闸门开度荷重监控系统

摘要闸门作为水利系统的核心机构，实现数字化、智能化、自动化己经变得十分迫切。随着自动控制、通信及计算机技术的不断发展，把遥测遥控、通信及计算机技术应用于闸门及水位等参量的自动测量、计算、控制和调节，就是水闸监控系统的主要内容和目标。闸门开度荷重测控仪是一种用于现场测量、控制闸门开度及荷重的智能化仪表。老式的闸门开度测量仪的测量精度低，可靠性差，并且，目前我国大多数的闸门控制系统，都是将载荷监控与开度测控分开设计。本系统就是在这样的实际要求下，在认真研究了国内外相关产品的优缺点的基础上，在整个设计过程中充分考虑到了用户的需求，设计出的一套使用灵活、通用性强、自动化程度较高的闸门开度荷重测控仪，使得设计出的产品能应用于各种规模的水电站及水利系统。本文所述的闸门开度荷重测控仪是以单片机AT89C52为核心部件的工作系统，通过C语言编制的软件程序支持;对从传感器采集到的开度信号和荷重信号进行计算、判断处理;人机交互主要由按键来完成;显示闸门的开度、载荷状态并在故障时报警;驱动继电器工作;可以对闸门开度测控仪的各参数通过按键和汉字液晶显示器进行控制与管理；并且该系统还可以和远程监控（PC机）之间进行通信，数据传输采用485总线，依靠自主设计的通信协议来保证。具有很好的安全冗余度和良好的人机界面，实现了更高的智能水平。结果表明:系统整体设计合理、性能可靠，实现了预期的目标。关键词:闸门;单片机;开度;荷重;测控仪器AbstractAsthecorepartofwaterconservancysystem,itbecomesmuchimportanttoachievethedigital,intelligenceandautomationofthegate.Withthedevelopmentofauto-control,telecommunicationandcomputertechnology,ithasappliedremotecontrolandmeasurement,telecommunicationandcomputertechnologyonthemeasurement,calculation,controlandadjustmentofthegate'sandwaterlevel'sparameterinordertoattainthemaincontentandaimofthisgatemonitorsystem.Thegate'sopendegreemonitorisanintelligentinstrumentmainlyusedinscenemeasuring,gate'sopendegreeandloadcontrolling.Thetraditionalgate'sopendegreemonitorisbadinmeasurement'saccuracyanddependability.What'smore,itiscommontomeasureandmonitorwasdesignedonthebasisofclients,thismonitorcanbeusedinvariousscalewater-electricitystationforit'sflexible,wideadaptationandhighautomotivedegree.Thisgate'sopendegreemonitorisasystemmainlybasesonAT89C52,withthehelpofsoftwareofC.Throughcalculationoftheopendegreesignalandloadsignalofthesensor,signaljudgingandtreating,communicationbetweenpeopleandsystembykey,thissystemcandisplaythestateofopendegreeandload.Itcanalertwhentherearesomeproblems,driverelaywork,controlandmanagethevariousparametersofthismonitorthroughkeyandLCD.ItcanalsocommunicatewithPCby485bus.Thisselfdesignagreementassuredtheaccuracyandsecurityofthiscommunication.lthasaperfectredundantdegreeandman-machineinterfacewhichismoreintelligentthanbefore.Withtheadjustment,theresultindicate:thisdesignisreasonableandreliable.Ithasbeenmadeintoproduction.KeyWords:gate,Single-ChipMicrocomputer,opendegree,loadvalue,measureandcontrolinstrumentTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 i\o"CurrentDocument"Abstract ii\o"CurrentDocument"第一章绪论 -1-\o"CurrentDocument"1.1概述 -1-\o"CurrentDocument"1.2设计的主要内容 -2-\o"CurrentDocument"1.3闸门开度荷重监控系统的国内外研究概况 -3-\o"CurrentDocument"第二章总体方案的设计 -5-\o"CurrentDocument"2.1闸门自动化控制系统结构 -5-\o"CurrentDocument"2.2闸门开度荷重测控仪工作原理 -6-\o"CurrentDocument"2.3总体方案 -6-\o"CurrentDocument"第三章硬件系统设计 -8-\o"CurrentDocument"3.1整体设计思想 -8-\o"CurrentDocument"3.2单片机的选择 -8-\o"CurrentDocument"3.3荷重传感器的选择 -10-3.4荷重信号输入接口 -12-3.5系统调零、调满参数信号输入接口 -12-3.6A/D转换以及A/D转换模块TLC2543 -13-\o"CurrentDocument"3.7旋转编码器接口电路 -15-D/A转换及D/A转换模块MAX518 -16-\o"CurrentDocument"V/I转换电路 -18-\o"CurrentDocument"3.10继电器触发控制电路 -19-\o"CurrentDocument"3.11LED显示接口电路 -20-\o"CurrentDocument"3.12键盘接口电路 -21-3.13液晶显示接口 -22-3.13.1液晶的选型 -22-\o"CurrentDocument"3.13.2液晶接口电路 -23-\o"CurrentDocument"3.14直流稳压电源的选用 -24-\o"CurrentDocument"第四章软件系统设计 -26-\o"CurrentDocument"4.1系统主程序设计 -26-4.1.1软件设计概述 -26-4.1.2编程语言的选用 -27-\o"CurrentDocument"4.2系统的程序 -27-4.2.1系统主程序 -27-4.2.2前向通道中的数据采集子程序 -29-\o"CurrentDocument"4.3系统仿真 -33-\o"CurrentDocument"第五章毕业设计总结 -35-\o"CurrentDocument"参考文献 -37-附录 -39-\o"CurrentDocument"致谢 -48-第一章绪论1.1概述水是人类的一种十分宝贵的资源，如果没有水，整个世界都将走向灭亡。