分布式水库水位监测系统设计方案.doc

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1、 分布式水库水位监测系统设计方案目 录摘 要IVABSTRACTV第一章 绪论11.1目的和意义11.2国内外的发展概况21.3主要内容3第二章 系统设计及比较42.1 系统设计总体方案及选择42.1.1 基于电极式传感器通信设计方案42.2.2 基于投入式液体变压器设计方案42.2.3 基于水位远程测报系统设计方案52.2.4 基于远程通信的设计方案52.2.5系统设计方案选择6第三章 硬件电路的设计73.1单片机数据采集系统73.1.1基本组成73.1.2采集方式73.1.3硬件组成83.2水位传感器的选择93.2.1浮子式水位传感器93.2.2压力式水位传感器103.2.3气泡式水位传感

2、器103.2.4超声波水位传感器113.3传感器检测电路143.3.1超声波发射电路153.3.2超声波接收电路163.4 A/D转换电路设计163.4.1 A/D转换器工作过程163.4.2 A/D转换单元电路设计183.5单片机最小系统203.5 LED显示电路233.6 报警电路243.7串行通信电路设计253.7.1 RS-485通信总线263.7.2串行通信电路设计283.8 电源电路设计29第四章 软件设计314.1数据处理程序设计314.2数据采集处理334.3数据显示344.4报警程序设计354.5数据通信35第五章 系统的抗干扰及可靠性设计375.1电磁干扰对系统的干扰375

3、.2系统抗干扰设计37第六章 总结39谢 辞40参考文献41附录A总体接线图42附录B 主要源程序441.A/D转换子程序442.动态扫描显示子程序443.控制报警电路连续鸣音30ms的控制子程序的清单454.下面是单片机串行通信程序设计46分布式水库水位监测系统摘 要国内许多水文站监测水位仍采用人工方法。该方法不但存在测量的人身安全问题，而且还存在数据测量不够准确、监测实时性不强等问题。为了实时准确的监测水位，设计了单片机控制的水位监测系统。本文述说了国内外水位监测仪器的现状，提出了分布式水位监测系统的设计与实现。它的主要功能是完成数据采集、处理、传输等。基于对数据采集系统体系结构及功能要求

4、的分析，本文设计并实现的采集系统采用AT89S5单片机为核心，扩展了电源电路、采集电路、HA7279显示电路，介绍了超声波远程通信的具体实现。在对该方案进行细化的过程中，对各功能模块的关键技术和设计作了具体的描述。本文包括系统硬件电路的设计、整体电路板得分析以及在设计中需要注意的各种问题等，并对系统软件的设计也进行了研究。关键词：AT89S5单片机；A/D转换；水位传感器；超声波第一章 绪论1.1目的和意义 分布式处理系统与并行处理系统都是计算机体系结构中的两类。并行处理系统是利用多个功能部件或多个处理机同时工作来提高系统性能或可靠性的计算机系统，这种系统至少包含指令级或指令级以上的并行。并行

5、处理系统的研究与发展涉及计算理论，算法，体系结构，软硬件多个方面，但它与分布式处理系统有密切的关系，随着通信技术的发展，两者的界限越来越模糊。广义上说分布式处理也可以认为是一种并行处理形式。而分布式处理系统将不同地点的或具有不同功能的或拥有不同数据的多台计算机用通信网络连接起来，在控制系统的统一管理控制下，协调地完成信息处理任务的计算机系统。一般认为，集中在同一个机柜内或同一个地点的紧密耦合多处理机系统或大规模并行处理系统是并行处理系统，而用局域网或广域网连接的计算机系统是分布式处理系统。松散耦合并行计算机中的并行操作系统有时也称为分布式处理系统。 分布式处理系统包含硬件，控制系统，接口系统，

6、数据，应用程序和人等六个要素。而控制系统中包含了分布式操作系统，分布式数据库以及通信协议等。 分布式计算环境是在具有多地址空间的多计算机系统上进行计算和信息处理的软件环境。而分布式软件系统是支持分布式处理的软件系统，它包括分布式操作系统，分布式程序设计语言及其编译系统，分布式文件系统和分布式数据库系统等。而CORBA，COM等是设计分布式软件系统的一些技术。分布式处理就是多台相连的计算机各自承担同一工作任务的不同部分，在人的控制下，同时运行，共同完成同一件工作任务。总体来说，分布式系统是是若干台独立计算机的一种联合体，在该联合体的用户看来，这个联合体就是一台单独的计算机。在水利工程中，水库水位

