基于单片机的水闸控制系统设计

/r/nPAGE/r/nPAGE/r/nIII/r/n摘要/r/n随着我国科技水平和综合国力的大力提高，水力资源在国民经济建设中体现出其越来越重要的地位，我国对水利工程建设上也加大了投资力度，合理充分地利用水力资源显得越来越重要，/r/n水闸/r/n作为水利资源调动中不可缺少的一个重要部分，/r/n水闸/r/n的自动化改造的重要性就显得尤为突出。/r/n基于单片机的闸门控制系统中PC机通过上位机控制14个闸门，每个闸门由一个下位机控制，上位机和下位机通过RS485总线通信。下位机AT89S52单片机中选择超声波/r/n水位传感器T40、R40/r/n测量水位/r/n，闸位/r/n传/r/n感器ROQ425/r/n测量闸位/r/n，传感器芯片ADXL250/r/n测量加速度/r/n，/r/n来判断闸门卡滞、飞车和下滑，检测信号/r/n进行处理后送入/r/n下位/r/n机，经/r/n下位/r/n机处理分析后/r/n存储显示并/r/n输出控制信号来控制电机/r/n正反转/r/n，从而改变水闸的开度以精确控制水闸。/r/n当出现异常现象时/r/n喇叭及LED灯发光二极管/r/n形成声光报警，/r/n应用HD7279A/r/n将/r/n键盘及显示电路/r/n连接在一起/r/n，时钟芯片采用PCF8563，存储芯片采用/r/nFM/r/n24C16，/r/n电源电路设计保证了该监控终端既能由AC220V供电，亦可由电池作为供电电源。上位机/r/n采用有两个通信口的单片机W77E58，分别连接下位机和PC机，扬声器及LED灯组成上位机声光报警电路。/r/n中小水电站的闸门控制系统是应用先进技术，配置计算机监控装置，来提升中、小水电站现代化水平，确保水电站的效益和安全，提高水电站自动化程度和经济效益，提高对电网的响应速度和安全生产水平，增加其运行的可靠性与稳定性。/r/n关键词：/r/n单片机；数据采集；水闸控制系统；数据通信/r/nA/r/nbstract/r/nAlongwiththescienceandtechnologylevelandimprovethecomprehensivenationalstrength,reflectsits/r/nintheconstructionofhydropowerresourcesinthenationaleconomymoreandmoreimportantposition,alsoforwaterconservancyengineeringconstructioninourcountryincreasedinvestment,reasonablemakefulluseofwaterresourcesismoreandmoreimportant,locksaswaterresourcetomobilizeanindispensableanimportantpart,theimportanceofthefloodgateautomationtransformationisparticularlyoutstanding./r/nGatecontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputerin14PCbyPCcontrolgate,eachgateiscontrolledbyalowerplacemachineandsuperordinationmachineandlowermachinethroughtheRS485buscommunicationunderaAT89S52singlechipselectultrasonicwaterlevelsensorT40R40measuringwaterlevel,gatepositiontransducerROQ425measuringbrakeandaccelerationsensorchipADXL250measurement,tojudgethegatebindingspeedanddecline,afterthedetectionsignalprocessingtolowerplacemachineandthelowermachineprocessinganalysisafterthestoredisplayandoutputcontrolsignaltocontrolmotorandreversing,andthechangeofgateopeningtopreciselycontrollock.WhenappearabnormalphenomenonhornandLEDlightemittingdiodeformedsoundandlightalarm,andapplicationofHD7279Aconnectthekeyboardanddisplaycircuit,clockchipPCF8563,memorychipadoptsFM24C16,powercircuitdesigntoensurethemonitoringterminalcannotonlybyAC220Vpowersupply,canalsobyabatteryasapowersupply.UppermachineadoptstwocommunicationportofthemicrocontrollerW77E58,respectivelyconnectedtothelowermachineandPC,thespeakerPCsoundandlightalarmcircuitandLEDlights./r/nGatecontrolsystemofsmallandmedium-sizedhydropowerstationistheapplicationofadvancedtechnology,theconfigurationofcomputermonitoringdevice,toimprovethemodernizationlevel,smallhydropowerstation,ensuresecurityandthebenefitofthehydropowerstation,improvethehydropowerplantautomationdegreeandeconomicbenefit,improvetheresponsespeedandsecurityofpower/r/ngridproductionlevels,increaseitsoperationreliabilityandstability./r/nKeywords：/r/nSinglechipmicrocomputer;Dataacquisition;Sluicecontrolsystem;Datacommunication/r/nPAGE/r/n76/r/n目录/r/nTOC\o"1-3"\u/r/n第1章绪论/r/n /r/n/r/n1/r/n1.1/r/n题目研究背景及意义/r/n /r/nPAGER/r/nEF_Toc359797410\h/r/n1/r/n1.2/r/n研究现状及发展趋势/r/n /r/n/r/n2/r/n1.3/r/n论文主要内容/r/n /r/n/r/n3/r/n第2章方案论证/r/n /r/n/r/n4/r/n2.1/r/n控制方案的选择/r/n /r/n/r/n4/r/n2.2/r/n系统总体方案设计/r/n /r/n/r/n5/r/n第3章硬件设计/r/n /r/nPAGEREF/r/n_Toc359797416\h/r/n8/r/n3.1/r/n下位单片机设计/r/n /r/n/r/n8/r/n3.1.1/r/n/r/n下位单片机选型/r/n /r/n/r/n8/r/n3.1.2/r/n/r/n下位机扩展电路设计/r/n /r/n/r/n9/r/n3.2/r/n下位机水位测量模块设计/r/n /r/n/r/n10/r/n3.2.1/r/n超声波传感器/r/n /r/n/r/n10/r/n3.2.2/r/n超声波传感器发射电路/r/n /r/n/r/n12/r/n3.2.3/r/n/r/n超声波传感器检测接收电路/r/n /r/n/r/n12/r/n3.2.4/r/n温度补偿设计/r/n /r/n/r/n13/r/n3.3/r/n下位机闸位检测模块设计/r/n /r/n/r/n15/r/n3.3.1/r/n闸位传感器/r/n /r/n/r/n15/r/n3.3.2/r/n/r/n闸位传感器数据采集电路设计/r/n /r/nPAG/r/nEREF_Toc359797427\h/r/n17/r/n3.4/r/n下位机加速度测量模块设计/r/n /r/n/r/n17/r/n3.4.1/r/n加速度计设计/r/n /r/n/r/n18/r/n3.4.2/r/n加速度计标定电路设计/r/n /r/n/r/n18/r/n3.4.3/r/n加速度计滤波电路设计/r/n /r/n/r/n19/r/n3.4.4A/D/r/n转换电路设计/r/n /r/n/r/n32\h/r/n20/r/n3.5/r/n下位机时钟模块设计/r/n /r/n/r/n22/r/n3.6/r/n下位机存储模块设计/r/n /r/n/r/n23/r/n3.7/r/n下位机键盘显示模块设计/r/n /r/n/r/n24/r/n3.7.1/r/n状态显示/r/n /r/n/r/n24/r/n3.7.2/r/n/r/n键盘、显示组合接口电路设计/r/n /r/n/r/n26/r/n3.8/r/n下位机报警模块设计/r/n /r/n/r/n28/r/n3.8.1/r/n/r/n报警电路设计/r/n /r/n/r/n28/r/n3.9/r/n下位机电机控制模块设计/r/n /r/n/r/n29/r/n3.10/r/n下位机通信模块设计/r/n /r/n/r/n30/r/n3.10.1/r/n通信方式的选择/r/n /r/n/r/n30/r/n3.10.2/r/n通信电路设计/r/n /r/n/r/n7443\h/r/n30/r/n3.11/r/n上位机模块设计/r/n /r/n/r/n31/r/n3.11.1/r/n上位单片机选型/r/n /r/n/r/n32/r/n3.11.2/r/n上位机存储电路设计/r/n /r/n/r/n33/r/n3.11.3/r/n上位机报警电路设计/r/n /r/n/r/n34/r/n3.11.4/r/n/r/n上位机通信电路/r/n /r/n/r/n34/r/n3.12/r/n电源电路设计/r/n /r/n/r/n35/r/n3.12.15V/r/n稳压电源模块设计/r/n /r/n/r/n35/r/n3.12.215V/r/n稳压电源模块设计/r/n /r/n/r/n35/r/n第4章软件设计/r/n /r/n/r/n37/r/n4.1/r/n下位机主程序设计/r/n /r/n/r/n37/r/n4.1.1/r/n/r/n下位机中断子程序/r/n /r/n/r/n9797454\h/r/n38/r/n4.2/r/n下位机计时显示子程序/r/n /r/n/r/n38/r/n4.3/r/n下位机显示状态子程序/r/n /r/n/r/n40/r/n4.4/r/n下位机水位检测子程序/r/n /r/n/r/n41/r/n4.5/r/n下位机闸位检测子程序/r/n /r/n/r/n41/r/n4.6/r/n下位机加速度检测子程序/r/n /r/n/r/n42/r/n4.7/r/n通信子程序/r/n /r/n/r/n43/r/n第5章结论/r/n /r/n/r/n45/r/n参考文献/r/n /r/n/r/n46/r/n致谢/r/n /r/n/r/n48/r/n附录I/r/n /r/n/r/n49/r/n附录II/r/n /r/n/r/n61/r/n附录III/r/n /r/n/r/n/r/n64/r/n绪论/r/n题目研究背景及意义/r/n中国是一个水利资源蕴藏十分丰富的国家。河流众多，水系庞大而复杂，众多水系构成中国水力资源蛛网密布的格局。三级梯形地形造成中国众多河流具有水电开发的潜力。不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，中国在世界各国中均居第一位。/r/n新中国成立/r/n50/r/n年来，我国水电建设事业取得了飞速发展，特别是实行改革开放以来，随着广蓄、天生桥（高坝）、小浪底、二滩、三峡等一批世界级水电/r/n站的建设，中国已逐步进入世界水电建设前列。我国水电资源十分丰富，而发展水电对于环境保护、经济持续发展具有重要意义。我国水电站自动控制系统应用已经逐渐成熟。随着水电的发展，开发经济实用的中小型水电自动控制系统很/r/n有必要。/r/n但是近年来随着我国经济的迅速发展，对水的需求量也大幅度增长，如今中国北方很多省份已经出现了缺水现象，专家们己经做了估计，按照现在中国经济发展的速度，如果不采取合理回收、利用水资源的有效手段，不提高广大民众珍惜水的观念，那么到/r/n2010/r/n年中国将成为下个严重缺水的国家，水短缺将会制约我国国民经济的进一步发展，严重影响我国民众的日常生活。要合理的利用水资源，则离不开对水资源的有效调度，在我国某些大型水库已经建立了一套有效的水资源调度系统，但还有很多中小型水库却并未建立，因此，建立中小型水库水资源调度系统，进一步完善大型水库水资源调度系统，对于我国水资源的合理利用，解决我国将来的水资源短缺问题将具有重要的战略意义。/r/n兴建水闸设施是由于水是人类生产和生活必不可少的宝贵资源，但其/r/n/r/n自然/r/n存在的状态并不完全符合人类的需要。水闸是修建在河道、渠道或湖、海口，利用闸门控制流量和调节水位的水工建筑物。水闸在/r/n/r/n水利工程/r/n中的应用十分广泛，多建于河道、/r/n/r/n渠系、/r/n/r/n水库/r/n、湖泊及滨海地区。修建水闸可以控制水流，防止洪涝灾害，并进行水量的调节和分配，以满足人民生活和生产对/r/n/r/n水资源/r/n的需要。