水文站的水位自动监测系统设计方案

目录第一章绪论111国内外的发展概况112目的和意义113主要内容2第二章数据采集的硬件设计321单片机数据采集系统3211基本组成3212采集方式3213硬件组成4第三章硬件电路设计531水位传感器的选择5311浮子式水位传感器5312压力式水位传感器5313气泡式水位传感器6314超声波水位传感器632传感器检测电路8321超声波发射电路9322超声波接收电路1033A/D转换电路设计10331A/D转换器工作过程10332A/D转换单元电路设计1134单片机最小系统1335LED显示电路1436报警电路1637串行通信电路设计16371RS485通信总线17372串行通信电路设计1838电源电路设计19第四章软件设计2041数据处理程序设计2042数据采集处理2143数据显示2244报警程序设计2245数据通信23第五章系统的抗干扰及可靠性设计2451电磁干扰对系统的干扰2452系统抗干扰设计24第六章总结26谢辞27参考文献28附录A外文翻译原文部分29附录B外文翻译译文部分35附录C总体接线图40附录D主要源程序411A/D转换子程序412动态扫描显示子程序413控制报警电路连续鸣音30MS的控制子程序的清单42第一章绪论11目的和意义水情水位测量一直是水文、水利部门的重要课题。为及时发现事故苗头，防患于未来，经济实用、可靠的水位无线监测系统将会发挥巨大的作用水位是水库大坝安全、水利排灌调度、蓄水、泄洪的重要参数之一。水位的自动化监测、传输和处理为水库现代化建设提供了良好的基础资料。在工农业生产的许多领域都需要对水位进行监控，可能现场无法靠近或现场无需人力来监控。我们就可以通过远程监控，坐在仪器前就能对现场进行监控，既方便又节省人力。为了保证水利发电站的安全生产,提高发电效率,水电站生产过程需要对水库水位、拦污栅压差和尾水位进行监测。但是,由于不同电站有着不同的实际情况,因此就有着不同的技术要求,而且水位参数的测量方法和测量位置不同，对监测设备的要求亦有所不同。这样往往造成监测系统设备专用化程度高,品种多,互换性差,不利于设备维护,亦增加了设备设计、生产、安装的复杂性。因此,在综合研究水电站水位监测的实际情况以及特点的基础上,利用现代电子技术,特别是单片机技术和不挥发存储器技术,设计开发一种通用性好,可靠性高,维护方便,可适用于多种监测环境的多模式水位自动监测系统具有重要的实际意义。12国内外的发展概况传感器是实现测量及控制的首要环节，一般传感器有模拟式和数字式两类，模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相连的时候必须采用A/D转换器把模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传输。数字式传感器直接将待测量转换为数字量输出，其输出信号抗干扰能力强，功耗小，可与数字设备直接连接。数字式传感器的这些特点，特别适合应用于水情遥测系统中。但限于成本控制本设计依然采用模拟传感器。水位监测系统在我国的应用已相当普及。大型国家水坝常采用由PC机和单片机组成的主从式的多机联网系统，单片机作为下位机，负责大坝现场各水位点的选通和采集，作为上位机的PC机，则负责大坝水位的集中显示和管理记录，PC机作为通用机，在用于专项的应用上时，难免会在很多方面存在问题，比如体积大，功耗大，运行不稳定、很难做到不间断运行等。而PC机与单片机之间的通讯方式主要采用RS485总线技术和现场总线技术两种。RS485是使用较为广泛的双向有补偿传输线标准，其最大每段总线长度为1200米，每段最多支持32个节点，采用单组双绞线双向主从通信。当总线加长或节点增多时需要使用中继器连接，全网络支持最多256个节点。RS485通信技术应用时间较长，软硬件实现较为容易，因此是国内粮情测控系统采用较多的通信方式。而本文多路水位监测系统特点1能够灵活适应测量库水位、拦污栅压差、尾水位等变化缓慢或剧烈的水位的需要。2系统工作体制采用轮询方式，实时性好。3采用无线/有线双通道传输方式，提高了传输的可靠性。4水位采集站工作模式可灵活编程设定，以适应不同的监测环境。5监测分中心提供微波接口和RS485接口，为上级监控中心提供监测数据。13主要内容本次所设计的水位自动监测系统主要包括以下几个内容1多点水位数据采集具有自动检测水位等功能，可根据需要进行定时检测、选点检测和巡回检测；2水位数据传输采集的数据进行远程传输，需要解决远程传输数据不稳定和有干扰等影响；3水位数据分析通过单片机进行数据分析，然后将数据传输到LED和报警器，进行数据显示或报警；4水位数据显示根据传回的数据通过LED显示；5水位预警根据水位实测值与人工设定的超限制或相关数据模型进行对比分析，若实测值超过设定的范围，则语音报警。水位自动监测系统采用液体压力探头采集水位原始资料，在单片机上进行模数转化资料处理，通过专线把资料传输到工作站；同时也可以在远程工作站通过电话拨号调用资料；在工作站的计算机上进行资料加工、存取、分析等处理。远离水库的指挥中心通过该系统可获得当前时刻的水位、水库库容、淹没面积、当天最高水位、最低水位、日水位升降、平均水位等一系列数据，为水库的防洪、水库水资源调度、蓄水灌溉提供科学的数据。该系统由数据采集、数据传输、数据分析、数据显示和水位预警等部分组成。