基于单片机的水位测量计的设计（含全图、程序）.doc

毕 业 设 计 论 文题目： 水位测量计的设计系 别： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 年 月 日摘 要随着计算机技术和现代通信技术的迅速发展，水位测量计已经从普通型对讲发展到智能化，而且水位测量计的功能日益趋向于完善，然而水位测量计的许多相关理论与技术仍在不断发展。水位测量计是近年来开发的一项新技术，它是传感器、硬件、软件等几项技术紧密结合的产物，作为锅炉控制装置，其主要任务是保证水罐的安全、稳定、经济的运行，减轻工作人员的劳动强度。采用单片机，能对锅炉进行自动检测、自动控制等多项功能。由于我国水位测量操作水平落后，工作人员过多，但是现在水位测量计为水位控制开辟了广阔的前景。 水位测量计，它的作用是观测和控制容器内的介质多少量，通过液面的高度来掌握体积的多少，从而达到防止超装和掌握存液数量的目的。对水位测量计研究，有利于满足人们日益增长的物质需求，通过将科学技术应用到水位控制上从而使得人们真正体会到科技的发展给自己的现实生活所带来的方便和舒适。关键词：单片机 水位 传感器Abstract：Along with the computer technology and Modern Communication Technologys rapidly expand, the water level survey meter already to said from the popular type develops the intellectualization, moreover the water level survey meters function tends to day by day the consummation, however water level survey meters many correlation theories and the technology unceasingly were still developing. The water level survey meter is a new technology which the recent years developed, it was the sensor, the hardware, the software and so on several technical close union product, as the boiler control installment, its primary mission was guaranteed that watering cans security, stable, economical movement, reduced staffs labor intensity. Uses the monolithic integrated circuit, can carry on the automatic detection, the automatic control to the boiler and so on many functions. Because our country water level survey operational level is backward, the staff are excessively many, but the present water level survey meter opened the broad prospect for the water monitor. The water level survey meter, its function is in the observation and the control vessels medium are much few, grasps the volume highly through the liquid level how many, thus achieves prevents the ultra attire and grasps saves the fluid quantity the goal. To the water level survey meter research, is advantageous satisfies the material needs which the people grow day by day, through applies the science and technology in the water monitor, thus causes the people to realize truly the science and technology the development convenient which and the comfort brings for own real life.Keywords:Monolithic integrated circuit Water level Sensor 目 录1 引言11.1 选题的目的意义11.2 应解决的主要问题11.3 国内外发展现状12 设计方案的确定33 硬件设计53.1 传感器的选择53.1.1 传感器的概述53.1.2 传感器类别的选择63.1.3 传感器型号的选择83.2 A/D转换器的选择113.2.1 A/D转换器的主要技术指标113.2.2 A/D转换器的类别的选择123.2.3 A/D转换器型号的选择133.2.4 