水位自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1、水位站的水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計本文實現(xiàn)對大壩水位進行多點水位采集，然后通過遠距離傳輸，并且有數(shù)據(jù)顯示和越線報警功能，單片機作為下位機，負責(zé)大壩現(xiàn)場各水位點的選通和采集，作為上位機的機，則負責(zé)大壩水位的集中顯示和記錄管理，而機與單片機之間的通訊方式主要采用了總線技術(shù)。本文闡述了通過超聲波液位傳感器等對大壩水位進行自動監(jiān)測系統(tǒng)，主要由硬件部分和軟件部分組成。 軟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)方式進行，利用超聲波傳感器進行模擬數(shù)據(jù)采集，為了滿足生產(chǎn)中多通道的要求，設(shè)計了個模擬數(shù)據(jù)采集通道。傳感器將非電量信號變?yōu)殡娦盘?，?jīng)放大器放大后送入8位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)處理部分采用單

2、片機為核心控制及器件，當(dāng)單片機接到控制軟件發(fā)出的通道采集指令，采集的信號通過串行接口送入單片機，由顯示芯片八驅(qū)動數(shù)碼管進行現(xiàn)場顯示，再通過RS485通信總線上傳至上位機，由上位機進行顯示。軟件部分主要采用匯編語言編程進行了數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)顯示、報警等程序的設(shè)計。針對電磁干擾對系統(tǒng)的干擾，本文提出了去藕電容的配置等三點抗干擾措施，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1Design Of Automatic Monitoring System of the Water LevelIn Hydrological StationAbstractThe paper mainly describes the metho

3、d 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 host who and the monolithic integrated circuit is composed by PC machine from the type many machine networking sys

4、tem, the monolithic integrated circuit took the lower position machine , is responsible for the dam scene various gauging stations the selection and gathering, in the achievement position machine PC machine, then is responsible for the dam water level the centralism demonstrate and manage the record

5、 , but PC machine and between the monolithic integrated circuit communication way mainly use the RS-485 main line technology.Here uses the sensor mainly is the ultrasonic sensor, the data-acquisition works in frame of multi-channel switch. Carries on analog data gathering using the ultrasonic sensor

6、, it designs eight analog-data acquisition system. The sensor changes the non-electronic signals into electronic signals and sends them to eight TLC0838 tandem modulus transfers after being amplified. Data-acquisition takes AT89S52 single chip microcomputer as the key controller element, when the AT

7、89S52 receives the channel acquisition order from the controlling software, the collected signals will be sent to the single chip microcomputer through tandem interface, and will be shown alive as the showing chips HD7279A drives the LED, and sent to the PC through RS-485 the main communication wire

8、, also it will be shown.It designs much program like data-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, to steady the system.Key word : Ult

9、rasonic sensor; Single Chip Microcomputer of AT89S52; Data-acquisition and communication System; PC2目錄第一章 緒論 .11.1國內(nèi)外的發(fā)展概況.11.2 目的和意義.11.3 主要內(nèi)容.2第二章 數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計.32.1 單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).32.1.1基本組成.32.1.2 采集方式.32.1.3 硬件組成.4第三章 硬件電路設(shè)計.53.1水位傳感器的選擇.53.1.1 浮子式水位傳感器.53.1.2 壓力式水位傳感器.53.1.3 氣泡式水位傳感器.63.1.4 超聲波水位傳感器.63

10、.2 傳感器檢測電路.83.2.1 超聲波發(fā)射電路.93.2.2 超聲波接收電路.103.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計.103.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器工作過程.103.3.2 A/D轉(zhuǎn)換單元電路設(shè)計.113.4 單片機最小系統(tǒng).133.5 LED 顯示電路.143.6 報警電路.163.7 串行通信電路設(shè)計.163.7.1RS485通信總線.1713.7.2 串行通信電路設(shè)計.183.8 電源電路設(shè)計.19第四章 軟件設(shè)計.204.1 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計.204.2 數(shù)據(jù)采集處理.214.3 數(shù)據(jù)顯示.224.4 報警程序設(shè)計.224.5 數(shù)據(jù)通信.23第五章 系統(tǒng)的抗干擾及可靠性設(shè)計.245.1 電磁