第二章数据采集的硬件设计21单片机数据采集系统本文的设计是基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件。单片机具有体积小、功耗小、成本低、可靠性高、灵活方便、价格廉以及控制功能强等特点而得到广泛的应用。利用单片机的硬件、软件资源，实现信号采集的智能化控制和管理。211基本组成基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件；结合外围电路所构成。基本组成如图21所示。输入通道单片机输出通道图21数据采集系统的组成采集系统硬件主要包括传感器、转换器、单片机、输入输出接口电路等。由单片机做为控制单元的数据采集系统的工作过程可分为以下几个步骤数据采集是将被测量的信号转换为能够被单片机所识别的信号并输入给单片机；数据处理是由单片机执行以测试为的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的决策与判断。212采集方式一个具体的采集系统的构成，根据所测信号的特性而定。力求做到既能满足系统的性能要求又能在性能价格比上达到最优。根据这个要求，这种方式轮流循环采样的转换速度较慢，但是节省硬件。结构框图如图22所示。传感器（S）传感器（S）传感器（S）模拟多路开关采样保持（SH）ADIO主机图22多路开关方框图数据处理部分采用AT89S52做为核心控制器件。模数转换器采用8位串行模数转换器TLC0838，该芯片占用单片机的引脚资源少，仅占有单片机5个引脚即可完成8个通道的数据采集，简化了电路设计，降低了成本。213硬件组成硬件部分分为数据采集和数据处理两部分。整体硬件框图如图23所示。超声波传感器电路多通道AD报警电路LED显示单片机上机位通信芯片图23整体硬件框图数据采集部分采用多路开关方式进行，设计有8个模拟数据采集通道，满足了生产中多通道的要求。可以对常见的模拟信号量，如水位、压力、流量、速度、频率等进行采集。每一种信号量都可以使用不同的传感器。扩大了数据采集系统的应用范围，具有较强的通用性。它常用于采集多路变化缓慢的信号，如水位变化、应变信号等。用这种方式采集多通道信号时，不能同时采集同一时刻的各种参数。本文所设计的硬件框图，主要是超声波传感器采集电路，采集到水位数据后经过信号放大和采样保持后再由TLC0838进行A/D转换，然后输入到AT89S52单片机中，其中AT89S52单片机是整个系统的核心，单片机通过处理后再进行LED显示和越限报警，并将数据传送至上位机进行人工操作。第三章硬件电路设计31水位传感器的选择传感器是实现测量及控制的首要环节，一般传感器有模拟式和数字式两类，模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相连的时候必须采用A/D转换器把模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传输。数字式传感器直接将待测量转换为数字量输出，其输出信号抗干扰能力强，功耗小，可与数字设备直接连接。数字式传感器的这些特点，特别适合应用于水情遥测系统中。但限于成本控制本设计依然采用模拟传感器。目前主要测水位的液位传感器有浮子式水位传感器、水位跟踪式传感器、超声波水位传感器、雷达激光水位传感器,压力式水位传感器等。下面是一些主要水位传感器的简单介绍。311浮子式水位传感器其主要产品有上海精浦机电有限公司的GEMPLEGPH500，正天科技的FYC3型浮子式水位传感器等。1工作原理它利用液体浮力测液位的原理，靠浮子随水面升降的位移反映水位变化。漂浮通过绳索经滑轮与编码器相连，编码器的数字输出即为水位高度。为防止错码的出现，其编码器的编码为格雷码。机械浮子式和光电浮子式都是来用机械齿轮减速产生进位和退位的办法来形成编码。其工作示意图如图31所示。图31浮子式水位计工作示意图2）特点稳定，可靠，优点成熟、运用最广泛，价格相对较低。3）缺点机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散。312压力式水位传感器其主要产品有重庆华正的WYZ1型压力水位计，武汉华凯的JWRWX3压力水位计。1）原理根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，运用压敏元件作传感器的水位汁。当传感器固定在水下某一测点时，该测点以上水柱压力高度加上该点高程，即可间接地测出水位。压力式水位计是一种通过压力传感器及其有关的引压信号传输数据处理等装置来测定水位的仪器可有数字显示编码输出及自动记录的功能它可分为引压式和直接式两种记录特征可分为模拟过程线数字显示分时段记时打印磁带记录固态存贮微机处理等形式。2）优点测量精度高，价格相对低廉，安装简便，不需要建造水位井。3）缺点对泥沙含量大的水流，测量精度会受到影响，工作不稳定，压阻式有时飘、温飘，要定时率定。313气泡式水位传感器原理将一根上端装有压力传感器和气源的管子插入水中，以恒定流向管子里通入少量空气或惰性气体，压力传感器即可测出管内气体压力，此值与管子末端以上水头成正比，通过记录系统转换成水位。优点该仪器的压力传感器不直接与水体接触，可不建测井，特别适用水体污染严重和腐蚀性强的工业废水等场合。国外应用气泡式水位计较普遍。