ADC0809芯片的引脚功能153.3 单片机选择193.3.1 单片机的简介193.3.2 8051芯片引脚203.3.3 存储器223.4 复位电路和时钟电路的设计243.4.1 复位电路设计243.4.2时钟电路选择253.5 报警电路设计263.6 控制电路的设计273.7 键盘显示电路设计273.7.1 键盘电路简介273.7.2 键盘电路的分类283.7.3 8155的结构与引脚293.7.4 矩阵式键盘电路简介303.8 显示电路设计313.8.1 显示器件的选择313.8.2 驱动芯片的选择313.8.3 MC14499芯片简介323.8.4 LED驱动芯片MC14499343.9 集成稳压器电路353.9.1 集成稳压器电路简介353.9.2 W7805芯片简介353.10 电源监控器件364 软件设计384.1 程序模块384.2 程序流程图384.2.1 主程序流程图384.2.2 A/D0809转换程序流程394.2.3 键盘扫描子程序394.2.4 键盘显示子程序的设计41总结42参考文献43致 谢44附录A45附录B4663河南城建学院本科毕业设计（论文） 引言1 引言1.1 选题的目的意义随着计算机技术和现代通信技术的迅速发展，水位测量计已经从普通型对讲发展到智能化，而且水位测量计的功能日益趋向于完善，然而水位测量计的许多相关理论与技术仍在不断发展。本次设计的就是水位测量计研究的一个课题。水位计也叫“液位计”或“液面计”。因锅炉里的水在高温时汽化供暖，水和汽的损耗较大，要不断地补充水，使锅炉里的水位保持一定的高度，水位过低，锅炉就有爆炸的危险。为了随时了解锅炉内的水位，在锅炉上都装有水位计，水位计和锅炉构成一个连通器。常用的有玻璃液位计、压强液位计、浮标液位计、电容液位计及电阻液位计等。在高温和高压下，也可采用同位素液位计。 水位计产品多种多样，其中以玻璃管液位计和玻璃板液位计使用的最多，玻璃管液位计又因材质的不同分为普通玻璃管液位计和石英玻璃管液位计，二者是有区别的。本人之选题水位测量计，具有如下目的意义：通过查阅资料可以了解当前行业前沿的水位测量计技术及产品发展状况。培养自己将所学的知识与现实相联系的能力。水位测量计，它的作用是观测和控制容器内的介质多少量，通过液面的高度来掌握体积的多少，从而达到防止超装和掌握存液数量的目的。对水位测量计研究，有利于满足人们日益增长的物质需求，通过将科学技术应用到水位控制上从而使得人们真正体会到科技的发展给自己的现实生活所带来的方便和舒适。1.2 应解决的主要问题本设计主要解决传感器的选择、硬件电路的设计和软件程序的设计。其所能达到的技术指标为可以对水罐水位信息进行采集。通过单片机控制，使水罐水位水位维持在正常的范围内。具有键盘显示功能。具有报警功能当水位超过上限或下限时，能及时报警。对水位进行控制的功能。对整个电路有一个专门提供电源的基准电压回路。对电源进行监控的电源监控器件。1.3 国内外发展现状2009-2010年中国容器液位测量计产业专题调查分析报告中指出中国容器液位测量计市场分析报告立足于容器液位测量计市场发展现状分析，通过对容器液位测量计行业环境、容器液位测量计产业链、容器液位测量计市场供需、容器液位测量计价格、容器液位测量计生产企业的详尽分析，以使企业和投资者达到对容器液位测量计产品市场发展现状的全面、深入掌握；同时为使企业和投资者把握容器液位测量计未来的市场发展趋势，单位还对容器液位测量计行业未来发展趋势和市场前景进行科学、严谨的分析与预测；另外在投资分析部分，针对企业投资决策依据进行了重点分析，并综合给出投资建议。目前国内外液位计的种类很多，有雷达液位计、磁性浮子液位计、石英管液位计、智能雷达液位计、彩色石英管液位计和超声波液位计等等。而生产液位计的公司有美国罗斯蒙特ROSEMOUNT、德国E+H、日本横河YOKOGAWA、德国西门子SIEMENS、瑞士ABB、德国VEGA 。这些只是常用而较热门的品牌。河南城建学院本科毕业设计（论文） 设计方案的确定2 设计方案的确定数据采集系统主要是指这样的系统，它具有将模拟量（例如 温度、压力、位移、语音、图像等）变为数字量，然后经计算机进行适当的处理后，再配以显示、记录等功能。典型的数据采集系统框图如图2.1所示，图中各单元的功能如下：被测物理量传感器放大，整形，滤波A/D转换器单片机控制设备显示设备报警设备变送器2.1 典型的数据采集系统框图被测物理量：主要是指非电的物理量，例如工业控制中的温度、压力、流量、水位等。传感器：将输入的物理量转换成相应的电信号输出，实现非电量到电量的变换。传感器的精度直接影响到整个系统的性能，所以是系统中一个重要的部件。放大，整形，滤波：传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量，通常要进行放大，特性补偿，滤波等环节的预处理来完成。A/D转换器：实现将模拟量转换成数字量，常用的是并行比较型、逐次逼近式、积分式等。单片机：目前的数据采集系统功能和性能日趋完善，因此主控部分一般都采用单片机。显示设备：常用的显示器有发光二极管、7段数码管等。控制设备：一般有按键控制，具有设定，确定等功能。报警设备：当所测的信号超出了设定值，应该通知工作人员进行处理的设备，一般有声光报警等。综上所述，设计数据采集系统时在硬件方面的工作主要是根据系统要求，合理选好个单元器件及互相连接，以及完成输入、输出的设计。而数据采集系统的软件设计是根据系统要实现的功能，经接口对各个部分进行控制；对模拟多路输入通道的选择以保证选择正确的通道；在正确的时刻取样和保持以使ADC能正确完成转换；对输入的数字信息进行运算处理以及显示、记录和传输，对信息格式可能还要做变换工作，这些基本上都是通过编程来实现。