水位站的水位自动监测系统设计

水位站的水位自动监测系统设计

摘要

本文实现对大坝水位进行多点水位采集，然后通过远距离传输，并且有数据

显示和越线报警功能，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记录管理，而ＰＣ机与单片

机之间的通讯方式主要采用了ＲＳ－４８５总线技术。本文阐述了通过超声波液

位传感器等对大坝水位进行自动监测系统，主要由硬件部分和软件部分组成。

软件部分主要是传感器主要是超声波传感器，数据采集部分采用多路开关方

式进行，利用超声波传感器进行模拟数据采集，为了满足生产中多通道的要求，

设计了８个模拟数据采集通道。传感器将非电量信号变为电信号，经放大器放大

后送入8位串行模数转换器ＴＬＣ０８３８，数据处理部分采用ＡＴ８９Ｓ５２

单片机为核心控制及器件，当ＡＴ８９Ｓ５２单片机接到控制软件发出的通道采

集指令，采集的信号通过串行接口送入单片机，由显示芯片ＨＤ７２７９八驱动

ＬＥＤ数码管进行现场显示，再通过RS—485通信总线上传至上位机，由上位

机进行显示。

软件部分主要采用汇编语言编程进行了数据采集处理、数据显示、报警等程

序的设计。针对电磁干扰对系统的干扰，本文提出了去藕电容的配置等三点抗干

扰措施，以增加系统的稳定性。

关键词：超声波传感器；AT89S52单片机；数据采集通信；上位机

1

Design Of Automatic Monitoring System of the Water Level

In Hydrological Station

Abstract

The paper 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 host 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 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 , 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,

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 AT89S52 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, 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 : Ultrasonic sensor; Single Chip Microcomputer of AT89S52; Data-acquisition

and communication System; PC

2

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

3.7.1RS—485通信总线.................................17

1

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

谢词.....................................27

参考文献........................................27

附录A外文翻译—原文部分：......................41

附录B外文翻译—译文部分........................41

附录C总体接线图................................42

附录D 主要源程序

1.A\D 转换子程序

2.动态扫描显示子程序

3.控制报警电路连续鸣音30ms的控制子程序的清单

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、泻洪的重要参数之一。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，因为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控系统中，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机与单片机的通讯方式主要采用ＲＳ４８５总线技术和现场总线米，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，栏污栅压差，尾水位等表、变化缓慢或剧烈的

2)

3)

4)

5) 水位的需要。 系统工作体制采用轮询方式，实时性好。 采用无线/有线双通道传输方式,提高了传输的可靠性. 水位采集站工作模式可灵活编辑程设定,以适应不同的监测环境. 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监测.

选点检测和巡回监测;

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2页

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：集合外围电路所构成。

基本组成如图2.1所示。

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

单片机作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目的的算法程序后，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，但节省硬件。结构框图如图2.2所示

数据处理部分采用AT89S52作为核心控制器件。模数转换器采用8位串

行模数转换器TCL0838，该芯片占用单片机的引脚资源少，仅占用单片机5个

引脚即可完成8个通道的

数据采集，简化了电路设计，基地了成本。

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。

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。没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

经过信号放大和采集保持再由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，靠浮子随水位面升降的位移反映水位

的变化。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用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。

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、运用阻力大、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侧点时，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。

5

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课分为引压

式和直接式两种记录特征可分为模拟过程线数字显示分为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位接触，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：在一些水位变幅大较快而且含沙量较大的山区河流误差大，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

发射一种脉冲，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

水文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，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

（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=ct /2

6

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

（称次声管为校准管）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2L0为已知，传播

时间T0可测出，传播声速为C0则有：

取校准孔回波与水面回波传播声程的比值则有；

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（1）式就可简

化为：

发射声脉冲后，测得TO,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

H=S-L

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。为了维护和互换，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：

第 7页

Ta=a1t1+a2t2+………+antn (3—6)

式中：ai声程内第i个温度因子（与现场安置位置等有关：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Co. C, 根据公式（2）即可算出声

程L，再有公式（4）得出水温度对测量精度的影响及修正空气中，不考虑温度

和气候的影响，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摄氏度。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比较大。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，修正速度，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。在水位的实际应用过程中，声程不同位置中测得

的温度为非均匀变化，最大差值会达到6摄氏度以上。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

较小。声场受温度影响产生的测量误差，可以通过加入测温度传感器，测量声路

不通位置的温度，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。实时全变温度补偿，精度高，运

用有线或无线传输水位信息，实效性强，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。故本文选用的是超生波传感器。

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40k

Ｈｚ的振荡是很容易的，并且方法有很多种，取液位计与水面的距离为合适的高

度，可令超声波发出去后能有效的返回，让接收器收到信号，达到微处理器，经

微处理器处理所得的数据，即可计算出水位的高度。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，它的工作原理是40kＨｚ的脉冲信号，这可很容易地用软件编程使

