地下水检测系统设计

1、 地下水监测系统设计地下水监测系统设计 design of groundwater monitoring system based on mcu 学院名称 专业名称 学生姓名 学号 指导教师 i 摘要 水资源是人类社会的宝贵财富，在生活、工农业生产中是不可缺少的。随着 世界人口的增长及工农业生产的发展，需水量也在日益增长，水已经变得比以往 任何时候都要珍贵。为保护有限的水资源，进行地下水监测是必要的。 本系统设计的是一个基于单片机的地下水监测系统，整个采集系统完成对地 下水的水位、水温、电导率、溶解氧、ph 值和浊度六大参数的测量。系统使用 相应的传感器，将地下水参数由物理量转换为电信号。这些

2、电信号经过各自的前 置放大电路进行一级放大，信号变为合适的幅度。然后经前置放大电路处理过的 信号经过滤波电路以消除其它频率的干扰信号，并进行二级放大处理，送入 ad 转换器进行转换，转换后的数字信号被送入微处理器，微处理器采用 at89s52 单 片机，使系统智能化。特有的数据存储功能使仪器掉电后数据不丢失，并且可以 查询历史数据。信号调理电路的 i/v 转换采用 lm324 系列运算放大器，lm324 是具有短路保护输出、内部补偿、价格低的特点，使用多路模拟开关 max308， 使系统对前置放大后的多路信号进行分时处理。a/d 转换器选用美国 ad 公司生 产的高精度模拟数字转换器 ad77

3、05，它直接从二级放大器接受电平信号并输出 串行数字信号。为记录测量的时间，需要实时时钟，本系统采用 ds1302 芯片。 本系统在 at89s52 的控制下，进行报警、显示、打印等各种数据处理，具有 省电、体积小、造价低、工作可靠的优点。本仪器是一套适合野外现场使用的、 携带方便的地下水监测系统。 关键词：地下水；模数转换；单片机；滤波电路 ii abstract water resources are precious wealth of the human society, in life, industry and agriculture production is indispens

4、able. with the world population growth and the industry and agriculture production development, the water demand is growing day by day, the water has become ever more precious. in order to protect the limited water resources, groundwater monitoring is necessary. the design of this system is a based

5、on the groundwater monitoring system of mcu, the data acquisition system to complete the level measurement, temperature of groundwater, conductivity, dissolved oxygen, ph and turbidity of six parameters. the system use the corresponding sensor, the groundwater parameter from physical quantity into e

6、lectrical signals. these signals after the preamplifier circuit of a preamplifier, signal into a suitable amplitude. then the signal preamplifier circuit processed through the filter circuit to eliminate the interference of other signal frequency, and two stage amplifying processing, into the a/d co

7、nverter conversion, the converted digital signal is sent to the microprocessor, the microprocessor uses at89s52 micro controller, makes the system intelligent. the unique data storage function of the instrument after power failure without loss of data, and can query the historical data. signal condi

8、tioning circuit of i/v conversion using lm324 series op amps, the lm324 with short circuit protection, internally compensated output, low price of the amplifier, using the multi-channel analog switch max308, the system processing is performed on the multi-channel signal preamplifier. a/d converter m

9、ade by american ad company produces high-precision analog to digital converter ad7705, it directly accept the level signal and outputs a serial digital signal from the two stage amplifier. to record the measurement time, real- time clock, the system uses the ds1302 chip. this system is under the con

10、trol of at89s52, alarm, display, print and other data processing, has the advantages of saving electricity, small volume, low cost, reliable work. the instrument is suitable for field use, convenient carrying water monitoring system. keywords: groundwater; analog-to-digital conversion; mcu; filter c

11、ircuit iii 目录 第 1 章 绪论.1 1.1 研究的目的与意义.1 1.2 国内外地下水监测研究的现状.1 第 2 章 系统总体方案设计.3 2.1 系统总体设计.3 2.2 单片机的选型.3 2.3 传感器的选型.4 2.4 a/d 转换芯片的选择.10 2.5 多路模拟开关芯片的选择.10 2.6 实时时钟芯片的选择.11 2.7 看门狗芯片的选择.11 2.8 现场总线的选择.11 第 3 章 系统硬件设计.13 3.1 单片机最小系统.13 3.2 i/v 转换电路设计.14 3.3 多路模拟开关.15 3.4 滤波电路设计.16 3.5 a/d 转换电路的设计.18 3.