水闸按其所承担的主要任务，可分为：/r/n/r/n节制闸/r/n、/r/n/r/n进水闸/r/n、/r/n/r/n冲沙闸/r/n、/r/n/r/n分洪闸/r/n、/r/n/r/n挡潮闸/r/n、/r/n/r/n排水闸/r/n等。按闸室的结构形式，可分为：开敞式、胸墙式和涵洞式。关闭闸门，可以拦洪、挡潮、蓄水抬高上游水位，以满足上游取水或通航的需要。开启闸门，可以泄洪、排涝、冲沙、取水或根据下游用水的需要调节流量。/r/n在水闸工程中，闸门是主体部分，常占挡水面积的大部。闸门又分为平板闸门和弧形闸门。闸门是装于/r/n/r/n溢流坝/r/n、岸边/r/n/r/n溢洪道/r/n、/r/nHYPERL/r/nINK"/view/440685.htm"/r/n泄水孔/r/n、/r/n/r/n水工隧洞/r/n和/r/n/r/n水闸/r/n等建筑物的空口上，用以调节流量，控制上、下游水位、宣泄洪水、排除泥沙或漂浮物等，是水工建筑物的重要组成部分。/r/n中小水电站的闸门控制系统是应用先进技术，配置计算机监控装置，来提升中、小水电站现代化水平，确保水电站的效益和安全，提高水电站自动化程度和经济效益，提高对电网的响应速度和安全生产水平，增加其运行的可靠性与稳定性。中小水电站的闸门控制系统作为水力发电机组的后备保护设备，要求其动作可靠、迅速。因此其监控系统需要良好的监控功能、控制算法、灵敏的感应元件以及通讯功能。/r/n研究现状及发展趋势/r/n

/r/n现有的水闸监控系统一般采取分布式控制系统（DES）结构，在一定程度上提高了系统的自动化程度和设备的可靠性，但是由于水闸所处的工作环境普遍比较恶劣，其液压系统、传感设备装置等元器件老化较快，经常出现误动、拒动现象，并且部分元器件只能在现地操作时观测，信息一般没有数字化，更没有进行存储，因此，集控系统平台上缺乏设备及系统健康状态信息，更无法对系统的健康状态做出预测、评价，也不能够发现影响系统安全的潜在危险，使设备带病运行，最终可能导致设备损坏，这在很大程度上影响了系统的安全可靠性。/r/n从设备的检修维护方面看，现有的水闸监控系统基本上还是采取事后维修，或者定期检修这样较为传统的检修维护策略，而在技术管理领域基本上还处于空白阶段，没有进行系统的设计、规划、实施，因此，将控制、维护和技术管理集成系统应用于水利自动化系统，形成水利枢纽集成自动化系统，可以在很大程度上提高系统的可靠性和稳定性，保证控制命令的正确执行。闸门控制系统可以实时跟踪、监控闸门开度、水位数据，为合理调度水资源提供第一手数据资料。根据闸门上、下游水位以及闸门的当前开度，再根据水资源调度的具体需求，从而确定出当前闸门的具体控制方案。上游水位高，而此时上游的用水量也呈现增长趋势，那么此时不要急于提升闸门，而要等到上游用水量需求趋减，而下游需求呈现增加趋势时，则可以考虑提升闸门，当关闭闸门时，情况与上述相反。其次，闸门监控系统在泄洪抗灾、水利发电等方面具有不可替代的作用。在江河、湖泊发生洪水时，水位数据变化大，变化很迅速，此时靠人工的手段很难跟踪这些数据变化的。而且此时也要求快速准确的对闸门实现精确控制，这也是手工操作所做不到的。在水利发电中，为了保证水利发电的可靠性，提高发电的质量，更离不开对闸门的实时监控。最后，采用闸门监控系统可以为我们节省大量的人力、物力、财力。过去在水资源调度中，手工操作既费时，又费力，而且达不到良好的控制效果，使用闸门监控系统后，我们可以在远离现场的控制室里，对闸门、水位的各项数据进行实时记录，以及实现对闸门的实时控制。/r/n为了提高水利工程效益和管理水平，精简管理人员，适应现代化水利的要求，必须利用先进的计算机技术、通信网络技术及自动化监控技术形成水利闸门控制、维护和技术管理综合集成自动化系统。这有利于对闸门、泵站等工程准确、可靠地进行监测和控制，继而将水情、闸门工况和运行状态等信息共享，建立实时和历史数据库供流域机构及有关部门监督和分析统计。为防汛抗旱、水资源管理、水工程应用等提供各类信息，规范险情、灾情信息的上报流程和制度，实现及时、准确、可靠的信息采集、管理和传输。通过对水利枢纽闸门系统的运行状态和健康状态实施实时监控，可以提高调度运行响应速度和能力，实现在线优化调度，充分发挥水利枢纽工程信息在国民经济建设和社会发展中的作用。/r/n因此，功能综合化、互联网络化、开放性和标准性即将成为新一代闸门综合集成自动化系统特征。从单一的现地监控、集中监控到分层分布式监控将成为水利枢纽控制结构的发展趋势。/r/n论文主要内容/r/n本设计是基于单片机的水闸控制系统设计。由闸门开度模块及水位检测模块进行数据采集并处理，同时根据加速度检测模块判定闸门卡滞、飞车和下滑，经处理的信号给到单片机，单片机对数据进行处理后存储显示并输出控制信号控制电机，并将结果与设定值比较，当出现故障或事故情况，进行报警。/r/n论文首先对课题的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。第2章针对本文采用的设计方案进行了可行性的论证，提出了总体方案，且描述了各个模块的功能，并得出了系统结构框图。第3章介绍了设计中需要用到的主要器件，从整体硬件设计出发，对各部分电路进行了详细说明。/r/n其中下位机/r/n通过超声波测距仪测量水位、闸门开度仪传感器ROQ425和加速度传感器芯片ADXL250对信号进行检测，再经信号调理电路进行处理后送入/r/n下位/r/n单片机，经/r/n下位/r/n机处理分析后输出控制信号来控制电机/r/n正反转/r/n，从而改变水闸的开度以精确控制水闸。/r/n上位机和下位机通过RS485总线通信。/r/n第4章给出了软件设计的整体流程图，并且对关键部分软件设计做了进一步的解释。闸位检测子程序设计主要检测闸前水位，闸后水位，加速度检测子程序设计，根据加速度检测闸门变化，判定闸门卡滞、飞车和下滑，通信子程序设计，/r/n在通讯模块中，下位机将采集到的数据通过RS485传送到上位机，上位机对其进行分析和处理后，/r/n上传PC机，PC机分析处理后再通过上位机/r/n将命令传送回下位机，达到控制下位机工作的目的。/r/n第5章对本设计进行总结。/r/n方案论证/r/n控制方案的选择/r/n方案一：以PLC为控制核心/r/n/r/nPLC/r/n（ProgrammableLogicController），/r/n/r/n可编程逻辑控制器/r/n，一种数字运算操作的/r/n/r/n电子/r/n系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的/r/n/r/n存储器/r/n，用于其内部存储程序，执行/r/n/r/n逻辑运算/r/n，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过/r/nHYPERLIN/r/nK"/view/37407.htm"/r/n数字/r/n或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。