毕业设计（论文）-基于无线通信的液位远程监控系统设计.doc

本科学生毕业设计基于无线通信的液位远程监控系统设计. 院部名称： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 黑 龙 江 工 程 学 院二一二年六月 The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Liquid Level Based on Wireless Remote MonitoringCandidate：Specialty：Measurement &Control Technology and InstrumentationClass：Supervisor：Lecturer.Li JingHeilongjiang Institute of Technology2012-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要在工业过程控制系统中液位对象是一种十分普遍的对象，对液位对象的监测与控制是系统实现其功能必不可少的环节。液位的高低直接影响着工业过程控制的安全性，如果超出范围，很可能会酿成危险的后果。在过去，液位的监控装置多数是使用单片机实现点对点控制和显示，工作人员必须到工业现场操作这些仪器，且单片机功能十分有限，只能完成一些相对简单的操作。随着无线通信技术的发展，无线通信技术在工业控制领域的应用日趋广泛，基于无线通信的远程监控系统实现远程监测、控制和管理的有效集成，能及时了解现场信息，快速进行决策，并省去了很多人力。本系统设计了一个基于无线通信的液位远程监控系统，将无线通信技术与液位测量相结合，实现远程监控系统的设计。选用压力传感器对液位进行测量，采用AT89S52单片机作为中央处理单元，对液位信号进行采集、数据处理、显示、报警等工作。本设计的远程液位监控系统可以检测到被测液体的实时液位，当达到预先设定的上限报警设定值时，发出声音报警和控制信号，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置。该报警器可以实时、准确检测液体液位，并且可以长时间可靠无误的报警，具有很广泛的应用前景。关键词：无线通信；报警器；液位；单片机；压力传感器ABSTRACTIn industrial process control system level objects is a very common objects, monitoring and control of the level object is a system to achieve an essential part of its function. Of high and low level directly affect the security of industrial process control, if you are out of range, is likely to lead to dangerous consequences. In the past, mostly liquid level monitoring device using single-chip could transmit point to point of control and display, staff must be to the industrial operation of these instruments, and MCU function is very limited, only relatively simple operation is complete. With the development of wireless communication technologies, wireless communication increasing use of technology in the field of industrial control, remote monitoring and control system based on wireless communication for remote monitoring, control and management of effective integration, informed the scene information, make decisions quickly, and save a lot of manpower.System design of a remote liquid level monitoring system based on wireless communication, wireless communication technology in combination with liquid level measurement and implementation of remote monitor and control system design. Use pressure sensor for liquid level measurement using AT89S52 