12、6 实时时钟电路的设计.19 3.7 看门狗电路的设计.20 3.8 键盘电路的设计.21 3.9 显示电路的设计.22 3.10 单片机扩展电路的设计.23 3.11 打印电路的设计.24 3.12 声音报警电路的设计.26 3.13 通信接口电路的设计.27 3.14 电源电路的设计.28 第 4 章 系统软件设计.29 iv 4.1 系统程序设计概述.29 4.2 主程序设计.29 4.3 a/d 转换子程序设计.31 4.4 实时时钟子程序设计.32 4.5 显示子程序设计.34 4.6 打印子程序设计.36 4.7 上位机人机交换界面.37 第 5 章 总结.39 参考文献.40 致

13、谢.41 附录.42 附录.43 附录.54 v 0 第 1 章 绪论 1.11.1 研究的目的与意义研究的目的与意义 随着社会的不断进步，科技的发展，人们的生活质量也不断提高，对生活用 水的要求也越来越高。水资源是人类社会的宝贵财富，在生活、工农业生产中是 不可缺少的。随着世界人口的增长及工农业生产的发展，需水量也在日益增长， 水已经变得比以往任何时候都要珍贵。由于人类的活动产生的污染物渗入地下， 地下水水质恶化的现象，使有限的水资源更加紧张。工业“三废”排放以及其他 途径使污染物进入地下水中并由此导致其水质下降的过程。地下水受物理、化学、 微生物作用，或有毒有害物质污染，使水质恶化，导致使

14、用价值降低的现象。地 下水一旦受到污染，即使彻底消除其污染源，也得十几年，甚至几十年才能使水 质复原。至于要进行人工的地下含水层的更新，问题就更复杂了。因此，为保护 有限的水资源，进行地下水监测是必要的。 1.21.2 国内外地下水监测研究的现状国内外地下水监测研究的现状 对于大多数地下水资源调查任务来讲，地下水动态监测的基本项目都应包括 地下水水位、水温、水质、水量等。对与地下水有水力联系的地表水水位与流量， 以及矿山井巷和其他地下水工程的出水点、排水量及水位标高也应进行监测。国 外一些发达国家在地下水监测方面都有几十年乃至上百年的历史，其监测设备水 平各异。其中美国、荷兰的产品在技术性能上

15、代表着当今世界的先进水平。近年 来，水质现原位测试技术在国外一些发达国家已经开始发展，如美国、日本等国 家已相继研制出水质自动监测设备，并开始走进国内市场(以水利系统为主)。 经过广大地质环境工作者的努力，如今，全国地质环境监测总站向国家资源 部有关部门提交的全国地下水情预报 、 地下水动态5年研究报告等成果资 料已运用到监测工作中，这些成果在我国环境保护领域产生了重大的影响；此外， 为了使地质环境监测成果规范化，全国地质环境监测总站还相继制定了国家级 地下水监测技术要求等规程，为地质环境监测成果奠定了基础。在地下水环境 监测仪器方面，目前全国大部分监测点仍以传统的人工测量方法(电表、铡钟、测

16、 绳等)为主，监测精度无法控制，监测效率较低，监测数据无法满足科研和生产实 际应用的需要。部分监测孔只能进行水位或水质单项监测，分析项目较少。缺乏 1 专门针对与地下水有关的生态环境问题和地质灾害的地下水监测。高质量的分析 仪器、专用监测仪器和自动监测系统多是国外引进的，国内仍然是采用现场水样 的采取、保存和送到化验室进行分析测定。因此，本课题拟设计一套基于单片机 的全自动水质参数检测仪，实现对地下水的水位、水温、电导率、ph值、溶解氧 和浊度等参数的监测和数据传输。 2 第 2 章 系统总体方案设计 2.12.1 系统总体设计系统总体设计 本系统采用微控制器等电子元器件构建地下水监测系统，微

17、控制器为控制核 心。该系统设计是多参数实时监测系统设计，能够对一定区域的地下水的多种参 数进行实时监测。并通过现场总线，把相关数据发送到主控制机房，然后进行集 中分析。本系统能够对地下水的水位、水温、电导率、ph 值、溶解氧和浊度进 行监测。系统总体框图如图 2.1 所示。 图2.1 系统整体框图 2.22.2 单片机的选型单片机的选型 51 系列单片机有多种，其中 at89s52 与 at89s51 相比，外型管脚完全相同， at89s51 的 hex 程序无须任何转换可直接在 at89s52 运行，结果一样。单片机 信 号 调 理 电 路 a/d 转换 单 片 机 存储 显示 键盘 报警