/r/n基于PLC的水闸控制/r/n系统采用分层分布式结构，一个较标准的/r/nPLC/r/n闸群控制系统的总体结构图，其可分为三层式结构/r/n:/r/n现地控制层、集中控制层和远程监控层。/r/n系统整体框图如图2.1所示/r/n。/r/n现地PLC/r/n现地PLC/r/n集控PLC/r/n组态软件/r/n闸位检测/r/n水位检测/r/n加速度检测/r/n键盘显示/r/n电机控制/r/n异常报警/r/n工业/r/n现场总线/r/n人机/r/n交互/r/n图2.1/r/n基于PLC的/r/n系统整体框图/r/n现地控制层的每孔闸门配置一个现地/r/nPLC/r/n，收集闸位、水位和各种现场开关量、模拟量信息并上传至集控层/r/nPLC/r/n，同时接受集控/r/nPLC/r/n的命令并通过接口执行。集控层/r/nPLC/r/n主要目的是作为上位机和现地/r/nPLC/r/n交互信息的硬件中转站，有着速度快、功能强大和稳定性高等特点。集控层上位机的人机交互系统一般由相应的组态软件构成，在监控闸群系统的同时，肩负着与远程监控层交互信息的功能，因此远地监控层也可通过公众网络或专用网络实时监测闸群控制的状况。/r/n方案二：以单片机为控制核心/r/n/r/n单片机/r/n是一种集成/r/n/r/n电路/r/n/r/n芯片/r/n，是采用/r/n/r/n超大规模集成电路/r/n技术把具有数据处理能力的/r/n/r/n中央处理器/r/nCPU/r/n/r/n随机存储器/r/nRAM、/r/n/r/n只读存储器ROM/r/n、多种I/O口和/r/n/r/n中断系统/r/n、定时器//r/n/r/n计时器/r/n等功能（可能还包括显示驱动电路、/r/n/r/n脉宽调制/r/n电路、模拟多路/r/n/r/n/r/n转换器/r/n、/r/n/r/nA/D转换器/r/n等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的/r/n/r/n微型计算机系统/r/n，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位/r/n/r/n单片机/r/n，发展到现在的32位300M的高速单片机。/r/n以单片机为控制核心的水闸控制系统分为上位机、下位机和/r/nPC/r/n机，通过下位机操作键能够实现对闸门的现地手动操作，下位机将信号传给上位机，上位机存储后，再将信号传输到/r/nPC/r/n机/r/n，/r/n集中控制部分/r/n人机联系功能包括信息显示功能、以及信息输入功能，/r/n操作人员通过/r/nPC/r/n机来获取闸门的工作状态信息，并可以通过/r/nPC/r/n机界面，采用键盘或鼠标输入的方式实现对各个闸门的控制。采用多机通信的方法在上位机和下位机之间传输数据。/r/n综上所述，在实现系统功能设计方面，PLC和单片机都可以完成本次设计的要求。但考虑到经济方面，PLC比单片机贵得多。所以，在兼顾功能和经济两个方面的情况下，本次设计选用单片机作为本次设计的核心处理器。/r/n系统总体方案设计/r/n基于单片机的闸门控制系统/r/n是由闸/r/n位检测/r/n模块及水位检测模块进行数据采集并处理，同时根据加速度检测模块判定闸门卡滞、飞车和下滑，经处理的信号给到/r/n下位/r/n机，/r/n有14个下位/r/n机/r/n，每个下位机分别/r/n对数据进行处理后存储显示并输出控制信号控制电机，并将结果与设定值比较，当出现故障或事故情况，进行报警。/r/n下位/r/n机的输出信号通过RS485总线，把相关的数据发送到上位机，存储数据/r/n并报警/r/n。/r/n上位机将信号传给PC机存储显示，/r/n根据键盘的选择能够实现/r/n现地/r/n手动对闸门的控制。本设计的系统整体框图如图2./r/n2所示。/r/n下位机用来实时显示现地控制单元采集的数据，如水位曲线，闸门位置及各个异常状态显示等，下位机单片机输出的信号经RS485总线输入上位机，上位机做历史记录，同时将信号传输给PC机。操作人员通过/r/nPC机/r/n界面获取现场的状态信息，通过键盘或鼠标输入的方式实现对现场各个闸门的控制。同时上位机还具有备份数据的功能。下面介绍各模块功能。/r/nRS232接口/r/nRS485总线/r/nRS232接口/r/nRS485总线/r/n下位机/r/n模块/r/n键盘显示/r/n测量模块/r/n加速度/r/n模块/r/n闸位检测/r/n模块/r/n水位检测/r/n报警模块/r/n时钟模块/r/n存储模块/r/n模块/r/n电机控制/r/n下位机/r/n模块/r/n键盘显示/r/n测量模块/r/n加速度/r/n模块/r/n闸位检测/r/n模块/r/n水位检测/r/n报警模块/r/n时钟模块/r/n存储模块/r/n模块/r/n电机控制/r/n……/r/nRS485接口/r/nRS485接口/r/nRS485接口/r/nRS485接口/r/n上位机模块/r/nPC机/r/n转换电路/r/n图2./r/n2/r/n系统整体框图/r/n水位测量模块：主要用于对工作闸门闸前、闸后水位的测量，本设计选用的水位仪是超声波传感器，具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点。/r/n闸/r/n位检测/r/n模块：主要检测闸门的开度，本设计选用绝对型光电编码器。/r/n它以高精度计量圆光栅为检测元件，通过光电转换将输入轴的角位移信息转换为相应数字代码。因其结构简单、计量精度高、寿命长等优点。/r/n加速度测量模块：加速度测量模块根据加速度检测闸门变化，判定闸门卡滞、飞车和下滑，当提门工作时，发生闸门意外卡滞情况，表现为闸门上升速度停止。/r/n此时检测/r/n加速度为0，/r/n同时速度为0。/r/n当落门工作时，闸门因意外情况失去控制，自由落体向下落，称为飞车，表现为闸位计读数变化加快/r/n此时检测/r/n加速度为g/r/n。/r/n当闸门静止在某一闸位上时，闸门控制系统应不间断监视闸门位置/r/n。此时若检测/r/n加速度介于0~g之间时，/r/n并且速度也不为0，则/r/n闸门下滑/r/n。/r/n电机控制模块：由驱动器和晶闸管组成的开关和电机控制电路组成2部分组成。由于电机为交流强电，本身会有电波干扰，需要光电耦合，而选择的驱动器中含有关电耦合功能，故无需关电耦合电路。它的作用是通过控制电机的转速，来达到控制闸门开度的目的。/r/n时钟模块：时钟模块用于产生单片机工作所需要的时钟信号。/r/n存储模块：存储模块用于存储单片机工作时的读写数据。/r/n键盘显示模块：在本次设计中的按键分别用来控制闸门的上升、下降和停止以及控制显示当前水位、闸位、时间和历史记录等数据。显示电路用来显示水位高度和闸门位移量，用来采集水位信息和观察闸门运动状态。将按键控制电路和显示电路连接在现地控制单元实现对闸门的现场手动操作。/r/n报警模块：为了保证闸门动作的可靠性，设置了异常报警通道，当闸门出现卡带、飞车及下滑等不正常现象时，会制动启动报警电路，提醒工作人员闸门出现了异常现象。/r/n硬件设计/r/n下位单片机/r/n设计/r/n下位单片机选型/r/n本设计选用/r/nAT89S52/r/n作为下位机控制核心，/r/nAT89S52是一种低功耗、高性能/r/n/r/nCMOS/r/n/r/n8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash/r/n