7、测量一直是水文、水利部门的重点。如果没有提前进行有效的水位监测，则在遇到洪水、台风等异常天气状况下，因水位达到警戒线而造成江堤决口，大水冲毁堤坝等恶性事故时有发生，由此给国家和人民生命财产带来巨大的损失。另一方面，测量出不同深度水层的温度，对于水资源的利用将起到很好的指导作用，比如在技术允许的情况下，温度较低的水层，可以用来冷却，温度适宜的水层可以用来灌溉等。因此，进行精确的而有效的实时水位监测，对预防事故的发生以及水资源的有效利用有着重大的意义。所以分布式水库水位监测系统的研究对于我们的的国家来说是非常有必要的。1.2国内外的发展概况研究现状：随着科学技术的不断发展，我国的监测仪器已具有了一

8、定的研究、开发和生产力，但是我国夺得检测仪器从技术力量和工艺准备，从行业生产水平和专业化等方面来看，于发达国家相比还存在一定的差距，国产水位监测仪器主要有浮筒式水位仪、压力传感器式水位仪、超声波式水位仪等。在功能齐全、性能稳定等方面，虽于国际上先进的同类产品存在一定的差距，却能基本满足水位监测的需要。发展趋势：近年来，现场原位监测技术在国际一些发达国家已经开始发展，如美国、日本等国家相继研究出自动监测设备，国外均具有较为先进产品，并已走进国际市场，但不是我国国情，突出表现在：仪器设备昂贵，操作步骤复杂，质控程序繁琐，我们因采取有效措施，扬长补短，将国外的先进技术引入国内消化吸收，建立即适合我国

9、国情又和国际接轨的监测方法。根据现状的要求，我国水位监测仪器的发展应由具备以下特点：（1） 高新技术的应用充分利用先进的传感器技术、计算机技术于一体，采取多种高新技术的集成。（2） 产品系列化注重系统集成，不仅着眼于单片机，更注重系列、通用集成。未来的监测仪器将由传感器、采集系统、通讯系统等部分组成，各部分相互独立而又通用。（3） 中重性能价格化在重视高档仪器的同时，注重高新技术和量大而广的开发1) 研究准则发生变化从一味追求高精尖转为“恰到好处” 1.3主要内容1. 数据采集处理上位机巡回检测各台从机下的水库各点的水位数据，下位机完成各点水位数据的采集和传输。2数据管理水位超限报警，并记录报

10、警数据。3远程通信采用无线通信方式完成下位机和上位机之间的通信。4性能指标测量的点：100点通信距离: 1KM左右 分布式水库水位监测系统采用液体压力探头采集水位原始资料，在单片机上进行模数转化资料处理，通过专线把资料传输到工作站；同时也可以在远程工作站通过电话拨号调用资料；在工作站的计算机上进行资料加工、存取、分析等处理。远离水库的指挥中心通过该系统可获得当前时刻的水位、水库库容、淹没面积、当天最高水位、最低水位、日水位升降、平均水位等一系列数据，为水库的防洪、水库水资源调度、蓄水灌溉提供科学的数据。该系统由数据采集、数据传输、数据分析、数据显示和水位预警等部分组成。第二章 系统设计及比较

11、2.1 系统设计总体方案及选择2.1.1 基于电极式传感器通信设计方案电路由电极式传感器构成，制做简单，工作可靠，传感器一级为+5V电源输入，另一级在一块绝缘板上距低端5CM20CM处均匀插入10根不锈钢探针。如图下2.1： 电阻一电阻九正电源+5v探针一探针二探针十十进制BCD优先译码器接地 水 槽 图 2.12.2.2 基于投入式液体变压器设计方案水位传感器选用四川鲍尔自动化工程公司生产的LPB210系投入式液体变送器（可定制远距离传输10KM以上的耐油），具有稳定、可靠、测量范围宽等优点。显示中央处里器多路测量 放大水库上下游拦污栅前后水位传感器采样保持 电路键盘通信模块中控室上位机 图

