單片機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)水文站的水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（論文+外文翻譯+電路圖+程序）

1、<p>　　水文站的水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩水位進(jìn)行多點(diǎn)水位采集，然后通過遠(yuǎn)距離傳輸，并且有數(shù)據(jù)顯示和越限報(bào)警功能，單片機(jī)作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)大壩現(xiàn)場(chǎng)各水位點(diǎn)的選通和采集，作為上位機(jī)的PC機(jī)，則負(fù)責(zé)大壩水位的集中顯示和管理記錄，而PC機(jī)與單片機(jī)之間的通訊方式主要采用RS-485總線技

2、術(shù)。本文闡述了通過超聲波液位傳感器等對(duì)大壩水位進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由硬件部分和軟件部分組成。</p><p>　　硬件部分主要是傳感器主要是超聲波傳感器，數(shù)據(jù)采集部分采用多路開關(guān)方式進(jìn)行，利用超聲波傳感器進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)采集，為了滿足生產(chǎn)中多通道的要求，設(shè)計(jì)了8個(gè)模擬數(shù)據(jù)采集通道。傳感器將非電量信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)放大器放大后送入8位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC0838，數(shù)據(jù)處理部分采用AT89S52單片機(jī)為核心控制器件，當(dāng)

3、AT89S52單片機(jī)接到控制軟件發(fā)出的通道采集指令，采集的信號(hào)通過串行接口送入單片機(jī)，由顯示芯片HD7279八驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示，再通過RS-485通信總線上傳至上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行顯示。</p><p>　　軟件部分主要采用匯編語(yǔ)言編程進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警等程序的設(shè)計(jì)。針對(duì)電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的干擾，本文提出了去藕電容的配置等三點(diǎn)抗干擾措施，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><

4、p>　　關(guān)鍵詞：超聲波傳感器；AT89S52單片機(jī)；數(shù)據(jù)采集通信；上位機(jī)</p><p>　　Design of Automatic Monitoring System of the Water Level in Hydrological Station</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The p

5、aper mainly describes the method of the ultrasonic liquid level through the dam of water level sensors for automatic monitoring system, which is consist of the hardware part and software part. In this paper, uses the hos

6、t who and the monolithic integrated circuit is composed by PC machine from the type many machine networking system, the monolithic integrated circuit took the lower position machine, is responsible for the dam scene vari

7、ous gauging stations the selection and gathering, in th</p><p>　　Here uses the sensor mainly is the ultrasonic sensor, the data-acquisition works in frame of multi-channel switch. Carries on analog data gath

8、ering using the ultrasonic sensor, It designs eight analog-data acquisition system .The sensor changes the non-electronic signals into electronic signals and sends them to eight TLC0838 tandem modu1us transfers after bei

9、ng amplified. Data-acquisition takes AT89S52 single chip microcomputer as the key controller element, when the AT89S52 receives the channe</p><p>　　It designs much program like data-acquisition treatment, da

10、ta-display and data-communication Etc, using complied languages. As to the interference from the electromagnetism to the system, the thesis proposes three measures to resist the interference like capacitance dispose, to

11、steady the system.</p><p>　　Key word: Ultrasonic sensor; Single Chip Microcomputer of AT89S52; Data-acquisition and communication System; PC</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>

12、<b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況1</p><p>　　1.2目的和意義1</p><p><b>　　1.3主要內(nèi)容2</b></p><p>　　第二章 數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1單片機(jī)數(shù)據(jù)采集

13、系統(tǒng)3</p><p>　　2.1.1基本組成3</p><p>　　2.1.2采集方式3</p><p>　　2.1.3硬件組成4</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.1水位傳感器的選擇5</p><p>　　3.1.1浮子式水位傳感器5</

14、p><p>　　3.1.2壓力式水位傳感器5</p><p>　　3.1.3氣泡式水位傳感器6</p><p>　　3.1.4超聲波水位傳感器6</p><p>　　3.2傳感器檢測(cè)電路8</p><p>　　3.2.1超聲波發(fā)射電路9</p><p>　　3.2.2超聲波接收電路10&

15、lt;/p><p>　　3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器工作過程10</p><p>　　3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換單元電路設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.4單片機(jī)最小系統(tǒng)13</p><p>　　3.5 LED顯示電路14</p><p>　　3

16、.6 報(bào)警電路16</p><p>　　3.7串行通信電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.7.1 RS-485通信總線17</p><p>　　3.7.2串行通信電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.8 電源電路設(shè)計(jì)19</p><p>　　第四章 軟件設(shè)計(jì)20</p><p>　

17、　4.1數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.2數(shù)據(jù)采集處理21</p><p>　　4.3數(shù)據(jù)顯示22</p><p>　　4.4報(bào)警程序設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.5數(shù)據(jù)通信23</p><p>　　第五章 系統(tǒng)的抗干擾及可靠性設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.1電

18、磁干擾對(duì)系統(tǒng)的干擾24</p><p>　　5.2系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)24</p><p><b>　　第六章 總結(jié)26</b></p><p><b>　　謝辭27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p>　　附錄

19、A 外文翻譯－原文部分：29</p><p>　　附錄B 外文翻譯－譯文部分35</p><p>　　附錄C總體接線圖40</p><p>　　附錄D 主要源程序41</p><p>　　1.A/D轉(zhuǎn)換子程序41</p><p>　　2.動(dòng)態(tài)掃描顯示子程序41</p><p>　　3

20、.控制報(bào)警電路連續(xù)鳴音30ms的控制子程序的清單42</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1目的和意義 </b></p><p>　　水情水位測(cè)量一直是水文、水利部門的重要課題。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故苗頭，防患于未來(lái)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、可靠的水位無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)發(fā)揮巨大的作用水位是水庫(kù)大壩安

21、全、水利排灌調(diào)度、蓄水、泄洪的重要參數(shù)之一。水位的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、傳輸和處理為水庫(kù)現(xiàn)代化建設(shè)提供了良好的基礎(chǔ)資料。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域都需要對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)控，可能現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法靠近或現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需人力來(lái)監(jiān)控。我們就可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控，坐在儀器前就能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控，既方便又節(jié)省人力。為了保證水利發(fā)電站的安全生產(chǎn),提高發(fā)電效率,水電站生產(chǎn)過程需要對(duì)水庫(kù)水位、攔污柵壓差和尾水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但是,由于不同電站有著不同的實(shí)際情況,因此就有著不同的技術(shù)要求,而且水位參

22、數(shù)的測(cè)量方法和測(cè)量位置不同，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的要求亦有所不同。這樣往往造成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備專用化程度高,品種多,互換性差,不利于設(shè)備維護(hù),亦增加了設(shè)備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝的復(fù)雜性。因此,在綜合研究水電站水位監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況以及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,利用現(xiàn)代電子技術(shù),特別是單片機(jī)技術(shù)和不揮發(fā)存儲(chǔ)器技術(shù),設(shè)計(jì)開發(fā)一種通用性好,可靠性高,維護(hù)方便,可適用于多種監(jiān)測(cè)環(huán)境的多模式水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)