/r/n/r/n存储器/r/n，/r/n128bytes/r/n的/r/n/r/n随机存取/r/n数据存储器。/r/n使用Atmel公司高密度非/r/n/r/n易失性存储器/r/n技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许/r/n/r/n程序存储器/r/n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在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。单片机外围电路如图3.1所示。/r/n图3.1/r/n下位单片机外围电路/r/n晶振电路采用石英晶体振荡器，用来产生时间标准信号。在内部方式时钟电路中，必须在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成振荡电路，通常C/r/n2/r/n和C/r/n3/r/n一般取30pF，晶振的频率取值在1.2MHz~12MHz之间。本设计通过外接12MHz石英振荡器产生稳定性极高的时钟信号。/r/n手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源V/r/nCC/r/n之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则V/r/nCC/r/n的+5V电平就会直接加到RST端。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。

/r/n/r/n下位机扩展电路设计/r/n本系统需用较多模拟量和开关量通道来指示系统的各种状态，AT89S52共有4个8位并I/O口，AT89S52的I/O口不够用，因此本设计采用PCF8574接口芯片进行I/O口扩展。PCF8574各引脚说明如表3.1所示。/r/n表3.1PCF8574各引脚说明/r/n引脚名称/r/n功能/r/nA0~A2/r/n三位数字引脚地址/r/nP0~P7/r/n八位准双向I/O口线/r/n中断线(低电平有效)/r/nSCL/r/nI/r/n2/r/nC时钟线/r/nSDA/r/nI/r/n2/r/nC数据线/r/nVSS/r/n电源地/r/nVCC/r/n电源端/r/nPCF8574是PHILIPS公司推出的一款带I/r/n2/r/nC总线，具有CMOS电路。可使大多数MCU实现远程I/O口扩展。该器件包含一个8位准双向口和一个I/r/n2/r/nC总线接口。PCF8574电流消耗很低且口输出锁存具有大电流驱动能力，可直接驱动LED。它还带有一条中断线INT可与MCU的中断逻辑相连。通过INT发送中断信号，远端I/O口不必经过I/r/n2/r/nC总线通信就可通知MCU是否有数据从端口输入。/r/n这意味着PCF8574可以作为一个单被控器，下面将主要技术指标总结如下/r/n：/r/n操作电压2.5/r/n~/r/n6.0V；/r/n低待机电流（≤10uA）；I/r/n2/r/nC总线扩展并行口；开漏中断输出；I/r/n2/r/nC总线实现8位远程I/O口；与大多数MCU兼容；口输出锁存具有大电流驱动能力可直接驱动LED；通过3个硬件地址引脚可寻址8个器件。PCF8574/r/n与下位机/r/n连接图如图3.2所示。/r/n图3.2PCF8574与下位机连接图/r/n下位机/r/n水位测量模块设计/r/n水位检测/r/n模块主要用于对工作闸门闸前、闸后水位的测量，/r/n目前水电站多采用浮子式液位计或投入式液位计来进行水位测量。其缺点/r/n为：测量精度低，不可靠，经常出现浮子卡死不动和传感器堵塞导致测不准；测量需要修静水井，安装、调试不便；由于浮/r/n子/r/n式水位计具有机械传动部件，在水电站现场环境中长期使用容易锈蚀破坏，因而维护工作量大；采集到的仅是模拟/r/n信号，不能直接进入电厂计算机监控系统，对无人值班电厂不实用/r/n。超声波传感器则克服了了上述缺点。它测量精度高，直接输出数字信号，安装简单；与水面无接触，/r/n不受水流泥沙含量的影响；并且可以配用有线、无线遥测设备。/r/n所以本设计/r/n由基于单片机控制的超声波测距仪实现。模块由超声波发射器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回超声波接收器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液面。模块用四位LED数码管切换显示水位。各信号经/r/n下位/r/n机综合分析处理，实现超声波测距仪的功能/r/n。/r/n此水位检测模块具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点。/r/n超声波传感器/r/n超声波是指频率高于20kHz的机械波。/r/n超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。测量距离D为/r/n（3-1）/r/n式中c——超声波的传播速度；/r/n——超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。/r/n超声波在恒定环境条件下的传播速度不变。/r/n水闸控制系统的水位测量主要用于对工作闸门闸前、闸后水位的测量，故本次设计需要选用2个超声波传感器。/r/n超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成接收器和发送器。超声波传感器由两个压电晶片和一个共振板组成，当压电晶片的两极加上频率等于其固有谐振频率的脉冲信号时，压电晶片产生共振，并带动共振板产生振动，同时带动压电晶片也一起振动，将机械能转换为电能，称为超声波接收器。超声波传感器利用压电效应进行电能和超声波机械能的相互转换，也称为超声波换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志，但外观基本一致。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。/r/n考虑到超声波频率对距离测量的分辨率的影响，对于不同测距，采用不同频率的超声波。