microcontroller as the central processing unit, level signal acquisition, data processing, display, alarm, andsoon. The design of remote liquid level monitoring system can be detected by measuring liquid level in real time, when pre-set ceiling alarm set value is reached, a sound alarm and control signals, which prompts the operator to take security measures or related safety devices of automatic control. The alarms in real time, accurate detection of liquid level, and long time reliable and unambiguous warning, with a very broad application prospectsKeywords：WirelessCommunication；DivulgingAlarm；LiquiLevel；Microcomputerunit； PressureSensorIII目 录摘要IAbstractII第1章引言11.1课题研究的目的和意义21.2课题的来源21.3远程液位监控系统国内外现状21.4课题主要研究的内容3第2章设计要求与方案论证52.1整体方案52.2单片机的选型52.3液位传感器的选型62.4无线传输模块的选择.82.5显示电路的选择.82.6 A/D转换器的选择.92.7 本章小结.10第3章系统的硬件设计.153.1单片机主控模块113.1.1AT89S52概述113.1.2AT89S52主要性能113.1.3AT89S52的引脚排列及功能113.1.4 AT89S52的最小系统133.2压力传感器143.2.1 BH350-3AA型康铜金属箔电阻应变片概述.153.2.2 BH350-3AA型康铜金属箔电阻应变片原理图153.3放大电路模块.163.4A/D转换模块.163.4.1 TLC2543概述. 163.4.2 TLC2543引脚图.163.4.3 A/D转换过程及实现.173.5无线通信模块173.6键盘显示模块193.6.1液位值显示电路193.6.2液位状态指示灯电路203.7报警模块 203.8电源模块213.9本章小结21第4章系统的软件设计234.1系统主程序流程图234.2子程序设计234.2.1数据采集子程序流程图234.2.2中断服务程序工作流程图244.2.3数据传输子程序流程图254.3A/D转换程序264.4 LED显示子程序.274.5本章小结.27结束语28参考文献29致谢31附录A32附录B34第1章 引言1.1课题研究的目的和意义在现代工业的生产和管理中，大量的环境参数、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制。由于工业生产过程控制要求的高环境适应性、高实时性和高可靠性等特点，自动控制与检测技术一直沿着自己的道路发展，测控领域所使用的通信技术都自成体系，许多通信协议不开放。我国工业控制界对无线实时监控系统的研究工作始于90年代初期，由于当时无线射频技术与国外相比具有极其巨大的差距，使得采用国内技术所设计的系统可靠性、稳定性极差，国内无线通信技术最高的电子部50所和电子部36所，其所设计系统的均采用新西兰大吉无线电台，而硬件平台清一色采用单位片机技术，但均未形成具有核心竞争力的产品。由于公共无线数据通信平台的大量搭建，降低了开发无线实时监控系统的技术门槛，但同时亦提出了更高的其它方面的技术。 自从1987年我国引入蜂窝移动通信以来，用户数量一直保持高速地增长，尤其在最近十年中，移动通信技术快速发展，通信网已实现从模拟网向数字网的转换。中国移动和中国联通公司通过近些年来不断拓展网络建设，优化网络结构，已经建立了覆盖全国所有大中城市，绝大部分县市乡镇、农村和偏远地区的公用性移动网络，能够为用户提供语音、数据、视频和多媒体等全面的综合性服务。这些服务可以充分满足无线远程监控系统在数据传输通信过程中对通信媒介质量、数据传输速度、网络稳定性以及通信成本方面的种种要求。移动通信技术的发展空间十分广阔，将移动通信技术应用于无线远程监控领域，为无线远程监控系统的发展，应用领域的拓宽起到了不断促进的作用。在工业过程控制系统中液位对象是一种十分普遍的对象，对液位对象的监测与控制是系统实现其功能必不可少的环节。液位的高低直接影响着工业过程控制的安全性，如果超出范围，很可能会酿成危险的后果。在过去，液位的监控装置多数是使用单片机实现点对点控制和显示，工作人员必须到工业现场操作这些仪器，且单片机功能十分有限，只能完成一些相对简单的操作。随着无线通信技术的发展，无线通信技术在工业控制领域的应用日趋广泛，基于无线通信的远程监控系统实现远程监测、控制和管理的有效集成，能及时了解现场信息，快速进行决策，并省去了很多人力。