23、外的發(fā)展概況</p><p>　　傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量及控制的首要環(huán)節(jié)，一般傳感器有模擬式和數(shù)字式兩類，模擬式傳感器，在和計(jì)算機(jī)及數(shù)字化儀器相連的時(shí)候必須采用A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，且易受電磁干擾，不利于遠(yuǎn)距離傳輸。數(shù)字式傳感器直接將待測(cè)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，其輸出信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，功耗小，可與數(shù)字設(shè)備直接連接。數(shù)字式傳感器的這些特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于水情遙測(cè)系統(tǒng)中。但限于成本控制本設(shè)計(jì)依然采用模擬傳感器。&l

24、t;/p><p>　　水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用已相當(dāng)普及。大型國(guó)家水壩常采用由PC機(jī)和單片機(jī)組成的主從式的多機(jī)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，單片機(jī)作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)大壩現(xiàn)場(chǎng)各水位點(diǎn)的選通和采集，作為上位機(jī)的PC機(jī)，則負(fù)責(zé)大壩水位的集中顯示和管理記錄，PC機(jī)作為通用機(jī)，在用于專項(xiàng)的應(yīng)用上時(shí)，難免會(huì)在很多方面存在問題，比如體積大，功耗大，運(yùn)行不穩(wěn)定、很難做到不間斷運(yùn)行等。而PC機(jī)與單片機(jī)之間的通訊方式主要采用RS485總線技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)兩

25、種。RS-485是使用較為廣泛的雙向有補(bǔ)償傳輸線標(biāo)準(zhǔn)，其最大每段總線長(zhǎng)度為1200米，每段最多支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用單組雙絞線雙向主從通信。當(dāng)總線加長(zhǎng)或節(jié)點(diǎn)增多時(shí)需要使用中繼器連接，全網(wǎng)絡(luò)支持最多256個(gè)節(jié)點(diǎn)。RS-485通信技術(shù)應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，軟硬件實(shí)現(xiàn)較為容易，因此是國(guó)內(nèi)糧情測(cè)控系統(tǒng)采用較多的通信方式。</p><p>　　而本文多路水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)：</p><p>　　能夠靈活適應(yīng)測(cè)量

26、庫(kù)水位、攔污柵壓差、尾水位等變化緩慢或劇烈的水位的需要。</p><p>　　系統(tǒng)工作體制采用輪詢方式，實(shí)時(shí)性好。</p><p>　　采用無(wú)線/有線雙通道傳輸方式，提高了傳輸?shù)目煽啃浴?lt;/p><p>　　水位采集站工作模式可靈活編程設(shè)定，以適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境。</p><p>　　監(jiān)測(cè)分中心提供微波接口和RS-485接口，為上級(jí)監(jiān)控中心提

27、供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　1.3主要內(nèi)容</b></p><p>　　本次所設(shè)計(jì)的水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容：</p><p>　　多點(diǎn)水位數(shù)據(jù)采集：具有自動(dòng)檢測(cè)水位等功能，可根據(jù)需要進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)、選點(diǎn)檢測(cè)和巡回檢測(cè)；</p><p>　　水位數(shù)據(jù)傳輸：采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，需要解決遠(yuǎn)程傳輸數(shù)

28、據(jù)不穩(wěn)定和有干擾等影響；</p><p>　　水位數(shù)據(jù)分析：通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED和報(bào)警器，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示或報(bào)警；</p><p>　　水位數(shù)據(jù)顯示：根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)通過LED顯示；</p><p>　　水位預(yù)警：根據(jù)水位實(shí)測(cè)值與人工設(shè)定的超限制或相關(guān)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行對(duì)比分析，若實(shí)測(cè)值超過設(shè)定的范圍，則語(yǔ)音報(bào)警。</p><p&g

29、t;　　水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用液體壓力探頭采集水位原始資料，在單片機(jī)上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化資料處理，通過專線把資料傳輸?shù)焦ぷ髡?；同時(shí)也可以在遠(yuǎn)程工作站通過電話撥號(hào)調(diào)用資料；在工作站的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行資料加工、存取、分析等處理。遠(yuǎn)離水庫(kù)的指揮中心通過該系統(tǒng)可獲得當(dāng)前時(shí)刻的水位、水庫(kù)庫(kù)容、淹沒面積、當(dāng)天最高水位、最低水位、日水位升降、平均水位等一系列數(shù)據(jù)，為水庫(kù)的防洪、水庫(kù)水資源調(diào)度、蓄水灌溉提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示

30、和水位預(yù)警等部分組成。</p><p>　　第二章 數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)</p><p>　　本文的設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心控制器件。單片機(jī)具有體積小、功耗小、成本低、可靠性高、靈活方便、價(jià)格廉以及控制功能強(qiáng)等特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。利用單片機(jī)的硬件、軟件資源，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集的智能化控制和管理。</

31、p><p><b>　　2.1.1基本組成</b></p><p>　　基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心控制器件；結(jié)合外圍電路所構(gòu)成?；窘M成如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成</p><p>　　采集系統(tǒng)硬件主要包括傳感器、轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、輸入輸出接口電路等。由單片機(jī)做為控制單元的數(shù)

32、據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程可分為以下幾個(gè)步驟：數(shù)據(jù)采集是將被測(cè)量的信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠被單片機(jī)所識(shí)別的信號(hào)并輸入給單片機(jī)；數(shù)據(jù)處理是由單片機(jī)執(zhí)行以測(cè)試為的的算法程序后，得到與被測(cè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的測(cè)量值或形成相應(yīng)的決策與判斷。</p><p><b>　　2.1.2采集方式</b></p><p>　　一個(gè)具體的采集系統(tǒng)的構(gòu)成，根據(jù)所測(cè)信號(hào)的特性而定。力求做到既能滿足系統(tǒng)的性能要求又能在

33、性能價(jià)格比上達(dá)到最優(yōu)。根據(jù)這個(gè)要求，這種方式輪流循環(huán)采樣的轉(zhuǎn)換速度較慢，但是節(jié)省硬件。結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 多路開關(guān)方框圖</p><p>　　數(shù)據(jù)處理部分采用AT89S52做為核心控制器件。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用8位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC0838，該芯片占用單片機(jī)的引腳資源少，僅占有單片機(jī)5個(gè)引腳即可完成8個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本。</p