现在很多国家都在为水的再利用，开发和回收付出了大量的人力、物力和财力。中国河流众多，水系庞大而复杂。全国大小河流总长42万km，流域面积在100Omk以上的河流有1500多条，众多水系构成中国水力资源蛛网密布的格局。要合理的利用水资源，离不开对水资源的有效调度。在我们国家的一些大江、大河、湖泊上，己经建立了一套有效的水资源调度系统，但在广大的中小江河、湖泊、水库上，水资源调度系统并未建立。对这些中小江河、湖泊、水库的水资源调度、监控，对于我国水资源的合理利用，对于解决我国将来的水资源短缺问题具有更为重要的战略意义。随着自动控制、通信及计算机技术的不断发展，把遥测遥控、通信及计算机技术应用于闸门及水位等参量的自动测量、计算、控制和调节，就是水闸监控系统的主要内容和目标。我国先后兴建了许多不同规模的水库与电站，因而闸门控制系统被广泛应用于水利、水电建设。目前水闸自动化监控系统在全国的河流、水库上的应用还很少，应用水平参差不齐。鉴于水资源在我国国民经济、人民群众生活中的重要性，对用来调度这些水资源的闸门、水位数据进行全天候监控是完全必要的。首先，可以实时跟踪、监控江河闸门开度、水位高度的数据，为合理调度水资源提供第一手数据资料。根据闸门上、下游水位高度，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。上游水位高了，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;当下降闸门时，情况与上述相反。因此，通过闸门微机监控系统，可以及时掌握闸门、水位的实时数据，为水资源调度提供第一手数据。其次，闸门微机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。闸门作为水利系统最基层的工程之一在防洪抗灾中扮演了重要角色，除了满足水利部门的用水需求外，在防洪、保护工农业生产和人民生命财产安全以及环境保护等诸多方面都发挥了巨大的积极作用。为了进一步发挥泵站的综合利用效益，尽可能减少洪涝灾害的损失，提高调度管理的决策水平，建设闸门综合自动化监控信息系统是必不可少的。由于闸门所处工作环境恶劣、电磁场噪声干扰大，使闸门的实时控制很难准确进行。而其中载荷监控仪器是大中型水库、水电站中保证闸门安全运行的重要条件。同时，由于水中杂物或机械故障造成闸门启闭机超载，会导致断缆、启闭机损坏等重大事故，若在汛期发生会带来严重后果，因而可以说闸门启闭及载荷监控仪器是不可缺少的配套设备。但是，仅有载荷监控是不够的，闸门的开度测量仪器是提高整个系统灵活性的必要条件，由于不同时期的水位不同或者不同操作的条件，系统所需的开度是多样化的，因而闸门启闭机的开度测量仪器也是非常重要的配套设备。1.2设计的主要内容本设计立足于单片机控制系统，运用先进的单片机芯片及外围扩展设备，设计具有良好性能的集成电路，使最终研制的产品做到体积小、精度高、功能齐全、操作方便，达到同类产品国内较先进的水平。该智能仪表的设计是在认真研究了国内外相关产品的优缺点的基础上进行的，在整个设计过程中充分考虑到了用户的需求，力争将该测控仪的设计达到最优。要求在产品设计时，要吸收现有产品的优点，同时将其不足之处的影响减少到最低，不仅如此，我们还应该在不影响仪器先进性的前提下，尽虽提高产品的可移植性，提高产品的适应性，最终使该仪器既可以作为一个独立的单片机控制系统，也可以与其他控制器相连，共同组成智能化控制系统。本文将重点讨论以下儿个方面：1） 系统总体方案的设计；2） 闸门开度荷重测控仪的硬件电路研制；3） 系统软件程序设计。该产品设计的主要技术性能及参数如下：1） 测量范围：位移（开度）：0〜99.99m；荷重：0〜400T；2） 综合精度：位移（开度）：±0.5cm；荷重：W0.5%F.S；3） 有线遥测距离（传感器至显示仪）W2灿；4） LCD汉字液晶显示器显示闸门开度、荷重、偏载、报警值等；5） 使用电源：AC/DC开关电源模块；6） 工作环境：工作温度为-10〜40°C，相对湿度为W90%（RH40°C）；7） 上限开度、下限开度、任意开度、预置功能：当闸门开度N上限预置或闸门开度W下限预置或闸门开度=任意预置时，光报警信号及继电器触点输出；8） 仪表输入：两路荷重信号输入（4〜20mA），一路位移（开度）信号（多圈绝对型编码器）输入；9） 仪表输入模拟量输出3路（4〜20mA），RS485数据通信接口，继电器控制触点：用于控制位移（开度）上限、下限及预置位移，荷重上、下限报警的相应动作，继电器触点容量为AC220V、3A。1.3闸门开度荷重监控系统的国内外研究概况目前，我国大多数的闸门控制系统，都是将载荷监控与开度测控分开设计执行或是主要应用其中一种，根据我国的实际情况以下将分开介绍我国闸门控制的现状。由于我国早期的闸门启闭多采用行程开关或主令控制器等，只能进行闸门启闭极限位置的控制，不能指示闸门的启升位置高度，因此为了改进，在闸门启闭机上安装闸门高度指示表，在闸门启闭过程中对闸门的启闭高度进行控制并指示闸门的即时高度。由广东省水电建筑安装公司机械厂制造和安装的阳江市大河水库启闭机，就是采用了这种闸门高度指示表。这种高度指示表的主要原理是根据LX-72行程开关内安装的蜗轮轴，在闸门启闭期间的旋转角度在0~360度之间这一特性，对行程开关进行技术改进，加装固定在行程开关外部的指示部件，当闸门在启闭机的作用下上升或下降时，闸门高度指示表在闸门的启闭行程之间进行行程控制，在刻度盘相应位置指示出闸门上升或下降的位置高度，这种指示表的特点是结构简单，价格低廉，但是只适用于小型水库、水电站应用，并且不能应用在远程控制技术中。对于大型水电站，其控制系统非常庞大，如小浪底水库的控制系统，是采用光纤传感技术与PLC技术结合来进行开度信号的采集与输出，并由计算机来进行总体控制。该系统采用德国生产的增量式编码器，对闸门的开度信号进行采集，并将采集的信号送入计算机中进行分析处理，这是信号的采集过程；对于信号的输出，是将编码器从计算机中得到的命令通过RS一422总线，送入到SSI接口中，经SSI接口模块转化为二进制代码或BCD码送入到PLC当中。其中，RS一422总线使用差分信号进行数据传送，使数据传出可靠，SSI接口模块具有较高的抗噪声干扰能力，减少了噪声对信号的影响，并且SSI接口模块本身具有完善的自我监测功能，如对数据转换错误的误差显示功能等。由于基础器件的功能强大，该闸门控制系统的安全保障很可靠。我国目前使用的智能载荷监控仪，其核心功能的实现主要是通过各种类型的单片机，而过去基于模拟技术的载荷限制仪己基本处于淘汰中。徐州科讯传感器研究所生产的SZ系列弧形闸门开度测控仪就是其中之一。SZ弧形闸门开度测控仪的结构、原理及应用如下：SZ弧形闸门开度测控仪主要由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表是UHQ传感器，安装在启闭机现场，所采用的接触式轴角编码器集测控与A/D转换为一体，一台UHQ传感器可以连接两个或两个以上检测显示控制点，一般一台UHQ传感器可供闸门现场显示或在中控室用屏幕显示，以满足两地监视和管理。二次仪表是SZ闸门开度测控仪，主要安装在启闭机现场或中控室内，采用单片机和大规模CMOS集成电路进行码制转换。一台显示器可以配两台UHQ传感器，显示和控制两个闸门的位置。