/r/n经实验表明，测距在/r/n5m/r/n以内，适宜采用/r/n60~80KHz/r/n的超声波，分辨率可达到/r/n0.3cm/r/n；测距在/r/n5~15m/r/n以内，适宜采用/r/n40KHz/r/n的超声波，分辨率可达到/r/n0.5cm/r/n；测距在/r/n15~30m/r/n以内，适宜采用/r/n20KHz/r/n的超声波。由于本设计要求/r/n水位测量不大于/r/n2cm/r/n，并且考虑中小型水闸闸门高度，采用/r/n40KHz/r/n的超声波符合要求。/r/n本设计采用的就是发送超声波传感器T40及接收超声波传感器R40,其外观如图3./r/n3/r/n。/r/n图3./r/n3/r/nT40、R40外观/r/n本系统采用的超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23/r/n~/r/n25KHZ及40/r/n~/r/n45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。/r/n超声波传感器发射电路/r/n超声波发射电路原理图如图3./r/n4/r/n示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T40构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R/r/n2/r/n、R/r/n3/r/n一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。/r/n图3./r/n4/r/n超声波传感器发射电路/r/n压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶体和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于/r/n压电/r/n晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压/r/n电/r/n晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。超声波换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。/r/n超声波传感器检测接收电路/r/n集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路如图3./r/n5/r/n示。发射电路发出信号时，CX20106A的接收端内部会产生震荡，使内部磁铁产生微弱的电流。实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。/r/n图3./r/n5/r/n超声波传感器检测接收电路/r/n温度/r/n补偿设计/r/n超声波测距的/r/n测量精度主要取决于计时精度和传播速度两方面。计时精度由单片机定时器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用12MHz的晶振，使机器周期为精确的1µs,不会产生累积误差，使定时间达到1µs。超声波的传播速度c并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响，关系式为/r/n/r/n（3-2）/r/n式中γ——气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。/r/nR——气体普适常数，为8.314/r/nJ/r/n/mol/r/n*K/r/n。/r/nT——气体/r/n热/r/n力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t。/r/nM——气体相对分子质量，空气为28.8g/mol。/r/nc/r/n0/r/n——0℃时的声波速度，为331.4m/s。/r/n由上式可见，超声波在空气中传播时，受温度影响最大，由表达式可计算出/r/n超声波传播速度/r/n与温度的关系，如表3.2所示。/r/n温度越高，传播速度越快，而且不同温度下传播速度差别非常大，例如0℃时的速度为332m/s，30℃时的速度为350m/s，相差18m/s。因此，/r/n考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以提高测量精度。/r/n表3.2超声波传播速度与温度关系表/r/n项目/r/n数值/r/n温度/r/n（℃）/r/n-30/r/n-20/r/n-10/r/n0/r/n10/r/n20/r/n30/r/n40/r/n50/r/n60/r/n100/r/n声速/r/n//r/n(m*s)/r/n313/r/n319/r/n325/r/n332/r/n338/r/n344/r/n350/r/n356/r/n361/r/n367/r/n388/r/n常用的测温补偿方法有：热敏电阻，铂电阻，热电偶以及/r/nI/r/nC/r/n温度传感器补偿。使用传统的温度传感器，硬件电路复杂，而且输出为电压或是电流值，需要进行/r/nA/D/r/n转换。/r/nDS18B20/r/n是/r/nDALLAS/r/n公司推出的数字式单总线温度传感器，硬件接口电路简单，分辨率可达到/r/n0.0625/r/n℃，能很好地补偿超声波在不同温度时的传播速度，从而保证了液位测量的精度。/r/n本设计采用的是美国Dallas半导体公司的不锈钢封装的DS18B20数字温度传感器。DS18B20是采用专门设计的不锈钢外壳，仅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。DS18B20支持“一线总线”接口（1-Wire），测量温度范围为-55°C/r/n~/r/n+125°C，在-10/r/n~/r/n+85°C范围内,精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20数字化温度传感器的主要性能如下：/r/n适用电压为/r/n3V~5V/r/n；/r/n9~12/r/n位分辨率可调，对应的可编程温度分别为/r/n0.5/r/n℃、/r/n0.25/r/n℃、/r/n0.125/r/n℃、/r/n0.0625/r/n℃；/r/nTO-92/r/n、/r/nSOIC/r/n及/r/nCSP/r/n封装可选；测温范围：/r/n-55/r/n℃/r/n~125/r/n℃；精度：/r/n-10/r/n℃/r/n~85/r/n℃范围内/r/n±0.5/r/n℃；无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起；每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待。