缺点在一些水位变幅较大较快而且含沙量较大的山区河流误差偏大，针对这种情况，我生产厂家要采取必要的措施，如加装防浪头。314超声波水位传感器超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器，是在SCA61型声学水位计基础上的改进设计。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS485数据输出。应用于沿海水文台站的常规长短期潮位观测，江河湖泊的水位连续自动测量，以及港工水文调查、港口调度、船舶航行等部门的水位测量。目前智能水位传感器由声学传感器、温度传感器、声管、测量电路、信号传输电缆组成。其水位测量原理如图32所示。1水位采集系统图32水位测量原理图（1）水位测量工作原理水位测量原理如图所示，由收发共用声学探头发射一声脉冲，经声管传声L声程遇水界面产生反射，反射波（下称回波），又经L声程由同一声学探头接收，只要测得声波（由发射至接收到回波）在空气中的传播时间T及现场声速C，就可测算出声学探头发射面至水面的距离，即ERRORNOBOOKMARKNAMEGIVEN（31）2/CT在设计上采用自校准技术对声速进行补偿，即在连接声学探头的第一节声管（称此声管为校准管）的已知距离L0处开有一校准用小圆孔。声学探头发射的声脉冲首先遇小孔这一界面产生反射回波，这一回波传播的声程2L0为已知，传播时间T0可测出，传播声速若为C0则有（32）2/OOTCL取校准孔回波与水面回波传播声程的比值则有（33）0/LCTL由式（1）可知声程L是传播声速C、C0，传播时间T、T0和校准孔距L0的函数。如果在声管中传播声速由发射面至水面间变化很小，这样（1）式就可简化为（34）0/TL发射声脉冲后，测得T0、T即可测算出声程L。由图2知，探头安装基准面至水位零点高度为S（S可以当地水准点或水尺为参考，安装时测量确定）则水位值H为（35）式中H为水位值S为探头发射面至水位零点距离L为探头发射面至水面间距离（2）水位采集系统的组成水位测量是应用空气声学回声测距原理，将声学探头安装在自流道进口和出口处，通过电缆将信号传至水位采集系统，采集并输出进口和出口处的水位值。水位采集系统由声学探头，声路总成、外保护管总成、水位采集主机系统、显示及电源组成、水位采集系统通过RS485接口与流量数据处理系统相连。在智能声学水位传感器工作中，用户可以根据实际需要选择安装不同个数的温度传感器。为了便于互换和维护，每个DS1820有独自的单线接口与微处理器连接通讯。智能声学水位传感器可以挂接18个温度传感器。当传感器测量至水面距离时，如果是声程范围内温度均匀或对精度要求较低时，可以不使用温度传感器，通过自校准技术直接测量水位，因为校准管距离L0为已知，测得T0、T之后，根据公式（3）即可算出声程L，再由公式（4）得出水位。如果声程范围内温度不均匀，就会产生测量误差，上述方法将不能满足精度要求。所以，为了提高水位测量的准确度，采集水位（声程）的同时，还要采集声程数点的温度值，在数据处理时可以对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。具体计算步骤如下声程内平均温度36NTATAT21式中AI声程内第I个温度因子（与现场安装位置等有关；用户可以根据实际比测作出修正）TI声程内第I个温度传感器温度值。N声程内温度传感器个数。将平均温度代入公式（5），算出平均声速C0、C,根据公式（2）即可算出声程L，再由公式（4）得出水位温度对测量精度的影响及修正空气中，不考虑湿度和气压的影响，则声速C为C33140607TM/S37式中T为温度（）。温度变化1，将影响声速变化约018，如果声管中传播声速由发射面至水面间变化较大。为了在不均匀的声场进行准确测量，采集水位的同时，还要采集声程数点的温度值，修正声速，对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。声学测量中，温度的影响是产生测量偏差的主要原因。在水位测量的实际应用过程中，声程不同位置测得的温度数据为非均匀变化，最大差值会达到6以上。经过温度修正，减小了声场温度影响产生的测量误差。尤其是在声程远端，未修正误差较大，修正后误差明显减小。声场受温度影响产生的测量误差，可以通过加入测温传感器，测量声路不同位置的温度，在软件上对测量值进行修正，减小测量误差。实际应用表明，效果很好。浮子式水位传感器的缺点是机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散；压力式水位传感器工作不稳定，压阻式有时飘、温飘，要定时率定；超声波水位传感器的优势在测量过程中没有任何部件接触水面，实现了非接触测量。不需建设观测井，基建投资少，见效快。运动部件，不因部件磨损锈蚀而产生故障，提高了无故障工作时间。周边环境无特殊要求，具有很高的兼容性，可多种组合，功能齐全，能够满足各种用户要求。实时全变量温度补偿，精度高，运用有线或无线传输水位信息，时效性强，降低劳动强度，提高了现代化水平。软件功能齐全，更适于水位站使用，提高经济效益。故本文选用的是超声波传感器。32传感器检测电路本文设计的超声波传感检测电路是利用40KHZ的超声波发生器，实现40KHZ的振荡是很容易的，并且方法有多种，取液位计与水面的距离为适当的高度，可令超声波发出去后能有效地返回，让接收器收到信号，送到微处理器，经微处理器处理所得的数据，即可算出水位高度。