1988年河南省南阳市鸭河口水库除险加固时，改用SZ弧形闸门开度测控仪，方便了工作人员的操作及统一调度管理。1994年河南省安阳市小南海水库除险加固时，也采用了SZ孤门开度测控仪，可单机操作和集中控制。1997年永定河拦河闸、小清河分洪闸自行研制了一套闸门开度电子显示仪其原理是孤型闸门启闭时，电动机带动滚筒转动，卷放连接孤型闸门的钢缆使闸门完成启闭过程。该仪器将编码盘式角位移传感器（简称码盘）与滚筒同轴连接，当滚筒转动时码盘输出随闸门启闭开度成正比的电信号，仪器对此信号经过输入电路的电平转换和译码后，送到LED显示出实际开度值。由于码盘输出的是余三循环码，而且码盘输出值与闸门开度是非线性的关系，因此本仪器关键是完成从余三循环码到闸门开度值的正确转化。电路采用EPROM作为转换的核心部件，以传感器输出的余三循环码作为EPROM的地址，用硬件查表方式完成上述转换过程，并送至LED显示出开度值。当启闭机运行时，滚筒转动引起余三循环码的变化，仪器以查表的形式取出EPROM每个相应地址中存入的闸门实际开度值送入显示电路，即可读出闸门开度值。闸门开度电子显示仪的电路设计比较精简，具有体积小、重量轻、便于安装等优点，解决了弧形闸门的非线性转换，方便了闸门操作人员，节省了人力。以后还可以通过备用接口将各个闸门开度值传入控制室内，实施集中.显示控制。徐州理工计算机工程技术研究所研制的GLL智能闸门启闭机载荷监控仪由荷重传感器传来的模拟信号，经放大电路放大后，由模拟开关送入A/D转换器，转换后的数字量交由中央处理器处理，再送到显示器进行显示。除显示功能外，智能监控仪还具有报警功能，当载荷达到一定值时，系统会有预报警，提示当前载荷己经接近额定载荷，在系统超载时，系统会有声音报警。目前比较先进的水库或水电厂都采用这种仪表进行载荷监控。国外的闸门控制系统，与国内相关控制技术发展一样，经历了继电器逻辑控制、集成电路逻辑控制和计算机与PLC技术应用相结合控制的3个阶段。对于小型的闸门控制系统，仅使用一般的智能仪表进行控制，其主要功能都陈列在面板上，在设计与使用上与国内技术大致相同。对于大型的闸门控制系统，有些国家会应用多级监控系统，由总控制系统向下为各个操作员，每个操作员控制不同的工控机，在由各工控机来控制各个闸门的具体动作。第二章总体方案的设计闸门开度荷重测控仪用于测量、显示和控制闸门的开度及起吊荷重，能够适应各种不同吨位、不同开度的闸门启闭机的监控要求。仪表采用面板表式，既可显示闸门位移（开度）和载荷值，又可控制闸门的升降高度。仪表可设定多级载荷报警值和预置开度设定，可实现载荷超限报瞥和预置开度触点型输出，有很好的安全控制冗余度和良好的人机界面。2.1闸门自动化控制系统结构闸门自动化控制系统由闸门监控中心、集中监控单元、现场监控单元三部分组成，其结构如下：（1） 闸门监控中心闸门监控中心由主计算机、人机接口设备和外围设备组成。采用工控机作为主计算机，配有专用功能键盘和语音装置，实现对闸门的全面监控。闸门监控中心主要完成数据处理、安全监视、远方控制以及自动化管理等功能，具体为：1） 定期查询和收集集中监控单元上送的运行过程实时信息，生成现场实时数据库和历史记录图表。2） 实时更新CRT显示的工况画面的参数;实时显示和闸门相关的事件;有故障时，系统通过电铃、语音、画面显示报警，给出事故处理指示。3） 操作员可通过键盘和鼠标对一闸门进行远方控制，即：闸门起闭控制;闸门预置开度设定。4） 系统生成的运行日志、放水流量曲线、操作记录、运行状态等各种报表均可通过CRT显示或打印出来。（2） 集中监控单元集中监控单元采用集散控制方式，通过与闸门监控中心进行网络数据通信接受控制指令，对现场控制单元发出起闭信号;并通过安装在现场的闸门开度仪接受闸门现场信息，向闸门监控中心反馈现场运行工况、故障信号等信息。集中监控单元采用可编程单片机。该可编程控制器具有体积小、高速、模块化、可靠性高、抗干扰能力强等特点，开关量24路输入，16路输出，串口的物理层是RS485接口标准。（3） 现场监控单元闸门自动化控制系统的现场监控单元的设备有闸门开度荷重测控仪、水位仪、闸门启闭机电气控制屏等。现场监控单元采用现场总线技术，将微处理器置入传统的测量控制仪表，使其具有数字计算和数字通信能力，采用485总线作为现场总线，将多个智能测控仪连接成网络系统，按规定的通信协议，在位于现场的智能仪表群与集中监控单元之间实现数据传输与信息交换，在现场形成全分布式自动控制系统。现场监控单元可在现场通过闸门开度荷重测控仪和水位仪完成预置闸门开度、报警（开度上限、载荷下限、载荷1、载荷2,偏载）值并显示闸门实际开度、实际载荷1,实际载荷2以及报警状态;上、下游水位高度等功能，并且还可以根据不同开度，不同载荷要求而进行设定开度和载荷的额定值，这个是本测控仪所特有的功能;直接通过现场控制屏上的控制按钮进行闸门起闭操作。2.2闸门开度荷重测控仪工作原理图2-1闸门开度荷重测控仪原理图（开度）传感器（多圈绝对型编码器）其机械部分与启闭机卷扬筒直接相连，通过各种连接方式将闸门的升、降位移量转换成测量轴的角位移量，通过变速器使编码器码盘转动，从而使得传感器输出相应的编码量，通过多芯信号电缆送入测控仪。荷重传感器安装于启闭机卷筒两端轴承座支架上，通过电缆将采集到的荷重信号送入显示仪单片机系统。单片机系统将采集到的开度编码值经软件抗干扰及误码检测处理后进行码制转换，标度变换等计算出即时闸门垂直开度值，然后送显示同时把此值与警戒值做比较，当开度值达到设定值时，驱动相应的继电器动作，以触点形式作为控制输出，并以声光报警指示到位状态。2.3总体方案闸门开度荷重测控仪的总体设计思想是:以单片机为中央处理器，辅以强大功能的外围模拟、数字电路功能模块，使测控仪能够接受远端控制中心的控制信号、驱动继电器工作、显示闸门的开度载荷状态并在故障时报警，真正实现测控仪的智能化。其总体方案框图2-2所示：图2-2测控仪硬件系统框图第三章硬件系统设计3.1整体设计思想闸门开度荷重测控仪的总体设计思想是:以单片机AT89C52为中央处理器，辅以功能强大的外围模拟、数字电路功能模块，使测控仪能够进行数据采集处理、接收远端控制中心的控制命令、数据采集处理、驱动继电器工作、显示闸门的开度状态并在故障时报警，真正做到控制器的数字化、智能化。从控制系统的信号通道类型来分，闸门开度荷重测控仪主要由以下几个部分组成：第一部分:前向通道1） 传感器1、2负责对闸门的荷重进行采样，其输出的信号为4〜20mA的电流信号，要经过信号转换电路将其转换为1〜5V的电压信号，该模拟信号经过A/D转换器转换以后，转变为单片机能接受的数字信号，在将其送入指定的寄存器中等待下一步工作指示。2） 位移传感器进行采集的是闸门的开度信号，所得的电信号也将被送到特定寄存器中，信号的输入是以串行口方式进行传输。第二部分:中央处理器运算处理与监控1） 将采集的数据与设置值进行比较，若超出设置值，则产生报警信号。2） 若无报警信号产生，进行显示功能，将所采集到的数据显示到屏幕上。3） 随时扫描键盘，通过键盘进行报警值的设定与修改，当相关按键被按下时，执行其对应的功能。第三部分:后向通道1） 通过D/A转换器将CPU运算处理后的当前闸门开值转换为4〜20mA电流输出。2） 由单片机I/O口控制继电器输出。第四部分:人机通道1） 将经过运算处理的闸门载荷与开度值送到LCD显示。2） 单片机通过对数据进行比较分析，判断是否有报警情况，并通过发光二极管来指示有哪些警报。3） 通过键盘，可以预设一些报警值，以防闸门过载或者开度超限;并且闸门预置的开度也是通过键盘来设定。3.2单片机的选择单片机全称为单片微型计算机（（Single-Chip-MicroComputer）。