业的财政投入并不是很协调，再加一定阶段的专业人才稀缺，导致相关配套设施方面比较落后，甚至于止步不前，使得国内的液位监测技术和测试方法落伍于其它欧美发达国家，检测系统的自动化技术水平不高，准确度和稳定性等其它功能都不如国外同类设备，可是伴随着中国改革开放的深入，中国的经济、技术实力获得了迅速发展，国内很多科研机构和公司一同研发的相关液位检测方面的技术比以前有很大的提升，例如电子科技大学杨天麒研究出的电容液检测技术，能够很精确可靠的进行液位检测^[4]，还有长春理工大学的徐博文研究出来的激光三角位移传感器，经光电变化、数模转换等，用直线电机和运动控制卡为核心完成液位的实时、连续检测^[5]。

1.3论文研究主要内容

本文的整体框架如下：

1. 论述了城市隧道积水检测系统的背景和意义
2. 对城市隧道积水检测系统进行方案设计和论证，包括对系统的设计要求，技术方案的选择进行了论证以及系统总体的技术路线的设计
3. 对城市隧道积水检测系统进行了硬件设计，包括对超声波及其接口电路设计和单片机与外围电路设计，以及按键、显示、串口、温度补偿等额外电路进行电路设计
4. 对城市隧道积水检测系统进行下位机的软件进行设计，包括LCD1602液晶显示的程序设计和超声波测距程序设计
5. 对城市隧道积水检测系统进行上位机的软件设计，包括各个界面的设计与实现
6. 对城市隧道积水检测系统进行整体调试
7. 总结部分：对城市隧道积水检测系统的设计进行归纳和整理，分析出系统的不足和未解决的问题。

第2章 整体方案设计及论证

此部分是根据毕业设计要求对系统的整体方案进行论证和设计，包括下位机的技术选择、上位机技术的选择、硬件材料选取以及总体技术路线的实现。

2.1系统所有主要技术简介

2.1.1超声波测距原理

超声波测距的基本原理是根据超声波遇到障碍物会进行反射，测算出时差来完成的，它是依据在超声波发射装置中产生超声波，再按照接收装置接收的返回时间差，与雷达测距原理类似，超声波发射向某1个方位产生超声波，在发射时刻的一瞬间就开始记时，超声波在媒质中进行传播，路途会遇到障碍物随即返回，直到超声波信号接收器接收到反射返回就立刻终止记时，借助己知的声速与时间差，就可以测算出距离，。

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