34、><p><b>　　2.1.3硬件組成</b></p><p>　　硬件部分分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分。整體硬件框圖如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 整體硬件框圖</p><p>　　數(shù)據(jù)采集部分采用多路開關(guān)方式進(jìn)行，設(shè)計(jì)有8個(gè)模擬數(shù)據(jù)采集通道，滿足了生產(chǎn)中多通道的要求?？梢詫?duì)常見的模擬信號(hào)量，如水位、壓力

35、、流量、速度、頻率等進(jìn)行采集。每一種信號(hào)量都可以使用不同的傳感器。擴(kuò)大了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，具有較強(qiáng)的通用性。</p><p>　　它常用于采集多路變化緩慢的信號(hào)，如水位變化、應(yīng)變信號(hào)等。用這種方式采集多通道信號(hào)時(shí)，不能同時(shí)采集同一時(shí)刻的各種參數(shù)。</p><p>　　本文所設(shè)計(jì)的硬件框圖，主要是超聲波傳感器采集電路，采集到水位數(shù)據(jù)后經(jīng)過信號(hào)放大和采樣保持后再由TLC0838進(jìn)行A/D

36、轉(zhuǎn)換，然后輸入到AT89S52單片機(jī)中，其中AT89S52單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，單片機(jī)通過處理后再進(jìn)行LED顯示和越限報(bào)警，并將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行人工操作。</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1水位傳感器的選擇</p><p>　　傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量及控制的首要環(huán)節(jié)，一般傳感器有模擬式和數(shù)字式兩類，模擬式傳感器，在和計(jì)算機(jī)及數(shù)字化儀

37、器相連的時(shí)候必須采用A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，且易受電磁干擾，不利于遠(yuǎn)距離傳輸。數(shù)字式傳感器直接將待測(cè)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，其輸出信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，功耗小，可與數(shù)字設(shè)備直接連接。數(shù)字式傳感器的這些特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于水情遙測(cè)系統(tǒng)中。但限于成本控制本設(shè)計(jì)依然采用模擬傳感器。</p><p>　　目前主要測(cè)水位的液位傳感器有浮子式水位傳感器、水位跟蹤式傳感器、超聲波水位傳感器、雷達(dá)激光水位傳感器,壓力式水位傳感

38、器等。下面是一些主要水位傳感器的簡(jiǎn)單介紹。</p><p>　　3.1.1浮子式水位傳感器</p><p>　　其主要產(chǎn)品有上海精浦機(jī)電有限公司的GEMPLE GPH500，正天科技的FYC-3型浮子式水位傳感器等。</p><p>　　1)工作原理：它利用液體浮力測(cè)液位的原理，靠浮子隨水面升降的位移反映水位變化。漂浮通過繩索經(jīng)滑輪與編碼器相連，編碼器的數(shù)字輸出即為

39、水位高度。為防止錯(cuò)碼的出現(xiàn)，其編碼器的編碼為格雷碼。機(jī)械浮子式和光電浮子式都是來(lái)用機(jī)械齒輪減速產(chǎn)生進(jìn)位和退位的辦法來(lái)形成編碼。其工作示意圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 浮子式水位計(jì)工作示意圖</p><p>　　2）特點(diǎn)：穩(wěn)定，可靠，優(yōu)點(diǎn)：成熟、運(yùn)用最廣泛，價(jià)格相對(duì)較低。</p><p>　　3）缺點(diǎn)：機(jī)械加工復(fù)雜、運(yùn)行阻力大、使用壽命短，測(cè)試數(shù)據(jù)

40、離散。</p><p>　　3.1.2壓力式水位傳感器</p><p>　　其主要產(chǎn)品有重慶華正的WYZ-1型壓力水位計(jì)，武漢華凱的JWRWX-3壓力水位計(jì)。</p><p>　　1）原理：根據(jù)壓力與水深成正比關(guān)系的靜水壓力原理，運(yùn)用壓敏元件作傳感器的水位汁。當(dāng)傳感器固定在水下某一測(cè)點(diǎn)時(shí)，該測(cè)點(diǎn)以上水柱壓力高度加上該點(diǎn)高程，即可間接地測(cè)出水位。壓力式水位計(jì)是一種通過

41、壓力傳感器及其有關(guān)的引壓信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)處理等裝置來(lái)測(cè)定水位的儀器可有數(shù)字顯示編碼輸出及自動(dòng)記錄的功能它可分為引壓式和直接式兩種記錄特征可分為模擬過程線數(shù)字顯示分時(shí)段記時(shí)打印磁帶記錄固態(tài)存貯微機(jī)處理等形式。</p><p>　　2）優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高，價(jià)格相對(duì)低廉，安裝簡(jiǎn)便，不需要建造水位井。</p><p>　　3）缺點(diǎn)：對(duì)泥沙含量大的水流，測(cè)量精度會(huì)受到影響，工作不穩(wěn)定，壓阻式有時(shí)飄、溫飄，

42、要定時(shí)率定。</p><p>　　3.1.3氣泡式水位傳感器</p><p>　　原理：將一根上端裝有壓力傳感器和氣源的管子插入水中，以恒定流向管子里通入少量空氣或惰性氣體，壓力傳感器即可測(cè)出管內(nèi)氣體壓力，此值與管子末端以上水頭成正比，通過記錄系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成水位。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：該儀器的壓力傳感器不直接與水體接觸，可不建測(cè)井，特別適用水體污染嚴(yán)重和腐蝕性強(qiáng)的

43、工業(yè)廢水等場(chǎng)合。國(guó)外 應(yīng)用氣泡式水位計(jì)較普遍。</p><p>　　缺點(diǎn)：在一些水位變幅較大較快而且含沙量較大的山區(qū)河流誤差偏大，針對(duì)這種情況，我生產(chǎn)廠家要采取必要的措施，如加裝防浪頭。</p><p>　　3.1.4超聲波水位傳感器</p><p>　　超聲波水位傳感器是利用空氣聲學(xué)回聲測(cè)距原理來(lái)進(jìn)行水位變化測(cè)量的新型水位測(cè)量?jī)x器，是在SCA6-1型聲學(xué)水位計(jì)基礎(chǔ)

44、上的改進(jìn)設(shè)計(jì)。由收發(fā)共用換能器發(fā)射一聲脈沖、經(jīng)聲管傳聲遇水界面產(chǎn)生反射，回波經(jīng)由同一換能器接收。測(cè)得聲波在空氣中的傳播時(shí)間及現(xiàn)場(chǎng)聲速，算出換能器發(fā)射面至水面的距離，依據(jù)換能器安裝基準(zhǔn)面及水位零點(diǎn)得到水位值。特點(diǎn)是非接觸測(cè)量，無(wú)需建造水位測(cè)井，安裝方便，自動(dòng)測(cè)量；具有聲速補(bǔ)償；RS-485數(shù)據(jù)輸出。應(yīng)用于沿海水文臺(tái)站的常規(guī)長(zhǎng)短期潮位觀測(cè)，江河湖泊的水位連續(xù)自動(dòng)測(cè)量，以及港工水文調(diào)查、港口調(diào)度、船舶航行等部門的水位測(cè)量。目前智能水位傳感器由