11、干擾對系統(tǒng)的干擾.245.2 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計.24第六章 總結(jié).26謝詞.27參考文獻.27附錄A外文翻譯原文部分：.41附錄B外文翻譯譯文部分.41附錄C總體接線圖.42附錄D 主要源程序1.AD 轉(zhuǎn)換子程序2.動態(tài)掃描顯示子程序3.控制報警電路連續(xù)鳴音30ms的控制子程序的清單第一章 緒論1,1 目的和意義 水情水位測量一直是水文、水利部門的重要課題。為及時發(fā)現(xiàn)事故苗頭，防患于未來，經(jīng)濟實用、可靠的水位無線監(jiān)測系統(tǒng)將會發(fā)揮巨大的作用水位是水庫大壩安全、水利排灌調(diào)度、蓄水、瀉洪的重要參數(shù)之一。水位的自動化監(jiān)測、傳輸和處理為水庫現(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)域都需要對水位

12、進行監(jiān)控，可能現(xiàn)場無法靠近或現(xiàn)場無需人力來監(jiān)控。我們就可以通過遠程監(jiān)控，坐在儀器前就能對現(xiàn)場進行監(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)過程需要對水庫水位、攔污柵壓差和尾水位進行監(jiān)測。但是，由于不同電站有著不同的實際情況，因為此就有著不同的技術(shù)要求，而且水位參數(shù)的測量方法和測量位置不同，對監(jiān)測設(shè)備的要求亦有所不同。這樣往往造成監(jiān)測系統(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，亦增加了設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)、安裝的復(fù)雜性。因此，在綜合研究水電站水位監(jiān)測的實際情況以及特點的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代電子技術(shù)，特別是單片機技術(shù)和不揮發(fā)存儲器技術(shù)，設(shè)計開發(fā)一種通用性好，可

13、靠性高，維護方便，可適用于多種監(jiān)測環(huán)境的多模式水位自動監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的實際意義。1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況傳感器是實現(xiàn)測量及控制的首要環(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,在和計算機及數(shù)字化儀器相連的時候必須采用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，不利于遠距離傳輸。數(shù)字式傳感器直接將待測量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，其輸出信號抗干擾能力強，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，特別適合應(yīng)用于水情遙控系統(tǒng)中，但限于成本控制本設(shè)計依然采用模擬傳感器。水位監(jiān)測系統(tǒng)在我國的應(yīng)用已相當(dāng)普及。大型國家水壩常采用由PC機和單片機組成的主從式的多機聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，單片機作為下位機，

14、負責(zé)大壩現(xiàn)場各水位點的選通和采集，作為上位機的PC機，則負責(zé)大壩水位的集中顯示和管理記錄，機作為通用機，在用于專項的應(yīng)用上時，難免會在很多方面存在問題，比如體積大，功耗大，運行不穩(wěn)定、很難做到不間斷運行等。而機與單片機的通訊方式主要采用總線技術(shù)和現(xiàn)場總線米，每段最多支持個節(jié)點，采用單組雙絞線雙向主從通信。當(dāng)總線加長或節(jié)點增多時需要使用中繼器連接，全網(wǎng)絡(luò)支持最多個節(jié)點。通信技術(shù)應(yīng)用時間較長，軟硬件實現(xiàn)較為容易，因此是國內(nèi)糧情測控系統(tǒng)采用較多的通信方式。而本文多路水位監(jiān)測系統(tǒng)特點：1) 能夠靈活適應(yīng)測量庫水位，欄污柵壓差，尾水位等表、變化緩慢或劇烈的水位的需要。2) 系統(tǒng)工作體制采用輪詢方式，實時

15、性好。3) 采用無線/有線雙通道傳輸方式,提高了傳輸?shù)目煽啃?4) 水位采集站工作模式可靈活編輯程設(shè)定,以適應(yīng)不同的監(jiān)測環(huán)境.5) 監(jiān)測分中心提供微波接口和RS-485接口,為上級監(jiān)控中心提供監(jiān)測數(shù)據(jù).1.3主要內(nèi)容本次所設(shè)計的水位自動監(jiān)測系統(tǒng)主要包括以下幾個內(nèi)容:1 .多點水位數(shù)據(jù)采集:具有自動檢測水位等功能,可根據(jù)需要進行定時監(jiān)測.選點檢測和巡回監(jiān)測;2.水位數(shù)據(jù)傳輸：采集的數(shù)據(jù)進行遠程傳輸，需要解決遠程傳輸數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和有干擾等影響；3.水位數(shù)據(jù)分析：通過單片機進行數(shù)據(jù)分析，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED和報警器，進行數(shù)據(jù)顯示或報警；4.水位數(shù)據(jù)顯示：根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)通過LED顯示；5.水位預(yù)警：根