/r/nDS18B20采用3脚PR-35封装，如图3./r/n6/r/n/r/n所示。/r/n图3./r/n6/r/nDS18B20封装图/r/n下面说明其操作方法，基于/r/nDS18B20/r/n的温度补偿工作方式有两种，分别是寄生电源工作方式和外接电源工作方式。就两种方式相比较而言，寄生电源工作方式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量是/r/nDS18B20/r/n的典型接线方式，这种方式速度较快，工作可靠，所以本设计选择外接电源工作方式。外接电源工作方式/r/n的温度补偿电路如图3.7所示。/r/n图3./r/n7/r/n温度补偿电路/r/n下位机/r/n闸/r/n位检测/r/n模块设计/r/n闸/r/n位/r/n检测/r/n模块检测/r/n闸门的开度。/r/n当前，有无数的水闸在全国各地运行，而对闸门开度的检测还采用比较落后/r/n的方式。要实现对闸门的实时监控，就必须采用灵敏可靠的传感器来测量闸门开度。现在，在闸门开度测量中应用较为方便，精度也比较高的传感器是光电编码器。/r/n光电编码器是一种测量轴角位置的传感器。它具有很高的分辨率、精度和可靠性。光电编码器有两种类型：绝对型编码器和增量型编码器。增量型编码器需要一个计数系统，旋转的码盘通过敏感元件给出一系列脉冲，在计数器中对某个基数进行加减，从而记录了旋转的角位移量。/r/n绝对型光电编码器/r/n以高精度计量圆光栅为检测元件，通过光电转换将输入轴的角位移信息转换为相应数字代码。/r/n绝对型编码器不需要基数，它在任意位置给出一个固定的与位置对应的数字码输出。由于绝对型编码器是在码盘停止旋转后直接输出所在位置值，计数不会产生累积误差，高速旋转时也不必考虑/r/n。读取系统和电路的响应时间，同时也不会受到中断干扰的影响，具有结构简单、计量精度高、寿命长等优点。因而，对于闸门开度测量，采用绝对型光电编码器比较好。/r/n闸位传感器/r/n闸门开度模块以AT89C52单片机为核心，针对海德汉公司的POQ425(SSI)绝对式光电编码器进行接口装置的设计，以实现对传感器数据的采集、显示及传输。/r/n该传感器是绝对式增量光电编码器，共有4096（12位）圈，每圈有8192（13位）个位置值，其电气参数为工作电压：10/r/n~/r/n30VDC；输出码：格雷码，轴向顺时针增加；最大电器转数：6000转/分；信号输入：TTL时钟信号；信号输出：同步串行信号（SSI）。/r/nROQ425的电缆引出如表3.3。该传感器使用的是欧洲标准的SSI接口，其时序如3./r/n8/r/n示。/r/n表3.3ROQ425电缆引出/r/n棕绿/r/n白绿/r/n紫/r/n黄/r/n粉红/r/n灰/r/n10V-30V/r/n0V/r/nCLOCK+/r/nCLOCK-/r/nDATA-/r/nDATA+/r/n图3./r/n8/r/nROQ425时序图/r/n绝对的位置值由时钟信号触发，从高位（MSB）开始输出与时钟信号同步的串行信号，SSI标准的信号为25位（12位圈数+13位单圈值数）串行。当不传送信号时，时钟和数据位均是高位，在时钟信号的第一个下降沿，当前值开始储存，从时钟信号上升沿开始，数据信号开始传送。t/r/n3/r/n为复位和恢复信号。/r/nROQ425特点：/r/n性价比高。/r/n精度和分辨率高。该编码器共有4096圈（12位），每圈8192个（13位）位置值，可测量的信号数4096×8192个（13位）位置值，只要传动装置足够精密，就可得到很高的精度。/r/n抗干扰能力强，时钟信号的输入和数据信号的输出采用的是差分形式的422通信方式，能有效的抑制共模干扰。内部有光电隔离器件，能抗击一部分强电冲击。/r/n节约系统的硬件资源。该编码器用到的电缆引出线只有6根：2根电源线、2根时钟信号线、2根数据信号线。/r/n现场安装方便，该编码器是绝对增量型的。这样无论现场条件适合安装在闸门的左边还是右边，无需增加变向齿轮，只需稍微改变一下程序即可。/r/n闸位传感器数据采集电路设计/r/n由于编码器ROQ425的输出信号需将其转换成可以输入单片机的电平/r/n，本设计选用MAX491芯片完成转换。MAX491是一种高速、低功耗、控制灵活的异步通讯接口芯片。MAX491采用+5V电源供电，当供电电流仅有500uA时，传输速率却能达到2.5Mb/s，传输时延为28ns。它的内部有一个传输线驱动器和一个传输线接收器，因此可以采用全双工方式工作。输出的差动电压符合RS485标准，为/r/n±/r/n2~/r/n±/r/n6V。闸位传感器数据采集电路如图3.9示。/r/n图3./r/n9/r/n闸位传感器数据采集电路/r/nMAX491有一个输入脚可以直接与下位机的TXD脚项链，一个输出脚与CPU的RXD脚相连，当接收到来自下位机的信息时，可立即通过传输线驱动器将TTL逻辑电平转换成差动电压发送出去，同时，当接收到差动电压信号时，可立即转换成逻辑电平传给下位机处理。MAX491内部的驱动器与接收器是三态的，这样它可以受控进行发送与接收，发送与接收的两种控制信号是反向的，/r/n“/r/n1/r/n”/r/n电平开始发送，/r/n“/r/n0/r/n”/r/n电平停止发送；/r/n“/r/n1/r/n”/r/n电平停止接收，/r/n“/r/n0/r/n”/r/n电平开始接收。/r/nMAX491芯片RO引脚连接下位机P2.6口，它是接收控制端，低电平有效。DI引脚连接下位机P2.7口，它是发送控制端，高电平有效。/r/n下位机/r/n加速度测量模块设计/r/n加速度测量模块设计根据加速度检测闸门变化，判定闸门卡滞、飞车和下滑，当提门工作时，发生闸门意外卡滞情况(如被异物卡住，钢丝绳拉偏等)，表现为闸门上升速度停止/r/n，此时检测/r/n加速度为0时，/r/n同时速度为0。/r/n当落门工作时，闸门因意外情况(如电机失电、缺相、钢丝绳脱落等)，失去控制，自由落体向下落，称为飞车，表现为闸位计读数变化加快，/r/n此时检测/r/n加速度为g/r/n。/r/n当闸门静止在某一闸位上时，闸门控制系统应不间断监视闸门位置/r/n，发现检测/r/n加速度介于0~g之间时，/r/n并且速度也不为0，则/r/n闸门下滑/r/n。/r/n加速度模块利用加速度传感器芯片ADXL250对信号进行检测，再经信号调理电路进行处理后送入下位机，下位机/r/n进行相应的数据处理，并判断闸门异常状态/r/n。/r/n/r/n加速度计设计/r/n本设计中的加速度测量是基于/r/nAD公司/r/n的/r/nADXL250进行的，它是一款单芯二维表面微机械加速度传感器，/r/nADXL250/r/n能/r/n获得系统所在位置的两个加速度，即输出X、Y两个轴上加速度信号，/r/n其/r/n采用差动电容作为敏感元件，使用闭环反馈力平衡技术和完整的信号调理电路构成闭环随动式加速度计，其输出电压与其感受的加速度成正比。