基于上述的考虑本设计的整体思路如下:以MCS-51系列单片机为核心开始设计，选用合适的液位传感器对水罐中的液位参数进行测量把检测到的模拟信号转换成电信号。本次设计采用的是变送器，它可以直接把液位信号转化成标准的电信号，而不需要放大、整形、滤波等。对该电信号通过模数转换把模拟信号转换成数字信号。模数转换器A/D与单片机相连，由I/O端口输入到单片机，由单片机对其进行监测和控制。在控制电路的控制下，最后经过输出端口单片机与显示电路相连通过所编的程序完成显示功能。设计方法从整体上把它分成两块：第一块为硬件电路的设计，对传感器的选型，A/D转换器，接口芯片的选型。为显示的驱动电路、数码管的选型。第二块为软件的设计，采用汇编语言编程，这里面包含定时对检测电路数据采集，输出信号驱动数码管显示等。河南城建学院本科毕业设计（论文） 硬件设计3 硬件设计硬件设计大体可以分为5步：用传感器将非电量信号转换成电量信号，而在设计中选用什么类型的传感器，从经济性，可靠性和准确性的方面考虑。用模/数转换器将模拟信号转换成数字信号，然后传送到单片机里。是控制电路的设计，即键盘、按钮等对水位测量系统的控制。显示、监控电路的设计。对电压基准电路和电源监控电路的设计。硬件系统的设计框图如图3.1所示。单片机液位变送器时钟电路复位电路操作键盘LED显示驱动电路报警电路电压基准回路电源监控电路LED显示电路A/D转换器水位控制电路3.1 硬件系统的设计框图3.1 传感器的选择3.1.1 传感器的概述传感器是一种能将与待测量的能量形式，转化成另一种可供处理查询的能量形式的装置。信号处理电路用于处理信息，而输出器件是一种利用已处理过的信号的装置、显示或动作。传感器不但对被测信号敏感，而且具有把它对被测变量的响应送出去的功能。也就是说，传感器不是一般的敏感元件，它的输出响应还必须易于传送的物理量。例如弹性膜盒的输出响应是形变，是微小的几何量（位移）不便于远距离传送。如果把膜盒中心的位移转变为电容极板的间隙变化，就称为输出响应是电容量的压力传感器。倘若，再通过适当的电路使电容量的大小为振荡频率的高低，就演变成输出响应是频率值的压力传感器。某些敏感元件的输出响应本来就能够传送到别处测量，例如，铂电阻应变电阻的阻值，热电偶的电动势等，把这些敏感元件称为传感器也未尝不可。由于电信号便于远距离传送，所以绝大多数传感器的输出是电量的形式，如电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。也有利用压缩空气的压力大小传送信息的这种方法在抗电磁干扰和防报安全方面比电传送要优越，但气源和线路上的投资较大，而且传送速度较低。近年来利用光纤传送信号信息的传感器正在发展，其抗干扰、防爆、快速性都有突出的优点。总之，传感器的输出物理量不拘一格，其数值范围也没有一定的范围限制。在查阅传感器类型的过程中遇到较多的是变送器。可是变送器和传感器的区别在哪里？从字面上不难看出，传感器不但应该对被测变量敏感，而且有把被测变量的响应变送出去的功能，也就是说，传感器不只是一般的敏感元件，它的输出响应还必须是易于变送的物理量。而变送器是传感器发展而来的，凡能输出标准信号的传感器就称为变送器。标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。例如，直流电流420mA，空气压力20100kPa，直流电压05V都是当前通用的标准信号。3.1.2 传感器类别的选择常用于测量液位的液位计有连通器式、吹泡式、差压式、电容式等，测量物位的有超声波物位计和放射性物位计等。其测量原理和特点如下：连通器式就是应用最普通的玻璃液位计，它的特点是结构简单、价廉、直观，适于现场使用，但易破损，内表面沾污，造成读数困难，不便于远传和调节。 浮力式液位计包括恒浮力式和变浮力式两类。1）恒浮力式液位计。恒浮力式液位计是依靠浮标或浮子浮在液体中随液面变化而升降，它的特点是结构简单、价格较低，适于各种贮罐的测量；2）变浮力式液位计。变浮力式亦称沉筒式液位计，当液面不同时，沉筒浸泡于液体内的体积不同，因而所受浮力不同而产生位移，通过机械传动转换为角位移来测量液位。此类仪表能实现远传和自动调节。 吹泡式液位计是应用静压原理测量敞口容器液位。压缩空气经过过滤减压阀后，再经定值器输出一定的压力，经节流元件后分两路：1）一路进到安装在容器内的导管，由容器底部吹出；2）另一路进入压力计进行指示。当液位最低时，气泡吹出没有阻力，背压力零，压力计指零；当液位增高时，气泡吹出要克服液柱的静压力，背压增加，压力指示增大。因此，背压即压力计指示的压力大小，就反映了液面的高低。吹泡式液位计结构简单、价廉，适用于测量具有腐蚀性、粘度大和含有悬浮颗粒的敞口容器的液位，但精度较低。差压式液位计有气相和液相两个取压口。气相取压点处压力为设备内气相压力；液相取压点处压力除受气相压力作用外，还受液柱静压力的作用，液相和气相压力之差，就是液柱所产生的静压力。这类仪表包括气动、电动差压变送器及法兰式液位变送器，安装方便，容易实现远传和自动调节，工业上应用较多。电容式液位计是采用测量电容的变化来测量液面的高低的。它是一根金属棒插入盛液容器内，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极。两电极间的介质即为液体及其上面的气体。由于液体的介电常数1和液面上的介电常数2不同，比如：12，则当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量增大。反之当液位下降，值减小，电容量也减小。所以，可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。