45、聲學(xué)傳感器、溫度傳感器、聲管、測(cè)量電路、信號(hào)傳輸電纜組成。其水位測(cè)量原理如圖3.2所示。</p><p>　　1.水位采集系統(tǒng) 圖3.2水位測(cè)量原理圖</p><p>　?。?）水位測(cè)量工作原理</p><p>　　水位測(cè)量原理如圖所示，由收發(fā)共用聲學(xué)探頭發(fā)射一聲脈沖，經(jīng)聲管傳聲L聲程遇水界面產(chǎn)生反射，

46、反射波（下稱回波），又經(jīng)L聲程由同一聲學(xué)探頭接收，只要測(cè)得聲波（由發(fā)射至接收到回波）在空氣中的傳播時(shí)間t及現(xiàn)場(chǎng)聲速c，就可測(cè)算出聲學(xué)探頭發(fā)射面至水面的距離，即</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　在設(shè)計(jì)上采用自校準(zhǔn)技術(shù)對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償，即在連接聲學(xué)探頭的第一節(jié)聲管（稱此聲管為校準(zhǔn)管）的已知距離L0處開有一校準(zhǔn)用小圓孔。聲學(xué)探頭發(fā)射的聲脈沖

47、首先遇小孔這一界面產(chǎn)生反射回波，這一回波傳播的聲程2L0為已知，傳播時(shí)間T0可測(cè)出，傳播聲速若為C0則有：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　取校準(zhǔn)孔回波與水面回波傳播聲程的比值則有：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　由式（1）可

48、知聲程L是傳播聲速C、C0，傳播時(shí)間t、T0和校準(zhǔn)孔距L0的函數(shù)。如果在聲管中傳播聲速由發(fā)射面至水面間變化很小，這樣（1）式就可簡(jiǎn)化為：</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　發(fā)射聲脈沖后，測(cè)得T0、t即可測(cè)算出聲程L。</p><p>　　由圖2知，探頭安裝基準(zhǔn)面至水位零點(diǎn)高度為S（S可以當(dāng)?shù)厮疁?zhǔn)點(diǎn)或水尺為參考，

49、安裝時(shí)測(cè)量確定）則水位值H為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　式中：H為水位值</b></p><p>　　S為探頭發(fā)射面至水位零點(diǎn)距離</p><p>　　L為探頭發(fā)射面至水面間距離</p><p>　?。?）水位采集系統(tǒng)的組成

50、</p><p>　　水位測(cè)量是應(yīng)用空氣聲學(xué)回聲測(cè)距原理，將聲學(xué)探頭安裝在自流道進(jìn)口和出口處，通過電纜將信號(hào)傳至水位采集系統(tǒng)，采集并輸出進(jìn)口和出口處的水位值。</p><p>　　水位采集系統(tǒng)由聲學(xué)探頭，聲路總成、外保護(hù)管總成、水位采集主機(jī)系統(tǒng)、顯示及電源組成、水位采集系統(tǒng)通過RS-485接口與流量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連。</p><p>　　在智能聲學(xué)水位傳感器工作中，

51、用戶可以根據(jù)實(shí)際需要選擇安裝不同個(gè)數(shù)的溫度傳感器。為了便于互換和維護(hù)，每個(gè)DS1820有獨(dú)自的單線接口與微處理器連接通訊。智能聲學(xué)水位傳感器可以掛接1～8個(gè)溫度傳感器。當(dāng)傳感器測(cè)量至水面距離時(shí)，如果是聲程范圍內(nèi)溫度均勻或?qū)纫筝^低時(shí)，可以不使用溫度傳感器，通過自校準(zhǔn)技術(shù)直接測(cè)量水位，因?yàn)樾?zhǔn)管距離L0為已知，測(cè)得T0、t之后，根據(jù)公式（3）即可算出聲程L，再由公式（4）得出水位。如果聲程范圍內(nèi)溫度不均勻，就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，上述方法將

52、不能滿足精度要求。所以，為了提高水位測(cè)量的準(zhǔn)確度，采集水位（聲程）的同時(shí)，還要采集聲程數(shù)點(diǎn)的溫度值，在數(shù)據(jù)處理時(shí)可以對(duì)水位測(cè)量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，減小溫度梯度造成的測(cè)量誤差，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。具體計(jì)算步驟如下：</p><p><b>　　聲程內(nèi)平均溫度：</b></p><p><b>　　(3-6)  </b></p>&l

53、t;p>　　式中：ai:聲程內(nèi)第i個(gè)溫度因子（與現(xiàn)場(chǎng)安裝位置等有關(guān)；用戶可以根據(jù)實(shí)際比測(cè)作出修正）</p><p>　　Ti:聲程內(nèi)第i個(gè)溫度傳感器溫度值。</p><p>　　n:聲程內(nèi)溫度傳感器個(gè)數(shù)。</p><p>　　將平均溫度代入公式（5），算出平均聲速C0、c,根據(jù)公式（2）即可算出聲程L，再由公式（4）得出水位溫度對(duì)測(cè)量精度的影響及修正空氣中，不

54、考慮濕度和氣壓的影響，則聲速c為：</p><p>　　C=331.4+0.607 T (m/s)     (3-7)</p><p>　　式中：T為溫度（℃）。溫度變化1℃，將影響聲速變化約0.18％，如果聲管中傳播聲速由發(fā)射面至水面間變化較大。為了在不均勻的聲場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，采集水位的同時(shí)，還要采集聲程

55、數(shù)點(diǎn)的溫度值，修正聲速，對(duì)水位測(cè)量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，減小溫度梯度造成的測(cè)量誤差，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。聲學(xué)測(cè)量中，溫度的影響是產(chǎn)生測(cè)量偏差的主要原因。在水位測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用過程中，聲程不同位置測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)為非均勻變化，最大差值會(huì)達(dá)到6℃以上。經(jīng)過溫度修正，減小了聲場(chǎng)溫度影響產(chǎn)生的測(cè)量誤差。尤其是在聲程遠(yuǎn)端，未修正誤差較大，修正后誤差明顯減小。聲場(chǎng)受溫度影響產(chǎn)生的測(cè)量誤差，可以通過加入測(cè)溫傳感器，測(cè)量聲路不同位置的溫度，在軟件上對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正，