超声波在空气中一般可以实现有效传播，只要外部的环境不是特别的恶劣，所受的干扰并不是很大，测量结果不会有太大的误差。整个系统的核心是AT89S52。所选用是超声波传感器，它的工作电压是40KHZ的脉冲信号，这可很容易地用软件编程使AT89S52的P1口中的第0位产生40KHZ方波的方法来实现。并在第一个脉冲产生时开始启动计时。40KHZ的脉冲方波信号经放大后即可驱动超声波传感器工作，使其向水面垂直发出40KHZ的超声波。所选的超声波传感器是双用型传感器，即发送和接收集成于一体。当超声波遇到水面时发生反射，反射波回到超声波传感器，超声波接收器将超声波调制脉冲变为交变电压信号，再将所得的交变电压信号放大，输人到音调译码器中，音调译码器的输出由高电平跃变为低电平，作为中断信号输人到AT89S52单片机的INT1管脚。INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，取得超声波往返的时间差。通过计算式S340T/2算出液位计离水面的距离，从而计算出水位的高度。这些都可以通过对51单片机编程实现。计算出水位高度以后，单片机将所算出的结果通过P0口输出到七段LED数码管显示出来。超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器，是在SCA61型声学水位计基础上的改进设计。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS485数据输出。应用于沿海水文台站的常规长短期潮位观测，江河湖泊的水位连续自动测量，以及港工水文调查、港口调度、船舶航行等部门的水位测量。目前智能水位传感器由声学传感器、温度传感器、声管、测量电路、信号传输电缆组成。321超声波发射电路超声波发射电路如图33所示为超声波的发射电路图。图33超声波发射电路由图可见，超声波的发射电路比较简单，主要是由一个超声波探头、一个NPN型晶体管、一个稳压二极管和一个升压变压器组成。传感器探头需要40KHZ的脉冲信号才能触发，图中输人端口是从单片机的P35输出的40KHZ方波。方波电压信号经二极管稳压后送到三极管放大，再经TL升压变压器升压，驱动超声波传感器探头发出40KHZ的超声波。322超声波接收电路在这里超声波的发送与接收用的是同一个探头。如图34所示为接收用电路。图34超声波接收电路超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与传播距离成正比，因此，超声波传感器接收信号一般在LMV1V之间。这么微弱的电信号，一般都要经过放大才能使用。除此之外，接收探头接收到信号后，向电路中输出的是交变的正弦波电压信号，这就需要设计交流放大电路。这里选用两个运算放大器组成两级放大电路，放大倍数可达100倍。经这经这样处理后，最后接收电路所输出的是正常的电压信号。33A/D转换电路设计由于超声波传感器采集的信号是模拟信号，而单片机所接受的信号为数字信号，故需要将模拟信号转换成数字信号，因此本文设计了一个A/D转换电路，下面是A/D转换电路的设计。331A/D转换器工作过程A/D转换器实际上是将模拟信号转换成数字量的装置，其转换过程主要包括采样、量化、编码三个步骤。1采样、保持部分采样就是周期性地测量一种连续信号或连续过程信号，测量的周期称为采样周期TS，采样周期的倒数称为采样频率38SSTF1在对模拟信号进行模数转换时，户以D转换器从启动变换到转换完成需要一定的转换。当输入信号频率较高时，由于转换时间的存在，会造成较大的转换误差。为了防止这种现象的产生，必须在A/D转换开始时将信号电平保持住，而在户以D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即将输入信号采样保持，能实现这种功能的器件叫做采样/保持器。采样保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器。A/D转换器输出数字量的大小只能是某个规定的最小单位的整数倍，即必须把采样电压转化为这个最小数值单位的整数倍。这个转化过程叫做量化，所取的最小数量单位叫做量化单位，其大小等于输出的数字信号最低有效位1所代表的数量大小。把量化的结果用代码表示出来称为编码。采样保持电路能将采样后的模拟信号暂时存储起来，保持一个采样周期。当输入信号变化较快时，就不能输入到TLC0838中，这就要求输出信号能快速而准确的跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。图35是采样保持电路。SC01UFR_UIUC_UO图35采样保持电路图中S是一个模拟开关，由场效应管构成。当控制信号为高电平时，开关闭合，电路处于采样周期。这时UI对存储电容元件C充电，U0UCUI，即输出电压跟随输入电压的变化。当控制电压变为低电平时，开关断开，电路处于保持周期。因为电容元件无放电电路，故U0UC。这样就实现了采样保持,就能够与TLC0838相连。2量化编码部分量化编码部分是留D转换器的核心组成部分。所谓量化，就是采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。