16、據(jù)水位實測值與人工設(shè)定的超限制或相關(guān)數(shù)據(jù)模型進行對比分析，若實測值超過設(shè)定的范圍，則語音報警。水位自動監(jiān)測系統(tǒng)采用液體壓力探頭采集水位原始資料，在單片機上進行模數(shù)轉(zhuǎn)化資料處理，通過專線把資料傳輸?shù)焦ぷ髡?同時也可以在遠程工作站通過電話撥號調(diào)用資料；在工作站的計算機上進行資料加工、存取、分析、等處理。遠離水庫的指揮中心通過該系統(tǒng)可獲得當(dāng)前時刻的水位、水庫庫容、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)，為水庫的防洪、水庫水資源調(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)顯示和水位預(yù)警等部分組成。 第2頁第二章 數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計2.1 單片機數(shù)

17、據(jù)采集系統(tǒng) 本文的設(shè)計是基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以單片機為核心控制器件。單片機具有體積小，功耗小，成本低，可靠性高，靈活方便，價格廉以及控制功能強等特點而得到廣泛的應(yīng)用。利用單片機的硬件，軟件資源，實現(xiàn)信號采集的智能化控制和管理。2.1.1 基本組成 基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以單片機為核心控制器件：集合外圍電路所構(gòu)成?；窘M成如圖2.1所示。采集系統(tǒng)硬件主要包括傳感器，轉(zhuǎn)換器，單片機，輸入輸出接口電路等。由單片機作為控制單元的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程可分為以下幾個步驟：數(shù)據(jù)采集是將被測量的信號轉(zhuǎn)換為能被單片機所識別的信號并輸入給單片機；數(shù)據(jù)處理是由單片機執(zhí)行以測試為目的的算法程序后，得到與被

18、測參數(shù)對應(yīng)的測量值或形成相應(yīng)的決策與判斷。2.1.2 采集方式 一個具體的采集系統(tǒng)的構(gòu)成，根據(jù)所測信號的特性而定。力求做到既能滿足系統(tǒng)的性能要求又能在性能價格比上達到最優(yōu)。根據(jù)這個要求，這種方式輪流循環(huán)采樣的轉(zhuǎn)換速度較慢，但節(jié)省硬件。結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示 數(shù)據(jù)處理部分采用AT89S52作為核心控制器件。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用8位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器TCL0838，該芯片占用單片機的引腳資源少，僅占用單片機5個引腳即可完成8個通道的 數(shù)據(jù)采集，簡化了電路設(shè)計，基地了成本。2.1.3硬件組成 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。 數(shù)據(jù)采集部分采用多路開關(guān)方式進行，設(shè)計有8個模擬數(shù)

19、據(jù)采集通道，滿足了生產(chǎn)中多通道的要求?？梢詫ΤＲ姷哪M信號量，如水位，壓力，流量，速度，頻率等進行采集。沒每一種信號量都可以使用不同的傳感器。擴大了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，具有較強的通用性。 它常用于采集多路變化緩慢的信號，如水位變化，應(yīng)變信號等。用這種方式采集多通道信號時，不能同時采集同一時刻的各種參數(shù)。 本文所設(shè)計的硬件框圖，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)過信號放大和采集保持再由TLC0838進行A/D轉(zhuǎn)換，然后輸入到AT89S52單片機中，其中AT89S52單片機是整個系統(tǒng)的核心，單片機通過處理后再進行LED顯示和越限報警，并將數(shù)據(jù)傳至上位機進行人工操作。 第三章 硬件電

20、路設(shè)計3.1 水位傳感器的選擇 傳感器是實現(xiàn)測量及控制的首要環(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，在和計算機及數(shù)字化儀器相連的時候必須采用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，不利于遠距離傳輸。數(shù)字式傳感器直接將待測量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，其輸出信號抗干擾能力強，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，特別適合應(yīng)用于水情遙測系統(tǒng)中。但限于成本控制本設(shè)計依然采用模擬傳感器。 目前主要測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、雷達激光水位傳感器，壓力式水位傳感器等。下面是一些主要水位傳感器的簡單介紹。3.1.1 浮子式水位傳感器