它在一个芯片上集成了CPU,ROM,RAM、计数器/定时器、多个I/O接口，从而在一个芯片上构成了一台计算机，具有集成度高，体积小，重量轻的特点。由其组成的微机控制系统具有较少的外 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） 部引线，因而有较强的抗干扰能力。同时，单片机具有很强的数据处理能力，体现在运算速度和运算精度上，能够满足闸门控制的实时性和准确性要求。单片机拥有丰富的外部信号处理资源。如果能充分利用单片机本身具有的硬件资源，只需要加少量的辅助电路，就能够构成一个完整的系统，应用灵活方便，硬件结构简单，性价比高，可靠性易于保证的全数字式控制系统。自1971年美国Intel公司研制出第一片单片机一MCS-4以来，单片机技术在与其它科学技术的融合中不断发展，己经成为一门应用广泛的成熟技术，应用领域涉及工业控制、通讯、交通、消费电子产品、办公自动化等领域。在我国，单片机的应用开发已走过二十个春秋。在各个工程应用领域，单片机应用都拥有大批的工程技术人员，他们巧妙地将单片机引入自己熟悉的工程技术领域，解决了许多技术难题，使我国的单片机应用达到一个新的水平。在当今的单片机市场，种类繁多，功能齐备的单片机层出不穷。各种单片机都有其独有特点，至于具体选择哪种单片机型号，则完全遵循工程应用的实际需要和经济性。本系统采用ATMEL公司的产品AT89C52作为系统微控制器（MCU）。在众多的单片机型号中选用这种芯片，是有其独特原因的：通常的Intel公司的8031单片机，其通用性强、可靠性好、技术支持全面，但片内无程序存储器，需要片外扩展，这样便增加了芯片数量，加大印刷电路板面积。若采用片内带EPROM的8751单片机，则芯片成本较高，而近年来Atmel公司生产的89C52单片机则融合8031与闪速（（Flash）存储器技术于一体，自带8K内部程序存储器，其使用寿命长（可重复编程1000次以上），数据不易挥发，而且具有逻辑加密，使研制的系统不易被仿制。因此，本单片机控制系统选用了89C52单片机。具体优点如下：1） AT89C52是Atmel公司推出的40引脚的MCS-51系列单片机，是低功耗、高性能8位CMOS微控制器;它含有8K字节可重编程闪速存储器;256字节RAM;三个16位定时/计数器;32根I/O引线大部分用作数字和脉冲输入或输出;一个全双工串行口;八个中断源;89C52的时钟利用它的内部振荡器生成，在XTAL1,XTAL2上外接定时反馈电路，时钟频率最大可达24MHz，本系统采用12MHz,需外接11.0592的晶振;除了上述技术性能外，还有价格低廉，保密性强，功耗低，应用灵活、方便等特点。故选择89C52单片机为本应用系统的核心是最佳的选择。2） 由于它是以8031核构成的，所以它与MCS51系列单片机是兼容的。3） 内含FLASH存储器，可以承受1万次写/擦循环。这在系统的开发过程中，可随意进行程序修改，即使错误编程之后仍可以重新编程，故不存在废品且大大缩短了程序的开发周期;同时在系统工作过程中能有效地保存数据信息（数据保存期10年）；4） 采用静态时钟方式，节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有利。芯片引脚如图3-1所示。图3-1AT89C52引脚图3.3荷重传感器的选择压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。荷重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。环境给传感器造成的影响主要有以下几个方面：（1） 高温环境对传感器造成涂覆材料熔化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题。对于高温环境下工作的传感器常采用耐高温传感器；另外，必须加有隔热、水冷或气冷等装置。（2） 粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响。在此环境条件下应选用密闭性很高的传感器。不同的传感器其密封的方式是不同的，其密闭性存在着很大差异。常见的密封有密封胶充填或涂覆；橡胶垫机械紧固密封；焊接（氩孤焊、等离子束焊）和抽真空充氮密封。从密封效果来看，焊接密封为最佳，充填涂覆密封胶为量差。对于室内干净、干燥环境下工作的传感器，可选择涂胶密封的传感器，而对于一些在潮湿、粉尘性较高的环境下工作的传感器，应选择膜片热套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的传感器。（3） 在腐蚀性较高的环境下，如潮湿、酸性对传感器造成弹性体受损或产生短路等影响，应选择外表面进行过喷塑或不锈钢外罩，抗腐蚀性能好且密闭性好的传感器。（4） 电磁场对传感器输出紊乱信号的影响。在此情况下，应对传感器的屏蔽性进行严格检查，看其是否具有良好的抗电磁能力。（5） 易燃、易爆不仅对传感器造成彻底性的损害，而且还给其它设备和人身安全造成很大的威胁。因此，在易燃、易爆环境下工作的传感器对防爆性能提出了更高的要求：在易燃、易爆环境下必须选用防爆传感器，这种传感器的密封外罩不仅要考虑其密闭性，还要考虑到防爆强度，以及电缆线引出头的防水、防潮、防爆性等。其次对传感器数量和量程的选择。传感器的数量和量程取决于所设计的系统的需求。根据本测控系统的要求，通过比较，最终选取HLF-3系列定滑轮式荷重传感器。根据设计要求，选取两个HLF-3系列定滑轮荷重传感器，其主要参数如下：（1） 规格：60T（2） 精度等级：0.5%F.S（3） 输出信号：4〜20mA（4） 激励电压：DC24V（5） 灵敏度：1.0plusmn;0.005mV/V（6） 输入阻抗：750plusmn;20Omega;（7） 输出阻抗：702plusmn;2Omega;（8） 绝缘电阻：ge;5000MOmega;（9） 最大供桥电压：15V（10） 安全过载：150%F.S.（11） 温度范围：-30°C〜+70°C（12） 防护等级:IP66、IP673.4荷重信号输入接口根据现场实际情况，荷重值是由压力变送器采集到的，输出为4〜20mA的模拟电流信号，准确无误的将此信号量送入单片机等待处理，对整个系统机构工作的精确性、安全性、即时性是非常重要的。为了便于单片机处理，这个模拟量需要最终变成电压信号并经过A/D转换模块后才送给单片机。所以：1） 采积的电压信号要经过滤波处理，然后再变为标准电平TTL信号送入A/D转换模块；2） 电路采用电流方式传入压力信号，电路则需要有一个电流/电压转换装置，将送来的电流模拟量转换为电压量。如图3-2所示，输入的采集信号P为4〜20mA的电流信号时，在电路中形成电流P、电阻RS1,GND的回路，4〜20mA电流环信号到1〜5V电压信号的转换由阻值为250的精密电阻RS1完成。4〜20mA的电流环经过RS1流向地，这样ADINPUT电位为:250X（4〜20mA）=1〜5V，为TLC2543内部ADC正常转化电压范围。J -4^图3-2荷重信号采样电路图3.5系统调零、调满参数信号输入接口针对这个模拟量测量系统，我们知道，必须对闸门电位器的零点值和满量程进行调试整定，才能在相应的系统中做到模拟量测量的精确。从图3-3中可以看到，调零、调满电路就是由很简单的滑动电阻构成，将滑动电阻上分得的电压量送入A/D转换模块。但是这种从系统外界引入原本不相关的信号作为计算的新因子，从而进一步增强系统的运算功能和适应环境能力的方法，却是硬件科学研