56、減小測(cè)量誤差。實(shí)際應(yīng)用表明，效果很好。</p><p>　　浮子式水位傳感器的缺點(diǎn)是機(jī)械加工復(fù)雜、運(yùn)行阻力大、使用壽命短，測(cè)試數(shù)據(jù)離散；壓力式水位傳感器工作不穩(wěn)定，壓阻式有時(shí)飄、溫飄，要定時(shí)率定；超聲波水位傳感器的優(yōu)勢(shì)：在測(cè)量過程中沒有任何部件接觸水面，實(shí)現(xiàn)了非接觸測(cè)量。不需建設(shè)觀測(cè)井，基建投資少，見效快。運(yùn)動(dòng)部件，不因部件磨損銹蝕而產(chǎn)生故障，提高了無(wú)故障工作時(shí)間。周邊環(huán)境無(wú)特殊要求，具有很高的兼容性，可多種組合

57、，功能齊全，能夠滿足各種用戶要求。實(shí)時(shí)全變量溫度補(bǔ)償，精度高，運(yùn)用有線或無(wú)線傳輸水位信息，時(shí)效性強(qiáng)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了現(xiàn)代化水平。軟件功能齊全，更適于水位站使用，提高經(jīng)濟(jì)效益。故本文選用的是超聲波傳感器。</p><p>　　3.2傳感器檢測(cè)電路</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的超聲波傳感檢測(cè)電路是利用40kHz的超聲波發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)40kHz的振蕩是很容易的，并且方法有多種，取液位計(jì)與水面

58、的距離為適當(dāng)?shù)母叨?，可令超聲波發(fā)出去后能有效地返回，讓接收器收到信號(hào)，送到微處理器，經(jīng)微處理器處理所得的數(shù)據(jù)，即可算出水位高度。超聲波在空氣中一般可以實(shí)現(xiàn)有效傳播，只要外部的環(huán)境不是特別的惡劣，所受的干擾并不是很大，測(cè)量結(jié)果不會(huì)有太大的誤差。整個(gè)系統(tǒng)的核心是AT89S52。所選用是超聲波傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號(hào)，這可很容易地用軟件編程使AT89S52的P1口中的第0位產(chǎn)生40KHz方波的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。并在第一個(gè)脈沖產(chǎn)生時(shí)

59、開始啟動(dòng)計(jì)時(shí)。40kHZ的脈沖方波信號(hào)經(jīng)放大后即可驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器工作，使其向水面垂直發(fā)出40kHz的超聲波。</p><p>　　所選的超聲波傳感器是雙用型傳感器，即發(fā)送和接收集成于一體。當(dāng)超聲波遇到水面時(shí)發(fā)生反射，反射波回到超聲波傳感器，超聲波接收器將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，再將所得的交變電壓信號(hào)放大，輸人到音調(diào)譯碼器中，音調(diào)譯碼器的輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷信?hào)輸人到AT89S52單片機(jī)的I

60、NT1管腳。INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計(jì)時(shí)，取得超聲波往返的時(shí)間差。通過計(jì)算式s=340t/2算出液位計(jì)離水面的距離，從而計(jì)算出水位的高度。這些都可以通過對(duì)51單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。計(jì)算出水位高度以后，單片機(jī)將所算出的結(jié)果通過P0口輸出到七段LED數(shù)碼管顯示出來(lái)。</p><p>　　超聲波水位傳感器是利用空氣聲學(xué)回聲測(cè)距原理來(lái)進(jìn)行水位變化測(cè)量的新型水位測(cè)量?jī)x器

61、，是在SCA6-1型聲學(xué)水位計(jì)基礎(chǔ)上的改進(jìn)設(shè)計(jì)。由收發(fā)共用換能器發(fā)射一聲脈沖、經(jīng)聲管傳聲遇水界面產(chǎn)生反射，回波經(jīng)由同一換能器接收。測(cè)得聲波在空氣中的傳播時(shí)間及現(xiàn)場(chǎng)聲速，算出換能器發(fā)射面至水面的距離，依據(jù)換能器安裝基準(zhǔn)面及水位零點(diǎn)得到水位值。特點(diǎn)是非接觸測(cè)量，無(wú)需建造水位測(cè)井，安裝方便，自動(dòng)測(cè)量；具有聲速補(bǔ)償；RS-485數(shù)據(jù)輸出。應(yīng)用于沿海水文臺(tái)站的常規(guī)長(zhǎng)短期潮位觀測(cè)，江河湖泊的水位連續(xù)自動(dòng)測(cè)量，以及港工水文調(diào)查、港口調(diào)度、船舶航行等部

62、門的水位測(cè)量。目前智能水位傳感器由聲學(xué)傳感器、溫度傳感器、聲管、測(cè)量電路、信號(hào)傳輸電纜組成。</p><p>　　3.2.1超聲波發(fā)射電路</p><p>　　超聲波發(fā)射電路如圖3.3所示為超聲波的發(fā)射電路圖。</p><p>　　圖3.3 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　由圖可見，超聲波的發(fā)射電路比較簡(jiǎn)單，主要是由一個(gè)超聲波探頭、一個(gè)N

63、PN型晶體管、一個(gè)穩(wěn)壓二極管和一個(gè)升壓變壓器組成。傳感器探頭需要40kHz的脈沖信號(hào)才能觸發(fā)，圖中輸人端口是從單片機(jī)的P3.5輸出的40kHz方波。方波電壓信號(hào)經(jīng)二極管穩(wěn)壓后送到三極管放大，再經(jīng)Tl升壓變壓器升壓，驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器探頭發(fā)出40KHz的超聲波。</p><p>　　3.2.2超聲波接收電路</p><p>　　在這里超聲波的發(fā)送與接收用的是同一個(gè)探頭。如圖3.4所示為接收用電

64、路。</p><p>　　圖3.4 超聲波接收電路</p><p>　　超聲波在空氣中傳播時(shí)，其能量的衰減程度與傳播距離成正比，因此，超聲波傳感器接收信號(hào)一般在lmV-1V之間。這么微弱的電信號(hào)，一般都要經(jīng)過放大才能使用。除此之外，接收探頭接收到信號(hào)后，向電路中輸出的是交變的正弦波電壓信號(hào)，這就需要設(shè)計(jì)交流放大電路。這里選用兩個(gè)運(yùn)算放大器組成兩級(jí)放大電路，放大倍數(shù)可達(dá)100倍。經(jīng)這經(jīng)這樣處

65、理后，最后接收電路所輸出的是正常的電壓信號(hào)。</p><p>　　3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)</p><p>　　由于超聲波傳感器采集的信號(hào)是模擬信號(hào)，而單片機(jī)所接受的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，故需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換電路，下面是A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器工作過程</p><p&

66、gt;　　A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的裝置，其轉(zhuǎn)換過程主要包括采樣、量化、編碼三個(gè)步驟。</p><p>　　(1) 采樣、保持部分</p><p>　　采樣就是周期性地測(cè)量一種連續(xù)信號(hào)或連續(xù)過程信號(hào)，測(cè)量的周期稱為采樣周期Ts，采樣周期的倒數(shù)稱為采樣頻率</p><p><b>　　(3-8)</b></p>&