21、其主要產(chǎn)品有上海精浦機電有限公司的GEMPLE GPH500，正天科技的FYC-3型浮子式水位傳感器等。 1）工作原理：它利用液體浮力測液位的原理，靠浮子隨水位面升降的位移反映水位的變化。漂浮通過繩索經(jīng)滑輪與編碼器相連，編碼器的數(shù)字輸出即為水位高度。為防止錯碼的出現(xiàn)，其編碼器的編碼為格雷碼。機械浮子式和光電浮子式都用來用機械齒輪減速產(chǎn)生進位和退位的辦法來形成編碼。其工作示意圖如圖3.1所示。 2）特點：穩(wěn)定，可靠，優(yōu)點：成熟，運用最廣泛，價格相對較低。 3）缺點：機械加工復(fù)雜、運用阻力大、使用壽命短，測試數(shù)據(jù)離散。3.1.2 壓力式水位傳感器 其主要產(chǎn)品有重慶華正的WYZ-1型壓力水位計，武漢

22、華凱的JWRWX-3壓力水位計。 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側(cè)點時，該測點以上水柱壓力高度加上該點高程，即可間接地測出水位。壓力式水位計是一種通過壓力傳感器及其有關(guān)的引壓信號傳輸數(shù)據(jù)處理等。 5裝置來測定水位的儀器可有數(shù)字顯示編碼輸出及自動記錄的功能它課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)字顯示分為時段記時打印磁帶記錄固態(tài)存貯微機處理等形式。 （2）優(yōu)點：測量精度高，價格相對低廉，安裝簡便，不需要建造水位井。 （3）缺點：對泥沙含量大的水流，測量精度會受到影響，工作不穩(wěn)定，壓阻式有時飄，溫飄，要定時率定。3

23、.1.3氣泡式水位傳感器 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。優(yōu)點：該儀器的壓力傳感器不直接與水位接觸，可不建測井，特別適用水體污染嚴重和腐蝕性強的工業(yè)廢水等場合。國外，應(yīng)用氣泡式水位計較普遍。缺點：在一些水位變幅大較快而且含沙量較大的山區(qū)河流誤差大，針對這種情況，我生產(chǎn)廠家要采取必要的措施，如加裝防浪頭。3.1.4超聲波水位傳感器超聲波水位傳感器是利用空氣聲學(xué)回聲測距原理來進行水位變化測量的新型測量儀器，是在SCA6-1型聲學(xué)水位計基礎(chǔ)上的改進設(shè)計。由

24、收發(fā)共用換能器發(fā)射一種脈沖，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。測得聲波在空氣中的傳播時間及現(xiàn)場聲速，算出換能器發(fā)射面至水面的距離，依據(jù)換能器安裝基準面及水位零點得到水位值。特點是非接觸測量，無需建造水位測井，安裝方便，自動測量；具有聲速補償；RS-485數(shù)據(jù)輸出。應(yīng)用于沿海水文臺站水文的常規(guī)長短期潮位觀測，江河湖泊的水位連續(xù)自動測量，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量。目前智能水位傳感器，溫度傳感器，聲管，測量電路，信號傳輸電纜組成。其水位測量原理如圖3.2所示。1. 水位采集系統(tǒng)（1）水位測量工作原理 水位測量原理如圖所示，由收發(fā)共用聲學(xué)探頭發(fā)射一聲脈沖，

25、經(jīng)聲管傳聲L聲程遇水界面產(chǎn)生反射，反射波（下稱回波），又經(jīng)L聲程由同一聲學(xué)探頭接收，只要測得聲波（由發(fā)射至接收到回波）在空氣中的傳播時間t及現(xiàn)場聲速c，就可測算出聲學(xué)探頭發(fā)射面至水面的距離，即 L=ct /2 6在設(shè)計上采用自校準技術(shù)對聲速進行補償，即在連接聲學(xué)探頭的第一節(jié)聲管（稱次聲管為校準管）的已知距離L0處開有一校準用小圓孔。聲學(xué)探頭發(fā)射的聲脈沖首先遇小孔這一界面產(chǎn)生反射回波，這一回波傳播的2L0為已知，傳播時間T0可測出，傳播聲速為C0則有：取校準孔回波與水面回波傳播聲程的比值則有；由式（1）可知聲程L是傳播聲速C,C0，傳播時間t，T0和校準孔距L0的函數(shù)。如果在聲管中傳播聲速由發(fā)射