12、 2.22.2.3 基于水位远程测报系统设计方案水位远程自动测报系统主要由水位探头，运算放大器，A/D转换，MCS51单片机，稳压电源和无数传机等组成，系统原理图如下：数传机数传机PC机探头运算放大器A/D转换MCS51稳压电源 图 2.32.2.4 基于远程通信的设计方案本文所设计的硬件框图，主要是超声波传感器采集电路，采集到水位数据后经过信号放大和采样保持后再由TLC0838进行A/D转换，然后输入到AT89S52单片机中，其中AT89S52单片机是整个系统的核心，单片机通过处理后再进行LED显示和越限报警，并将数据传送至上位机进行人工操作。超声波传感器电路多 通 道AD报警电路LED显示

13、单 片 机上 机 位通信芯片 图 2.42.2.5系统设计方案选择一个具体的采集系统的构成，根据所测信号的特性而定。力求做到既能满足系统的性能要求又能在性能价格比上达到最优。根据这个要求，图2.4满足这要求。第三章 硬件电路的设计 3.1单片机数据采集系统本文的设计是基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件。单片机具有体积小、功耗小、成本低、可靠性高、灵活方便、价格廉以及控制功能强等特点而得到广泛的应用。利用单片机的硬件、软件资源，实现信号采集的智能化控制和管理。3.1.1基本组成基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件；结合外围电路所构成。基本组成如图3.1所示。输入通道单片

14、机输出通道图3.1 数据采集系统的组成采集系统硬件主要包括传感器、转换器、单片机、输入输出接口电路等。由单片机做为控制单元的数据采集系统的工作过程可分为以下几个步骤：数据采集是将被测量的信号转换为能够被单片机所识别的信号并输入给单片机；数据处理是由单片机执行以测试为的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的决策与判断。3.1.2采集方式一个具体的采集系统的构成，根据所测信号的特性而定。力求做到既能满足系统的性能要求又能在性能价格比上达到最优。根据这个要求，这种方式轮流循环采样的转换速度较慢，但是节省硬件。结构框图如图3.2所示。传感器（S）传感器（S）传感器（S）模 拟 多 路 开

15、 关采样保持（SH）ADIO主 机图3.2 多路开关方框图数据处理部分采用AT89S52做为核心控制器件。模数转换器采用8位串行模数转换器TLC0838，该芯片占用单片机的引脚资源少，仅占有单片机5个引脚即可完成8个通道的数据采集，简化了电路设计，降低了成本。3.1.3硬件组成硬件部分分为数据采集和数据处理两部分。整体硬件框图如图3.3所示。超声波传感器电路多 通 道AD报警电路LED显示单 片 机上 机 位通信芯片图3.3 整体硬件框图数据采集部分采用多路开关方式进行，设计有8个模拟数据采集通道，满足了生产中多通道的要求。可以对常见的模拟信号量，如水位、压力、流量、速度、频率等进行采集。每一

16、种信号量都可以使用不同的传感器。扩大了数据采集系统的应用范围，具有较强的通用性。它常用于采集多路变化缓慢的信号，如水位变化、应变信号等。用这种方式采集多通道信号时，不能同时采集同一时刻的各种参数。本文所设计的硬件框图，主要是超声波传感器采集电路，采集到水位数据后经过信号放大和采样保持后再由TLC0838进行A/D转换，然后输入到AT89S52单片机中，其中AT89S52单片机是整个系统的核心，单片机通过处理后再进行LED显示和越限报警，并将数据传送至上位机进行人工操作。3.2水位传感器的选择传感器是实现测量及控制的首要环节，一般传感器有模拟式和数字式两类，模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相

17、连的时候必须采用A/D转换器把模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传输。数字式传感器直接将待测量转换为数字量输出，其输出信号抗干扰能力强，功耗小，可与数字设备直接连接。数字式传感器的这些特点，特别适合应用于水情遥测系统中。但限于成本控制本设计依然采用模拟传感器。目前主要测水位的液位传感器有浮子式水位传感器、水位跟踪式传感器、超声波水位传感器、雷达激光水位传感器,压力式水位传感器等。下面是一些主要水位传感器的简单介绍。3.2.1浮子式水位传感器其主要产品有上海精浦机电有限公司的GEMPLE GPH500，正天科技的FYC-3型浮子式水位传感器等。1)工作原理：它利用液体浮力测液位的原

