目录
第一章绪论 (1)
1.1国内外的发展概况 (1)
1.2目的和意义 (1)
1.3主要内容 (2)
第二章数据采集的硬件设计 (3)
2.1单片机数据采集系统 (3)
2.1.1基本组成 (3)
2.1.2采集方式 (3)
2.1.3硬件组成 (4)
第三章硬件电路设计 (5)
3.1水位传感器的选择 (5)
3.1.1浮子式水位传感器 (5)
3.1.2压力式水位传感器 (5)
3.1.3气泡式水位传感器 (6)
3.1.4超声波水位传感器 (6)
3.2传感器检测电路 (8)
3.2.1超声波发射电路 (9)
3.2.2超声波接收电路 (10)
3.3 A/D转换电路设计 (10)
3.3.1 A/D转换器工作过程 (10)
3.3.2 A/D转换单元电路设计 (11)
3.4单片机最小系统 (13)
3.5 LED显示电路 (14)
3.6 报警电路 (16)
3.7串行通信电路设计 (16)
3.7.1 RS-485通信总线 (17)
3.7.2串行通信电路设计 (18)
3.8 电源电路设计 (19)
第四章软件设计 (20)
4.1数据处理程序设计 (20)
4.2数据采集处理 (21)
4.3数据显示 (22)
4.4报警程序设计 (22)
4.5数据通信 (23)
第五章系统的抗干扰及可靠性设计 (24)
5.1电磁干扰对系统的干扰 (24)
5.2系统抗干扰设计 (24)
第六章总结 (26)
谢辞 (27)
参考文献 (28)
附录A 外文翻译－原文部分： (29)
附录B 外文翻译－译文部分 (35)
附录C总体接线图 (40)
附录D 主要源程序 (41)
1.A/D转换子程序 (41)
2.动态扫描显示子程序 (41)
3.控制报警电路连续鸣音30ms的控制子程序的清单 (42)
第一章绪论
1.1目的和意义
水情水位测量一直是水文、水利部门的重要课题。为及时发现事故苗头，防患于未来，经济实用、可靠的水位无线监测系统将会发挥巨大的作用水位是水库大坝安全、水利排灌调度、蓄水、泄洪的重要参数之一。水位的自动化监测、传输和处理为水库现代化建设提供了良好的基础资料。在工农业生产的许多领域都需要对水位进行监控，可能现场无法靠近或现场无需人力来监控。我们就可以通过远程监控，坐在仪器前就能对现场进行监控，既方便又节省人力。为了保证水利发电站的安全生产,提高发电效率,水电站生产过程需要对水库水位、拦污栅压差和尾水位进行监测。但是,由于不同电站有着不同的实际情况,因此就有着不同的技术要求,而且水位参数的测量方法和测量位置不同，对监测设备的要求亦有所不同。这样往往造成监测系统设备专用化程度高,品种多,互换性差,不利于设备维护,亦增加了设备设计、生产、安装的复杂性。因此,在综合研究水电站水位监测的实际情况以及特点的基础上,利用现代电子技术,特别是单片机技术和不挥发存储器技术,设计开发一种通用性好,可靠性高,维护方便,可适用于多种监测环境的多模式水位自动监测系统具有重要的实际意义。
1.2国内外的发展概况
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。
水位监测系统在我国的应用已相当普及。大型国家水坝常采用由PC机和单片机组成的主从式的多机联网系统，单片机作为下位机，负责大坝现场各水位点的选通和采集，作为上位机的PC机，则负责大坝水位的集中显示和管理记录，PC机作为通用机，在用于专项的应用上时，难免会在很多方面存在问题，比如体积大，功耗大，运行不稳定、很难做到不间断运行等。而PC机与单片机之间的通讯方式主要采用RS485总线技术和现场总线技术两种。RS-485是使用较为广泛的双向有补偿传输线标准，其最大每段总线长度为1200米，每段最多支持32个节点，采用单组双绞线双向主从通信。当总线加长或节点增多时需要使用中继器连接，全网络支持最多256个节点。RS-485通信技术应用时间较长，软硬件实现较为容易，因此是国内粮情测控系统采用较多的通信方式。
而本文多路水位监测系统特点：
1)能够灵活适应测量库水位、拦污栅压差、尾水位等变化缓慢或剧烈的水位的需要。
2)系统工作体制采用轮询方式，实时性好。
3)采用无线/有线双通道传输方式，提高了传输的可靠性。
4)水位采集站工作模式可灵活编程设定，以适应不同的监测环境。
5)监测分中心提供微波接口和RS-485接口，为上级监控中心提供监测数据。
1.3主要内容
本次所设计的水位自动监测系统主要包括以下几个内容：
1. 多点水位数据采集：具有自动检测水位等功能，可根据需要进行定时检测、选点检测
和巡回检测；
2. 水位数据传输：采集的数据进行远程传输，需要解决远程传输数据不稳定和有干扰等
影响；
3. 水位数据分析：通过单片机进行数据分析，然后将数据传输到LED和报警器，进行数
据显示或报警；
4. 水位数据显示：根据传回的数据通过LED显示；
5. 水位预警：根据水位实测值与人工设定的超限制或相关数据模型进行对比分析，若实
测值超过设定的范围，则语音报警。
水位自动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。
第二章数据采集的硬件设计
2.1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。
2.1.1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2.1所示。
图2.1 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。
2.1.2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2.2所示。
图2.2 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。
2.1.3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2.3所示。
图2.3 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。
第三章硬件电路设计
3.1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。
3.1.1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3.1所示。
图3.1 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。
3.1.2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。
3.1.3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。
3.1.4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3.2所示。
1.水位采集系统图3.2水位测量原理图
（1）水位测量工作原理
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
L （3-1）
2/
ct
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：
2/o o o t c L ?= （3-2）
取校准孔回波与水面回波传播声程的比值则有：
000/l c ctl L = （3-3）
由式（1）可知声程L 是传播声速C 、C 0，传播时间t 、T 0和校准孔距L 0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（1）式就可简化为：
00/T tL L = （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：
L S H -= （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1～8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，提高测量准确度。具体计算步骤如下：
声程内平均温度：
n n t a t a t a Ta +++= 2211 (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C 0、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+0.607 T (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，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；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。
3.2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。