18、通 信 水位传感器 浊度传感器 溶解氧传感器 ph 值传感器 电导率传感器 水温传感器 打印 3 at89s51 和 at89s52，at89s52 的 flash rom 为 8k，比 51 大 4k，还有 52 比 51 多了一个定时器 2，其他硬件资源基本一样。 at89s52 是一个低功耗，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 8k bytes isp(in- system programmable)的可反复擦写 1000 次的 flash 只读程序存储器，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 mcs-51 指令系统， 芯片内集成了通用 8 位中央处理器

19、和 isp flash 存储单元，功能强大的微型计算机 的 at89s52 可为许多嵌入式控制应用系统供给高性价比的解决方案。 at89s52 具有如下特点：40 个引脚，8k bytes flash 片内程序存储器，128 bytes 的随机存取数据存储器（ram） ，32 个外部双向输入/输出（i/o）口，5 个 中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通 信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。此外，at89s52 设计和配置了振 荡频率可为 0hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，cpu 暂停工作，而 ram 定时计数器，串行口，外中

20、断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保 存 ram 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还 具有 pdip、tqfp 和 plcc 等三种封装形式，以适应不一样产品的需求。 综上所述，可知单片机at89s52具有性能强大、易于学习、价格低廉等优点。 所以本系统选用at89s52单片机更为适合。 2.32.3 传感器的选型传感器的选型 1.水位传感器 st3011投入式液位变送器，采用进口扩散硅压力传感器和先进的电路制造工 艺，兼有进口变送器所具有的稳定性和可靠性。该变送器可以用来测量开口容器 及河渠、湖泊、水井中的液位。其实物如图2.2所示，具有结构简单、测量精确和

21、安装方便等特点。结构st3011投入式液位变送器由不锈钢探头、导气电缆和电气 盒组成。变送器的探头为316不锈钢结构可直接将其投入到被测液体中使用。传 感器芯片由316不锈钢膜片和内充硅油与介质隔离，从而保证了它可测量多种介 质的液位。变送器探头与电气盒之间由专用电缆连接。电缆中间有一导气管使传 感器的背压腔与大气相通。电缆与探头和电气盒之间为密封连接。电气盒由电路 腔室和接线腔室组成。零点和量程可在电路板上调节。其技术指标： 测量介质：液体（水、油等介质）； 测量范围：0-120米； 过载能力：满量程的2倍； 输出信号：4-20madc输出； 4 供电电源：型表：12vdc，型表：220va

22、c或2411vdc或12vdc； 负载能力：r=（u-13v）/20r，u为电源电压，r为电缆线电阻。 图2.2水位传感器 2.水温传感器 ad590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。具有线性优良、 性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使 用方便等优点。可广泛应用于各种冰箱、空调器、粮仓、冰库、工业仪器配套和 各种温度的测量和控制等领域。它的主要特性如下： 流过器件的电流（ma）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数； ad590的测温范围为-55150； ad590的电源电压范围为4v-30v。电源电压可在4v-6v范围变化，电流 变化1ma

23、，相当于温度变化1k。ad590可以承受44v正向电压和20v反向电压， 因而器件反接也不会被损坏。 输出电阻为710mw； 精度高。ad590共有i、j、k、l、m五档，其中m档精度最高，在- 55 150范围内，非线性误差为0.3。ad590测量热力学温度、摄氏温度、 两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度 控制场合。由于ad590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和 热电偶的冷端补偿。如图2.3所示。 5 图2.3水温传感器 3.电导率传感器 电导率传感器根据测量原理与方法的不同可以分为电极型电导率传感器、电 感型电导率传感器以及超声波电导率

24、传感器。电极型电导率传感器根据电解导电 原理采用电阻测量法。对电导率实现测量 ,其电导测量电极在测量过程中表现为 一个复杂的电化学系统；电感型电导率传感器依据电磁感应原理实现对液体电导 率的测量；超声波电导率传感器根据超声波在液体中变化对电导率进行测量,其中 以前2种传感器应用最为广泛。本系统中采用ddm200电导率变送器，实物如图 2.4所示，可实现在实验室、工业生产和探测领域里被用来测量超纯水、纯水、饮 用水、污水等各种溶液的电导性或水标本整体离子的浓度。其技术指标： 测量对象：液体或溶液的电导率； 精度：0.5%f.s.； 温度补偿：pt100,三线制； 输出信号：4-20ma标准信号；