执行量化动作的装置为A/D转换器。在实际应用中，因串行A/D转换芯片具有占用单片机的引脚资源少，可以简化单片机系统，降低成本的优点，所以串行工作方式的A/D转换器在单片机系统中有着广泛的应用。信号采集单元选用串行多路模数转换器TLC0838实现。TLC0838是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。332A/D转换单元电路设计在实际应用中，因串行A/D转换芯片具有占用单片机的引脚资源少，可以简化单片机系统，降低成本的优点，所以串行工作方式的A/D转换器在单片机系统中有着广泛的应用。信号采集单元选用串行多路模数转换器TLC0838来实现。TLC0838为美国德州仪器公司推出的八通道8位逐次逼近模数转换器。它具有与单片机接口连接简单，占用线路板体积较小，性价比较高的优点。其采用取样数据比较器的结构，使用逐次逼近流程转换输入信号。要转换的模拟通道的输入电压连到一个输入端与地比较单端输入或与另一个输入比较差分输入。通过同单片机相连的串行数据电路传送控制命令，用软件进行通道选择和输入端配置。输入配置在多路器寻址时序中进行。串行输出可配置为标准移位寄存器或微处理器接口。以SPI总线与单片机接口。输入和输出均与TTL和CMOS兼容，总失调整误差1LSB。A/D转换单元电路见图36所示。TLC0838以SIP总线与单片机接口。片选信号CS接P10引脚，因为数据输入端D1和输出端D0在同一时间有一个为高阻，所以连在一起，接P11引脚，串行数据时钟信号输入端CLK接P12引脚。状态转换输出引脚SARS连接PI3，数据输出方式选择引脚SE连接P14。图36TLC0838接口电路TLC0838工作过程如下输入配置在多路器寻址时序中进行。置CS为低，使所有逻辑电路使能，转换器初始化。CS在整个转换过程中必须置为低。接着CLK从单片机P12口接收时钟，在每个时钟的上升沿；由单片机P11口输出的多路器地址通过DL端移入多路器地址移位寄存器。在每个时钟的上升跳变时，DL端的数据就移入多路器地址移位寄存器。第一位为逻辑高，表示起始位。紧接的2、3、4、5位是配置位，用来选择通道。多路器地址选择模拟输入通道，也决定输入是单端输入还是差分输入。在连续的每个时钟的上升跳变，起始位和配置位移入移位寄存器。当起始位移入多路器寄存器之后，输入通道选通，转换器开始工作。SARS状态输出变高表示转换过程正在进行。引脚D1在转换过程中与多路器的移位寄存器之间是关断的。为使选定的通道稳定，在通道配置位输送完后，要隔一个时钟周期转换的数据才在时钟的下降沿从引脚D0输出数据至单片机P11。转换过程为采样比较器把从电阻梯形网络输出的逐次信号和输入模拟信号进行比较。比较器的输出指出模拟输入是大于还是小于电阻梯形网络的输出。在转换过程中，转换数据同时从D0端输出，以最高位MSB开头。经过8个时钟后，转换完成，SARS变为低。TLC0838的输出数据可从高位开始，也可从低位开始。在SE为高时，数据先从最高到最低位输出，并将最低位保持在数据线上；在SE为低时，数据从低位开始重新输出一遍。在全8位分辨率下允许任意小的模拟电压编码间隔。变换结果范围为0FF。为满足低温下系统正常工作的要求，选用工业级TLC0838芯片，工作温度为05。34单片机最小系统单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对单片机来说,单片机晶振电路复位电路,便组成了一个最小系统。下面介绍AT89S52的最小系统，如图37所示。R10KERESTVCCC110FYC330PFC230PF12MHZAT89S52REST/EAVCCGND图37AT89S52最小系统P0口P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。P1口P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P2口P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址。P3口P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。程序存储器如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于AT89S52，如果EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为2000HFFFFH。数据存储器AT89S52有256字节片内数据存储器。高128字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。