3.2.1超声波发射电路
超声波发射电路如图3.3所示为超声波的发射电路图。
图3.3 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。
3.2.2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3.4所示为接收用电路。
图3.4 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。
3.3 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。
3.3.1 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
s s T f 1 (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3.5是采样保持电路。
S
C
0.1uF
R
+
_
Ui
Uc
_
+
_
Uo
+
图3.5 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=U C=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路，故U0=U C。
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。
3.3.2 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)。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3.6TLC0838接口电路
TLC0838工作过程如下：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℃。
3.4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3.7所示。
GND
图3.7 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，P0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：P3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0000H~1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000H~FFFFH。
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：0Hz ～33Hz
6) 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3.8 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
3.5 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。
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P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7
RST P3.0P3.1P3.3P3.2P3.4P3.5P3.6P3.7GND
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。HD7279A内部含译码器，可直接接收BCD码或是16进制码，并同时具有2种译码方式，各位可独立控制译码1不译码、消隐和闪烁等属性;具有(循环)左移/(循环)右移指令;具有段寻址指令，可方便地用来控制独立的LED显示管；HD7279A和微处理器之间采用串行接口，.其接口和外围电路比较简单，且占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域获得了日益广泛的应用。本数据采集系统不需要按键，只用到HD7279A的显示功能。显示接口电路如图3.9所示。
HD7279A一共有28个引脚，引脚连接说明如下：
VDD：正电源，接系统电源VCC。
NC：无连接，必须悬
空。
VSS：接地。
CS：片选输入端，与
单片机AT89S15的P2.4口
连接。此引脚为低电平
时，单片机AT89S52可向
芯片发送指令。
CLK：同步时钟输入
端，与单片机AT89C52的
P2.5口连接。向芯片发送
数据，此引脚电平上升沿
表示数据有效。
DATA：串行数据输
入/输出端，与单片机
AT89C52的P2.2口连接。
当HD7279A芯片接收指
令时此引脚为输入端。
KEY：按键有效输出
端。
SG-SA：段G段A驱动输出。图3.9 HD7279A显示接口电路
DP:小数点驱动输出。
DIG0-DIG7：8个LED管的位驱动输出端。本系统只使用4个LED管用以现场显示，所以只使用了DIG0—DIG3四个端口。
CLK：振荡输出端。
RC：RC振荡器终接端。其中电阻的值为1.5K。，电容的值为15PF。
ERSE：Tt复位端。接+5电源。当该端由低电平变成高电平，并保持25ms后，复位过
程结束。
3.6 报警电路
实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件通常可采用压电蜂鸣器，这种蜂鸣器只需在其两引线上加3-15V的直流电压，就能产生3KHz左右的蜂鸣振荡音响，比电研式蜂鸣器结构简单，耗电少，且更适应于在单片机系统中应用。
压电式蜂鸣器，约需10mA的驱动电流。因此，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以使用一个晶体三极管驱动。如图3.10所示是这种驱动的接口电路。
图3.10 单频音报警电路
在图中，P0.0接晶体管基极输入端，当P0.0输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器得电而鸣音；P0.0输出低电平“0”时，三极管退出导通状态，蜂鸣器停止发音。3.7串行通信电路设计
本文要求AT89S52单片机在数据采集完成后能够将采集到的数据交给上位机，由上位机进行数据的后续处理。为适应上位机处理的需要，数据采集系统应有与上位机通信的接口。单片机的通信接口分为并行接口和串行接口，在现代单片机系统中，由于串行通讯方式具有占用资源很少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯，常常用一两个端口就可以完成传输任务，所以使用越来越广泛。
一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是数据位传送，传送按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。在进行串行通信的线路连接时，通常要解决一个重要问题，就是上位机与外设之间要共同遵守的某种约定，这种约定称为物理接曰标准，包括电缆的机械特性、电气特性、信号功能及传送过程的定义，它属于ISO七层参考模型中的物理层，它规定了传送数据位的物理硬件规则、RS-232C，RS-85标准所包含的接口电缆及连接器均属于此类。
RS-232C 接口(又称EIARS-232C)的全名是数据终端设备(DET)和数据通讯设备(DCE)
之间串行二进制数据交换接口技术标准”，该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器。
由于RS-232C接口标准出现较早，难免有不尽之处，主要有以下四个缺点：
1)接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用
电平转换电路方能与竹L电路连接。
2)传输速率较低，通讯波特率的范围为0-20KbPs。
3)接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产
生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
4)传输距离有限，最大传输距离标准值为15.24m，实际上也只能用在15m以内。
针对RS-232C的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-458就是其中之一。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。Rs-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能为二加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至20解的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态。因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。基于比辣砚本系统采用RS-485标准进行通信。