因此本系统设计了一个基于无线通信的液位远程监控系统，将无线通信技术与液位测量相结合，实现远程监控系统的设计。1.2 课题的来源有些国家水位监测技术依然处于比较落后的状态，在很多地区的河流、湖泊或水库，还在使用比较落后的监测设备，有些地方还在通过人工采集水位数据，这显然不能满足现代化水位监测的要求。水文监测有它特定的应用背景，一般都在比较偏僻的区域，这使得很难通过架设有线来完成数据传输，在这种情况下，使用无线通信是一种很好的选择。本次设计采用以AT89S52芯片为核心，用压力传感器来检测液面高度，结合外部硬件电路实现对液体液面进行报警控制装置AT89S52芯片具有功能强大，性价比高等一系列优点，适合产品大规模生产。同时，设计出的可燃性气体报警控制器具有操作简单，实用性强，价格便宜，安全性高等特点，所以非常适合贮气仓库，以及家庭等场所使用，具有很高的实用价值。正是由于远程液位监控系统给我们带来了无以伦比的方便，减少了人力物力的调用，并且能克服地理环境等带来的不便的影响。因此研制出一种实用的远程液位监控系统是如今的发展形势必不可少的。1.3 远程液位监控系统国内外现状20世纪70年代后期，随着微型计算机和单片机的出现和发展水位监测技术有了较快的发展。1976年美国SM公司与美国气象局合作研制的一套水位自动监测设备。80年代以来，由于遥控设备、数据传输方式和微机技术的进一步发展，水位监测和防洪调度自动化技术在全世界得到广泛的应用。90年代以后，国际上多家公司退出了功能强、应用范围广的产品，在水利水电、气象等领域都适时得到应用。在国外，美国和日本是较早开始水文自动化技术研究的国家。美国既是工业先进、通讯、交通网非常发达的国家，又是幅员广大、人口密度不均的国家。因此各种制式、各种通信方式的测报系统均比较发达。其中自报式超短波系统、卫星平台获得广泛的应用，而且美国是大面积使用流星余迹通信进行水文遥测的唯一国家。使用卫星的系统如极轨卫星环境数据(包括水文数据)收集系统ARGos系统，及大量气象同步卫星平台，均可进行水文数据传输。近年美国的suTRON公司被美国海洋和大气局 (NOAA)授权研制下一代水位测量系统州（GwLMs)。该系统将会集成目前的海平面及大流域测量网络，用最先进的传感器，卫星传输手段，集中数据处理及接收。日本在37万km的国土面积上，建有26个雷达雨量站，2500个地面雨量站和2100个水位站，观测范围覆盖整个日本。这些测站采用先进的监测设备，数据通过遥测系统传输到工事事务所，收集全国的水文信息仅用10分钟，且每小时更换一次信息，事线与控制器实现信号传送，其探测器的报警形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通事务所也可以通过监视器察看测站的运行情况。所有测站均实现无人值守，其监测系统集成化和综合程度比较高。对于水文监测系统的开发和研制，国外发达国家始终处于领先地位，其特点是:系统发展比较完善，传感器测报设备先进可靠;通信方式多样化且十分先进;分析预报技术成熟并积极采用各种先进的技术。在监测设备方面，国外的数据采集终端除了具有数据的自动采集、存储、处理和传输这些基本功能外，在传感器集成、多参数采集、监测设备智能化方面技术也比较成熟。我国水位监测系统的建设包括三个阶段:初级阶段、发展阶段和网络化阶段。二十世纪七十年代中期开始到八十年代中期为初级阶段。水位信息化从1980年开始，起步于信息源的处理。八十年代中后期开始的十余年为发展期。九十年代后期，为适应防汛和水利调度现代化、信息化的要求，以及近代通信、计算机和网络技术高速发展的时代特点，水位监测系统的建设进入了网络化阶段。目前，从水利部机关到各流域、各省市实现了水情、雨情信息的网络化传输，实现了信息的自动化接收、处理和分析。在国家防汛指挥系统工程项目的总体设计中，提出了在全国将建立224个水情分中心、228个雨情分中心。在水情、雨情信息的采集方面，一些流域和省市建立了一定规模的水情、雨情信息自动测报系统。我国的水位监测系统建设经过近三十年的发展经验积累，虽然已经取得了巨大的进步，但总体来说，大部分地区的水位监测系统的建设还不够合理和完善，整体水平仍相对落后，与西方发达国家还存在着很大的差距，信息采集、传输手段和技术比较落后，信息时效性差，不能满足当今对水文数据实时、快速、准确监测的要求。1.4课题主要研究的内容本设计目的是研究一个基于远程通信模块进行传输，由单片机作为控制单元的液位远程监控系统，采用压力传感器来采集液位的信息，当液位高度超过设定值时会发出警报，并显示超标数值。达到实时远程监控系统的目的，达到了能及时了解现场信息，快速进行决策，并省去很多人力的目的。本设计主要包括压力传感器，以AT89S52单片机为控制核心，通过无线传输模块传输数据达到液位的远程监控和报警功能。第一章引言主要介绍了基于无线通信的远程液位监控系统的设计的目的及意义与国内外的发展现况。第二章主要介绍了传感器、单片机、无线传输等模块的对比与选择，并且给出了设计的整体方案。第三章主要进行了对本设计的硬件电路的设计，主要包括液位的采集模块，信息传输模块，显示模块等。第四章介绍了软件设计部分，主要介绍本设计的主程序及其他木块的流程图等。第2章 设计要求与方案论证2.1整体方案本设计设计了基于压力传感器的远程液位监控系统，本设计以AT89S52单片机为核心，配合传感器等外围电路完成信号的采集，液位高度的显示，声音报警等功能。