究中的重要思想究中的重要思想图3-3调零、调满信号采样电路图3.6A/D转换以及A/D转换模块TLC2543A/D转换接口是数据采集系统前向通道的一个重要环节。数据采集和转换系统从一个或几个信号源采集模拟信号，并将这些信号转换为数字形式，以便输入CPU。一般的A/D转换器件都是并行方式，即器件通过数据总线与CPU通信，从CPU接收命令，向CPU发送转换结果，如ADC0801,ADC0832等。如果ADC的转换精度较高（12位），而CPU又采用8位数据总线方式的话，那时CPU必须进行两次读操作才能将转换结果读出。这种形式的ADC与CPU通信时不仅需要数据线，还要选址，读写信号，中断请求等，给印刷板布线带来不少麻烦，增加了硬件的成本和电路板的调试难度。对于本系统而言，在选用A/D芯片时，更重要的是要考虑到由于AT89C52单片机的I/O口使用紧张，为了充分利用系统资源，使设计出的系统最小、最优，避免扩展多个I/O口，本仪器的A/D转换最好采用串行方式，这样大量节省了AT89C52的I/O口线，既简化了系统的结构又使单片机的引脚得到了充分利用。基于上述原因，在系统中选用了美国德州仪器公司（TI）的TLC2543芯片。对于本系统而言，就是要将ADIN0（载荷1信号）、ADIN1（载荷2信号）、TIAOLINGI（载荷1调零信号）、TIAOMANI（载荷1调满信号）、TIAOLING2（载荷2调零信号）、TIAOMAN2（载荷2调满信号）这六路电压信号送到A/D转换模块TLC2543中进行模数转换，得到数字量，然后再送到单片机中参加运算、处理。在TLC2543中一共有11个模拟量转换通道，系统中各通道定义如下：AIN0:载荷1的数据采集信号；AIN1:载荷2的数据采集信号；AIN2:载荷1的调零电位器；AIN3:载荷1的调满电位器；AIN4:载荷2的调零电位器；AIN5:载荷2的调满电位器；AIN6:备用；AIN7:备用；AIN8:备用；其它通道:(扩展口，未用)。TLC2543与带有串行外设接口(SPI,SerialPeripheralInterface)的微处理器易于接口，而AT89C52单片机不具有SPI，因此必须用软件合成SPI的操作。上电后，片选CS必须从高到低，才能开始一次工作周期，此时EOC为高，输入数据寄存器被置为0，输出数据寄存器的内容是随机的图3-4TLC2543与AT89C52单片机接口电路A/D转换器与单片机的接口电路如图3-4所示。A/D转换开始时，片选CS(P1.2)为高，I/OCLOCK(P1.1),DATAINPUT(P1.0被禁止,DATAOUT(P1.3呈高阻状态，EOC为高。使CS变低，I/OCLOCK,DATAINPUT使能，DATAOUT脱离高阻状态。12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATAINPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送入)，同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地移出°TLC2543收到第4个时钟信号后，通道号也己收到，因此，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿。在第12个时钟下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约需10us，转换完成，，EOC变高，转换的数据在输出数据寄存器中，等待下一个工作周期输出。此后，可以进行新的工作周期。值得注意的是:TLC2543是具有12位分辨率的高精度模数转换器，其每一次的转换结果都要以12位的形式存放。在系统中，要用两个字节的空间容量来存储，这样就涉及到一个双字节的存储数与实际4〜20mA电流（或者1〜5V电压）之间的格式转换。3.7旋转编码器接口电路由于该测控仪的测量范围比较大，适合于不同开度的闸门，开度范围在0〜99.99m,单转编码器是肯定满足不了要求的，又因为对该系统的精度要求较高，需要采用分辨率较高的编码器。通过对国内外光电编码器产品性能、价格的比较，并应客户要求，采用德国海德汉（（HEIDEHAIN）公司的ROQ425型绝对型多转光电编码器。该编码器精度高，可使闸门开度分辨到毫米级。主要技术指标为:分辨率8192（13位）/转，分解转数4096（12位），量程8192x4096；输出码为25位格雷码，输出信号SSI同步串行信号;工作电压10-30VDC;电缆引出线采用十芯屏蔽线，通常为1米，通过屏蔽连接最大可达100米;最大机械转数10000转/分;防护等级为IP64或IP66（轴端）、IP67（外壳）。编码器的机械部分与启闭机卷扬筒直接相连。由于海德汉（HEIDENHAIN）公司的绝对型多转旋转编码器ROQ425要求的是RS422模式，而RS-422是一种全双工串行通讯接口标准，由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器儿部分组成，采用双端线传送信号，具有很强的抗干扰能力。该标准允许驱动器的输出为±2V〜±6V，接收器可以检测到的输入信号电平可低到200mV。最大传输率可达10Mbit/s，不过，在此速率下电缆允许长度仅为120mm。当采用较低的速率时，传输距离可以很远，比如采用波特率为9600的传输速率，传输距离可达1200m。故本系统采用的是Maxim公司生产的MAX488接口芯片，它是一种RS-422芯片。采用单一+5V电源工作，额定电流为120uA，采用全双工通讯方式。驱动器为限斜率驱动器，驱动器过载保护。其引脚结构图如图3-5所示：图3-5MAX488引脚图从图3-5中可以看出，MAX488芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的两个口P3.3和P3.4相连，Y和Z端分别为驱动器的非反相输出端和驱动器的反相输出端，分别连接到旋转编码器ROQ425的Clock+端和Clock一端，做为旋转编码器ROQ425的时钟脉冲，这里的高低脉冲来源于P3.3输入的0、1信号值，而A和B分别为接收器的非反相输出端和反相输出端，连接到旋转编码器ROQ425的Date十端和Date一端，从旋转编码器ROQ425出来的串行信号通过单片机的P3.4口传送给CPU.图3-6MAX488与AT89C52单片机接口电路从图3-6可以看出，在与单片机连接时，只需要单片机通过MAX488给旋转编码器脉冲信号，而旋转编码器则通过MAX488给单片机串行数字信号，然后单片机通过运算处理，得出闸门开度的位移值。同时将ROA和ROB端之间加匹配电阻，一般可选120的电阻。3.8D/A转换及D/A转换模块MAX518在闸门开度荷重测控仪的工作中，对闸门的载荷1和载荷2以及闸门开度除了要求进行LCD显示之外，还需要将其模拟电流量送回到控制中心。该模拟电流量作为备用，因为有的控制人员习惯用模拟量作为控制量。在后向通道中采用D/A转换器是计算机实现对模拟量控制的常用方式，而串行D/A转换器由于接口电路简单、易于远程操作以及体积小、功耗低等优点而广泛应用于便携式设备或分布式控制系统中。基于以上所述原因，系统选用MAXIM公司生产的二线串行接口的8位D/A转换芯片——MAX518。这是一种采用二线串行接口的8位D/A转换芯片，采用单5V供电，简单的双线接口；与I2C总线兼容;输出缓冲放大双极性工作方式;基准输入可为双极性;上电复位将所有闭锁清零:4uA掉电模式;总线上可挂四个器件（通过AD0,AD1选择）。具有2路8位模拟量输出口。MAX518的芯片结构如图3-7所示:图3-7MAX518引脚图MAX518的D/A转换数据通过SCL和SDA串行输入，芯片内部把输入数据中地址位与AD0,AD1所表示的地址比较，如符合则把数据存放在8位数据缓冲寄存器，然后经过D/A转换电路和运放分别从OUT0,OUT1输出1〜5V的电压信号。由于MAX518与CPU之间的接口为二线串行接口，很容易实现光电隔离，这样可以有效地解决抗干扰问题。如果不采用光电隔离，只需直接与SCL,SDA相连。图中的AD0,AD1接地表示该芯片的地址为00,在使用多片D/A芯片时可接其它地址。OUT0,OUT1输出信号为1〜5V的电压信号，实际应用中通常并不直接使用，所以需要转换为工程常用的0〜10mA,4〜20mA等电流信号。本系统只使用双片、三路信号转换（其中有一路为备用）。MAX518D/A转换的数据输入是串行输入，所以在编程上比其它并行输入的D/A芯片要复杂一些，要输出其中一路的D/A数据，需要顺序输入3个字节。MAX518与AT89C52单片机的连接电路如图3-8所示。