18、理，靠浮子随水面升降的位移反映水位变化。漂浮通过绳索经滑轮与编码器相连，编码器的数字输出即为水位高度。为防止错码的出现，其编码器的编码为格雷码。机械浮子式和光电浮子式都是来用机械齿轮减速产生进位和退位的办法来形成编码。其工作示意图如图3.4所示。图3.4 浮子式水位计工作示意图2）特点：稳定，可靠，优点：成熟、运用最广泛，价格相对较低。3）缺点：机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散。3.2.2压力式水位传感器其主要产品有重庆华正的WYZ-1型压力水位计，武汉华凯的JWRWX-3压力水位计。1）原理：根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，运用压敏元件作传感器的水位汁。当传感器固定

19、在水下某一测点时，该测点以上水柱压力高度加上该点高程，即可间接地测出水位。压力式水位计是一种通过压力传感器及其有关的引压信号传输数据处理等装置来测定水位的仪器可有数字显示编码输出及自动记录的功能它可分为引压式和直接式两种记录特征可分为模拟过程线数字显示分时段记时打印磁带记录固态存贮微机处理等形式。2）优点：测量精度高，价格相对低廉，安装简便，不需要建造水位井。3）缺点：对泥沙含量大的水流，测量精度会受到影响，工作不稳定，压阻式有时飘、温飘，要定时率定。3.2.3气泡式水位传感器原理：将一根上端装有压力传感器和气源的管子插入水中，以恒定流向管子里通入少量空气或惰性气体，压力传感器即可测出管内气体

20、压力，此值与管子末端以上水头成正比，通过记录系统转换成水位。优点：该仪器的压力传感器不直接与水体接触，可不建测井，特别适用水体污染严重和腐蚀性强的工业废水等场合。国外 应用气泡式水位计较普遍。缺点：在一些水位变幅较大较快而且含沙量较大的山区河流误差偏大，针对这种情况，我生产厂家要采取必要的措施，如加装防浪头。3.2.4超声波水位传感器超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器，是在SCA6-1型声学水位计基础上的改进设计。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至

21、水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485数据输出。应用于沿海水文台站的常规长短期潮位观测，江河湖泊的水位连续自动测量，以及港工水文调查、港口调度、船舶航行等部门的水位测量。目前智能水位传感器由声学传感器、温度传感器、声管、测量电路、信号传输电缆组成。其水位测量原理如图3.5所示。1.水位采集系统 （1）水位测量工作原理图3.5水位测量原理图水位测量原理如图所示，由收发共用声学探头发射一声脉冲，经声管传声L声程遇水界面产生反射，反射波（下称回波），又经L声程由同一声学探头接收，只要测得声波（由发射至接

22、收到回波）在空气中的传播时间t及现场声速c，就可测算出声学探头发射面至水面的距离，即Error! No bookmark name given. （3-1）在设计上采用自校准技术对声速进行补偿，即在连接声学探头的第一节声管（称此声管为校准管）的已知距离L0处开有一校准用小圆孔。声学探头发射的声脉冲首先遇小孔这一界面产生反射回波，这一回波传播的声程2L0为已知，传播时间T0可测出，传播声速若为C0则有： （3-2）取校准孔回波与水面回波传播声程的比值则有： （3-3）由式（1）可知声程L是传播声速C、C0，传播时间t、T0和校准孔距L0的函数。如果在声管中传播声速由发射面至水面间变化很小，这样（

23、1）式就可简化为： （3-4）发射声脉冲后，测得T0、t即可测算出声程L。由图2知，探头安装基准面至水位零点高度为S（S可以当地水准点或水尺为参考，安装时测量确定）则水位值H为： （3-5）式中：H为水位值S为探头发射面至水位零点距离L为探头发射面至水面间距离（2）水位采集系统的组成水位测量是应用空气声学回声测距原理，将声学探头安装在自流道进口和出口处，通过电缆将信号传至水位采集系统，采集并输出进口和出口处的水位值。水位采集系统由声学探头，声路总成、外保护管总成、水位采集主机系统、显示及电源组成、水位采集系统通过RS-485接口与流量数据处理系统相连。在智能声学水位传感器工作中，用户可以根据实