67、lt;p>　　在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，戶以D轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)變換到轉(zhuǎn)換完成需要一定的轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入信號(hào)頻率較高時(shí)，由于轉(zhuǎn)換時(shí)間的存在，會(huì)造成較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，必須在A/D 轉(zhuǎn)換開始時(shí)將信號(hào)電平保持住，而在戶以D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化，即將輸入信號(hào)采樣保持，能實(shí)現(xiàn)這種功能的器件叫做采樣/保持器。采樣保持器在保持階段相當(dāng)于一個(gè)“模擬信號(hào)存儲(chǔ)器。A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小單位的整數(shù)倍，

68、即必須把采樣電壓轉(zhuǎn)化為這個(gè)最小數(shù)值單位的整數(shù)倍。這個(gè)轉(zhuǎn)化過程叫做量化，所取的最小數(shù)量單位叫做量化單位，其大小等于輸出的數(shù)字信號(hào)最低有效位1所代表的數(shù)量大小。把量化的結(jié)果用代碼表示出來(lái)稱為編碼。采樣保持電路能將采樣后的模擬信號(hào)暫時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)，保持一個(gè)采樣周期。</p><p>　　當(dāng)輸入信號(hào)變化較快時(shí)，就不能輸入到TLC0838中，這就要求輸出信號(hào)能快速而準(zhǔn)確的跟隨輸入信號(hào)的變化進(jìn)行間隔采樣。在兩次采樣之間保持上一次

69、采樣結(jié)束時(shí)的狀態(tài)。圖3.5是采樣保持電路。</p><p>　　圖3.5 采樣保持電路</p><p>　　圖中S是一個(gè)模擬開關(guān)，由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成。當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，開關(guān)閉合，電路處于采樣周期。這時(shí)Ui對(duì)存儲(chǔ)電容元件C充電，U0=UC=Ui，即輸出電壓跟隨輸入電壓的變化。當(dāng)控制電壓變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，開關(guān)斷開，電路處于保持周期。因?yàn)殡娙菰o(wú)放電電路，故U0=UC。</p>&l

70、t;p>　　這樣就實(shí)現(xiàn)了采樣保持,就能夠與TLC0838相連。</p><p><b>　　(2)量化編碼部分</b></p><p>　　量化編碼部分是留D轉(zhuǎn)換器的核心組成部分。所謂量化，就是采用一組數(shù)碼來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程稱為量化過程。執(zhí)行量化動(dòng)作的裝置為A/D 轉(zhuǎn)換器。</p><

71、p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，因串行A/D轉(zhuǎn)換芯片具有占用單片機(jī)的引腳資源少，可以簡(jiǎn)化單片機(jī)系統(tǒng)，降低成本的優(yōu)點(diǎn)，所以串行工作方式的A/D轉(zhuǎn)換器在單片機(jī)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。信號(hào)采集單元選用串行多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC0838實(shí)現(xiàn)。TLC0838是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行?！獢?shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8個(gè)單斷模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。</p><

72、p>　　3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換單元電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，因串行A/D轉(zhuǎn)換芯片具有占用單片機(jī)的引腳資源少，可以簡(jiǎn)化單片機(jī)系統(tǒng)，降低成本的優(yōu)點(diǎn)，所以串行工作方式的A/D轉(zhuǎn)換器在單片機(jī)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。信號(hào)采集單元選用串行多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC0838來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　TLC0838為美國(guó)德州儀器公司推出的八通道8位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它具有與單片機(jī)接口

73、連接簡(jiǎn)單，占用線路板體積較小，性價(jià)比較高的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　其采用取樣—數(shù)據(jù)—比較器的結(jié)構(gòu)，使用逐次逼近流程轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)。要轉(zhuǎn)換的模擬通道的輸入電壓連到一個(gè)輸入端與地比較(單端輸入)或與另一個(gè)輸入比較(差分輸入)。通過同單片機(jī)相連的串行數(shù)據(jù)電路傳送控制命令，用軟件進(jìn)行通道選擇和輸入端配置。輸入配置在多路器尋址時(shí)序中進(jìn)行。串行輸出可配置為標(biāo)準(zhǔn)移位寄存器或微處理器接口。以SPI總線與單片機(jī)接口。輸入和輸出均

74、與TTL和CMOS兼容，總失調(diào)整誤差±1LSB。A/D 轉(zhuǎn) 換 單元電路見圖3.6所示。TLC0838以SIP總線與單片機(jī)接口。片選信號(hào)CS接P1.0引腳，因?yàn)閿?shù)據(jù)輸入端D1和輸出端D0在同一時(shí)間有一個(gè)為高阻，所以連在一起，接P1.1引腳，串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)輸入端CLK接P1.2引腳。狀態(tài)轉(zhuǎn)換輸出引腳SARS連接PI.3，數(shù)據(jù)輸出方式選擇引腳SE連接P1.4。</p><p>　　圖3.6TLC0838接

75、口電路</p><p>　　TLC0838工作過程如下：輸入配置在多路器尋址時(shí)序中進(jìn)行。置CS為低，使所有邏輯電路使能，轉(zhuǎn)換器初始化。CS在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中必須置為低。接著CLK從單片機(jī)P1.2口接收時(shí)鐘，在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿；由單片機(jī)P1.1口輸出的多路器地址通過Dl端移入多路器地址移位寄存器。在每個(gè)時(shí)鐘的上升跳變時(shí)，Dl端的數(shù)據(jù)就移入多路器地址移位寄存器。第一位為邏輯高，表示起始位。緊接的2、3、4、5位是配置位

76、，用來(lái)選擇通道。多路器地址選擇模擬輸入通道，也決定輸入是單端輸入還是差分輸入。</p><p>　　在連續(xù)的每個(gè)時(shí)鐘的上升跳變，起始位和配置位移入移位寄存器。當(dāng)起始位移入多路器寄存器之后，輸入通道選通，轉(zhuǎn)換器開始工作。SARS狀態(tài)輸出變高表示轉(zhuǎn)換過程正在進(jìn)行。引腳D1在轉(zhuǎn)換過程中與多路器的移位寄存器之間是關(guān)斷的。為使選定的通道穩(wěn)定，在通道配置位輸送完后，要隔一個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)才在時(shí)鐘的下降沿從引腳D0輸出數(shù)據(jù)

77、至單片機(jī)P1.1。</p><p>　　轉(zhuǎn)換過程為采樣比較器把從電阻梯形網(wǎng)絡(luò)輸出的逐次信號(hào)和輸入模擬信號(hào)進(jìn)行比較。比較器的輸出指出模擬輸入是大于還是小于電阻梯形網(wǎng)絡(luò)的輸出。在轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)同時(shí)從D0端輸出，以最高位(MSB)開頭。經(jīng)過8個(gè)時(shí)鐘后，轉(zhuǎn)換完成，SARS變?yōu)榈汀?lt;/p><p>　　TLC0838的輸出數(shù)據(jù)可從高位開始，也可從低位開始。在SE為高時(shí)，數(shù)據(jù)先從最高到最低位輸出