电容液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值，而且，只有1和2的恒定才能保证液位测量准确，因被测介质具有导电性，所以金属棒电极都有绝缘层覆盖。电容液位计体积小，容易实现远传和调节，适用于具有腐蚀性和高压的介质的液位测量。 超声波物位计是利用超声波在气体、液体或固体中的衰减、穿透能力和声阻抗不同的性质来测量两种介质的界面。此类仪表精度高、反应快，但成本高、维护维修困难，都用于要求测量精度较高的场合。 放射形物位计是利用物位的高低对放射形同位素的射线吸收程度不同来测量物位高低的，它的测量范围宽，可用于低温、高温、高压容器中的高粘度、高腐蚀、易燃易爆介质物位的测量。但此类仪表成本高，使用维护不方便，射线对人体危害性大。应变电阻传感器应由应变电阻片盒测量线路两部分组成，其中应变电阻片感应被测量压力（包括扭矩、荷重、拉力）并在外力作用下产生弹性形变导致电阻值发生改变，它是将力转换成电阻变化的检测元件，测量电阻将变化的电阻转换为电信号，实现被测压力的最终指示和信号远传。由于应变测量方法灵敏度高，测量范围广，频率响应快，既可用于静态测量，又可用于动态测量，尺寸小，重量轻，能够在各种恶劣的环境条件下可靠工作，所以被广泛地应用于各种力的测量和科学实验中。接下来来分析一下本设计到底用哪一种液位传感器更为合适，首先，应该明确一下，本设计是水位测量计，因此有很多种，如石油、化工、环保和水利等。本次所选的是一个大型水罐，但类似于水塔。根据下面的信息来确定应该用何种传感器。连通式传感器，俗称直读液位计，由于它易于破损，不便于远传和调节。所以它不适合用在大型水罐上；浮力式液位计，价格较低，简单易于操作，可用来远传和调节。适合用在大型水罐上；吹泡式液位计简单价廉，但精度较低，不适合用在大型水罐上；差压是液位计，主要用表测量粘稠、有沉淀、有腐蚀或易冻结的液体，一般不会用在大型水罐上；电容液位计体积小，容易实现远传和调节，适用于具有高腐蚀性和高压液位测量，因此不适合用在大型水罐上；超声波液位计和放射性液位计，虽然它的精度很高，但是在价格方面都过于昂贵，因此在大型水罐的液位传感器中也不会选择。从上面分析中，可以看出浮子式液位计和应变式传感器都适合作为大型水罐的液位传感器。在本设计中选择应变式液位计作为液位传感器。3.1.3 传感器型号的选择在本次设计中，准备选用应变式液位计作为此次设计所使用的传感器。所查阅到的主要有三种型号的变送器。TBP-4投入式液位变送器用途与特点：采用进口芯片，质量可靠。液位测量计不受外界大气压变化的影响。具有优良的密封剂防腐性能，测量准确，长期稳定性好。适用于石油、化工、环保、水利等领域。量程规格：1mH20、10mH20、30mH20、50mH20、100mH20、150mH20、200mH20（1mH20=9.8066510-2Pa）主要技术指标如表3.1所示：表3.1:额定载荷/mH201200长期稳定性/(%FS/年)0.3综合精度0.1，0.2，0.3（线性+滞后+重复性）安全过载/%FS150结构形式便携式，分体式，铠装式额定电压24VDC蠕变/（%FS/30min）0.10.3材质不锈钢零点温度影响/（%FS/10）0.10.3输出信号05V或420mA输出温度影响/（%FS/10）0.10.3输出形式两线或三线制工作温度/-20+65测量介质与或聚氟乙烯兼容的介质注：1mH20=9.8066510-2Pa生产厂家：蚌埠天光测控仪表厂JBY系列L形普通投入式液位变送器简介：投入式静压式液位变送器是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用外国先进的隔离型扩散硅敏感元件，利用压阻效应，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420mA）。JYB系列L形普通投入式液位变送器适用于石油、化工、冶金、电力、制药、环保等行邪恶各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。420mA、05V、010mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。用途与特点：可广泛用于水厂、污水处理厂、城市供水、高楼水池、水井、矿井、工业水池、水罐、水文地质、水库、河道、海洋等场所、抗过载能力强、防浪涌电压，抗腐蚀性能优良，具有过压过流保护，反向极性保护，稳定性高，抗干扰能力强，实用性强，安装简便。主要性能指标如表3.2所示：表3.2:量程/m0100内各量程，最小量程0.5迟滞性与可重复性/%FS0.1长期稳定性/（%FS/年）0.1介质温度/-20+70热力零点漂移/（%FS/）0.03环境温度/-10+60相应时间/ms30供电电压/V DC100，1232（通常24）最大工作压力2倍量程输出信号电流输出型600电压输出型3000电气连接电缆连接外部零件的材料普通不锈钢/316不锈钢负载特性/010mA/420 mA05VDC/15VDC壳体材料普通不锈钢/316不锈钢/铸铝外壳测量介质油，水，气体及其他与316不锈钢兼容介质绝缘电阻/M100准确度/%FSA级：0.25B级：0.5防护等级IP68非线性/%FS0.2本质安全防爆Exia生产厂家：北京昆仑海岸传感技术中心CFYPY液位传感器（投入式）用途与特点：采用不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性，可用于工业生产中较弱腐蚀性介质的液位测量。广泛应用于城市供水，水利，水文勘探等行业的自动控制中。