24、际需要选择安装不同个数的温度传感器。为了便于互换和维护，每个DS1820有独自的单线接口与微处理器连接通讯。智能声学水位传感器可以挂接18个温度传感器。当传感器测量至水面距离时，如果是声程范围内温度均匀或对精度要求较低时，可以不使用温度传感器，通过自校准技术直接测量水位，因为校准管距离L0为已知，测得T0、t之后，根据公式（3）即可算出声程L，再由公式（4）得出水位。如果声程范围内温度不均匀，就会产生测量误差，上述方法将不能满足精度要求。所以，为了提高水位测量的准确度，采集水位（声程）的同时，还要采集声程数点的温度值，在数据处理时可以对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测

25、量准确度。具体计算步骤如下：声程内平均温度： (3-6) 式中：ai:声程内第i个温度因子（与现场安装位置等有关；用户可以根据实际比测作出修正）Ti:声程内第i个温度传感器温度值。n:声程内温度传感器个数。将平均温度代入公式（5），算出平均声速C0、c,根据公式（2）即可算出声程L，再由公式（4）得出水位温度对测量精度的影响及修正空气中，不考虑湿度和气压的影响，则声速c为：C=331.4+0.607T(m/s) (3-7)式中：T为温度（）。温度变化1，将影响声速变化约0.18，如果声管中传播声速由发射面至水面间变化较大。为了在不均匀的声场进行准确测量，采集水位的同时，还要采集声程数点的温度值

26、，修正声速，对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。声学测量中，温度的影响是产生测量偏差的主要原因。在水位测量的实际应用过程中，声程不同位置测得的温度数据为非均匀变化，最大差值会达到6以上。经过温度修正，减小了声场温度影响产生的测量误差。尤其是在声程远端，未修正误差较大，修正后误差明显减小。声场受温度影响产生的测量误差，可以通过加入测温传感器，测量声路不同位置的温度，在软件上对测量值进行修正，减小测量误差。实际应用表明，效果很好。浮子式水位传感器的缺点是机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散；压力式水位传感器工作不稳定，压阻式有时飘、温飘，要定时率定；

27、超声波水位传感器的优势：在测量过程中没有任何部件接触水面，实现了非接触测量。不需建设观测井，基建投资少，见效快。运动部件，不因部件磨损锈蚀而产生故障，提高了无故障工作时间。周边环境无特殊要求，具有很高的兼容性，可多种组合，功能齐全，能够满足各种用户要求。实时全变量温度补偿，精度高，运用有线或无线传输水位信息，时效性强，降低劳动强度，提高了现代化水平。软件功能齐全，更适于水位站使用，提高经济效益。故本文选用的是超声波传感器。3.3传感器检测电路本文设计的超声波传感检测电路是利用40kHz的超声波发生器，实现40kHz的振荡是很容易的，并且方法有多种，取液位计与水面的距离为适当的高度，可令超声波发

28、出去后能有效地返回，让接收器收到信号，送到微处理器，经微处理器处理所得的数据，即可算出水位高度。超声波在空气中一般可以实现有效传播，只要外部的环境不是特别的恶劣，所受的干扰并不是很大，测量结果不会有太大的误差。整个系统的核心是AT89S52。所选用是超声波传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这可很容易地用软件编程使AT89S52的P1口中的第0位产生40KHz方波的方法来实现。并在第一个脉冲产生时开始启动计时。40kHZ的脉冲方波信号经放大后即可驱动超声波传感器工作，使其向水面垂直发出40kHz的超声波。所选的超声波传感器是双用型传感器，即发送和接收集成于一体。当超声波遇到水面时发生反

29、射，反射波回到超声波传感器，超声波接收器将超声波调制脉冲变为交变电压信号，再将所得的交变电压信号放大，输人到音调译码器中，音调译码器的输出由高电平跃变为低电平，作为中断信号输人到AT89S52单片机的INT1管脚。INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，取得超声波往返的时间差。通过计算式s=340t/2算出液位计离水面的距离，从而计算出水位的高度。这些都可以通过对51单片机编程实现。计算出水位高度以后，单片机将所算出的结果通过P0口输出到七段LED数码管显示出来。超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器，是