25、 工作温度：-5-130； 测量原理：两电极系统； 电池常数：0.02cm-1，0.1cm-1； 测量范围：0-0.5s/cm-0-200s/cm(电池常数: 0.02 cm-1)(sc450g，sc202)、 0-100s/cm-0-1ms/cm(电池常数: 0.02cm-1)(sc100)、 0-5s/cm-0-1ms/cm(电池常数: 0.1cm-1)(sc450g，sc202)。 6 图2.4电导率传感器 4.ph值传感器 ph值传感器是高智能化在线连续监测仪，由传感器和二次表两部分组成。可 配三复合或两复合电极，以满足各种使用场所。配上纯水和超纯水电极，可适用 于电导率小于3s/cm

26、的水质的ph值测量。美国global water公司的wq201ph传感 器是一款坚固耐用ph测量仪器，广泛应用于工业、电力、农业、医药、食品、科 研和环保等领域。实物如图2.5所示，该仪器也是食品厂、饮用水厂办 qs、haccp认证中的必备检验设备。wq201ph值传感器连接到7.6m的海洋级电 缆，电缆长度可根据需要多达152m。ph值传感器输出是4-20毫安，三线配置，其 电子产品是完全封装在环氧树脂海洋级不锈钢外壳中。ph值传感器还使用了可拆 卸的防护罩，易于维护。其技术参数： 输出信号：4-20 ma； 测量范围：0-14ph； 精度：1% ； 全量程最大压力：40 psi； 工作电

27、压：10-30vdc； 工作电流：5.5 ma+； 传感器输出预热时间：3秒； 最少工作温度：-5+55； 探头尺寸：3.2cm 直径x 25.4cm； 长探头重量：454g。 7 图2.5ph值传感器 5.溶解氧传感器 水中溶解氧浓度的连续测量在水处理领域起着重要的作用，如水文监测测量 河流、湖泊、海洋中氧含量，指示水的质量。wq401溶解氧传感器是一个坚固耐 用、可靠的溶解氧测量装置。其传感器连接到7.6m的海洋级电缆，电缆长度可根 据需要多达152m。输出是4-20毫安，三线配置，其电子元件是完全封装在环氧树 脂海洋级不锈钢外壳中的。溶解氧传感器采用可拆卸的外壳，使得溶解氧元件易 于维护

28、。如图2.6所示，其技术参数： 输出信号：4-20 ma； 工作电压：10-36vdc； 测量范围：0-20mg/l(0-20ppm),0-200%sat； 重复性：+/-0.5%fs； 操作温度：-5-50； 最大耐压：10bar； t90：60秒； 材质：316不锈钢 荧光层：硅； 电缆最长可至：152m； 防护等级：ip68； 连接螺丝：g1。 8 图2.6溶解氧传感器 6.浊度传感器 wq730浊度传感器是一个高精度的水下仪器，主要用于环境或处理监测。实 物如图2.7所示，应用范围包括水质测试和管理，河流监测，溪流测量，水库水质 测试，地下水测试，污水处理等。对于浊度测量，与usepa

29、方法一致，浊度传感 器是一个90的散射浊度计。传感器直接发射一个聚焦光束进入被监测水中，光路 通过水中的粒子反射，必然产生一个光强，通过90的光照探测器测量该光强大小。 直接探测出来的光密度大小和水的浊度是成比例的，浊度传感器使用了一个次级 光探测器，用于光密度变化、颜色变化以及镜头污垢的校正。浊度传感器技术参 数： 输出信号：4-20ma； 测量范围：0-50ntu和0-1000ntu； 精度：1%（全量程）； 工作电压：10-36 vdc； 工作温度： 0 - +50； 最大压力：30 psi； 工作电流：30 ma； 预热时间：5s； 材料：306不锈钢，聚甲醛树脂； 探头重量：907g

30、； 线缆长度：7.6m (最长152m)。 9 图2.7浊度传感器 2.42.4 a/da/d 转换芯片的选择转换芯片的选择 目前市场上ad转换芯片有很多，如ad0808、ad0809、ad574、ad7705。 其中ad7705是ad公司推出的16位-(电荷平衡式)ad转换器。它直接从传感 器接受低电平信号并输出串行数字信号。它包括由缓冲器和增益可编程放大 （pga）组成的前端模拟调节电路、-调制器及可编程数字滤波器等，能直接 将来自传感器的不同摆幅范围内的信号放大到接近a/d转换器的满标度电压附近 再进行转换，实现0.003非线性的16位无误码数据输出，其增益和数据输出更新 速率均可编程设