通过压力传感器检测到液位高度，如果超过或低于预设液位高度，则将发出警报，系统总体方案框图如图2.1所示。图2.1 系统总体方案框图2.2单片机的选型AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8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。芯片上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、有效地解决方案。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，8个中断向量源，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，可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许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，主要特点如下：1、8位字长CPU；2、振荡器和时钟电路，全静态操作：0-33MHz；3、8KB系统内可编程Flash存储器；4、4个I/O端口共32线；5、3个16位定时/计数器；6、全双工串行口通道；7、ISP端口；8、定时监视器；9、双数据指针；10、20多个特殊功能寄存器；11、电源下降标志。通过比较AT89S51和AT89S52本质上没有太大的区别，只不过AT89S52是AT89S51增强型，成本差不多，电源下降有明显的标志，所以选择AT89S52作为本设计的主控芯片。2.3液位传感器的选型传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。液位监测仪的传感器长期置于液体内，一般的传感器极易结垢和腐蚀氧化。故传感器的主体材料应为特制合金，工作环境的水温要求在2060之间。压力式液位传感器的输出为420Ma(4mA对应最大液位，20mA对应最小液位)电流信号，只需二芯电缆即可传输该信号，且压力式液位传感器体积小巧，一般其直径约为30mm，长度约为150mm，安装时只要简单地将其投入至液体中即可。即使为了保护传感器免受外力损坏也只需用直径为50mm的镀锌钢管作为护套，费用较低，故决定选择压阻式液位传感器。实际工程中常用的液位传感器主要有以下几种类型：1、浮体式液位传感器这类传感器是根据水的浮力来实现液位采样的。它的结构特点是必须有浮体浮于液面。其采集液位信号的原理是:浮体浮于液面随液体升降，同理浮体随液体位移的信号，通过浮体以一定方式传递出去，实现液位采集。浮体式液位传感器依据浮体传递液位信号方式的不同，又可划分为不同种类。浮子式光纤液位传感器是一种常见的浮体式液位传感器。浮体式液位传感器的主要缺点有两个:一是冬季结冰时无法正常工作;二是无法在流动的液体中测量液位，需建测井。2、压阻式液位传感器液体具有压力，并且液体的压力与液体的深度成正比，利用液体的这一性质采集液位信号的传感器，被称为压阻式液位传感器。压阻式液位传感器液位取样的基本原理是基于单晶硅材料的压阻效应。也就是说，半导体单晶硅在受到液体的压力后，其电阻会发生改变，且改变量与液体的压力成正比。压阻式液位传感器灵敏度高、动态综响应好、精度高、易于微型化和集成化，是目前非电量测量技术中非常重要的检测手段。这类传感器的主要缺点是，在大应变状态中有较明显的非线性，输出信号弱，故抗干扰能力差。3、传热式液位传感器这类传感器是基于液体的导热特性而研制的液体的导热速度与空气相比差别很大，若将功率一定的发热体分别置于液体及其同温的空气中，发热体表面的温度显著不同，即发热体在液体中的表面温度低于其在空气中的温度，发热体功率越大，差别就越明显。这种根据传热原理研制的传感器，是将液位测量转化为温差测量。这种传感器能满足可靠性的要求，但精确度较低。4、超声波液位传感器超声波液位传感器是根据液体能传播声波的特性研制的。超声波液位传感器采集液位。信号的原理是:传感器内部放射源向液体表面发射超声波，液体反射部分回波，这种反射波被同一传感器探测，并转换成电信号。这种传感器适用于腐蚀性液体的测量。5、导电式液位传感器自然界的水具有导电性，人们利用水的导电性研究出了各种水位传感器，人们把这些水位传感器统称为导电式水位传感器。这类传感器采集水位信号的基本原理是利用水的导电性将水位信号转换成电信号。转换方式有两种:一种是将水位变化转换成电容变化;另一种是利用水位变化与电极接触，来实现水位信号到电信号的转变。根据水位信号转换成电信号的不同方式，导电式水位传感器可分为两种类型:电容型和电接触型。(1)、电容型液位传感器这种传感器是利用的水的导电性，把水构成电容器的一个极板，将水位变化转换成电容变化来检测水位信号的。电容式水位传感器的测量电路常见的有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。与其它水位传感器相比，电容型水位传感器具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、对恶劣环境适应性强等优点。(2)、电接触型液位传感器电接触型水位传感器是依靠水的导电性来采集水位信号的。