工业水情监测系统

-1-工业水情监测系统硬件设计1绪论1.1研究背景及其目的意义近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于生产、生活等诸多领域。数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统。20世纪70年代后期，随着微型机的迅速发展，诞生的采集器、仪表同计算机溶为一体组成数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功地运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同-2-的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。1.2国内外研究现状数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在数据采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。各种领域都用到了数据采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。我国的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系统。近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。该数据采集系统具备24位A/D转化位数，采样率有50HZ、100HZ、200HZ。[11]由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统，它由3部分组成：（1）传感器：利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；（2）计算机接口：将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/S；（3）软件：中文及英文的应用软件。[11]受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发展。如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。本系统采用16位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns，可以利-3-用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。1.3该课题研究的主要内容数据采集技术是电子信息科学的重要分支之一,它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。它是对传感器信号的测量与处理,以微型计算机等高新技术为基础而形成的一门综合应用技术。数据采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及,数据采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。数据采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,作为测控系统不可缺少的部分,数据采集的性能特点直接影响到整个系统。尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为数据采集技术的发展方向得到了迅速的发展,并且适于通用微机(如IBMPC系列)使用的板卡级数据采集产品也已大量出现,组成一个数据采集系统简单到只需要一块数据采集卡,把它插在微机的扩展槽内,并辅以应用软件,就能实现数据采集功能,但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响,因为单片机功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好、开发容易等优点,使得基于单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用.传统的基于单片机的数据采集系统由于没有上位机的支持,不管采用什么样的数据存储器,它的存储容量都是有限的,所以不得不对存储的历史数据进行覆盖刷新,这样不利于用户对数据进行整体分析,因而也不能对生产过程的状况进行准确的把握。本次设计由单片机采集流量传感器和液位传感器的信号，并通过max7219驱动显示。可根据上位机的指令把用水站点的水情数据通过max485串行通信传输给上位机，实现单片机对远程水情数据的采集。从而实现上位机对水情的远程实时监控和数据管理。功能电路包括键盘操作、液位显示和流量显示。该系统采用的是80C52单片机，此芯片功能比较强大，能够满足设计要求。-4-2硬件设计2.1硬件设计总体概述本系统以80C52单片机为核心，组成了一个具备数据采集、键盘操作、对象控制和结果显示等多项功能的复合完整系统，如图2-1图2-1硬件系统框架图2.280C52及外围电路2.2.1核心控制器件80C52简介80C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，-5-适合于类似马达控制等应用场合。80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，80C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。80C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。80C52片内有ROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。但是你编的程序你无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代你烧写，并是一次性的，今后你和芯片厂都不能改写其内容。在本次设计中80C52担当下位机的指责，接收来自采集电路的信号，将信号以串行通讯的方式通过MAX485传输给上位机，接收上位机的控制，同时向显示功能模块发出信号，显示当前的液位和流量数值。主要引脚功能介绍：图2-280C52引脚图-6-⑴REST9脚：复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位工作。⑵ALE/PROG非30脚：ALE为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部程序存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机的发出的低8位的地址经外部锁存器存的锁存控制信号。ALE端可以驱动8个LS型的TTL负载。⑶/PSEN29脚：程序存储器允许输出控制端。当单片机方位外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的/OE端，该引脚同样可以驱动8个LS型TTL负载。⑷EA非/Vpp31引脚：内外程序存储器选择控制端。该引脚接高电平时，单片机访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH(对8051、8751)时，即超过片内程序存储器的4KB地址范围时，将自动转向执行外部程序存储器的程序。该引脚接低电平时，单片机只访问外部程序存储器。⑸P0口：(字节地址80H)寻址外部程序存储器时分为双向8位数据口和输出低8位地址复用口，不接外部程序存储器时可以作为8位双向I/O口使用。P0口正常工作时，必须加上拉电阻。当需要增加负载能力时，可以进行总线驱动扩展。一般P0口采用双向驱动器74LS245.⑹P1口：(字节地址90H)仅做双向I/O口。⑺P2口：（字节地址A0H）寻址外部程序存储器时，输出高8位地址;不接外部程序存储器时可做8位双向I/口使用。⑻P3口：（字节地址B0H）双向I/O口使用，以及第二功能。表2-1P3口第二功能简介引脚第二功能P3.0RxD:串行口接收数据输入端P3.1TxD:串行口发送数据输出端P3.2INT0:外部中断申请输入端0P3.3INT1:外部中断申请输入端1P3.4T0:外部计数脉冲输入端0P3.5T1:外部计数脉冲输入端1P3.6WR:写外设控制信号输出端-7-P3.7RD:读外设控制信号输出端主要功能特性：·标准MCS-51内核和指令系统·片内8kROM(可扩充64kB外部存储器)·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器)·3个16位可编程定时/计数器·时钟频率3.5-12/24/33MHz·向上或向下定时计数器·改进型快速编程脉冲算法·6个中断源·5.0V工作电压·全双工串行通信口·布尔处理器—帧错误侦测·4层优先级中断结构—自动地址识别·兼容TTL和CMOS逻辑电平·空闲和掉电节省模式表2-2MCS-51系列单片机配置一览表系列片内存储器（字节）定时器、计数器并行I/O口片内ROM片内RAM无有ROM有EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4KB)875187C51(4KB)128字节2*164*8-8-IntelMCS-52子系列803282C32805280C52(8KB)875287C52(8KB)256字节3*164*82.2.2电源电路三端稳压集成电路7805介绍电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。注意事项在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压