量程：00.5m到0200m主要技术指标如表3.3所示：表3.3:参数单位技术指标参数单位技术指标灵敏度mV/V10010灵敏度温度系数%FS/100.25非线性%FS0.1工作温度范围-40+120滞后%FS0.1输入电阻40010重复性%FS0.1输出电阻3522蠕变%FS/30min0.03安全过载%FS150零点输出%FS5绝缘电阻M5000（50VDV）零点温度系数%FS/100.25推荐激励电压V1015生产厂家：蚌埠高灵传感器系统工程有限公司关于应变式传感器主要有、和三种，而第三种它的工作范围为-40+120，而水罐一般不用它。所以被排除，只剩下和可以考虑，从它们介绍的用途与特点中，可以知道更适合作为大型水罐液位测量的液位传感器。经过查阅资料，并且将传感器进行对比。可以确定液位传感器为JBY系列L形普通投入式液位变送器。3.2 A/D转换器的选择3.2.1 A/D转换器的主要技术指标A/D转换器的作用是把模拟量转化成数字量，以便于计算机进行处理。随着超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同，性能不同的A/D转换芯片应运而生。转换精度 单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。1）分辨率：它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。A/D转换器的分辨率以输出二进制（或十进制）数的位数表示。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/ 。在最大输入电压一定时，输出位数越多，量化单位越小，分辨率越高。例如A/D转换器输出8位二进制数，输入信号最大值为5V，那么这个转换器应能区分输入信号的最小电压为19.53mV。2）转换误差：表示A/D转换器是输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如给出相对误差LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。转换时间转换时间指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器转换速度最高，8位二进制输出的单片集成A/D转换器时间可达50ms以内。逐次比较型A/D转换器次之，转换速度较慢，一般在10s50s之间，也有达几百纳秒的。双积分型A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。在实际应用中，应根据系统数据总位数、精度要求、输入模拟信号的范围及输入信号极性等方面综合考虑选用何种A/D转换器。3.2.2 A/D转换器的类别的选择 常用的A/D转换器可分为并行比较型、逐次比较型和双积分型等几种。并行比较型A/D转换器并行A/D转换器具有如下特点。1） 由于转换是并行的，其转换时间只受比较器，触发器和编码电路延迟时间的限制，因此转换精度较快。2） 使用这种含有寄存器的并行A/D转换电路时，可以不用附加取样-保持电路，因为比较器和寄存器这两部分兼有取样-保持功能。3） 随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加，一个n位转换器，所用的比较器个数为-1，如8位的并行A/D转换器需要-1=255个比较器。位数越多，电路越复杂，因此要得到分辨率较高的集成并行A/D转换器，需要很复杂的电路，这也是并行A/D转换器最大的缺点。逐次比较型A/D转换器逐次比较型A/D转换器的转换过程与用天平称物体质量的过程非常相似。逐次比较型A/D转换器的工作原理就是将输入的模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上主次逼近输入模拟量的对应值。逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需要的时间与其位数和时钟脉冲频率有关，位数越少，时钟频率越高，转换时间就越短。这种A/D转换器具有转换速度快、精度高的特点。常用的集成逐次比较型A/D转换器有ADC0808/0809系列（8）位、ADC0804(8位)和AD7810（10位）等。双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器是一种间接A/D转换器。它的基本原理是，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值转换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行转换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在测量中得到广泛应用。由于双积分A/D转换器在T1时间内采用的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰能力。从理论上来说，尤其对周期等于T1或几分之一T1的对称干扰（所谓对称干扰是指整个周期内平均值为零的干扰），有无穷大的抑制能力。即使在工频干扰幅度大于被测直流信号，使输入信号正负变化时，仍有良好的抑制能力。在工业系统中经常碰到的是工频（50Hz）或工频的倍频干扰，故通常选定采样时间T1总是等于工频电源周期的倍数，如20ms或40ms等。另一方面，由于在转换过程中，前后两次积分所采用的是同一积分器，因此，在两次积分期间（一般在几十至数百毫秒之间），R、C和脉冲源等元件参数的变化对转换精度的影响均可以忽略。