ＡＴ８９Ｓ５２的ＰＩ口中的第０位产生４０ＫＨＺ方波的方法来实现。并在第

一个脉冲产生是开始计时。

8

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，即发送和接受集成于一体。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，输入到音调译码器中，音调译码器的输出由高电平跃变为低

电平，作为中断信号输入到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离原理来进行水位变化测量的新型水位测

量仪，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，图中输入端口是从单片机的P3.5输出的40kHZ方波。方波电压信

号经二级管稳压后送到三极管放大，再经T1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1mV-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。经这样处理后，最后接收电路所输出的是正常的电

压信号。

3.3A/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，而单片机所接收的信号为数字

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。

3.3.1A/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

Fs=1/Ts (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，其大小扥与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，这就要求输入信号能

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

样接收是的状态。图3.5是采样保持电路。

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=Uc=Ui,即输出电

压跟随输入电压变化。当控制电压为低电平时，开关断开，电路处于保持周期。

因为电容元件无放电电路，故Uo=Uc.

主要就实现了保持采样，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，将其转换为十字信号。将采样信号转换为数字信

号的过程称为量化过程。执行量化过程的装置为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较少，开

有简化单片机的系统，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拟器TLC0838实现。

TLC0838是采样频率为8位，以

主次逼近原理进行模—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的单断模拟输入信号中的一个进行A/D

转换。

3.3.2A/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较少，开

有简化单片机的系统，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拟器TLC0838实现。

TLC0838为美国德州仪器公司推出的八通道8位逐次逼近魔术转换器。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。串行输入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P1.1引脚，串行数据时钟信号输入端CLK接P1.2引脚。

状态转换输入引脚SARS连接P1.3，数据输出方式选择引脚SE连接P1.4。

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 能，转换器初始化。CS在整个转换过程中必须置为低。接着C L K从单片机P 1.2口接受时钟， 在每个时钟上升沿；由单片机P1.1口输出的多路器地址通过 D I端移入多路器地址位移寄存器。 在每个时钟的上升跳变时，D I 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，起始位和配置位移移入寄存器。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D I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。

转换过程为采用比较器把从电阻体性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，转换数据从D0端输出， 以最高位（MSB）开头。经过八个时钟后，转换完成，SARS变为低。

TLC0838的输出数据可从高位开始，也可以从低位开始。在SE为高时，数据先从最高位到最 低位输出，并将最低位保持在数据线上；在为低时，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，工作温度位-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。

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口也被作为第 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，此时可以作为输出口使用。作为输出使用时，被 外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

P 2口：P 2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I／O口输出缓冲器能驱动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，此时可以作为输出口使用。作为输出使用时，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 3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I／O口输出缓冲器能驱动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，此时可以作为输出口使用。作为输出使用时，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 ：A T 8 9 S 5 2有 2 5 6 字节片内数据存储器。高 1 2 8 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。当第一条

指令访问高于7FH的地址时，寻找方式决定CPU访问高于128字节RAM还是特殊功能寄

存器空间。直接寻找方式访问特殊功能寄存器（SFR）。

1） AT89S52的主要性能 4） 1000次擦写周期

2） 与MCS-51单片机产品兼容 5） 全静态操作：0HZ~33HZ

3） 8K字节在系统可编程Flash存储器 6） 三级加密程序存储器

7） 32个可编程I/O口线

8） 3个16位定时器/计数器

9） 八个中断源

10）全双工UART船型通道

11）I低功耗空闲和掉电模式

12）掉电后中断可唤醒

13）看门狗定时器

14）双数据指针

15）掉电标识符

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，3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，串口终

端继续工作。掉电保护模式下，RAM内容被保存，振荡器被终结，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。

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。HD7279A内全部含译码器，可直接接受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、控制画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。

VCC：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：串行数据输如

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。

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。

PC：PC振荡器终结段。其中电阻的值为1.5K.。电容的值为15PF。

ERST：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

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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，其发音原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，且更适合与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。

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单行机在数据采集完成后能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、半双工与全双工三种。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口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标准所包含的接口线缆及连接器均属于

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）

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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电平不兼容故需要使用

电平转换电路方能与竹L电路连接。

2） 传输率较低，通讯波特率的范围为0-20K bsPd.

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-485就是其中之一。

在要求通讯距离为十几米到上千米是，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度灵敏，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-485在线上传输，为了保证传输质量和传输距离，通常需要进行在线电平转换。

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。

图3.11 RS-485接口芯片使用原理

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米反应接收到的信号，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采用平衡方式的连接方法，利用差动测

量的原理，这些干扰可以接受端相互抵消，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

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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，即这两根线是相互搅在一起的，这种线

材可以吧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成为A与B时，对输出而

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