26、面至水面間變化很小，這樣（1）式就可簡化為：發(fā)射聲脈沖后，測得TO,t即可測算出聲程L由圖2知，探頭安裝基準面至水位零點高度為S(S可以當(dāng)?shù)厮疁庶c或水尺為參考，安裝時測量確定)則水位值H為H=S-L式中：H為水位值S為探頭發(fā)射面至水位零點距離L為探頭發(fā)射面至水面間距離（2）水位采集系統(tǒng)的組成水位測量是應(yīng)用空氣聲學(xué)回聲測距原理，將聲學(xué)探頭安裝在自流道進口和出口處，通過電纜將信號傳至水位采集系統(tǒng)，采集并輸出進口和出口處的水位值。水位采集系統(tǒng)由聲學(xué)探頭，聲路總成，外保護管總成，水位采集主機系統(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。在智能聲學(xué)水位傳感器工作中，用戶可

27、以根據(jù)實際需要選擇安裝不同個數(shù)的溫度傳感器。為了維護和互換，每個DS1820有獨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個溫度傳感器。當(dāng)傳感器測量至水面距離時，如果是聲程范圍內(nèi)溫度均勻或?qū)纫筝^低時，可以不使用溫度傳感器，通過自校準技術(shù)直接測量水位，因為校準管距離L0為已知，測得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，就會產(chǎn)生測量誤差，上述方法將不能滿足精度要求。所以為了提高水位測量的準確度，采集水位（聲程）的同時，還要采集聲程數(shù)點的溫度值，在數(shù)據(jù)處理時可以對水位測量值進行溫度補償，減小溫度梯度造成的測量誤差，提

28、高測量準確度。具體計算步驟如下：聲程內(nèi)平均溫度： 第 7頁Ta=a1t1+a2t2+antn (36) 式中：ai聲程內(nèi)第i個溫度因子（與現(xiàn)場安置位置等有關(guān)：用戶可以根據(jù)實際比測作出修正） Ti聲程內(nèi)第i個溫度傳感溫度值 。 N聲程內(nèi)溫度傳感器個數(shù)。 將平均溫度代入公式（5）算出平均聲速Co. C, 根據(jù)公式（2）即可算出聲程L，再有公式（4）得出水溫度對測量精度的影響及修正空氣中，不考慮溫度和氣候的影響，則聲速c為； C=331.4+0.607T（m/s） (37) 式中：T為溫度。溫度變化1攝氏度。將影響聲速變化約0.18%，如果聲管中傳播聲速由發(fā)射面至水面間變化比較大。為了在不均勻的聲場

29、進行準確測量，采集水位的同時，還要采集聲程數(shù)點的溫度值，修正速度，對水位測量值進行溫度補償，減小溫度梯度造成的測量誤差，提高測量準確度。聲學(xué)測量中溫度的影響是產(chǎn)生測量偏差的主要原因。在水位的實際應(yīng)用過程中，聲程不同位置中測得的溫度為非均勻變化，最大差值會達到6攝氏度以上。經(jīng)過溫度修正，減小了聲場溫度影響產(chǎn)生的測量誤差。尤其是在聲程遠端。未修正誤差較大，修正后誤差較小。聲場受溫度影響產(chǎn)生的測量誤差，可以通過加入測溫度傳感器，測量聲路不通位置的溫度，在軟件上對測量值進行修正，減小測量誤差，實際應(yīng)用表明，效果很好。浮子式水位傳感器的缺點是機械加工復(fù)雜，運行阻力大，使用壽命短，測試數(shù)據(jù)離散：壓力式水位

30、傳感器工作不穩(wěn)定，壓阻式有時飄，溫飄，要定時率定；超聲波水位傳感的優(yōu)勢，在測量過程中沒有任何部件接觸水面，實現(xiàn)了非接觸測量。不需建設(shè)觀測井，基建投資少，見效快，運動部件，不因部件磨損銹蝕而產(chǎn)生故障，提高了無故障工作時間，周邊環(huán)境無特殊要求，具有很高的兼容性，可多種組合，功能齊全，能夠滿足各種用戶要求。實時全變溫度補償，精度高，運用有線或無線傳輸水位信息，實效性強，降低勞動強度，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)濟效益。故本文選用的是超生波傳感器。3.2傳感器檢測電路 本文設(shè)計的超聲波傳感檢測電路是利用40k的超聲波發(fā)生器，實現(xiàn)40k的振蕩是很容易的，并且方法有很多種，取液