3.7.1 RS-485通信总线
RS-485工业标准有许多优点，它可以在一个联机中连接多达23个接收及发送装置，连接长度更长达1200m，短距离通信速度可以达到10Mbit/s，同时RS-485收发芯片的价格较低，仅要5V电源供电，这可以大大简化系统中电源电路的设计。
根据规定，标准RS-485接口的输入阻抗为≥12kΩ，相应的标准驱动节点数为32。数据在RS-458总线上传输，为了保证传输质量和传输距离，通常需要进行总线电平转换。AT89C52的输出高低电平是5V和0V，为了满足RS-485的电平要求，需要外接接口芯片，进行电平之间的转换。接口芯片使用原理如图3.11所示。
RS-485接口传输是所谓的平衡式传输，它是指其发送是两线式的，而且这两条在线的信号是互为反相的，接收端就以这两端的电压差来反应接收到的信号，这是根据电路测量学上的差动测量原理。平衡式传输最大的优点是抵抗噪声，通常的噪声包括火花，震荡以及电磁干扰等等，若它们是从传输线进入，由于RS-485采用平衡方式的接线方法，利用差动测量的原理，这些干扰可在接收端相互抵消，因此RS-485的抗干扰能力较RS-232C高出许多。平衡式传输的另一优点是，对于每个RS-485节点的对地电压差有相当的免疫性，因为如果每个节点都相距甚远时，传输线对地的电压都有所变化，但是差动电路仅对输入线
的电压差反应，所以每个节点的对地电压不同时，RS-485仍能正常传输。
RS-485所使用的电缆线是相对便宜的双绞线，即这两条线是相互对绞在一起，这种线材可以把感应到的电磁干扰信号相互抵消掉。虽然RS-485采用5V电源供电，但是其接口上的准位却不是标准的TTL或CMOS的准位。如果将传输在线的信号称为A与B时，对输出而言，通常A与B的电压差都是5V左右，可是只要A较B高1.5V就是逻辑1，当A较B低于1.5V 时就是逻辑0。RS-485总线在长距离传输时，信号强度必然会有所下降，因此在接收端的灵敏度就要高一些，只要两根电线间的电压差超过0.2V就认定是有效准位。所以在接收端上，A较B高0.2V就是逻辑1，A较B低于0.2V时就为逻辑0。
通常在RS-485传输线两端所加的终端电阻是高频信号的“消波块”，它在终点处吸收信号，以免有反射信号再度灌回传输线。传输线是有阻抗的，而且理论上这个阻抗值与传输线的长度无关，所以不论联机的距离如何，只要我们选择的终端电阻值刚好等于该传输线的阻抗值时，就可以有效地吸收发送端的信号。
3.7.2串行通信电路设计
本系统把单片机的TXD、RXD信号通过MAX3O28芯片把TTL电平转化为R-458电平。使单片机的TXD与上位机的RXD，及单片机的RXD与上位机的TXD间接相连。同时使两机共地，从而建立两机之间的通信。
MAX3082具有故障保
护功能，工作电压+5V，波
特率为0.115Mbps，静态电
流为375μA，具有收/发器使
能、低功耗关闭模式及速率
限制功能。8引脚，半双工，
节点数256，接收器输入开
路或短路情况下保证接收
器输出为高电平，信号摆幅
限制功能。MAX3082接口电
路如图3.12所示。图3.12 MAX3082接口电路
各引脚意义如下：
RO：接收数据的TTL电平输出。
RE：低电平有效的接收允许。
DE：高电平有效的发送允许。
Dl：发送数据的TTL电平输入。
A：485差分信号的正向端。
B：485差分信号的反向端。
其中RE和DE短接，用P3.2口线来控制，这样可以做到收发的切换。这样需要由软件来控制I/O引脚的电平，以达到控制RS-485收发转换的目的。当要发送数据时,由程序控制
RE/DE变为高电平，然后UART单元发送数据，程序要等待发送完毕后，再将485芯片转换到接收状态。发送完毕的标志一般由UART的特定寄存器提供林态指示，程序需要去查询。
3.8 电源电路设计
在工农业生产和科学实践中，主要采用交流电，但在大部分电子设备中都需要使用直流电源提供能量。本次设计选用直流稳压电源做为供能设备，它主要由变压、整流，滤波、
稳压四部分构成，如图3.13所示为直流文雅电源组成图。
根据图3.13可设计直流稳压电源的电路原理图如下图3.14所示。
图3.14 直流稳压电源的电路原理图
实际上，直流稳压电源就是把交流电转换为直流电的设备，它的组成框图也就是把交流电转换为直流电的过程。其中各环节功能如下：
(1)电源变压器：将标准交流电源电压变换为符合整流需要的交流电压(一般为降压)。
(2)整流电路：利用二极管等整流器件的单向导电特性，将交流电压变换为单向脉动电压。
(3)滤波电路：滤去整流后信号中的纹波，减小整流电压的脉动程度，以适合稳压电路的需要。
(4)稳压电路：在交流电源电压波动或负载变化时，使直流输出电压稳定。
＋
U0
－
~220V
50Hz
…
…
电源变
压器
整流
电路
滤波
电路
稳压
电路
图3.13 直流稳压电源组成图
第四章软件设计
数据采集系统硬件电路确定以后，系统主要功能的实现必须通过控制程序对硬件资源进行调用，才能使整个系统协调运转完成要求的任务。系统能否正常可靠地工作，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。本系统的软件设计主要是单片机数据处理程序设计部分。本数据采集系统要求上位机通过串行接口控制单片机AT89S52采集数据并将采集到的数据交给上位机，由上位机进行后续相关的数据处理。
4.1数据处理程序设计
根据实际需要，数据处理部分需要完成的任务有:通过串行通信，接收上位机发送来的控制命令，选择需要采集的通道，并针对选定通道，采集相应的数据，进行现场显示，再通过串行通信发送给上位机。数据处理程序由判别通道、数据采集处理、数据显示、数据通信四个部分组成。首先介绍一下顶层程序设计，顶层程序设计流程图如图4.1所示。
系统上电或复位后，首先要对系统进行初始化。初始化内容:首先将以后用到的各标志
寄存器和数据寄存器赋初值，然后向显示芯片发送复位(清除)指令。最后恢复CS为高电平。系统初始化完成。系统初始化完成后，开始等待上位机发出通道采集指令，当接收到通道采集指令，单片机首先判别指令并选择通道，然后转入相应的通道处理程序。通道处理程序执行完毕后，一通过数码显示芯片进行现场数据显示，然后发送数据至上位机。上述程序执行完毕后，返回主程序。
本系统共使用9个通道，其中包括8个模拟数据采集通道0-7和1个数字数据采集通道8。当单片机接到上位机发出的通道采集指令后，读取指令，判别选通的通道后转入相应的数据采集处理子程序。通道0-7负责8个模拟数据的采集、转换。通道8则负责数字数据的采集。
循环判断数据采集通道子程序中，通过判断9个标志位，即可决定采集哪个通道。这样在用户采集数据时，只需通过上位机界面对要进行采集的通道进行选择即可。下面以第1通道为例，位地址0H为该通道的标志位，若位0H值为1，则说明要采集第1通道。采
集第1通道时，单片机需要对TLC0838发送多路器(模拟开关)地址选择指令,从而多路器就选择了通道1进行采集。
4.2数据采集处理
8个模拟数据采集通道0-7任一通道选通，置AD转换芯片TLC0838的CS引脚为低，
使所有逻辑电路使能；完成转换器初始化。接着置Array CLK引脚为高，接收时钟，首个位为l(起始位)。在
每个时钟的上升沿，由单片机输出的多路器地址通
过Dl端移入多路器地址移位寄存器。多路器地址
选择模拟输入通道。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，选中AD转换的通道。然后转换的数据1位
1位的传送过来(最高位在前)。通过上述过程扩就实
现了数据从模拟量到数字量的转换了。之后进行数
据处理，包括滤波和十进制转化，然后查表把数据
变成字型码，用于显示，程序流程图如图4.2所示
数据处理主要包括数字滤波、十进制转化和查表。
图4.2 A/D转换子程序流程图
读出数据后，要进行数字滤波，目的是将采集数据通过数字陷波器滤掉50Hz 的工频干扰。具体做法是将在1s内采样n次的A/D转换结果求算术平均(n为整数且n>2)，采样频率可通过延时子程序来确定。
本系统硬件设计时己使水位在0m时对应的转换值为0mV，而100m时对应的转换值为200mV，所以只要把转换值除以2，就可以得到实际温度值。除以2后，用其余数来判断小数点之后的值。如果余数为1，则小数点后一位为5，如果余数为0，则小数点后一位
为0。这样变化后，整数部分在0到10之间变化。然后进行十进制转换，具体做法是将十六进制的转换值除以10，余数为转化后的个位，然后再除以十，余数为转化后的十位。
4.3数据显示
数据显示子程序用于现场数据显示。本系统所使用的显示芯片是HD7279A。先介绍其工作方式。首先置低CS，然后微处理器发出16个CLK脉冲，前8个向HD7279A传送8位指令；后8个HD7279A传送8位数据。DATA引脚为高阻状态。译码时数据和显示的关系如表2所示。
4.4报警程序设计