1AT89S52的主要性能2与MCS51单片机产品兼容38K字节在系统可编程FLASH存储器41000次擦写周期5全静态操作0HZ33HZ6三级加密程序存储器732个可编程I/O口线8三个16位定时器/计数器9八个中断源10全双工UART串行通道111低功耗空闲和掉电模式12掉电后中断可唤醒图38AT89S52引脚图13看门狗定时器14双数据指针15掉电标识符AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASHP10P11P12P13P14P15P16P17XTAL1RSTP30P31P33P32P34P35P36P37XTAL2GNDVCCP00P01P02P03P04P05P06P07EA/VPPALE/PROG/PSENP20P21P22P23P24P25P26P2714023933843753663573483393210311130122913281427152616251724182319222021AT89S52存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能8K字节FLASH，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其定时计数控制寄存器如表1所示。表1T2CON定时器/计数器2控制寄存器TF2EXF2RLCLKTCLKEXEN2TR2C/T2CP/RL27654321035LED显示电路本文设计了LED即时显示功能，下面是对此的设计。本文采用比高公司生产的具有串行接口，可同时驱动8位共阴式数码管或46只独立LED的智能显示驱动芯片HD7279A。该芯片同时可连接多达64键的键盘矩阵，且64键键盘控制器内含有去抖动电路无需外围元件便可直接驱动LED，一片芯片即可完成LED显示及键盘接口的全部功能。HD7279A内部含译码器，可直接接收BCD码或是16进制码，并同时具有2种译码方式，各位可独立控制译码1不译码、消隐和闪烁等属性具有循环左移/循环右移指令具有段寻址指令，可方便地用来控制独立的LED显示管；HD7279A和微处理器之间采用串行接口，其接口和外围电路比较简单，且占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域获得了日益广泛的应用。本数据采集系统不需要按键，只用到HD7279A的显示功能。显示接口电路如图39所示。HD7279A一共有28个引脚，引脚连接说明如下VDD正电源，接系统电源VCC。NC无连接，必须悬空。VSS接地。CS片选输入端，与单片机AT89S15的P24口连接。此引脚为低电平时，单片机AT89S52可向芯片发送指令。CLK同步时钟输入端，与单片机AT89C52的P25口连接。向芯片发送数据，此引脚电平上升沿表示数据有效。DATA串行数据输入/输出端，与单片机AT89C52的P22口连接。当HD7279A芯片接收指令时此引脚为输入端。KEY按键有效输出端。SGSA段G段A驱动输出。图39HD7279A显示接口电路DP小数点驱动输出。DIG0DIG78个LED管的位驱动输出端。本系统只使用4个LED管用以现场显示，所以只使用了DIG0DIG3四个端口。CLK振荡输出端。RCRC振荡器终接端。其中电阻的值为15K。，电容的值为15PF。ERSETT复位端。接5电源。当该端由低电平变成高电平，并保持25MS后，复位过程结束。36报警电路实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件通常可采用压电蜂鸣器，这种蜂鸣器只需在其两引线上加315V的直流电压，就能产生3KHZ左右的蜂鸣振荡音响，比电研式蜂鸣器结构简单，耗电少，且更适应于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器，约需10MA的驱动电流。因此，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以使用一个晶体三极管驱动。如图310所示是这种驱动的接口电路。图310单频音报警电路在图中，P00接晶体管基极输入端，当P00输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器得电而鸣音；P00输出低电平“0”时，三极管退出导通状态，蜂鸣器停止发音。37串行通信电路设计本文要求AT89S52单片机在数据采集完成后能够将采集到的数据交给上位机，由上位机进行数据的后续处理。为适应上位机处理的需要，数据采集系统应有与上位机通信的接口。单片机的通信接口分为并行接口和串行接口，在现代单片机系统中，由于串行通讯方式具有占用资源很少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯，常常用一两个端口就可以完成传输任务，所以使用越来越广泛。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是数据位传送，传送按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。在进行串行通信的线路连接时，通常要解决一个重要问题，就是上位机与外设之间要共同遵守的某种约定，这种约定称为物理接曰标准，包括电缆的机械特性、电气特性、信号功能及传送过程的定义，它属于ISO七层参考模型中的物理层，它规定了传送数据位的物理硬件规则、RS232C，RS85标准所包含的接口电缆及连接器均属于此类。RS232C接口又称EIARS232C的全名是数据终端设备DET和数据通讯设备DCE之间串行二进制数据交换接口技术标准”，该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器。