图3-8MAX518与AT89C52单片机接口电路3.9V/I转换电路由于控制中心要求在闸门工作过程中，能够随时接收闸门的载荷1和载荷2以及闸门开度值。这三个回送控制中心的模拟量从两个MAX518的OUT0，OUT1,OUT2口出来的时候，是1〜5V的电压量。传输线可能长几十、几百米，电压信号在长距离传输中的抗干扰能力不如电流信号，容易衰减，容易受干扰。再则，信号作为电压传输时易受电磁噪声等因素影响。假若信号作为电流传输，则在接收端比较容易恢复，且不太容易受到传输线长度的影响。图3-9V/I转换电路图如图3-9所示。这个变送电路用一个运放集成电路LM324及电阻所组成的运算电路组成，提供4〜20mA电流环输出。LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，LM324内有4个高性能运算放大器，并有相位补偿电路，耗电低，可用正电源或正负双电源工作，电源电压范围宽，正电源为3.0〜30.0V，在本系统中正电源采用24V，负电源用地。来自MAX518的OUT0,OUT1,OUT2引脚的1〜5V的电压信号输入至电路中，把电压信号转换为电流信号。把1〜5V电压信号转换为4〜20mA的电流信号。3.10继电器触发控制电路当闸门开度上限、闸门开度下限、闸门开度预置、载荷1、载荷2,偏载等这六路信号达到预定的值时，会发生相应的报警，同时伴随着相应的继电器驱动，此继电器用来控制触点输出，作为上级集中控制单元的PLC的开关量输入，来触发相对应的PLC动作，进而使执行机构发生相应的工作状态，进行电机的起、落、停等工作。达到了主控机对PLC的手动控制和测控仪对PLC的自动控制相结合。增强了整个闸门监控系统的可靠性和安全性。随着工业需要的变化和现代科技水平的提高，直流电力电子开关作为低压电器的一个重要分支，现己广泛应用于工业自动化装置、矿山、冶金等许多行业，具有短路、过流和过压等保护电路，在提高工作可靠性、便利维修和减少运行费用等方面均有显著效果。本系统选择的是宁波松乐继电器有限公司生产的SRSB型继电器作为直流电力电子开关。如图3-10所示，这是闸门开度上限报警继电器输出电路，通过逻辑判断电路，CPU通过计算来控制P2.0(JD0)的电平，从而控制继电器的触点开与合。

图3-10SRSB与AT89C52的接口电路图3.11LED显示接口电路闸门开度荷重测控仪作为一个工业产品，必须考虑到一些非常的情况。如载荷1,载荷2,偏载、开度上限、开度下限达到额定值时。这时单片机通过继电器触点输出信号给PLC,PLC就会通过预定的模式对闸门的电机进行起、落、停等命令信号，防止出现机械构件被破坏的情况。同时，需要系统发出报警提示装置，以便通知操作人员出现何种状况。报警装置采用报警灯，具体报警电路如图6-12所示。图3-11LED显示接口电路图图3-11中所示为五路报警电路，其报警电路原理相同，这部分电路非常简单，就是由一个普通的7407送出的，TTL电平驱动一个发光二极管进行工作。程序在每次大循环的开始，都会首先检查电路控制中心信号输入电压的故障状态、反馈电压信号的故障状态、看门狗复位电路的故障状态等。如果电路硬件状态正常、软件工作正常，那么每次从7406送出来的位都送低电平，那么正常报警灯就能熄灭，否则报警灯发光。3.12键盘接口电路键盘在单片机应用系统中是一个关键部件，它能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预的主要手段。图3-12给出键盘接口电路。图中的电阻、电容起消抖、滤波的作用。图3-12键盘接口电路3.13液晶显示接口3.13.1液晶的选型液晶是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质态，它既具有各向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。一般可分热致液晶和溶致液晶两类。在显示应用领域，使用的是热致液晶，超出一定温度范围，热致液晶就不再呈现液晶态，温度低了，出现结晶现象，温度升高了，就变成液体;液晶显示器件所标注的存储温度指的就是呈现液晶态的温度范围。液晶由于它的各向异性而具有的电光效应，尤其扭曲向列效应和超扭曲效应，所以能够制成不同类型的显示器件LCD（LiquidCrystalDisplay）oSTN（DSTN）类液晶模块一般为中小型，既有单色的，也有伪彩色的;TFT类液晶，则从小到大都有，而且几乎清一色为真彩色显示模块。除了TFT类液品，一般小屏幕液品都内置控制器（控制器的概念相当于显示卡上的主控芯片），直接提供MCU接口；而大中液晶屏，要想控制其显示，都需要外加控制器。TFT彩色液晶像素清晰，视觉感较好而STN则相对较差;然而前者的价格几乎是后者的两倍，因此，本系统从成本的角度考虑，采用STN类液晶。通过对国内外同种液品型号的对比，最后选用北京青云创新科技发展有限公司生产的LCM12864ZK。LCM12864ZK是北京青云创新科技发展有限公司生产的带中文字库图形液晶显示模块，它具有使用方便，价格适中的特点，广泛用于各种仪器仪表家用电器和信息产品上。LCM12864ZK的功能及特性LCM12864ZK是一种点阵式液晶显示器，它可实现汉字、ASCII码、点阵图形的同屏显示，ROM内含8192个16*16点中文字型和128个16*8半宽的字母符号字型另外绘图显示画面提供一个64*256点的绘图区域（GDRAM）而且内含CGRAM提供4组软件可编程的16*16点阵造字功能。低功耗设计可满足产品的省电要求。同时与单片机等微控器的接口界面灵活（串/并两用接口）。主要引脚LCM12864ZK的控制模块和显示模块集成为一个20引脚的单片芯片上，其主要引脚：K一背光极负极;V—背光极正极;GND一地;VCC-3伏或5伏：RS（CS）——选择（并行）0:指令寄存器1:数据寄存器，片选（串行）0:禁止1:允许；RW（SID）——读写控制脚（并行）0:写入1:读;输入串行数据（串行）；E（SCLK）——读写数据启始脚（并行），输入串行脉冲（串行）;D0〜D7一数据线；PSB——控制界面0:串行1:并行8/4位;/RSB一复位信号，低有效（该位可不接）；VR,VO——LCD亮度调节，外接电阻端，VR和VO之间接可变电阻(5k).硬件接口及时序该液晶模块与CPU接口可分并行和串行两种，这里只介绍串行接口。当PSB脚接低电位，模块将进入串行模式，在串行模式下将使用二条传输线作串行资料的传送。主控制系统将配合传输同步时钟(SCLK)与接收串行数据线(SID)，来完成串行传输的动作。