31、定，还可选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式。此 外它还具有高分辨率、宽动态范围、校准、低功耗及优良的抗噪声性能，因此非 常适用于仪表测量和工业控制等领域。 2.52.5 多路模拟开关芯片的选择多路模拟开关芯片的选择 在多路被测信号共用一路数据采集系统中，模拟多路开关(简称多路开关)通 常用来将多路被测信号分别传送到 a/d 转换器，能对多路被测信号进行处理。 a/d 转换器进行转换，使计算机能够对多路被测信号处理。在此数据采集系统中， 使用了电子式多路开关。本系统采用 max im 公司的集成模拟开关芯片 max308。 2.62.6 实时时钟芯片的选择实时时钟芯片的选择 时钟电路一

32、般由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容组成。现在流行的串行时 10 钟电路很多，如 ds1302、ds1307、pcf8485 等。这些电路的接口简单、价格低 廉、使用方便，被广泛地采用。实时时钟电路 ds1302 是 dallas 公司的一种具 有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源 提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。可实时的对秒、分、时、日、 周、月以及闰年进行计数处理。内部有 31 个字节的高速 ram，可通过外部可充 电电池加电长期保存数据，并能慢速为电池充电。通过简单的 3 线串行方式接口， 能在 2.55.5v 电源下可靠工作，在 2.5v 时

33、耗电小于 300ha。在主电源关闭的情 况下，能保持时钟的连续运行。所以，本系统将采用 ds1302 芯片进行对时间的 计数处理。 2.72.7 看门狗芯片的选择看门狗芯片的选择 在单片机智能测控系统的设计中，断电数据保存功能、看门狗功能、上电掉 电复位功能、电源电压监控功能等对系统是非常重要的。美国 xicro 公司生产的 x25045 芯片集上述功能于一身，这种组合大大简化了硬件设计，提高了系统的 可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗。本系统采用 x25045 芯片实现看门狗、电压监视、存储电路。 2.82.8 现场总线的选择现场总线的选择 现场总线的产生对工业的发展

34、起着非常重要的作用，对国民经济的增长有着 非常重要的影响。现场总线主要应用于石油、化工、电力、医药、冶金、加工制 造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域。现场总线将传感器、各种操作 终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的 主体配线是on/off、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、 多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配 线（配线的共享） 。基金会现场总线有基金会现场总线、profibus总线、can总 线等等。其中can总线具有以下特点： (1) 数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他（一个或多个）

35、节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序，高优先级 节点信息在134s通信； 多个节点同时发起通信时，优先级低的避让优先级高的，不会对通信线路造 成拥塞； (3) 通信距离最远可达10km(速率低于5kbps)速率可达到1mbps(通信距离小 11 于40m） ； (4) can总线传输介质可以是双绞线，同轴电缆。can总线适用于大数据量 短距离通信或者长距离小数据量，实时性要求比较高，多主多从或者各个节点平 等的现场中使用。 可见，本系统中现场总线选用can总线更加合适。 12 第 3 章 系统硬件设计 3.13.1 单片机最小系统单片机最小系统 单片机最小系统，或者称为

36、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51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振 电路、复位电路。 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 flash 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at89s51 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。 复位电路：由电容串联电阻构成，由图并结合“电容电压不能突变”的性质， 可以

37、知道，当系统一上电，rst脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时 间由电路的rc值来决定。典型的51单片机当rst脚的高电平持续两个机器周期以 上就将复位，所以，适当组合rc的取值就可以保证可靠的复位。 晶振电路：典型的晶振取11.0592mhz(因为可以准确地得到9600波特率和 19200波特率，用于有串口通讯的场合)/12mhz(产生精确的us级时歇，方便定时 操作)。 单片机最小系统主要特点如下： （1）单片机最小系统复位电路的极性电容c1的大小直接影响单片机的复位 时间，一般采用10-30uf，单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。 （2）单片机最小系统晶振y1也可以采用6m

38、hz或者11.0592mhz，在正常工 作的情况下可以采用更高频率的晶振，单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响 单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。 （3）单片机最小系统起振电容c2、c3一般采用15-33pf，并且电容离晶振越 近越好，晶振离单片机越近越好。 其最小系统如图3.1所示。 13 图3.1 单片机外围电路图 3.3.2 2 i/vi/v 转换电路设计转换电路设计 在有些电子设备或电子测量电路中，需要将电流变成电压，或将电压转换为 电流，这些电路适用于信号转换电路、测量电路及相关的设备电路中。本设计系 统中如ph值传感器、浊度传感器等，均为4-20ma标准信号输出，需转换为1-