由于RS232C接口标准出现较早，难免有不尽之处，主要有以下四个缺点1接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与竹L电路连接。2传输速率较低，通讯波特率的范围为020KBPS。3接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。4传输距离有限，最大传输距离标准值为1524M，实际上也只能用在15M以内。针对RS232C的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS458就是其中之一。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS485串行总线标准。RS485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能为二加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至20解的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态。因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。基于比辣砚本系统采用RS485标准进行通信。371RS485通信总线RS485工业标准有许多优点，它可以在一个联机中连接多达23个接收及发送装置，连接长度更长达1200M，短距离通信速度可以达到10MBIT/S，同时RS485收发芯片的价格较低，仅要5V电源供电，这可以大大简化系统中电源电路的设计。根据规定，标准RS485接口的输入阻抗为12K，相应的标准驱动节点数为32。数据在RS458总线上传输，为了保证传输质量和传输距离，通常需要进行总线电平转换。AT89C52的输出高低电平是5V和0V，为了满足RS485的电平要求，需要外接接口芯片，进行电平之间的转换。接口芯片使用原理如图311所示。TXDAT89S52RXDRS485接口芯片上位机串行输出TTL电平串行输入TTL电平RS485RS485图311RS485接口芯片使用原理RS485接口传输是所谓的平衡式传输，它是指其发送是两线式的，而且这两条在线的信号是互为反相的，接收端就以这两端的电压差来反应接收到的信号，这是根据电路测量学上的差动测量原理。平衡式传输最大的优点是抵抗噪声，通常的噪声包括火花，震荡以及电磁干扰等等，若它们是从传输线进入，由于RS485采用平衡方式的接线方法，利用差动测量的原理，这些干扰可在接收端相互抵消，因此RS485的抗干扰能力较RS232C高出许多。平衡式传输的另一优点是，对于每个RS485节点的对地电压差有相当的免疫性，因为如果每个节点都相距甚远时，传输线对地的电压都有所变化，但是差动电路仅对输入线的电压差反应，所以每个节点的对地电压不同时，RS485仍能正常传输。RS485所使用的电缆线是相对便宜的双绞线，即这两条线是相互对绞在一起，这种线材可以把感应到的电磁干扰信号相互抵消掉。虽然RS485采用5V电源供电，但是其接口上的准位却不是标准的TTL或CMOS的准位。如果将传输在线的信号称为A与B时，对输出而言，通常A与B的电压差都是5V左右，可是只要A较B高15V就是逻辑1，当A较B低于15V时就是逻辑0。RS485总线在长距离传输时，信号强度必然会有所下降，因此在接收端的灵敏度就要高一些，只要两根电线间的电压差超过02V就认定是有效准位。所以在接收端上，A较B高02V就是逻辑1，A较B低于02V时就为逻辑0。通常在RS485传输线两端所加的终端电阻是高频信号的“消波块”，它在终点处吸收信号，以免有反射信号再度灌回传输线。传输线是有阻抗的，而且理论上这个阻抗值与传输线的长度无关，所以不论联机的距离如何，只要我们选择的终端电阻值刚好等于该传输线的阻抗值时，就可以有效地吸收发送端的信号。372串行通信电路设计本系统把单片机的TXD、RXD信号通过MAX3O28芯片把TTL电平转化为R458电平。使单片机的TXD与上位机的RXD，及单片机的RXD与上位机的TXD间接相连。同时使两机共地，从而建立两机之间的通信。MAX3082具有故障保护功能，工作电压5V，波特率为0115MBPS，静态电流为375A，具有收/发器使能、低功耗关闭模式及速率限制功能。8引脚，半双工，节点数256，接收器输入开路或短路情况下保证接收器输出为高电平，信号摆幅限制功能。MAX3082接口电路如图312所示。图312MAX3082接口电路各引脚意义如下RO接收数据的TTL电平输出。RE低电平有效的接收允许。DE高电平有效的发送允许。DL发送数据的TTL电平输入。A485差分信号的正向端。B485差分信号的反向端。其中RE和DE短接，用P32口线来控制，这样可以做到收发的切换。这样需要由软件来控制I/O引脚的电平，以达到控制RS485收发转换的目的。当要发送数据时,由程序控制RE/DE变为高电平，然后UART单元发送数据，程序要等待发送完毕后，再将485芯片转换到接收状态。发送完毕的标志一般由UART的特定寄存器提供林态指示，程序需要去查询。