实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件通常可采用压电蜂鸣器，这种蜂鸣器只需在其两引线上加3-15V的直流电压，就能产生3KHz左右的蜂鸣振荡音响，比电研式
蜂鸣器结构简单，耗电少，且更适应于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器，约需10mA 的驱动电流。因此，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以使用一个晶体三极管驱动。报警程序设计如图4.4所示
图4.4 报警程序流程图
4.5数据通信
数据通信子程序SENI用于AT89S52与上位机间的数据通信。首先置高MAX3082d的RE引脚，使MAX3082进入接收状态，然后置高Dl引脚，电平输入端口进入工作状态，待到数据接收完毕，调用SEND子程序向上位机发送数据。发送完毕后，清除RE返回主程序。数据通信框图如图4.5所示。
图4.5 数据通信子程序流程图
第五章系统的抗干扰及可靠性设计
5.1电磁干扰对系统的干扰
基于单片机的数据采集系统的可靠性是由多种因素决定的，其中系统的抗干扰性能是系统可靠性的重要指标。这种应用系统在工业现场使用时，大量的干扰源虽不能造成硬件系统的损坏，但常常使数据采集系统不能正常运行。致使控制失灵，造成重大事故。因此，基于单片机的数据来集系统的可靠性也越来越为人们所重视。
(1) 数据误差加大
干扰侵入系统的前向通道，叠加在信号上，致使数据采集误差加大。特别是前向通道的传感器接口是小电压信号输入；此现象就更加严重。
(2) 控制状态失灵
本设计中的数据采集系统预留了一些端口做为控制端。系统的控制状态的输出常常是依据某些条件状态的输入和条件状态的逻辑处理结果。在这些环节中，由于干扰的入侵，会造成条件状态的输入误差，致使输出控制误差加大，甚至控制失常。
(3 )数据受干扰发生变化
系统中的RAM由于是可以进行读/写操作的，因此，就有可能在干扰的侵害下，使RAM 中的数据发生篡改。
(4 )程序失常
系统受强干扰后，造成程序计数器值的改变，破坏了程序的正常运行。而程序计数器的值被干扰后的数据是随机的，可能会引起程序混乱，在程序计数器值的引导下，程序将执行毫无意义的指令，最后进入一个毫无意义的死循环。
5.2系统抗干扰设计
针对5.1所述的后果，在本系统中采用了一些必要的抗干扰措施，下面介绍这些抗干扰措施。
(1)去藕电容的配置
①源的输入端跨接100μF电解电容。
②AT89S52单片机电源输入端和接地端跨接一104瓷片电容，其他集成电路芯片跨接一103瓷片电容。
(2)地线及电源线设计
模拟地和数字地分开，这样可以减少模拟电路和数字电路间的干扰。
①粗接地线。接地线越细，其内阻也就越大，那么接地电位则会随着电流的变化而变化，从而导致单片机的定时信号的电平不稳，抗噪声的性能变坏。所以在设计的时候，应尽量加粗接地线。在本系统中选用的地线宽度最细为40mil。
②地构成闭环路。当印刷板上有很多集成电路，尤其遇有耗电大的元件时，受到线条粗细的限制，地线产生电位差，引起抗噪声能力的下降，若成环路，则差值会缩小。
③源线的布线除了要根据电流的大小，加粗导体宽度外，尽量使电源线、地线的走向与数据线方向一致，将有助于增强数据采集系统的抗干扰能力。原则上电源线越宽越好，但是由于其他原因的限制，本系统电源线最细为40mil。
(3)数字滤波
数字滤波，即通过一定的计算程序，对采样信号进行平滑加工，来消除或减少各种干扰和噪声，提高信噪比，以保证数据采集系统的可靠性。
数字滤波器与模拟RC滤波器相比，具有如下优点：
①无需增加任何硬件设备，字滤波程序即可。只要在程序进入数据处理和控制算法之前，附加一段数字滤波程序即可
②由于数字滤波器不需要增加硬设备，所以系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。
第六章总结
本次所设计的水位自动监测系统主要包括以下几个内容：
多点水位数据采集：具有自动检测水位等功能，可根据需要进行定时检测、选点检测和巡回检测；水位数据传输：采集的数据进行远程传输，需要解决远程传输数据不稳定和有干扰等影响；水位数据分析：通过单片机进行数据分析，然后将数据传输到LED和报警器，进行数据显示或报警；水位数据显示：根据传回的数据通过LED显示；水位预警：根据水位实测值与人工设定的超限制或相关数据模型进行对比分析，若实测值超过设定的范围，则语音报警。
水位自动监测系统采用超声波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。
目前有些水位监控仪在运行过程中存在着一些问题，如：系统不稳定、抗干扰能力差、精度低、输出控制或显示信号不满足要求、现场更改程序或程序升级麻烦及通信能力差等。
由于本文的设计还存在很多问题，比如采用的RS-485，安装和维护都是一个比较大的工程，如果采用现场总线技术，其总线开放、互操作性强、可靠性高、通信速度搞，通信距离更远，及点数多等。单片机的选用也有点落后，可以选用更新的。
谢辞
本论文是在谢峰云老师的亲切关怀和精心指导下完成的。谢老师知识渊博，治学严谨，因人施教，平易近人，令我深受教诲。
在论文的设计过程中，谢老师对我严格要求，每一步设计工作都亲自把关。尤其在器件对比选择，电路图的设计和软件的设计上，我遇到了很多的困难，每一次谢老师都耐心讲解，深入浅出，不厌其烦，保证了本论文设计工作的顺利进行。在论文写作中，谢老师要求我做到结构合理，层次清晰，表达明了。并在百忙之中对我的初稿进行了很多次的修改。值此论文完成之际，向谢老师致以衷心的感谢和崇高的敬意！同时，还要特别感谢本专业老师对我们的大力帮助。
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附录A 外文翻译－原文部分：
SENSOR SIGNAL CONDITIONING USING FIELD PROGRAMMABLE ANALOGUE ARRAYS (FPAA)
ABSTRACT
Field Programmable Analogue Array (FPAA) is a new analogue design system. This paper introduces the application of FPAA in the signal conditioning of the temperature sensors. The major signal conditioning tasks undertaken are linearization, amplification and offset removal. Signal conditioning is very important for developing a sensor with good performance. Although there are many techniques for the signal conditioning, using FPAA has some significant advantages compared with the traditional methods. In this paper, the design, simulation and measurement results of sensor conditioning circuit using the second-generation FPAA will be presented. The results obtained show that FPAA can provide an easy, convenient and reliable way for the signal conditioning of temperature sensor .
1 INTRODUCTION