78、，并將最低位保持在數(shù)據(jù)線上；在SE為低時(shí)，數(shù)據(jù)從低位開始重新輸出一遍。在全8位分辨率下允許任意小的模擬電壓編碼間隔。變換結(jié)果范圍為0-FF。為滿足低溫下系統(tǒng)正常工作的要求，選用工業(yè)級(jí)TLC0838芯片，工作溫度為-0℃-5℃。</p><p>　　3.4單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　單片機(jī)最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì)單片機(jī)來(lái)說,單片機(jī)

79、+晶振電路+復(fù)位電路,便組成了一個(gè)最小系統(tǒng)。下面介紹AT89S52的最小系統(tǒng)，如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 AT89S52最小系統(tǒng)</p><p>　　P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)

80、部上拉電阻。</p><p>　　P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。</p><p>　　P2口：P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端

81、口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時(shí)，P2口送出高八位地址。</p><p>　　P3口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入

82、口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。</p><p>　　程序存儲(chǔ)器：如果EA引腳接地，程序讀取只從外部存儲(chǔ)器開始。對(duì)于AT89S52，如果EA 接VCC，程序讀寫先從內(nèi)部存儲(chǔ)器（地址為0000H~1FFFH）開始，接著從外部尋址，尋址地址為：2000H~FFFFH。</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：AT89S52 有256 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。高128

83、 字節(jié)與特殊功能寄存器重疊。也就是說高128字節(jié)與特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分開的。當(dāng)一條指令訪問高于7FH 的地址時(shí)，尋址方式?jīng)Q定CPU 訪問高128 字節(jié)RAM 還是特殊功能寄存器空間。直接尋址方式訪問特殊功能寄存器（SFR）。</p><p>　　AT89S52的主要性能</p><p>　　與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容</p><p>　　8K字

84、節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器</p><p><b>　　1000次擦寫周期</b></p><p>　　全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz</p><p><b>　　三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器</b></p><p>　　32個(gè)可編程I/O口線</p><p>　　三個(gè)16位定時(shí)器/

85、計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　八個(gè)中斷源</b></p><p>　　全雙工UART串行通道</p><p>　　1低功耗空閑和掉電模式</p><p>　　掉電后中斷可喚醒 圖3.8 AT89S52引腳圖</p><p><b>　

86、　看門狗定時(shí)器</b></p><p><b>　　雙數(shù)據(jù)指針</b></p><p><b>　　掉電標(biāo)識(shí)符</b></p><p>　　AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳

87、完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz

88、 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。其定時(shí)計(jì)數(shù)控制寄存器如表1所示。</p><p>　　表1 T2CON：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2控制寄存器</p><p>　　3.5 LED顯示電路</p><

89、p>　　本文設(shè)計(jì)了LED即時(shí)顯示功能，下面是對(duì)此的設(shè)計(jì)。</p><p>　　本文采用比高公司生產(chǎn)的具有串行接口，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管(或46只獨(dú)立LED)的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片HD7279A。該芯片同時(shí)可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，且64鍵鍵盤控制器內(nèi)含有去抖動(dòng)電路;無(wú)需外圍元件便可直接驅(qū)動(dòng)LED，一片芯片即可完成LED顯示及鍵盤接口的全部功能。HD7279A內(nèi)部含譯碼器，可直接接收BCD碼或是16進(jìn)制碼

90、，并同時(shí)具有2種譯碼方式，各位可獨(dú)立控制譯碼1不譯碼、消隱和閃爍等屬性;具有(循環(huán))左移/(循環(huán))右移指令;具有段尋址指令，可方便地用來(lái)控制獨(dú)立的LED顯示管； HD7279A和微處理器之間采用串行接口，.其接口和外圍電路比較簡(jiǎn)單，且占用口線少，加之它具有較高的性能價(jià)格比，因此，在微型控制器、智能儀表、控制面板和家用電器等領(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不需要按鍵，只用到HD7279A的顯示功能。顯示接口電路如圖3.9所示。&l

91、t;/p><p>　　HD7279A一共有28個(gè)引腳，引腳連接說明如下：</p><p>　　VDD：正電源，接系統(tǒng)電源VCC。</p><p>　　NC：無(wú)連接，必須懸空。</p><p><b>　　VSS：接地。</b></p><p>　　CS：片選輸入端，與單片機(jī)AT89S15的P2.4口連

92、接。此引腳為低電平時(shí)，單片機(jī)AT89S52可向芯片發(fā)送指令。</p><p>　　CLK：同步時(shí)鐘輸入端，與單片機(jī)AT89C52的P2.5口連接。向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，此引腳電平上升沿表示數(shù)據(jù)有效。</p><p>　　DATA：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，與單片機(jī)AT89C52的P2.2口連接。當(dāng)HD7279A芯片接收指令時(shí)此引腳為輸入端。</p><p>　　KEY：按鍵有

93、效輸出端。 </p><p>　　SG-SA：段G段A驅(qū)動(dòng)輸出。 圖3.9 HD7279A顯示接口電路</p><p>　　DP:小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出。</p><p>　　DIG0-DIG7：8個(gè)LED管的位驅(qū)動(dòng)輸出端。本系統(tǒng)只使用4個(gè)LED管用以現(xiàn)場(chǎng)顯示，所以只使用了DIG0—DIG3

94、四個(gè)端口。</p><p>　　CLK：振蕩輸出端。</p><p>　　RC：RC振蕩器終接端。其中電阻的值為1.5K。，電容的值為15PF。</p><p>　　ERSE：Tt復(fù)位端。接+5電源。當(dāng)該端由低電平變成高電平，并保持25ms后，復(fù)位過程結(jié)束。</p><p><b>　　3.6 報(bào)警電路</b></

95、p><p>　　實(shí)現(xiàn)單頻音報(bào)警的接口電路比較簡(jiǎn)單，其發(fā)音元件通?？刹捎脡弘姺澍Q器，這種蜂鳴器只需在其兩引線上加3-15V的直流電壓，就能產(chǎn)生3KHz左右的蜂鳴振蕩音響，比電研式蜂鳴器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗電少，且更適應(yīng)于在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用。</p><p>　　壓電式蜂鳴器，約需10mA的驅(qū)動(dòng)電流。因此，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動(dòng)，也可以使用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)。如圖3.10所