31、位計與水面的距離為合適的高度，可令超聲波發(fā)出去后能有效的返回，讓接收器收到信號，達到微處理器，經(jīng)微處理器處理所得的數(shù)據(jù)，即可計算出水位的高度。超聲波在空氣中一般可以實現(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，測量結(jié)果不會有太大的誤差。整個系統(tǒng)的核心是.所選用是超聲波傳感器，它的工作原理是40k的脈沖信號，這可很容易地用軟件編程使的口中的第位產(chǎn)生方波的方法來實現(xiàn)。并在第一個脈沖產(chǎn)生是開始計時。840kHZ的脈沖方波信號經(jīng)放大后即可驅(qū)動超聲波傳感器工作，使其向水面垂直發(fā)出40kHZ的超聲波。所選的超聲波傳感器是雙用型傳感器，即發(fā)送和接受集成于一體。當(dāng)超聲波遇到水面時發(fā)生反射，

32、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?，再將所得的交變電壓信號放大，輸入到音調(diào)譯碼器中，音調(diào)譯碼器的輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷信號輸入到AT89S52單片機的INT1管腳。INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計時，取得超聲波往返的時間差。通過計算式s=340t/2算出液位計離水面的距離，從而計算出水位的高度。這些都可以通過對51單片機編程實現(xiàn)。計算出水位高度以后，單片機將所算出的結(jié)果通過 P0口輸出到七段LED數(shù)碼管顯示出來。超聲波水位傳感器是利用空氣聲學(xué)回聲測距離原理來進行水位變化測量的新型水位測量儀，是在

33、SCA6-1型聲學(xué)水位計基礎(chǔ)上的改進設(shè)計。由收發(fā)共用換能器發(fā)射一聲脈沖、經(jīng)聲管傳聲遇水界面反射，回波經(jīng)由同一換能器接收。測得聲波在空氣中的傳播時間及現(xiàn)場聲速，算出換能器發(fā)射面至水面的距離，依據(jù)換能器安裝基準面及水位零點得到水位值。特點是非接觸測量，無需建造水位測井，安裝方便，自動測量；具有聲速補償；RS-485數(shù)據(jù)輸出。應(yīng)用于沿海水文臺站的常規(guī)長短期潮位觀測，江河湖泊的水位連續(xù)自動測量，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、測量電路、信號傳輸電纜組成。3.2.1超聲波發(fā)射電路 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。

34、圖3.3 超聲波發(fā)射電路由圖可見，超聲波的發(fā)射電路比較簡單，主要由一個超聲波探頭、一個NPN型晶體管、一個穩(wěn)壓二極管和一個升壓變壓器組成。傳感器探頭需要40kHZ的脈沖信號才能觸發(fā)，圖中輸入端口是從單片機的P3.5輸出的40kHZ方波。方波電壓信號經(jīng)二級管穩(wěn)壓后送到三極管放大，再經(jīng)T1升壓變壓器升壓，驅(qū)動超聲波傳感器探頭發(fā)出40kHZ的超聲波。3.2.2超聲波接收電路 在這里超聲波的發(fā)送與接收用的是同一個探頭。如圖3.4所示為接收用電路。 圖3.4超聲波接收電路 超聲波在空氣中傳播時，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一般在1mV-1V之間。這么微弱的電信號，一般都要

35、經(jīng)過放大才能使用。除此之外，接收探頭接收到信號后，向電路中輸出的是交變的正弦波電壓信號，這就需要設(shè)計交流放大電路。這里選用兩個運算放大器組成兩級放大電路，放大倍數(shù)可達100倍。經(jīng)這樣處理后，最后接收電路所輸出的是正常的電壓信號。3.3A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 由于超聲波傳感器采集的信號是模擬信號，而單片機所接收的信號為數(shù)字信號，故需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，因此本文設(shè)計了一個A/D轉(zhuǎn)換電路，下面是A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計。3.3.1A/D轉(zhuǎn)換器工作過程A/D轉(zhuǎn)換器實際上是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的裝置，其轉(zhuǎn)換過程主要包括采樣、量化、編碼三個步驟。（1） 采樣、保持部分 采樣就是周期性地測量一種連續(xù)信號或