Sensors are widely used in process control, automation, data acquisition, test equipment, instrumentation and communication systems. All the sensors properties are influenced by temperature, dirt and other environmental parameters. Therefore some data processing circuits are usually integrated with the sensor units depending on the requirements. Sensor signal conditioning can be defined as the manipulation of the output signal of a sensor, probe or transducer including signal conversion, attenuating, amplifying, filtering and linearising. linearising 。Signal conditioning of any analogue signal is required when the output signal is not up to the level or form in which it is required by the system. Previous techniques of sensor signal conditioning using discrete circuits have major disadvantages such as lack of precision due to component tolerances and mismatches; techniques developed did not support complex functions and signal conditioner developed was confined to the specific sensor and cannot be used for multiple sensors.
The main challenge for the sensor signal conditioning is to develop a system that can easily modify the sensor output as required with good accuracy and linearity. Using FPAA can achieve this purpose. FPAA introduces a radical software-centric approach to analogue circuit design where easy-of-use is a major feature. The technology has the econfiguration flexibility,allowing complete analogue signal conditioning/processing systems to be integrated using a Graphical User Interface (GUI). Because FPAA is programmable and reconfigurable, just one device can
provide multiple sensor conditioning circuits under the real-time control of a digital microprocessor. Sensor signal linearisation, offset compensation, calibration, and signal modulation circuits can now be implemented in minutes on a drift-free integrated silicon platform.
2 SYSTEM DESIGN
The system design challenges include sourcing stable references and stimulus; multiple sensors with differing signal conditioning needs, methods of calibration and maintenance and manufacturing considerations.
FPAA can provide the sensor signal conditioning with an alternative solution. FPAA ，Design of the system using FPAA involves: (1) Amplification, offset removal and linearization of the signals from sensors; (2) Simulation using FPAA software before using the circuits for real time system; (3) Interfacing the Sensor system with the FPAA; (4)Carrying out test in order to condition the signal obtained from different Sensors. The FPAA was the heart of the whole system which takes the input signal that was initially converted from the physical signal by the sensors. The basic purpose of the system was to manipulate the sensor signal into a signal that was appropriate for any control system. The FPAAs that are used is Anadigm's AN220E04 which is also called as “Dynamically Reconfigurable FPAA”. As the signal passes through the FPAA, the offset is firstly removed, and then the signal is amplified and filtered. Thus by using the FPAA signal conditioning the sensor signal with higher precision can be achieved.
Figure 1 System block diagram of FPAA sensor signal conditioning
Figure 1 shows a system block diagram of FPAA sensor signal conditioning. The main features of the system are:
(1) Performance: The system should accept the voltage signal from the temperature sensor interfaced to the FPAA and process it accordingly depending on the specific feature selected among the different signal conditioning tasks. The system should convert the sensor output signal into a good quality signal that has been amplified, linearised and can be directly fed to a
control system. The FPAA should also provide a predictable and a stable stimulation to the sensors interfaced to it.。
(2) Power supply: +5 volts.
(3) Sensors: The sensors used for signal conditioning are two different types of temperature sensors ,specifically thermistor based and thermocouple based temperature sensors.
(4) Input: The input to the FPAA system is the signals obtained from the temperature sensors. The signals from the two different sensors are as follows:
(a) Signal from thermocouple: The output signal from the thermocouple is a voltage signal
that in turn corresponded to the change in temperature and is directly fed to the FPAA in addition with a couple of resistors to provide a common mode bias signal.