常用的A/D转换器可分为并行比较型、逐次比较型和双积分型等几种，不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器转换速度最高，8位二进制输出的单片集成A/D转换器时间可达50ms以内。逐次比较型A/D转换器次之，转换速度较慢，一般在10s50s之间，也有达几百纳秒的。双积分型A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。而且双积分型A/D转换器很强的抗工频干扰能力，再从经济性方面综合考虑，逐次比较型是最适合应用在设计中的A/D转换器。3.2.3 A/D转换器型号的选择ADC0809位8位逐次比较型模数转换器，包括模数转换器、8通道多路转换器以及与微控制器兼容的控制逻辑。8个单独模拟信号可从8通道多路转换器直接输入。ADC0809非常实用与过程控制、微控制器输入通道的接口电路、智能仪器和机床控制等领域。逐次比较型ADC08091）主要性能ADC0809的主要性能如下。a.CMOS工艺制造。b.单电源供电。c.逐次比较型。e.无需外部进行零点和满度调整。f.并行输出。g.可锁存三态输出，输出与TTL兼容。h.易用于各种微控制器接口。i.具有锁存控制的8路模拟开关。j.分辨率为8位。k.功耗为15mW。l.转换时间（=500kHz）为128s。m.转换精度为0.4%。2)工作特性ADC0809的工作特性如下。a.工作电压为6.5V。b.输入模拟信号电压范围为-0.3V（+0.3V）。c.控制信号电压范围为-0.3V+15V。d.工作温度为-65150。逐次比较型ADC0804ADC0804为CMOS、8位、逐次比较型模数转换器，具有类似于电阻网络的差分电位梯形网。差分模拟电压输入可提高共模抑制并减小失调模拟电压值。此外，可调节的电压参考输入允许编码任何小的模拟电压转换到8位的分辨率。1）主要性能a.逐次比较型。b.单电源供电（+5V）。c.CMOS工艺制造。d.三态输出锁存。e.输出电平与TTL、CMOS兼容。f.与微型机总线兼容，不需要借口逻辑电路。g.很容易与微控制器接口。h.差分模拟电压输入。i.片内含有参考电压源和时钟发生器。j.不需要调零。k.分辨率位8位。l.转换时间为100 s。m.存取时间为135 s。n.最大非线性误差为0.4%。2）工作特性a.工作电压：6.5V。b.输入模拟电压信号电压范围：-0.3V（+0.3V）。c.控制信号电压范围：-0.3V+15V。d.工作温度：-65+150。 逐次比较型AD7810AD7810是美国模拟器件公司（Analog Aevices）生产的一种低功耗10位高速串行AD转换器。该产品有8脚DIP和SOIC两种封装形式，并带有内部时钟。它的外围接线及其简单，AD7810的转换时间为2s，采用标准SPI同步串行接口输出和单一电源（2.7V5.5V）供电。在自动低功耗模式下，该器件在转换吞吐率为1kSPS时的功耗仅为27W，因此特别合适于应用在便携式仪表中及各种电池供电的设备中。1）主要性能AD7810的主要特性如下。a.分辨率为10位。b.逐次比较型。c.转换时间为22s。d.电源电压范围为2.7V5.5V。e.内部含有采样保持电路。f.电源功耗为高速方式时为17.5mW，低功耗方式时为5W。g.参考电压范围为1.2V。h.模拟电压输入范围为0V。i.输出形式为SPI同步串行输出，与TTL电平兼容。j.工作温度：-40+105。逐次比较型A/D转换器中有ADC0809、ADC0804和DC7810三种，而ADC7810它的经典为10位，在设计中不需要如此高精度且价格昂贵的A/D转换器，因此不选ADC7810。而ADC0809、ADC0804两个器件都是8位精度的，而且价格和性能方面相差不大，因此选用两者中的任一即可，在本次设计中选用ADC0809逐次比较型A/D转换器。3.2.4 ADC0809芯片的引脚功能本设计采用A/D转换器ADC0809。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，由于输出级有8位三态输出锁存器，因而0809的数据输出端可以直接与单片机的数据总线连接。ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.2所示。 图3.2 ADC0809引脚图ADC0809各引脚功能如下：IN7IN0:8路模拟量输入端，即内部8选1多路开关的输入端。D7D0:A/D转换输出端，输出信号与TTL电平兼容，可直接至微型计算机数据总线。ADDA、ADDB、ADDC为多路地址选择端，用于切换A/D通道，其取值与A/D转换通道的对应关系如3.4表所示。ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC与A/D转换通道的对应关系表3.4：多路开关地址线被选中的输入通道对应通道的入口地址ADDCADDBADDA000IN000001IN101010IN202011IN303100IN404101IN505110IN606111IN707ALE：地址锁存信号输入线。ADC0809完成一次A/D转换的典型时间为120 S，为保证转换结果正确，转换期间要保证不进行通道切换，ALE信号下降沿将启动A/D时的ADDA、ADDB、ADDC信号锁存入芯片内部地址锁存器。START：启动转换信号输入引脚，其上升沿清除上一次A/D转换结果，其下降沿用以启动内部控制逻辑，是A/D转换器开始工作。EOC：转换结束信号输出引脚，其上升沿表示A/D转换已经结束，可以读取结果。OE:输出允许控制端，高电平有效。