在片选CS设为高电位时，同步时钟线((SCLK)输入的讯号才会被接收，另一方面，当片选(CS)设为低电位时，模块的内部串行传输计数与串行资料将会被重置。也就是说在此状态下，传输中的资料将被终止清除，并且将待传输的串列资料计数重设回第一位;模块选择脚(CS河被固定接到高电位。模块的同步时钟线(SCLK)具有独立的操作，但是当有连续多个指令需要被传输，必须确实等到一个指令完全执行完成才能传送下一笔资料，因为模块内部并没有传送/接收缓冲区。从一个完整的串行传输流程来看，一开始先传输起始位，它需先接收到五个连续的1(同步位串)。在起始位元组，此时传输计数将被重置并且串行传输将被同步，再跟随的二个BIT分别指定传输方向位(RW)及暂存器选择位(RS)最后第八位则为“0"。在接收到起始位元组后，每个指令/数据将分为二组接收到，较高4位元(DB7〜DB4)的指令资料将会被放在第一组的LSB部分，而较低4位元((DB3〜DB0)的指令资料则会被放在第二组的LSB部分，至于相关的另四位则都为0。3.13.2液晶接口电路LCM12864ZK与单片机连接十分方便，这里采用串行接口，在串行模式下将使用二条传输线作串行资料的传送，单片机用P3.5连接到LCM12864ZK的同步时钟((SCLK),P3.6连接到LCMI2864ZK的串行数据线(SID),P3.7连接到LCM12864ZK的片选(CS)。来完成串行传输的动作。单片机与LCM12864ZK的串行接口电路图如图3-13：图3-13串行接口电路

3.14直流稳压电源的选用直流稳压电源是各种电子设备必不可少的重要组成部分。随着微电子技术的发展，集成电路得到了广泛应用，从而推动了电子设备向固体化、小型化、轻量化方向发展，随之对电子设备的电源装置也提出了小型化、轻量化和高效率等要求。为了满足电子设备的要求，电源由分立元器件组装发展到了集成化、小型化。现代集成模块化电源，将系统或设备的集中供电变为分散供电。电源经过这种功率电子技术处理，能获得良好的节能效果。国外发达国家作为电源的电能，己有80%经过这种技术处理，节能效果达到15%到40%。因为闸门开度荷重测控仪的设计对整体外观体积的要求是非常苛刻的，要求电源本身的体积比较小。在系统电路中，除了逻辑电路需要的+5V电压外，传感器电路、A/D,D/A转换器需要+5V参考基准电压，运算放大器需要24V电压，旋转编码器用15V电压，另外继电器需要的独立的5V电压，以及液晶显示器需要的独立的5V背光电压等等。本系统选用北京核力能电气有限公司生产的AC/DC开关电源模块来完成AC/DC电源变换功能。该公司生产的模块化开关电源体积小，重量轻、高效可靠，纹波小，并具有多重保护功能。系统中采用了两个HLN系列宽电压输入隔离稳压输出型AC/DC模块，一个是三输出型HLN-P-15S24S15S05W，为系统提供5V,15V和24V三种电压，一个是单输出型HLNA-P-2.5S05N，为系统提供5V逻辑电压。模块电源直接安装在PCB板上。LXLX图3-14AC/DC电源模块电路图电源部分电路原理图如图3-14所示。其中，在电源输入回路中采用压敏电阻，它是用来过电压保护的。压敏电阻是一种在某一特定的电压范围内其电导随电压的增加而急剧增大的敏感元件;由于它具有稳压和过电压保护等功能，故人们称之为“限幅器”、“斩波器”、“浪涌吸收器”。本系统中的压敏电阻型号为MYJ10-K471（标称工作电压470V左右）。当供电线路通过浪涌过电压或者感应过电压，超过了压敏电阻的最高工作电压470V时，压敏电阻将瞬间导通，吸收过电压，使电压保持平稳;如果非用电高峰期，供电电压升高或由于缺相、错相等造成供电电压大幅升高，压敏电阻会因吸收的电流过大而烧毁，产生的大电流同时会将保险丝熔断，从而保护系统不受损坏。图中电源模块的输出接有多个电容组合，是为了使进到系统里的电源更加稳定可靠、电压波动小。当有电压波动时，通过电容的充、放电过程来阻止电压波动;不同电容可以消除不同频率的电压波动。第四章软件系统设计4・1系统主程序设计硬件电路设计完成之后，系统的主要功能将依赖于系统软件来实现。系统能否可靠地工作，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。本系统的主程序主要包括以下几个方面：1） 初始化部分，由上电复位后的主程序执行，用来初始化系统的硬件资源和软件资源。2） 完成开机电信号故障检测。3） 调用采样子程序，完成前向通道A/D转换器对菜养殖的转换。4） 调用显示子程序，将工作人员所需的系统值在LCD上进行显示。5） 对采集的信号进行分析比较，将电流信号通过后向通道进行传输。6） 扫描按键，控制器对按键功能进行解释，然后执行相应的动作。4.1.1软件设计概述单片机的程序设计有其自身的特点。首先，单片机系统的系统程序与应用程序密不可分，系统程序与应用程序必须在一起考虑;其次，在单片机系统中，硬件与软件紧密结合，软件直接操作硬件，硬件设计的优劣直接影响到软件设计难易和质量。同时，很多时候，软件可以替代硬件的功能，当然，需要付出额外占用CPU时间的代价。在程序设计时，往往存在着时间与空间的矛盾体。在一些程序编译器中，有着时间优化和空间优化的选项，但时间优化与空间优化不能同时存在。这些编译器在处理这些优化时实际是在采用时间换取空间或者空间换取时间的策略。在设计程序时，可以采取这样的策略提高系统的性能。比如，目前程序存储器的容量己不是设计的关键因素，可以利用存储器的空间实现程序响应速度的加快。除了有自身的特点外，单片机的程序设计同样具有一般软件设计的特点。首先，应有一个合理的算法，以合理的资源耗费实现预定的功能;其次，设计的软件应有较好的可读性，可维护性。做到这一点往往需要使用高级语言，采用结构化的设计。本文的软件设计按如下的步骤进行：1） 分析问题：明确所要解决的问题的要求。2） 确定算法：根据问题的要求和指令系统的特点，决定系统程序算法。算法是进行程序设计的依据，它决定了程序的正确性和程序的质量。3） 制定程序框图：根据所选择的算法，制定出运算的步骤和顺序，把运算过程划成程序的流程图。4） 确定数据格式，分配工作单元，进一步将程序框图画成详细的操作流程图。5） 根据程序的流程图，选用合适的编程语言来编写源程序。6） 程序调试。对于MCS-51单片机来说，没有自开发的功能，需要使用仿真器，在仿真器上以单步、断点、连续方式试运行程序，对程序进行调试，排除程序中的错误，直至正确为止。7） 程序优化。程序优化就是缩短程序的长度，加快运算速度和节省数据存储单元。在程序设计中经常使用循环程序和函数或子程序的形式来缩短程序，通过改进算法来节省工作单元和减少程序执行的时间。4.1.2编程语言的选用随着单片机的普及应用，单片机控制系统软件开发语言也在不断地发展更新。目前，开发单片机控制系统的软件可以用汇编语言编程，也可以用PL/M-51单片机程序设计语言，还可以用C-51编制控制软件。C语言为目前最为流行的一种计算机开发语言，美国Archimedes和FranklinSoftware公司在九十年代专为基于MCS-51系列的单片机开发了高级语言工具C51，C51语言是一种结构化语言，与标准C语一言完全兼容，具有代码效率高、可移植性强、库函数丰富、支持浮点运算、可直接操作硬件资源和实时性强等特点。采用C51语一言编写用户目标程序，不仅可以缩短开发周期，而且可读性强，便于维护和改进，是一种理想的程序设计语言。本系统选用C51语言进行开发。4.2系统的程序4.2.1系统主程序本系统的主程序流程如图4-1所示：该系统的主程序为：#include <reg52.h>#define ture1#define false0#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitAD_DATIN=P1A0; 〃数据入sbitAD_IOCLK=P1A1； 〃时钟sbitAD_CS=P1A2; 〃片选sbitAD_DATOUT=P1A3;//数据出sbitAD_EOC=P1A4; 〃转换完成指示