/r/n其应用灵活，用户可选择从±5g~±50g测量量程；输出灵敏度也可从38mV/g~400mV/g中选择；分辨率为10mg；带宽为1KHz；+5V单电源工作；不加电时可以承受2000g的振动冲击而不致损坏；适用于静态和动态的加速度测量。/r/nADXL250由信号源、前置放大、解调器、缓冲放大等电路组成。信号源用于驱动传感器，并提供解调信号，其频率约为100KHz。前置放大器对传感器输出信号进行放大，经过解调器解调后输出至缓冲放大器。缓冲放大器是二阶贝塞尔滤波器，它是线性相位滤波器，具有最平坦的群延时特性，-3dB频率设为1KHz。系统的灵敏度和直流输出均与电源电压成正比，以便后续测量电路如转换器在电源电压变化的情况下能够跟随加速度，因此，输出电压是加速度和电源电压两者的函数，如下式所示：Vout=Vs/2-灵敏度xVs/5Vxa其中,a为加速度，Vs为电源电压。/r/n加速度计标定电路设计/r/n由于直接从ADXL250输出的加速度测量信号存在着零位误差、高频噪声信号，大大影响了测量精度。为了使加速度传感器ADXL250满足惯性测量的要求，需要设计相应的标定电路以及后置滤波电路/r/n。/r/n传感器的标定包括零位标定与刻度标定，一种简/r/n单的标定方法是利用重力加/r/n/r/n速度进行：当传感器的敏感方向与水平面保持一致时，输出应为零，这时调节电位器标定零位；当传感器的敏感方向垂直向上时，输出应为/r/n1g/r/n；当敏感方向垂直向下时，输出应为/r/n-1g/r/n，这时可通过调节电位器标定刻度。当芯片的调零端（/r/n2/r/n、/r/n8/r/n）、外加偏置电压时可以进行调零，当调零端与输出端相连时可以使灵敏度提高一倍。/r/nX/r/n轴参数标定电路如图/r/n3.10/r/n所示，即芯片的/r/n8/r/n脚和/r/n10/r/n脚，此电路是对/r/nX/r/n轴方向进行加速度测量参数标定的电路。/r/nY/r/n轴方向加速度测量的参数标定电路与/r/nX/r/n轴方向的相同，只需要将参数标定电路连接到ADXL250的/r/n2/r/n脚和/r/n3/r/n脚之间。/r/n本设计无需Y轴标定。/r/n图3./r/n10/r/n加速度标定电路/r/n传感器的输出电压变化范围在-0.02~0.02/r/nV/r/n之间，远远达不到单片机的测量范围，需要外接放大电路，设计中采用LM358进行放大，放大倍数由R/r/n18/r/n，R/r/n2/r/n0/r/n，R/r/n21/r/n共同决定。电路需要放大电压100倍左右，因此R/r/n20/r/n需要1MΩ，R/r/n21/r/n选用75KΩ，R/r/n18/r/n选用50KΩ的电位器，R/r/n18/r/n用为微调，/r/nR/r/n17/r/n为200KΩ的电位器，用来调节零位/r/n。/r/n当加速度传感器的敏感轴与水平面保持一致时，输出为0g，理论上输出电压2.5V，调节相应的电位器标定零值；当传感器的敏感轴与水平面垂直时，输出±1g。/r/n自测试端9/r/n(/r/nST)用于芯片的检测。当输人“1”时，内部电路向传感器的各极板电容施加静电力，使输出达到负最大值。如果自测试时传感器承受外部的加速度，则其输出为两者代数和。自测试电平一直保持到ST去除为止。自测试信号不能用于标定传感器的灵敏度。/r/n加速度计滤波电路设计/r/n由于从ADXL250加速度传感器传速出来的信号噪声主要是高频噪声,因此选用低通/r/n/r/n滤波器/r/n来消除高频噪声,简单的二阶滤波器就能满足多种滤波要求,且Butterworth滤波器可给出最平坦的通带特性。因此本系统中采用二阶Butterworth低通滤波器来滤除外部随机噪声信号。根据其适用场合,可取不同的低通截止频率,此处取f-3dB=1KHz。如图3.1/r/n1/r/n为二阶低通滤波器的原型/r/n。/r/n图3.1/r/n1/r/n/r/n低通滤波电路/r/nLM358是由两个独立的高增益运算放大器组成。可以是单电源工作，也可以是双电源工作。LM358里面具有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块。由于从传感器出来的信号噪声主要是高频噪声，因此选用低通滤波器来消除高频噪声。/r/n通过如下方法计算各电容、电阻的值：/r/n对于二阶低通Butterworth滤波器，其归一化电容为：/r/nC14=2.12132，C15=0.41740/r/n假设R22=R23=R24=R，则：/r/nC/r/n1/r/n14=C14/Rω/r/n0/r/nC/r/n1/r/n15=C15/Rω/r/n0/r/n（3-5）/r/n而ω/r/n0/r/n=2π，f设为1KHz/r/n则得：/r/nC14=51nF,C15=10Nf,R=6.65KΩ/r/n取C14=51.7nF,C15=10Nf,R22=R23=R24=R=6.6KΩ/r/n则可将此滤波器的通带带宽设置约为1KHz。/r/nA/D转换电路设计/r/n由于加速度计输出的是模拟信号，需要经A/D转换再将信号传到单片机。/r/n本设计用ADC0804转换，/r/nADC0804参数如表3./r/n4/r/n所示，管脚作用如表3./r/n5/r/n所示/r/n。/r/n表3./r/n4/r/nADC0804参数/r/n工作电压/r/n+5V，即VCC=+5V/r/n模拟输入电压范围/r/n0-+5V，即0≤Vin≤+5V/r/n分辨率/r/n8位，转换值介于0-255之间/r/n转换时间/r/n100us(Fck=640KHz时)/r/n转换误差/r/n±1LSB/r/n参考电压/r/n2.5V/r/n表3./r/n5/r/nADC0804管脚作用/r/n引脚名称/r/n功能/r/nDB0-DB7/r/n数字数据输出端/r/n片选信号/r/n读取结果/r/n启动转换/r/nCLKI、CLKR/r/n片内时钟/r/nAGND、DGND/r/n模拟地、数字地/r/nVREF/2/r/n参考电压/r/nVCC/r/n正电源输入端/r/nVIN(+)/r/n模拟信号输入端/r/nVIN(-)/r/n负参考电压输入端/r/n转换信号结束输出端/r/n由于本设计的/r/n精度/r/n要求/r/n，可/r/n选择8位/r/n逐/r/n次逼近式A/D转换器，/r/n由于本设计只有加速度传感器一路输入信号需要进行A/D转换，ADC0804有一路输入/r/n属于连续渐进式（SuccessiveApproximationMethod）的/r/n/r/nA/D转换器/r/n，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。/r/n所以从性价比的等方面考虑选择ADC0804最佳。/r/nADC0804/r/n数据输出线与/r/nAT8/r/n9/r/nS/r/n5/r/n2/r/n/r/n的数据总线直接相连，/r/nA