(b) Signal from thermistor: The resistance obtained from the thermistor terminals
corresponds to the change in temperature. In order to convert the resistance obtained into a voltage signal a wheatstone bridge is constructed so that the signal can be fed to the FPAA and serve as the input signal to the FPAA.
(5) Process: The process basically involved the conversion of the sensor signal to a level that could be directly connected to a control system. The whole process of signal conditioning involves offset removal, amplification, filtering and linearization.
The design procedure for the system is as follows:
(1) Design the circuits with required functions in FPAA using FPAA software and various Configurable Analogue Modules (CAMs);
(2) Simulate the designed circuits using FPAA software to view the performance of system;
(3) Download the designed circuits to the FPAA development board, interface the sensor signal and test the real system.
3 SYSTEM IMPLEMENTATION
The implementation of system involves the selection of the sensors and the design of the circuits in FPAA (AN220E04).
3.1 Selection of the sensors
The first task involved in the implementation of the design is to find the suitable sensors that exhibit the characteristics required for interfacing it to the FPAA and easily allow the successful signal conditioning using the FPAA.
The sensor parameter that is particularly selected for signal conditioning is temperature. The next step for selecting the sensors is to select them from the different available categories. Thermocouple and thermistors are selected as the output signals from them need amplification and linearised. As can be seen, the purpose of the design can be easily defined and proved by using these two sensors.
(1)Selection of thermocouple
Thermocouples provide an economic means of measuring temperature with many practical advantages, they are extremely robust, capable of measuring over a very wide temperature ranges and very easy to install. For convenience two thermocouples are selected: Bayonet Type J (RS 219-4747) and Type K (RS 290-5042). The main features and specifications of these two thermocouples can be found in their data sheets .
(2)Selection of thermistor
A thermistor is an electronic component that exhibits a large change in resistance with a change in its body temperature. The thermistor that was selected is the PT100 type (RS 376-1477). The sensor contains a Positive Temperature Coefficient (PTC) and is platinum temperature sensor. The resistance of the sensor can be taken directly to a controller. In order to measure the resistance or specifically the change in temperature two terminals are given which can be connected to a device measuring resistance or to a wheatstone bridge to convert the resistance to a voltage signal.
3.2 Design of the circuits using FPAA software
This section describes the steps for designing sensor signal conditioning circuits by using FPAA software: AnadigmDesigner2?. The design is divided into two steps: (1) Gain requirements; (2) Linearization.
(1)Design of the signal conditioning circuits for thermocouple
(a) Gain requirement for thermocouple
The gain required for a thermocouple is defined by the temperature range required and the sensitivity of the thermocouple. To achieve perfect results, the thermocouple voltages requires to be amplified before any further signal conditioning is done. In order to prevent the amplifier to go into saturation due to offset voltages a Chopper amplifier is used as the input cell.This technique can achieve gains up to 128 with very little offset at the output signal.The chopper clock frequency is set to 125 kHz and the clock frequencies for all other CAMs are set to 250kHz. The Chopper output is filtered by using the FilterBiquad CAM, and then connected to a GainHold CAM which can provide a high quality output signals with automatic offset compensation.Fig.2(a) shows the gain requirement circuit for the thermocouple. It is necessary to set the gain for the chopper amplifier to 64 or less than that for optimal performance of the
circuit.
Figure 2 Signal conditioning circuits for thermocouple
(b) Thermocouple linearisation
A typical thermocouple response for temperature versus voltage relationship is nonlinear, which means that the output voltage is not ideally proportional to the input temperature. In order to calculate the temperature the thermocouple voltage requires a Look-Up Table, or analogue linearization technique.FPAA software provides a built in Look-Up Table with 256 values. The Transfer Function CAM in FPAA chip has a 256 value Look-Up Table, therefore it is the important block in building the linearisation circuit for the thermocouple. The Transfer Function CAM is used to generate an analogue voltage in accordance with the change in temperature being sensed.The CAM uses an internal ADC to digitise the input signal, which uses the 8-bit digital word as the address for a Look-Up Table.The 8-bit data word from the Look-Up Table is converted back to an analogue output voltage signal. The content of the Look-Up Table is user defined. The Transfer Function CAM can be used to take an input value and return back a linearised output value.
In order to achieve the linearisation technique it is necessary to use a SumDiff CAM with the Transfer Function CAM. A “straight line” transfer function is provided by the lower input of the SumDiff CAM, and the Transfer Function CAM provides the required perturbations from the “straight line”. The gain circuit designed in the previous stage is included in the linearis ation circuit with some added CAMs with programmable DC shift. In this case a voltage CAM is added to generate +3V constant voltage and is scaled using the lower input of the SumDiff CAM added to the filtered copper signal. A complete thermocouple linearisation circuit, shown in Fig.2(b), is realised by above designed CAMs such as Transfer Function and gain as well as the circuit to maximise the dynamic range.
(2)Design of the signal conditioning circuits for thermistor
The design procedure of the signal conditioning circuits for a thermistor is similar to that for the thermocouple discussed in 3.2.1. The realised circuits are shown in Fig.3, where (a) is the gain requirement circuit, and (b) the linearisation circuit.
Figure 3 Signal conditioning circuits for thermistor
4. SIMULATION AND MEASUREMENT RESULTS
The circuits shown in Fig.2 and 3 can be simulated by using FPAA software, and downloaded to the FPAA development board for practical measurement. The simulation and practical measurement have been carried out for the linearisation circuits for the type J and K thermocouples because the linearisation circuit provides the gain requirement result.
The simulation and practical measurement results for the type J thermocouple are shown in Fig.4,(a) shows the simulation result, and (b) the measurement result. In both of the results, the upper line indicates the circuit output voltage, and the lower line indicates the thermocouple output voltage.