36、連續(xù)過程信號，測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 Fs=1/Ts(3-8) 在對模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，戶以D轉(zhuǎn)換器從啟動變換完成需要一定的轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入信號頻率較高時，由于轉(zhuǎn)換時間的存在，會造成較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換開始時將信號電平保持住，而在戶以D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號的變化，即將輸入信號采樣保持，能實現(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)于一個模擬信號存儲器。A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小單位的整數(shù)倍，即必須把采樣電壓轉(zhuǎn)化為這個最小數(shù)值單位的整數(shù)倍。這個轉(zhuǎn)化過程叫做量化，所取的最小數(shù)量單位叫做量

37、化單位，其大小扥與輸出的數(shù)字信號最低有效位1所代表的數(shù)量大小。把量化的結(jié)果用代碼表示出來稱為編碼。采樣保持電路能將采樣后的模擬信號暫時暫時存儲起來，保持一個采樣周期。當(dāng)輸入信號變化較快時，就不能輸入到TLC0838中，這就要求輸入信號能快速而準確的跟隨輸入信號的變化進行間隔采樣。在兩次采樣之間保持上一次采樣接收是的狀態(tài)。圖3.5是采樣保持電路。 圖3.5采樣保持電路圖中S是一個模擬開關(guān)，由場效應(yīng)管構(gòu)成。當(dāng)控制信號為高電平時，開關(guān)閉合，電路處于采樣周期。這時Ui對存儲電容元件C充電，U0=Uc=Ui,即輸出電壓跟隨輸入電壓變化。當(dāng)控制電壓為低電平時，開關(guān)斷開，電路處于保持周期。因為電容元件無放電

38、電路，故Uo=Uc.主要就實現(xiàn)了保持采樣，就能夠與TLC0838相連。（2） 量化編碼部分 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)碼來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換為十字信號。將采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為量化過程。執(zhí)行量化過程的裝置為A/D轉(zhuǎn)換器。 在實際應(yīng)用中，因串行A/D轉(zhuǎn)換芯片具有占用單片機的引腳資源較少，開有簡化單片機的系統(tǒng)，降低成本的優(yōu)點，所以串行工作方式的A/D轉(zhuǎn)換器在單片機系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。信號采集單元選用串行多路模擬器TLC0838實現(xiàn)。TLC0838是采樣頻率為8位，以逐次逼近原理進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)

39、地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8的單斷模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。3.3.2A/D轉(zhuǎn)換單元電路設(shè)計在實際應(yīng)用中，因串行A/D轉(zhuǎn)換芯片具有占用單片機的引腳資源較少，開有簡化單片機的系統(tǒng)，降低成本的優(yōu)點，所以串行工作方式的A/D轉(zhuǎn)換器在單片機系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。信號采集單元選用串行多路模擬器TLC0838實現(xiàn)。TLC0838為美國德州儀器公司推出的八通道8位逐次逼近魔術(shù)轉(zhuǎn)換器。它具有與單片機接口連接簡單，占用線路板體積較小，性價比較高的優(yōu)點。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。要轉(zhuǎn)換的模擬通道的輸入電壓連到一個輸入端與地比較（單端輸入）或與另一個輸入比較（差分輸

40、入）。通過同單片機相連的串行數(shù)據(jù)電路控制命令，用軟件進行通道選擇和輸入端配置。輸入配置在多路器尋址時序中進行。串行輸入可配置為標準移位寄存器或微處理器接口。以SPI總線與單片機接口。輸入和輸出均與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總線與單片機接口。片選信號CS接P1.1引腳，串行數(shù)據(jù)時鐘信號輸入端CLK接P1.2引腳。狀態(tài)轉(zhuǎn)換輸入引腳SARS連接P1.3，數(shù)據(jù)輸出方式選擇引腳SE連接P1.4。 TLC0838工作過程如下：輸入配置在多路器尋址時序中進行。置CS為低 ,使所有邏輯電路使能 能，轉(zhuǎn)換器初始化。CS在整個轉(zhuǎn)換過程中必

41、須置為低。接著C L K從單片機P 1.2口接受時鐘，在每個時鐘上升沿；由單片機P1.1口輸出的多路器地址通過 D I端移入多路器地址位移寄存器。在每個時鐘的上升跳變時，D I 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，用來選擇通道。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。 在連續(xù)的每個時鐘的上升跳變，起始位和配置位移移入寄存器。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)換過程正在進行。引腳D I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