图4-1系统主程序流程图sbitSCL=P0A图4-1系统主程序流程图sbitSDA=P0A4;〃串行时钟//〃串行时钟//串行数据〃串行时钟voidinit(void);unsignedintread2543(unsignedcharport)；voidsenddata(unsignedcharADdata)voidWait(ucharZone)viodSendCommand(ucharZone,ucharVal)viodWriteData(ucharZone,ucharVal)viodDisplayOn(ucharnZone)viodDisplayOff(ucharnZone)viodClearScreen(ucharZone)voidLcdDisplayInit(ucharZone)voidLcdDisplayWord(ucharZone,ucharCol,ucharPageNo,ucharTable[],ucharNo)voidkeyscan()voidmain(){init();while(1){read2543(unsignedcharport)；LcdDisplayWord(ucharZone,ucharCol,ucharPageNo,ucharTable[],ucharNo);senddata(unsignedcharADdata)keyscan()；}}4.2.2前向通道中的数据采集子程序在系统的前向通道中，有两路模拟信号需要通过TLC2543A/D转换器进行模数转换，转换后还要将其处理为控制器需要的数据格式再送到存储器中。还有一路开度测量信号经ROQ425，由MAX488送入单片机，并对其进行运算及处理。模拟信号的数据采集流程图如图4-2所示：

图4-2荷重值采样程序流程图荷重值采样程序如下：#include<reg52.h>#include<intrins.h>#definenop()_nop_()sbitAD_DATIN=P1A0; /*数据入*/sbitAD_IOCLK=P1A1； /*时钟*/sbitAD_CS=P1A2; /*片选*/sbitAD_DATOUT=P1A3;/*数据出*/sbitAD_EOC=P1A4; /*转换完成指示*/

/*启动A/D转换,并读取上次转换结果*/unsignedintread2543(unsignedcharport){unsignedintADdata=0;unsignedchari;AD_IOCLK=0;//片选使能//片选使能port<<=4;for(i=0;i<12;i++){〃读取上一周期转换数据//〃读取上一周期转换数据//设置本次采样ADDI=(bit)(port&0x80);AD_IOCLK=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();AD_IOCLK=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();port<<=1;ADdata<<=1;}AD_CS=1;return(ADdata);}/*主程序*/voidmain(){unsignedintdatabuf;if(EOC) 〃判断转化是否结束databuf=read2543(0);〃通道0,12位数据，单极性，高位先送出#include<reg52.h>#include<intrins.h>#definenop()_nop_()sbitAD_DATIN=P1A0;sbitAD_IOCLK=P1A1；sbitAD_CS=P1A2;sbitAD_DATOUT=P1A3;sbitAD_EOC=P1A4;/*数据入*//*时钟*//*片选*//*数据出*//*转换完成指示*/unsignedintread2543(unsignedcharport){unsignedintADdata=0;unsignedchari;AD_IOCLK=0;AD_CS=0;port<<=4;for(i=0;i<12;i++){if(ADDO)ADdatal=0x01;ADDI=(bit)(port&0x80);AD_IOCLK=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();AD_IOCLK=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();port<<=1;ADdata<<=1;}//片选使能〃读取上一周期转换数据//设置本次采样AD_CS=1;return(ADdata);}voidmain(){unsignedintdatabuf;if(EOC) 〃判断转化是否结束databuf=read2543(1); 〃通道1,12位数据，单极性，高位先送出}4.3系统仿真系统仿真，就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。系统仿真的特征是：它是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。(3)仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。为了检验本闸门开度荷重测控仪的设计是否合理，运用Protuse软件进行系统仿真，通过系统仿真测试，该系统能有效地完成所需的设计要求。其仿真结果如下：图4-3开机自检图4-4参数设置图4-5实时显示第五章毕业设计总结随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几个月的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在此要感谢我的指导老师王广斌老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，老师耐心细致的指导我查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。我得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的还是有缺陷，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。单片机的设计至今为止已经进入了结尾的阶段，在进行了长达两个多月的时间的摸索与实验，使我不仅仅是对于单片机入门软件与硬件的常用设计与功能，还使我对于一项设计研究的制作过程所需要的详细步骤和具体的实现方法的力度的掌握。基于此作品作为毕业设计的创作成果，在当其中机器的功能等方面并非处于一个成熟的阶段，而且仅仅是因为我们的初步尝试，当中的缺点是无可非议地存在着。当然在这次宝贵的毕业设计活动中，经验才是对于我们最大的收获，而且还增强了自身对未知问题以及对知识的深化认识的能力，用受益匪浅这个词语来概括这次难忘的活动我觉得再合适不过了。但是，光是完成了作品还是不可以自我满足的，在从一开始的时候就怀着将作品制作得更加人性化，更加令人满意，更加地使功能完美又方便地被应用领域这个最终目的下，随着对单片