(a) (b)
Figure 4 The simulation and measurement results for the type J thermocouple
5 CONCLUSIONS
Using the FPAA software to design the circuits for different applications of the sensors can provide a simple implementation of complex functions and help in rapid prototyping and testing. The signal conditioning of the sensor is under the real time control and with high precision. Clearly, using the FPAA can obtain an easy and convenient way for signal conditioning of the temperature sensors. The circuits developed in AN220E04 provide high gain, high linearity and high accuracy for temperature Sensors.
附录B 外文翻译－译文部分
传感器信号调理应用现场可编程模拟阵列(FPAA)
摘要
现场可编程模拟阵列（FPAA ）是一种新的模拟设计系统。本文介绍了FPAA的应用中温度传感器的信号调节。主要信号调理任务是进行线性化，扩增和抵消清除。信号调理对发展具有良好的性能的传感器是非常重要的。虽然有许多方式的信号调理，与传统的方法比较使用FPAA有一些重要的优势。在本文件中，使用第二代FPAA设计，模拟和测量结果的传感器调理电路将实现。结果表明，FPAA可以对温度传感器的信号调理提供一种简单，方便，可靠的方式。
1 导言
传感器被广泛应用于过程控制，自动化，数据采集，测试设备，仪器和通讯系统。所有的传感器性能都会受到温度、灰尘和其他环境参数的影响。因此，有些数据处理电路通常是根据规定的要求结合传感器单位。传感器信号调理可以被界定为操纵的输出信号的传感器，探测器或传感器包括信号转换，衰减，放大，滤波和整形。信号调理任何模拟信号时，需要的输出信号是没有达到的水平或形式，它是所要求的系统。前技术的传感器信号调理电路采用分立的主要缺点，如缺乏准确性由于部分公差和错位；技术开发不支持复杂的功能和信号调节良好性能只限于特定的感应器，并不能用于多个传感器。
传感器的信号调理面临的主要挑战是建立一个系统，可以很容易地修改传感器的输出，要求具有良好的精度和线性度，使用FPAA可达到这个目的。FPAA介绍了一种先进的软件为中心的方法来模拟电路的设计，易于使用的是一个主要特点。这项技术的重新配置的灵活性，允许完成模拟信号空调/处理系统，以综合使用的图形用户界面(GUI)。因为FPAA可编程和重构，只需一台设备可以提供多个传感器调节电路的实时控制的数字微处理器。传感器信号线性，抵消补偿，校准和信号调制电路，现在可以实施分钟漂免费集成芯片平台。
2系统设计
传感器信号调理系统的设计挑战包括采购稳定参考信号和响应；，多个传感器信号调理的需求不同方法的校准和维修制造的考虑。FPAA 能提供传感器信号调节的替代解决方
案。系统设计使用FPAA包括：(1) 传感器信号的放大，抵消漂移和线性；(2)使用FPAA 仿真软件，才能使用的电路实时系统；(3) 传感器系统与FPAA的接口；(4)进行测试，以条件的信号不同的传感器。
该FPAA的核心是整个系统考虑传感器的输入信号从最初的物理信号的转换。其基本目的是为了操纵系统的传感器信号转换成一个信号，也是适当的任何控制系统。该FPAAs 所使用的是Anadigm的AN220E04，这也是被称为“动态重构FPAA”。当信号经过FPAA 时，首先删除漂移，然后筛选和放大信号。因此使用信号具有较高精度的FPAA信号调理传感器是可以实现的。
图1 FPAA传感器信号调理系统方框图
图1显示FPAA传感器信号调理系统方框图。系统的主要特点包括：
(1)性能：该系统应接受电压信号的温度传感器连接到FPAA和进程取决于相应的具体特点选择不同的信号调理任务。该系统应转换传感器输出信号转换成高质量的信号，表明已放大，线性化，可以直接连接到控制系统。该FPAA还应提供一个可预见的和稳定的信号传感器连接到它。
(2)电源：5伏特。
(3)传感器：传感器用于两种不同类型的温度传感器的信号调节。特别是热敏电阻和热电偶的温度传感器的基础。
(4)输入：输入的FPAA系统是温度传感器的信号。信号从两个不同的传感器如下：
(a)信号热电偶：从热电偶的输出信号是一个电压信号，从而符合温度的变化，并直接向FPAA与一对电阻器来提供了一个共模偏差信号。
(b)信号热敏电阻：电阻从热敏终端对应温度的变化。为了转换成一个阻力获得电压信号惠斯登电桥的建造，使信号可以连接到FPAA提供服务，并作为输入信号FPAA 。
(5)过程：这个过程基本上涉及转换的传感器信号的水平，可直接连接到一个控制系统。全过程的信号调理涉及抵消删除，放大，滤波和线性。
设计程序的制度如下：
(1)设计的电路功能的FPAA需要使用的软件和各种FPAA 配置模拟模块（分子）；
(2)模拟电路设计使用的软件，以查看FPAA的性能系统；
(3)下载设计FPAA的电路扩展卡，传感器信号界面和真正的测试系统。
3 系统实现
实施系统涉及到的传感器选择和电路FPAA(AN220E04)的设计。
3.1 传感器的选择
参与执行的设计第一项任务是要找到合适的传感器，扩展需要的特性的接口给FPAA，轻松地让FPAA的信号调理成功使用FPAA。传感器的参数，特别是选择信号调理的温度。下一步选择从不同的可用类别选择传感器。选定热电偶，热敏电阻的输出信号，它们需要扩增和线性。可以看出，其设计的目的可以很容易地定义，并通过使用这两种传感器证明。
(1)选择热电偶
热电偶提供经济手段测温与许多实际的优势，它们非常强大，能够测量了非常广泛的温度范围，非常容易安装。为方便起见，两个热电偶选择：刺刀式J型(斯普斯卡219-4747)和K型(斯普斯卡290-5042)。