信号有效时，转换结果送到D0D7数据线上。CLOCK：转换器时钟信号输入端。它的频率决定了A/D转换器的转换速度。但该频率不得高于640kHz,其对应的转换时间为100S。和：ADC0809内部A/D转换时的参考电压输入引脚。不能为负值，不能超过，且应满足如下关系：/2-/2和GND：ADC0809的电源引脚，它采用+5V电源供电。主要特性：8路8位AD转换器，即分辨率8位。 具有转换起停控制端。 转换时间为100s。单个5V电源供电。模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。工作温度范围为-4085摄氏度。低功耗，约15mW。 在本设计中使用到74LS373。74LS373是一种带有三态门的8D锁存器，其引脚如图3.3所示。图3.3 锁存器74LS373的引脚其引脚的功能如下：D7D0：8位数据输入线Q7Q0：8位数据输出线G：数据输入锁存选通信号，高电平有效。当该信号为高电平的时候，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存到锁存器中。：数据输出允许信号，低电平有效。当该信号为低电平的时候，三态门打开，锁存器中数据输出到数据输出线。当该信号为高电平的时候，输出线为高阻态。74LS373的功能表如表3.5所示。表3.5：GDQ0111010000不变1高阻态ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上.ADC0809转换是采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V供电，片内带有锁存功能的8路选一的模拟开关，由A，B，C引脚的编码来确定所选通道。0809完成一次转换需要100us左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到MCS-51的数据总线上，通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。如上所说，ADC0809与单片机的接口电路如图3.4所示。图3.4 ADC0809与单片机的接口电路3.3 单片机选择 3.3.1 单片机的简介 单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU），存储器和各种输入，输出接口，这样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片机微型机算机，简称单片机。MCS是Intel公司生产的单片机的系列符号，例如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCCS-96系列单片机。MCS-51系列单片机包括三个基本型8031，8051，8751。MCS-51由如下几个功能部件组成：微处理器数据存储器程序存储器4个8位并行I/O口一个串行口2个16位定时器/计数器中断系统特殊功能寄存器。MCS-51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点，特别值得一提的是MCS-51CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微机算机。这个1位计算机有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。1位机在开关决策，逻辑电路仿真，工业控制方面非常有效：而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相成，它是计算机的技术上的一个突破，本设计采用8051单片机。 MCS-51的内部结构如图3.5所示。系统时钟ROM定时/计数器串行I/O并行I/ORAMCPU外部时钟复位中断电源图3.5 MCS-51内部结构框图 3.3.2 8051芯片引脚8051是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚图如图3.6所示：图3.6 8051引脚图其引脚功能如下：P0.0P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的3932号端子）。 P1.0P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的18号端子）。 P2.0P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的2128号端子）。 P3.0P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的1017号端子）。P0口有三个功能： 1）外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0D7为数据总线接口） 2）外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0A7为地址总线接口） 3）不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。 P2口有两个功能：扩展外部存储器时，当作地址总线使用做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻； 1)ALE/PROG 地址锁存控制信号在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。