30、在SCA6-1型声学水位计基础上的改进设计。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485数据输出。应用于沿海水文台站的常规长短期潮位观测，江河湖泊的水位连续自动测量，以及港工水文调查、港口调度、船舶航行等部门的水位测量。目前智能水位传感器由声学传感器、温度传感器、声管、测量电路、信号传输电缆组成。3.3.1超声波发射电路超声波发射电路如图3.6所示为超声波的发射电路图

31、。图3.6 超声波发射电路由图可见，超声波的发射电路比较简单，主要是由一个超声波探头、一个NPN型晶体管、一个稳压二极管和一个升压变压器组成。传感器探头需要40kHz的脉冲信号才能触发，图中输人端口是从单片机的P3.5输出的40kHz方波。方波电压信号经二极管稳压后送到三极管放大，再经Tl升压变压器升压，驱动超声波传感器探头发出40KHz的超声波。3.3.2超声波接收电路在这里超声波的发送与接收用的是同一个探头。如图3.7所示为接收用电路。图3.7 超声波接收电路超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与传播距离成正比，因此，超声波传感器接收信号一般在lmV-1V之间。这么微弱的电信号，一般都要

32、经过放大才能使用。除此之外，接收探头接收到信号后，向电路中输出的是交变的正弦波电压信号，这就需要设计交流放大电路。这里选用两个运算放大器组成两级放大电路，放大倍数可达100倍。经这经这样处理后，最后接收电路所输出的是正常的电压信号。3.4 A/D转换电路设计由于超声波传感器采集的信号是模拟信号，而单片机所接受的信号为数字信号，故需要将模拟信号转换成数字信号，因此本文设计了一个A/D转换电路，下面是A/D转换电路的设计。3.4.1 A/D转换器工作过程A/D转换器实际上是将模拟信号转换成数字量的装置，其转换过程主要包括采样、量化、编码三个步骤。(1) 采样、保持部分采样就是周期性地测量一种连续信

33、号或连续过程信号，测量的周期称为采样周期Ts，采样周期的倒数称为采样频率 (3-8)在对模拟信号进行模数转换时，户以D转换器从启动变换到转换完成需要一定的转换。当输入信号频率较高时，由于转换时间的存在，会造成较大的转换误差。为了防止这种现象的产生，必须在A/D 转换开始时将信号电平保持住，而在户以D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即将输入信号采样保持，能实现这种功能的器件叫做采样/保持器。采样保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器。A/D转换器输出数字量的大小只能是某个规定的最小单位的整数倍，即必须把采样电压转化为这个最小数值单位的整数倍。这个转化过程叫做量化，所取的最小数量单位叫做量化

34、单位，其大小等于输出的数字信号最低有效位1所代表的数量大小。把量化的结果用代码表示出来称为编码。采样保持电路能将采样后的模拟信号暂时存储起来，保持一个采样周期。当输入信号变化较快时，就不能输入到TLC0838中，这就要求输出信号能快速而准确的跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。图3.8是采样保持电路。图3.8 采样保持电路图中S是一个模拟开关，由场效应管构成。当控制信号为高电平时，开关闭合，电路处于采样周期。这时Ui对存储电容元件C充电，U0=UC=Ui，即输出电压跟随输入电压的变化。当控制电压变为低电平时，开关断开，电路处于保持周期。因为电容元件无放电电

35、路，故U0=UC。这样就实现了采样保持,就能够与TLC0838相连。(2)量化编码部分量化编码部分是留D转换器的核心组成部分。所谓量化，就是采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。执行量化动作的装置为A/D 转换器。在实际应用中，因串行A/D转换芯片具有占用单片机的引脚资源少，可以简化单片机系统，降低成本的优点，所以串行工作方式的A/D转换器在单片机系统中有着广泛的应用。信号采集单元选用串行多路模数转换器TLC0838实现。TLC0838是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址

36、码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。3.4.2 A/D转换单元电路设计在实际应用中，因串行A/D转换芯片具有占用单片机的引脚资源少，可以简化单片机系统，降低成本的优点，所以串行工作方式的A/D转换器在单片机系统中有着广泛的应用。信号采集单元选用串行多路模数转换器TLC0838来实现。TLC0838为美国德州仪器公司推出的八通道8位逐次逼近模数转换器。它具有与单片机接口连接简单，占用线路板体积较小，性价比较高的优点。其采用取样数据比较器的结构，使用逐次逼近流程转换输入信号。要转换的模拟通道的输入电压连到一个输入端与地比较(单端输入)或与另一个输入比较(差分输入)