(2)选择热敏电阻
热敏电阻是一个电子元件,展品大改变电阻改变其温度。热敏是选定的是PT100型(斯普斯卡376-1477)。该传感器载有正温度系数(PTC公司)，是铂温度传感器。传感器的电阻可以直接与控制器连接。为了衡量阻力或具体温度的变化有两个终端可以连接到一个测电阻设备或惠斯登电桥的电阻转换为电压信号。
3.2使用FPAA软件设计电路
本节描述的步骤进行设计传感器信号调理电路使用FPAA软件：AnadigmDesigner2 ?。设计分为两个步骤：(1)增益的要求；(2)线性。
(1)信号调理电路的热电偶的设计
①增益要求热电偶
增益所需的热电偶所定义的温度范围内所需的热电偶灵敏度。为了实现理想的效果，热电偶电压要求的任何进一步扩增前进行信号调理。为了防止放大器由于抵消电压进入饱和状态放大器用作输入。这种技术能够实现收益多达128个很少抵消在输出信号。系统的时钟频率设置为125千赫和时钟频率的所有其他分子设定为250kHz。斩波输出过滤使用filter二阶制造，然后连接到一个增益保持机构可以提供高品质的输出信号自动补偿损失。图2(a)所示为热电偶增益要求的电路。有必要将增益设定为斩波放大器，以64或低于64实现最佳性能的电路。
②热电偶线性
一个典型的热电偶温度响应与电压的关系是非线性的，这也就是说，输出电压与温度的输入不理想成正比。为了计算热电偶的温度电压需要一个查找表，或模拟线性化方法。FPAA软件提供了一个建立在256价值查找表。传递函数CAM在FPAA芯片有256价值查找表，因此它是建设热电偶线性电路的重要的区块。CAM的传递函数是用来生成一个根据温度的变化而感觉到的模拟电压。CAM的使用内部的ADC数字化的输入信号，它使用
8位数字字的地址作为一个查找表表。8位数据字从查找表转换回模拟输出电压信号。查找表的内容是用户定义的。CAM的传递函数可用来采取输入值和返回线性值。
(a) (b)
图2 热电偶的信号调理电路
为了实现线性技术，有必要使用SumDiff制造转移CAM的功能。一个“直线”传递函数提供了低投入SumDiff 制造和传递函数制造提供了必要的扰动从“直线”。增益电路设计在前一阶段已列入线性电路的一些补充分子与可编程直流转变。在这种情况下的电压CAM 产生+3伏电压的增加和扩大使用较低的投入SumDiff制造添加到过滤信号。一个完整的热电偶线性电路，如图2(b)所示，是实现上述目的的分子，如传递函数和增益以及电路尽量动态范围。
(2)热敏电阻信号调理电路的设计
设计热敏电阻的信号调理电路的程序是类似的热电偶讨论3.2.1。电路的实现如图3所示，其中(a)是增益要求电路，以及线性电路(b)。
4 模拟与测量结果
电路中显示图2和3可以模拟使用FPAA软件，并下载到FPAA发展局的实际测量。仿真和实际测量已开展为线性集成电路的J和K型热电偶，因为线性电路提供增益要求的结果。J型热电偶的仿真和实际测量结果如图5所示。在图5中(a)表示仿真结果，(b)为测量结果。在这两种结果，上部行指示电路的输出电压，以及较低的线表示热电偶输出电压。
(a) (b)
图3 热敏电阻的信号调理电路
(a) (b)
图4 J型热电偶的模拟和测量结果
5 结论
使用FPAA软件设计不同的应用电路的传感器可以提供一个简单的执行复杂的功能，并帮助快速原型设计和测试。该信号调理传感器下的实时控制和精度高。显然，使用FPAA 可以对信号调理的温度传感器得到一个简单方便的方式。集成电路开发AN220E04提供高增益，高线性度和高精度温度传感器。
附录C总体接线图
附录D 主要源程序1.A/D转换子程序
CS BIT P1.0 ;TLC0838的CS连接于P1.0
DI/DO BIT P1.1 ;TLC0838的DI/DO连接于P1.1 CLK BIT P1.2 ;TLC0838的CLK连接于P1.2 DAT BIT P2.2 ;HD7279A的DATA连接于P2.2 KEY BIT P2.3 ;HD7279A的KEY连接于P2.3 CS BIT P2.4 ;HD7279A的CS连接于P2.4 CLK BIT P2.5 ;HD7279A的CLK连接于P2.5 ORG000H
JMPSTART
ORG100H
START:初始化
MOV SP，#60H 定义堆栈
MOV P2，#11011011B I/O口初始化
MOV TIMER，#50 延时约25ms
2.动态扫描显示子程序
DIR：MOV R0, #7AH ;指向显示缓冲区首址
MOV R3, #01H ;从右边第1位开始
MOV A, #00H ;取全不亮的控字
MOV R1,#BITPORT ;指向位控口
MOV @R1, A ;瞬时关显示
LDl：MOV A, @R0 ;取出显示数据
MOV DPTR, @#DSEG ; 指向显示段码表首址
MOVC A, @A+DPTR ; 查显示段码表
MOV R1, #SEGPORT ;指向段码口
MOVX @R1, A ;输出显示段码
MOV R1, #BITPORT ;指向位控口
MOV A, R3 ;取位控字
MOVX @R1, A ;输出位控字
LCALL DELY ;延时1ms
INC R0 ;指向下一个缓冲单元
JB A.3, LD2 ;已到最高位则返回
RL A ;不到，向显示器高位移位
MOV R3, A ;保存位控字
SJMP LD1 ;循环
LD2: RET
DSEG: DB C0H，0F9H，0A4H，0B0H，99H，92H，82H ;显示段码表DB F8H，80H，90H，88H，83H，0C6H，0A1H
DB 86H，84H，0FFH
3.控制报警电路连续鸣音30ms的控制子程序的清单
SND: SETB P0.0 ；P0.0输出高电平、启动鸣音MOV R7, #1EH ；延时30ms
DL: MOV R6, #0F9H
DL1: DJNZ R6, DL1 ；小循环延时1ms
DJNZ R7, DL
CLR P0.0 ；P0.0输出低电平，停止鸣音
RET
4.下面是单片机串行通信程序设计：
SENT SETB RE ;置高RE，使MAX08332进入接收状态SETB DI ;置高DI，电平输入端口进入工作状态
LCALL SEND ;发送数据
CLR RE ;清除RE，使MAX08332进入待机状态
RET