38电源电路设计在工农业生产和科学实践中，主要采用交流电，但在大部分电子设备中都需要使用U0220V50HZ电源变压器整流电路滤波电路稳压电路图313直流稳压电源组成图直流电源提供能量。本次设计选用直流稳压电源做为供能设备，它主要由变压、整流，滤波、稳压四部分构成，如图313所示为直流文雅电源组成图。根据图313可设计直流稳压电源的电路原理图如下图314所示。图314直流稳压电源的电路原理图实际上，直流稳压电源就是把交流电转换为直流电的设备，它的组成框图也就是把交流电转换为直流电的过程。其中各环节功能如下1电源变压器将标准交流电源电压变换为符合整流需要的交流电压一般为降压。2整流电路利用二极管等整流器件的单向导电特性，将交流电压变换为单向脉动电压。3滤波电路滤去整流后信号中的纹波，减小整流电压的脉动程度，以适合稳压电路的需要。4稳压电路在交流电源电压波动或负载变化时，使直流输出电压稳定。第四章软件设计数据采集系统硬件电路确定以后，系统主要功能的实现必须通过控制程序对硬件资源进行调用，才能使整个系统协调运转完成要求的任务。系统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外，与功能完善的软件设计是分不开的。本系统的软件设计主要是单片机数据处理程序设计部分。本数据采集系统要求上位机通过串行接口控制单片机AT89S52采集数据并将采集到的数据交给上位机，由上位机进行后续相关的数据处理。41数据处理程序设计根据实际需要，数据处理部分需要完成的任务有通过串行通信，接收上位机发送来的控制命令，选择需要采集的通道，并针对选定通道，采集相应的数据，进行现场显示，再通过串行通信发送给上位机。数据处理程序由判别通道、数据采集处理、数据显示、数据通信四个部分组成。首先介绍一下顶层程序设计，顶层程序设计流程图如图41所示。启动系统系统初始化判别通道是否接到通道采集指令进行相应通道的数据采集处理现场显示数据发送数据至上位机NY图41顶层程序流程图系统上电或复位后，首先要对系统进行初始化。初始化内容首先将以后用到的各标志寄存器和数据寄存器赋初值，然后向显示芯片发送复位清除指令。最后恢复CS为高电平。系统初始化完成。系统初始化完成后，开始等待上位机发出通道采集指令，当接收到通道采集指令，单片机首先判别指令并选择通道，然后转入相应的通道处理程序。通道处理程序执行完毕后，一通过数码显示芯片进行现场数据显示，然后发送数据至上位机。上述程序执行完毕后，返回主程序。本系统共使用9个通道，其中包括8个模拟数据采集通道07和1个数字数据采集通道8。当单片机接到上位机发出的通道采集指令后，读取指令，判别选通的通道后转入相应的数据采集处理子程序。通道07负责8个模拟数据的采集、转换。通道8则负责数字数据的采集。循环判断数据采集通道子程序中，通过判断9个标志位，即可决定采集哪个通道。这样在用户采集数据时，只需通过上位机界面对要进行采集的通道进行选择即可。下面以第1通道为例，位地址0H为该通道的标志位，若位0H值为1，则说明要采集第1通道。采集第1通道时，单片机需要对TLC0838发送多路器模拟开关地址选择指令,从而多路器就选择了通道1进行采集。42数据采集处理8个模拟数据采集通道07任一通道选通，置AD转换芯片TLC0838的CS引脚为低，使所有逻辑电路使能；完成转换器初始化。接着置CLK引脚为高，接收时钟，首个位为L起始位。在每个时钟的上升沿，由单片机输出的多路器地址通过DL端移入多路器地址移位寄存器。多路器地址选择模拟输入通道。在每个时钟的上升跳变时，DL端的数据就移入多路器地址移位寄存器。第一位为逻辑高，表示起始位。紧接的2、3、4、5位是配置位，选中AD转换的通道。然后转换的数据1位1位的传送过来最高位在前。通过上述过程扩就实现了数据从模拟量到数字量的转换了。之后进行数据处理，包括滤波和十进制转化，然后查表把数据变成字型码，用于显示，程序流程图如图42所示数据处理主要包括数字滤波、十进制转化和查表。图42A/D转换子程序流程图读出数据后，要进行数字滤波，目的是将采集数据通过数字陷波器滤掉50HZ的工频干扰。具体做法是将在1S内采样N次的A/D转换结果求算术平均N为整数且N2，采样频率可通过延时子程序来确定。转换器初始化接收多路器地址选中转换通道接收转换后的数据数据处理本系统硬件设计时己使水位在0M时对应的转换值为0MV，而100M时对应的转换值为200MV，所以只要把转换值除以2，就可以得到实际温度值。除以2后，用其余数来判断小数点之后的值。如果余数为1，则小数点后一位为5，如果余数为0，则小数点后一位为0。这样变化后，整数部分在0到10之间变化。然后进行十进制转换，具体做法是将十六进制的转换值除以10，余数为转化后的个位，然后再除以十，余数为转化后的十位。43数据显示数据显示子程序用于现场数据显示。本系统所使用的显示芯片是HD7279A。先介绍其工作方式。首先置低CS，然后微处理器发出16个CLK脉冲，前8个向HD7279A传送8位指令；后8个HD7279A传送8位数据。DATA引脚为高阻状态。译码时数据和显示的关系如表2所示。表2译码时数据和显示的关系D3D0D3D210显示内容00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH0000000011111111000011110000111100110011001100110101010101