37、。通过同单片机相连的串行数据电路传送控制命令，用软件进行通道选择和输入端配置。输入配置在多路器寻址时序中进行。串行输出可配置为标准移位寄存器或微处理器接口。以SPI总线与单片机接口。输入和输出均与TTL和CMOS兼容，总失调整误差1LSB。A/D 转 换 单元电路见图3.6所示。TLC0838以SIP总线与单片机接口。片选信号CS接P1.0引脚，因为数据输入端D1和输出端D0在同一时间有一个为高阻，所以连在一起，接P1.1引脚，串行数据时钟信号输入端CLK接P1.2引脚。状态转换输出引脚SARS连接PI.3，数据输出方式选择引脚SE连接P1.4。图3.9TLC0838接口电路TLC0838工作

38、过程如下：输入配置在多路器寻址时序中进行。置CS为低，使所有逻辑电路使能，转换器初始化。CS在整个转换过程中必须置为低。接着CLK从单片机P1.2口接收时钟，在每个时钟的上升沿；由单片机P1.1口输出的多路器地址通过Dl端移入多路器地址移位寄存器。在每个时钟的上升跳变时，Dl端的数据就移入多路器地址移位寄存器。第一位为逻辑高，表示起始位。紧接的2、3、4、5位是配置位，用来选择通道。多路器地址选择模拟输入通道，也决定输入是单端输入还是差分输入。在连续的每个时钟的上升跳变，起始位和配置位移入移位寄存器。当起始位移入多路器寄存器之后，输入通道选通，转换器开始工作。SARS状态输出变高表示转换过程正

39、在进行。引脚D1在转换过程中与多路器的移位寄存器之间是关断的。为使选定的通道稳定，在通道配置位输送完后，要隔一个时钟周期转换的数据才在时钟的下降沿从引脚D0输出数据至单片机P1.1。转换过程为采样比较器把从电阻梯形网络输出的逐次信号和输入模拟信号进行比较。比较器的输出指出模拟输入是大于还是小于电阻梯形网络的输出。在转换过程中，转换数据同时从D0端输出，以最高位(MSB)开头。经过8个时钟后，转换完成，SARS变为低。TLC0838的输出数据可从高位开始，也可从低位开始。在SE为高时，数据先从最高到最低位输出，并将最低位保持在数据线上；在SE为低时，数据从低位开始重新输出一遍。在全8位分辨率下允

40、许任意小的模拟电压编码间隔。变换结果范围为0-FF。为满足低温下系统正常工作的要求，选用工业级TLC0838芯片，工作温度为-0-5。3.5单片机最小系统单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对单片机来说,单片机+晶振电路+复位电路,便组成了一个最小系统。下面介绍AT89S52的最小系统，如图3.10所示。图3.10 AT89S52最小系统P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P

41、0具有内部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。P3口：P

42、3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于AT89S52，如果EA 接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访

43、问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。1) AT89S52的主要性能2) 与MCS-51单片机产品兼容3) 8K字节在系统可编程Flash存储器4) 1000次擦写周期5) 全静态操作：0Hz33Hz6) 三级加密程序存储器7) 32个可编程I/O口线8) 三个16位定时器/计数器9) 八个中断源10) 全双工UART串行通道11) 1低功耗空闲和掉电模式12) 掉电后中断可唤醒 图3.11 AT89S52引脚图13) 看门狗定时器14) 双数据指针15) 掉电标识符AT89S52是一种低功耗、高

44、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80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作，支

45、持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其定时计数控制寄存器如表1所示。表1 T2CON：定时器/计数器2控制寄存器TF2EXF2RLCLKTCLKEXEN2TR2C/T2CP/RL2765432103.5 LED显示电路本文设计了LED即时显示功能，下面是对此的设计。图3.12 HD7279A显示接口电路本文采用比高公司生产的具有串行接口，可同时驱动8位共阴式数码管(或46只独立LED)的智能显示驱动芯片HD7279A。该芯片同时可连接多达64键的键盘矩阵，且64键键盘控制器内含有去抖动电路;无需外围元件便可直接驱动LED，一片芯片即可完成LED显示及键盘接口的全部功能。