8051扩展 EEPROM电路，ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。 在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。从这里可以看到，当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。 2)PORG为编程脉冲的输入端在单片机的内部结构及其组成中，8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。 3)PSEN 外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。 内部ROM读取时，PSEN不动作； 外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次； 外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出； 外接ROM时，与ROM的OE脚相接。4)EA/VPP 访问和序存储器控制信号 接高电平时： CPU读取内部程序存储器（ROM） 。扩展外部ROM：当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。 接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。5)RST 复位信号当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。6)XTAL1和XTAL2 外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 7)VCC：电源+5V输入 8)VSS：GND接地。3.3.3 存储器MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间：片内程序存储器。片外程序存储器。片内数据存储器。片外数据存储器。但在逻辑上，即从用户的角度上，8051单片机有三个存储空间：片内外统一编址的64K的程序存储器地址空间(MOVC)。256B的片内数据存储器的地址空间(MOV)。以及64K片外数据存储器的地址空间(MOVX)。在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令,以产生不同的存储器空间的选通信号。8051单片机存储器的空间结构图如图3.7所示。图3.7 8051单片机存储器的空间结构图程序存储器一个微处理器能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，其实微处理器并不聪明，它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中，俗称只读程序存储器(ROM)。程序相当于给微处理器处理问题的一系列命令。其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串。只是程序代码则存放于程序存储器中。MCS-51具有64kB程序存储器寻址空间，它是用于存放用户程序。数据和表格等信息。对于内部无ROM的8031单片机，它的程序存储器必须外接，空间地址为64kB,此时单片机的端必须接地。强制CPU从外部程序存储器读取程序。对于内部有ROM的8051等单片机，正常运行时，则需接高电平，使CPU先从内部的程序存储中读取程序，当PC值超过内部ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。当=1时，程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部ROM空间。当=0时，程序从外部存储器开始执行，例如前面提到的片内无ROM的8031单片机，在实际应用中就要把8031的引脚接为低电平。数据存储器数据存储器也称为随机存取数据存储器。数据存储器分为内部数据存储和外部数据存储。MCS-51内部RAM有128或256个字节的用户数据存储(不同的型号有分别),片外最多可扩展64KB的RAM,构成两个地址空间，访问片内RAM用“MOV”指令，访问片外RAM用“MOVX”指令。它们是用于存放执行的中间结果和过程数据的。MCS-51的数据存储器均可读写，部分单元还可以位寻址。8051单片机片内RAM共有256个单元(00H-FFH),这256个单元共分为两部分。其一是地址从00H7FH单元(共128个字节)为用户数据RAM。从80HFFH地址单元(也是128个字节)为特殊寄存器(SFR)单元。3.4 复位电路和时钟电路的设计3.4.1 复位电路设计MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位是单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种形式。上电自动复位上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。MCS-51单片机的上电自动复位电路如图3.8所示，在时钟电路工作后，在RST端连续给出两个机器周期的高电平就可完成复位操作。图中给出了复位电路参数。图3.8 MCS-51单片机的上电自动复位电路上电加按键手动复位 MCS-51单片机的上电加按键手动复位电路如图3.9所示。当复位按键按下后，复位端通过51的小电阻与+5V电源接通，电容迅速放电，使RST引脚为高电平；当复