39、5v 输出的电压信号。其中lm324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源 应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在 低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为mc1741的静态电流的五分之一。 共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必 要性。 lm324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从 单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独 立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的 运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。其特点包括以下方

40、面： 123456 a b c d 654321 d c b a t itle n um berrevisionsize b d ate:4-jun-2013 sheet of file:c:d ocuments and settingsa dm inistrator三三三三三jhx myd esign1.ddbd raw n by: p1.0/t2 1 p1.1/t2e x 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5/mo si 6 p1.6/miso 7 p1.7/sck 8 v cc 40 ret 9 a d0/p0.0 39 p3.0/rx d 10 a d1/p0.1 3

41、8 p3.1/tx d 11 a d2/p0.2 37 p3.2/int 0 12 a d3/p0.3 36 p3.3/int 1 13 a d4/p0.4 35 p3.4/t0 14 a d5/p0.5 34 p3.5/t1 15 a d6/p0.6 33 p3.6/wr 16 a d7/p0.7 32 e a/v pp 31 p3.7/rd 17 a le /pro g 30 x ta l 2 18 pse n 29 a 15/p2.7 28 a 14/p2.6 27 a 13/p2.5 26 a 12/p2.4 25 x ta l 1 19 a 11/p2.3 24 g nd 20 a

42、10/p2.2 23 a 9/p2.1 22 a 8/p2.0 21 a t89s52 c2 30pf c3 30pf 12m h z s r1 10k c1 10uf v ccv cc 14 短路保护输出； 具有内部补偿的功能； 可单电源工作：3v-32v； 低偏置电流：最大100ma； 每封装含四个运算放大器； 真差动输入级； 共模范围扩展到负电源； 输入端具有静电保护功能。 如图 3.2 所示中的 r0 是电流取样电阻，其值的大小主要受传感变送器供电电 压的制约，当前级采用 24v 供电时，r0 经常会使用 500 的阻值，对应 20ma 的时候，转换电压为 10v，如果仅仅需要最大转换

43、电压为 5v，可以取 r0=250 ，这时候，传感变送器的供电只要 12v 就够用了。因为即使传送距离达到 1000 米， r0 最多也就几百 而已。同时，线路输入与主电路的隔离作用，尤其是主 电路为单片机系统的时候，这个隔离级还可以起到保护单片机系统的作用。 lm324 对零点的处理是在反相输入端上加入一个调整电压，其大小恰好为输 入 4ma 时在 ro 上的压降。有了运算放大器，还使得 ro 的取值可以更加小， 因为这时信号电压不够大的部分可以通过配置运放的放大倍数来补足。这样，就 可以真正把 420ma 电流转换成为 05v 电压了。 图3.2 i/v转换电路图 3.33.3 多路模拟开

44、关多路模拟开关 在多路被测信号共用一路数据采集系统中，模拟多路开关通常用来将多路被 123456 a b c d 654321 d c b a t itle n um berrevisionsize b d ate:25-a pr-2011sheet of file:c:d ocuments and settingsa dm inistrator三三三三三00jhx myd esign1.ddbd raw n by: 3 2 1 84 a l m324 r0 250 r5 100 r4 10k r2 100k r3 4k r1 10k rw 10k u 0 4-20m a三三 1-5v 三三

45、v cc 15 测信号分别送到 a/d 转换器，能对多路被测信号进行处理。a/d 转换器进行转换， 使计算机能够对多路被测信号处理。 在此数据采集系统中，使用了电子式多路开关。本系统采用 max im 公司的 集成模拟开关芯片 max308。max308 是 max im 公司生产的 8 路集成模拟开 关芯片，可单电源和双电源供电，在单电源形式下，电压范围是 4.5v-30v。图为 at89s52 对 max308 的控制连接，p2.0 口决定 max308 是否被选中， pb0、pb1、pb2 决定选择哪一路输入端,分别与 a0,a1,a2 连接如图 3.3 所示。 图3.3 多路模拟开关外

46、围电路图 3.43.4 滤波电路设计滤波电路设计 max275 是美国 maxim 公司生产的通用型有源滤波器。它内含两个独立的 二阶有源滤波电路，可分别同时进行低通和带通滤波，也可通过级联实现四阶有 源滤波，中心频率截止频率可达 300 khz。max275 无需时钟电路，因此与开 关电容滤波器相比，其噪声更低，动态特性更好，能广泛应用于各种精密测试设 备、通信设备、医疗仪器和数据采集系统。 max275 滤波器片内硬件由 4 个运算放大器及若干电阻电容组成。每 2 个运 算放大器构成一个二阶点。每个二阶点的中心频率 fo、转折频率、品质因数 q、 带宽增益 hp 都由 4 个外部电阻确定。