42、送完后，要隔一個時鐘周期轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)才在時鐘的下降沿從引腳D0輸出數(shù)據(jù)至單片機P1.1。 轉(zhuǎn)換過程為采用比較器把從電阻體性網(wǎng)絡(luò)輸出的逐次信號和輸入模擬信號進行比較。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)從D0端輸出，以最高位（MSB）開頭。經(jīng)過八個時鐘后，轉(zhuǎn)換完成，SARS變?yōu)榈汀?TLC0838的輸出數(shù)據(jù)可從高位開始，也可以從低位開始。在SE為高時，數(shù)據(jù)先從最高位到最低位輸出，并將最低位保持在數(shù)據(jù)線上；在為低時，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0FF。為滿足低溫下系統(tǒng)正常工作的要求選用工業(yè)級TLC

43、0838芯片，工作溫度位-05。3.4單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(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可以工作的系統(tǒng)。對單片機來說，單片機+晶振電路+復(fù)位電路，便組成了一個最小系統(tǒng)。下面介紹AT89S52的最小系統(tǒng)，如圖3.7所示。 圖3.7 AT89S52最小系統(tǒng) P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向IO口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為第8位地址數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電

44、平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸出口使用。作為輸出使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 P 2口：P 2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸出口使用。作為輸出使用時，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器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR）時，P2口送出高八位地址。 P3口：P 3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把

45、端口拉高，此時可以作為輸出口使用。作為輸出使用時，被外部拉 低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。程序存儲器：如果EA引腳接地，程序讀取只從外部存儲器開始。對于AT89S52，如果EA接VCC，程 序讀寫先從內(nèi)部存儲器（地址為0000H1FFFH）開始，接著從外部尋址，尋址地址為：2000HFFFFH。數(shù)據(jù)存儲器 ：A T 8 9 S 5 2有 2 5 6 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。高 1 2 8 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)?shù)谝粭l指令訪問高于7FH的地址時，尋找方式?jīng)Q定CPU訪問高于128字節(jié)RAM還是特殊功能寄存器空間。直接尋

46、找方式訪問特殊功能寄存器（SFR）。1） AT89S52的主要性能2） 與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容3） 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器4） 1000次擦寫周期5） 全靜態(tài)操作：0HZ33HZ6） 三級加密程序存儲器7） 32個可編程I/O口線8） 3個16位定時器/計數(shù)器9） 八個中斷源10） 全雙工UART船型通道11） I低功耗空閑和掉電模式12） 掉電后中斷可喚醒13） 看門狗定時器14） 雙數(shù)據(jù)指針15） 掉電標識符掉電標識符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儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C5

47、1產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(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具有以下標準功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0HZ靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM，定時器/計數(shù)器，串口終端繼續(xù)工作。掉電保護模式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩

48、器被終結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。其定時計數(shù)控制寄存器如表1所示。3.5 LED顯示電路本文設(shè)計了LED即時顯示功能，下面是對此的設(shè)計。本文采用比高公司生產(chǎn)的具有串行接口，可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管（或46只獨立LED）的智能顯示驅(qū)動芯片HD7279A。該芯片同時可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，且64鍵盤控制器內(nèi)含有去抖動電路；無需外圍元件便可直接驅(qū)動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)全部含譯碼器，可直接接受BCD碼或是16進制碼，并同時具有2種譯碼方式，各位可獨立控制譯碼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

49、；具有段尋址指令，可方便地用來控制獨立的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單，且占用口線少，加之它具有較高的性能價格比，因此，在微型控制器、智能儀表、控制畫板和家用電器等領(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。HD7279A一共有28個引腳，引腳連接說明如下：VDD：正電源，接系統(tǒng)電源VCC。NC：無連接，必須懸空。 VCC：接地。 CS：片選輸入端，與單片機AT89S15的P2.4口連接。此引腳為低電平時，單片機AT89S52可向芯片發(fā)送指令。 CLK：同步時鐘輸入端，與單片機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。DATA：串行數(shù)據(jù)輸如入/ 輸出端，與單片機AT89C52的P2.2口連接。當(dāng)HD7279A芯片接收指令時此引腳為輸入端。KEY：按鍵有效輸出端。SG-SA：段G段A驅(qū)動輸出。DP：小數(shù)點驅(qū)動輸出。DIG0-DIG7：8個LED管的位驅(qū)動輸出端。本系統(tǒng)只使用4個LED管用以現(xiàn)場顯示，所以只使用了DIG0-DIG3四個端口。