96、示是這種驅(qū)動(dòng)的接口電路。</p><p>　　圖3.10 單頻音報(bào)警電路</p><p>　　在圖中，P0.0接晶體管基極輸入端，當(dāng)P0.0輸出高電平“1”時(shí)，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器得電而鳴音；P0.0輸出低電平“0”時(shí)，三極管退出導(dǎo)通狀態(tài)，蜂鳴器停止發(fā)音。</p><p>　　3.7串行通信電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本文要求AT89S5

97、2單片機(jī)在數(shù)據(jù)采集完成后能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)交給上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。為適應(yīng)上位機(jī)處理的需要，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)有與上位機(jī)通信的接口。單片機(jī)的通信接口分為并行接口和串行接口，在現(xiàn)代單片機(jī)系統(tǒng)中，由于串行通訊方式具有占用資源很少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通訊，常常用一兩個(gè)端口就可以完成傳輸任務(wù)，所以使用越來(lái)越廣

98、泛。</p><p>　　一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊。串行通訊的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)位傳送，傳送按位順序進(jìn)行，最少只需一根傳輸線即可完成，成本低但速度慢。串行通訊的距離可以從幾米到幾千米。根據(jù)信息的傳送方向，串行通訊可以進(jìn)一步分為單工、半雙工和全雙工三種。在進(jìn)行串行通信的線路連接時(shí)，通常要解決一個(gè)重要問題，就是上位機(jī)與外設(shè)之間要共同遵守的某種約定，這種約定稱為物理接曰標(biāo)準(zhǔn)，包括電纜的機(jī)械特性、

99、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過程的定義，它屬于ISO七層參考模型中的物理層，它規(guī)定了傳送數(shù)據(jù)位的物理硬件規(guī)則、RS-232C，RS-85標(biāo)準(zhǔn)所包含的接口電纜及連接器均屬于此類。</p><p>　　RS-232C 接口(又稱EIARS-232C)的全名是數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DET)和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備(DCE)之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個(gè)25個(gè)腳的DB25連接器。</p><p&g

100、t;　　由于RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不盡之處，主要有以下四個(gè)缺點(diǎn)：</p><p>　　接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與竹L電路連接。</p><p>　　傳輸速率較低，通訊波特率的范圍為0-20KbPs。</p><p>　　接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地

101、傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。</p><p>　　傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為15.24m，實(shí)際上也只能用在15m以內(nèi)。</p><p>　　針對(duì)RS-232C的不足，于是就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標(biāo)準(zhǔn)，RS-458就是其中之一。在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。Rs-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能為二加上總線收發(fā)

102、器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至20解的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)。因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線?；诒壤背幈鞠到y(tǒng)采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。</p><p>　　3.7.1 RS-485通信總線</p><p>　　RS-485工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有許多優(yōu)點(diǎn)，它可以在一

103、個(gè)聯(lián)機(jī)中連接多達(dá)23個(gè)接收及發(fā)送裝置，連接長(zhǎng)度更長(zhǎng)達(dá)1200m，短距離通信速度可以達(dá)到10Mbit/s，同時(shí)RS-485收發(fā)芯片的價(jià)格較低，僅要5V電源供電，這可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)中電源電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　根據(jù)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口的輸入阻抗為≥12kΩ，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32。數(shù)據(jù)在RS-458總線上傳輸，為了保證傳輸質(zhì)量和傳輸距離，通常需要進(jìn)行總線電平轉(zhuǎn)換。AT89C52的輸出高低電平是5V

104、和0V，為了滿足RS-485的電平要求，需要外接接口芯片，進(jìn)行電平之間的轉(zhuǎn)換。接口芯片使用原理如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 RS-485接口芯片使用原理</p><p>　　RS-485接口傳輸是所謂的平衡式傳輸，它是指其發(fā)送是兩線式的，而且這兩條在線的信號(hào)是互為反相的，接收端就以這兩端的電壓差來(lái)反應(yīng)接收到的信號(hào)，這是根據(jù)電路測(cè)量學(xué)上的差動(dòng)測(cè)量原理。平衡式傳輸最大的優(yōu)

105、點(diǎn)是抵抗噪聲，通常的噪聲包括火花，震蕩以及電磁干擾等等，若它們是從傳輸線進(jìn)入，由于RS-485采用平衡方式的接線方法，利用差動(dòng)測(cè)量的原理，這些干擾可在接收端相互抵消，因此RS-485的抗干擾能力較RS-232C高出許多。平衡式傳輸?shù)牧硪粌?yōu)點(diǎn)是，對(duì)于每個(gè)RS-485節(jié)點(diǎn)的對(duì)地電壓差有相當(dāng)?shù)拿庖咝?，因?yàn)槿绻總€(gè)節(jié)點(diǎn)都相距甚遠(yuǎn)時(shí)，傳輸線對(duì)地的電壓都有所變化，但是差動(dòng)電路僅對(duì)輸入線的電壓差反應(yīng)，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)的對(duì)地電壓不同時(shí)，RS-485仍能正常

106、傳輸。</p><p>　　RS-485所使用的電纜線是相對(duì)便宜的雙絞線，即這兩條線是相互對(duì)絞在一起，這種線材可以把感應(yīng)到的電磁干擾信號(hào)相互抵消掉。雖然RS-485采用5V電源供電，但是其接口上的準(zhǔn)位卻不是標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS的準(zhǔn)位。如果將傳輸在線的信號(hào)稱為A與B時(shí)，對(duì)輸出而言，通常A與B的電壓差都是5V左右，可是只要A較B高1.5V就是邏輯1，當(dāng)A較B低于1.5V時(shí)就是邏輯0。RS-485總線在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，

107、信號(hào)強(qiáng)度必然會(huì)有所下降，因此在接收端的靈敏度就要高一些，只要兩根電線間的電壓差超過0.2V就認(rèn)定是有效準(zhǔn)位。所以在接收端上，A較B高0.2V就是邏輯1，A較B低于0.2V時(shí)就為邏輯0。</p><p>　　通常在RS-485傳輸線兩端所加的終端電阻是高頻信號(hào)的“消波塊”，它在終點(diǎn)處吸收信號(hào)，以免有反射信號(hào)再度灌回傳輸線。傳輸線是有阻抗的，而且理論上這個(gè)阻抗值與傳輸線的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，所以不論聯(lián)機(jī)的距離如何，只要我們選擇

108、的終端電阻值剛好等于該傳輸線的阻抗值時(shí)，就可以有效地吸收發(fā)送端的信號(hào)。</p><p>　　3.7.2串行通信電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)把單片機(jī)的TXD、RXD信號(hào)通過MAX3O28芯片把TTL電平轉(zhuǎn)化為R-458電平。使單片機(jī)的TXD與上位機(jī)的RXD，及單片機(jī)的RXD與上位機(jī)的TXD間接相連。同時(shí)使兩機(jī)共地，從而建立兩機(jī)之間的通信。</p><p>