47、不需要外接电容。通过外接电阻的不同 组合形式可以实现巴特沃思，切比雪夫，贝塞尔型的低通、带通滤波器。 max275 还可根据设计者的要求实现高至 100 的品质因数 q。max275 采用 20 脚 dip 或 so 封装形式，引脚排列如图 3.4 所示。使用时只要根据相关公式计算 123456 a b c d 654321 d c b a t itle n um berrevisionsize b d ate:22-jun-2013sheet of file:c:d ocuments and settingsa dm inistrator三三三三三00jhx myd esign1.ddbd

48、raw n by: in7 10 in8 9 in6 11 in5 12 in4 7 in3 6 in2 5 in1 4 a2 15 a1 16 a0 1 en 2 gnd 14 out 8 v+ 13 m ax 308 in8 in7 in6 in5 in4 in3 in2 in1 pb1 pb0 p2.0 pb2 v cc 16 出合适的外接电阻，经过简单的连接就能很好地满足设计要求。其主要引脚的功 能如下（内部的两个独立二阶有源滤波器分别用 a、b 表示）： v+，v-：正、负电源输入端； ina，inb：信号输入端； lpia，lpib：低通滤波输入端； lpoa，lpob：低通滤波输

49、出端； bpia，bpib：带通滤波输入端； bpoa，bpob：带通滤波输出端； fca，fcb：频率控制端。 max275的主要性能参数如下： 频率范围：100300 khz； 频率精度：0.9%； 频率精度温漂：-24ppm/； 值温漂：38ppm/； 宽带噪声：6uvrms（1hz10hz），42uvrms（1hz10hz）； 失调电压：125mv（低通输出），50mv（带通输出）。 如图3.4所示为max275的典型应用电路。外接电阻r1r4的阻值计算公式为： r22109/ （3-1）0f r4r25k （3-2） r3q（2109）/（rx/ry） （3-3）0f r1r3/ho

50、bp （3-4） 式中f0为中心频率/截止频率，q为品质因数，holp为低通滤波器增益， hobp为带通滤波器增益。需要注意的是，rxry取决于频率控制端fc的接法： 若fc接地，rx/ry1/5；若fc接正电源，rx/ry4；若fc接负电源， rx/ry1/25。r1r4中若有阻值过大或过小的现象，可适当采取后两种接法达 到调整电阻值的目的。但在对噪声比较敏感的情况下，不推荐使用。 123456 a b c d 654321 d c b a t itle n um berrevisionsize b d ate:13-jun-2013sheet of file:c:d ocuments an

51、d settingsa dm inistrator三三三三三jhx myd esign1.ddbd raw n by: ina 8 bpo a 4 l pia 6 bpia 7 l po a 2 fca 9 fcb 12 g nd 3,5 inb 14 bpo b 18 l pib 16 bpib 15 l po b 19 v + 20 v - 11 g nd 10,17 m ax 275 r1a r3a r1b r3b +5v -5v bpo b ina r4ar4b r2a r2b 2.7m l po bl po a bpo a inb 2.7m 3.2m 3.2m 2.7m 2.7m 3

52、.2m 3.2m 17 图3.4滤波电路图 18 123456 a b c d 654321 d c b a t itle n um berrevisionsize b d ate:23-jun-2013sheet of file:c:d ocuments and settingsa dm inistrator三三1111jhx myd esign1.ddbd raw n by: c5 18pf c4 18pf 2.4567m hz d ou t 13 d in 14 v dd 15 g nd 16 scl k 1 m cl kin 2 m cl ko u t 3 cs 4 rese t 5

53、a in 2(+) 6 a in 1(+) 7 a in 1(-) 8 refin(-) 9 refin(+) 10 a in 2(-) 11 d rd y 12 a d7705 r7 4.7k c6 10uf in1(+) in1(-) r6 10k v cc v cc p3.0 p3.2 v cc p3.1 v cc 3.53.5 a/da/d 转换电路的设计转换电路的设计 ad7705具有以下功能特点： 1)双通道全差分模拟输入，可接受直接来自传感器的低电平的输入信号； 2)用-转换技术实现了16位无丢失代码性能，0.003的非线性度； 3)可编程增益，增益：l128； 4)可配置成三线

54、串行接口； 5)信号极性以及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配置； 6)器件包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误 差； 7)主时钟频率为1mhz或2.4576mhz(4.9152mhz)，数据输出更新频率有 20hz、25hz、100hz、200hz、50hz、60hz、250hz、500hz八种选择。 ad7705 对前级信号调理电路输出的两路直流电压信号进行模数转换，为了 能用软件有效地控制 ad7705 的复位，把 reset 与 at89s52 的 p3.2 相连，这样 可以保证 ad7705 能可靠的复位。在应用时，把 drdy 非接到 at89s52 的

55、 into 非，可以使 ad7705 在转换结束后使单片机产生中断以读取最新的转换数据。单 片机 p3.1 与 sclk 相连，为 ad7705 提供数据读写时钟，p3.0 与 dout 相连， 作为数据的输入输出线。如图 3.5 所示。 图3.5 a/d转换电路图 19 3.63.6 实时时钟电路的设计实时时钟电路的设计 时钟电路一般由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容组成。现在流行的串行时 钟电路很多，如 ds1302、ds1307、pcf8485 等。这些电路的接口简单、价格低 廉、使用方便，被广泛地采用。实时时钟电路 ds1302 是 dallas 公司的一种具 有涓细电流充电能力的电路，

56、主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源 提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通 32.768khz 晶振。 dsl302 经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟，日历提供秒、 分、时、日、周、月和年等信息。对于小于 3l 天的月，月末的日期自动进行调整。 实时时钟，日历还包括了闰年矫正功能。时钟的运行可以采用 24 小时或带 ampm 的 12 小时格式，使用同步串行通信。与时钟 ram 通信仅需 3 根线： rst(复位)、vo(数据线)和 sclk(串行时钟)。数据可以每次以一个字节或多达 3l 字节的多字节的形式传送至时钟 ram 或从其中送出。dsl302

57、被设计成能在非常 低的功耗下工作，消耗小于 luw 的功率便能保存数据和时钟信息。 由图 3.6 可知 ds1302 的引脚排列，其中 vcc1 为后备电源，vcc2 为主电源。 在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。ds1302 由 vcc1 或 vcc2 两 者中的较大者供电。当 vcc2 大于 vcc10.2v 时，vcc2 给 ds1302 供电。当 vcc2 小于 vcc1 时，ds1302 由 vcc1 供电。x1 和 x2 是振荡源，外接 32.768khz 晶振。rst 是复位/片选线，通过把 rst 输入驱动置高电平来启动所有的数据传 送。rst 输入有两种功能：首先

58、，rst 接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入 移位寄存器；其次，rst 提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当 rst 为高 电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 ds1302 进行操作。如果在传送过程 中 rst 置为低电平，则会终止此次数据传送，i/o 引脚变为高阻态。上电运行时， rst 必须保持低电平。只有在 sclk 为低电平时，才能将 rst 置为高电平。i/o 为串行数据输入输出端(双向)，sclk 始终是输入端。 dsl302 与单片机的接口电路如图 3.6 所示，dsl302 与单片机的连接仅需三条 线，将 rst、sclk、i/o 分别与单片机的 p1.4、p1.5、

59、p1.6 相连，用单片机的通 用 i/o 口线模拟通信。ci 2 20 图3.6实时时钟电路图 3.73.7 看门狗电路的设计看门狗电路的设计 看门狗电路电路的应用,使单片机可以在无人状态下实现连续工作，其工作原 理是：看门狗芯片和单片机的一个 i/o 引脚相连，该 i/o 引脚通过程序控制它定 时地往看门狗的这个引脚上送入高电平(或低电平)，这一程序语句是分散地放在 单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程 序段不进入死循环状态时，写看门狗引脚的程序便不能被执行，这个时候，看门 狗电路就会由于得不到单片机送来的信号，便在它和单片机复位引脚相连的引脚 上送出一个复

60、位信号，使单片机发生复位，即程序从程序存储器的起始位置开始 执行，这样便实现了单片机的自动复位。 看门狗定时器为单片机提供了独立的保护系统。当系统故障时，在可选的超 时周期之后，x25045看门狗将以rfset信号做出响应。用户可从三个预设置的值 中选择此周期。一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不改变。利用 x25045低vee检测电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响。当vex降到 最小vee转换点以下时，系统复位，复位一直确保到vcc返回且稳定为止。 x25045的特点是具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口sedalperphcrial interfacespi和软件协议。