它利用水的导电性，通过水位变化与相应的电极接通，把水位信号转换成电信号。依靠电极与水接通拾取水位信号，也是这种传感器的特点。电极用金属材料制成，纵向依次排列在空芯棒外或安装在棒内，但必须使电极能够与水接触。电接触型液位传感器结构简单。安装使用都很方便、性能较稳定、价格低廉，因此备受用户欢迎。经过以上几种传感器类型的比较，本设计选择具有了敏度高、动态响应好、精度 高、易于微型化和集成化等优点的压阻式液位传感器。2.4 无线传输模块的选择 目前流行的无线传输技术：1、数传电台 (dataradio):借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电口。2、GPRS(GeneralPacketRadioservice)通用分组无线业务:一种基于包的无线通讯务。GSM:第二代蜂窝移动通信系统，也是全球第一个对数字调制方式、网络结构和业务种类进行标准化的数字蜂窝移动通信系统。3、无线射频身份识别系统(RadioFre明 eneyIdent饭 cationSystem，简称RFn, ID是针对常用接触式识别系统缺点加以改良。4、蓝牙技术(bluetooth):一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的短距离无线连接为基础，可为固定或移动的终端设备提供廉价的接入服务。5、红外线通讯技术(LDA):一种廉价、近距离、无线、低功耗、保密性强的通讯方案，主要应用于无线数据传输，有时也用于无线网络接入和近程遥控。6、NFC(NearFieldCommunieation，近距离无线传输):由PhiliPs、NoKIA和Sony主推的一种类似于R日D(非接触式射频识别)的短距离无线通信技术标准。7、ZigBee技术:zigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳Zigzag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。8、WiFi技术：wi Fi(WirelessFidehty，无线高保真)也是一种无线通信协议，正式名称是正EESO2.llb，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。9、NRF24L01：NR24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4-2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器。经过比较与分析我选用功能强大且实用方便的NRF24L01无线传输技术。2.5显示电路的选择方案一：LED显示单片机驱动LED显示有很多方法，按显示方式可分为静态显示和动态显示。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下一次显示时再传送一次新的数据。只要当前显示的数据没有变化，就无需理睬数码管显示。静态显示的数据稳定，占用CPU时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独具有锁存功能的I/O口，该接口用于笔画段字形代码。这样单片机只要把显示的字型数据代码发送到接口电路，该字段就可以显示要发送的字型。要显示新的数据时，单片机再发送新的字型码。另一种方法是动态扫描显示。动态扫描方法是用其接口电路把所有显示器的8个笔画字段(a-g和dp)同名端连接在一起，而每一个显示器的公共极各自独立接受I/O线控制。CPU向字段输出端口输出字型码时，所有显示器接收相同的字型码，但究竟使哪一位则由I/O线决定。动态扫描用分时的方法轮流控制每个显示器的公共极，使每个显示器轮流点亮。在轮流点亮的过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二级管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。方案二：LCD显示液晶显示器作为一种低功耗显示器件，广泛应用于计算器，数字仪表等低功耗系统中。但一般使用的液晶显示器均为七段笔划式，只能显示数字和少量字符，对于较复杂的字符或图形则无能为力。而点阵式液晶显示模块可以显示各种各样的字符(包括简单的汉字)，而且点阵显示模块具有可编程能力，与单片机接口方便。由于以上优点，点阵式液晶显示模块获得了广泛的应用。综上所述，由于单片机A只同时显示当前温度值和设定温度值，且当前温度值实时变化，设定温度值不变，所以单片机A选用方案一LED动态显示，MAX7219对数码管驱动。MAX7219是串行输出共阴极显示性能非常卓越的驱动芯片。其接口采用流行的同步串行外设接口SPI，可与任何一种单片机方便接口，并可同时驱动8位LED，还具有级联功能可控制更多的LED。由于单片机B需要同时显示日期、时间和温度值，且当功能键按下时显示不同界面，所以单片机B选用方案二LCD液晶显示。LCD选用12864液晶模块，可与单片机直接接口，8位并行和串行两种连接方式，最多可以控制4行16字中文字型显示。经过比较与分析我选择了实用的LED显示电路。2.6 A/D转换器的选择模数转换器即A/D转换器，或简称AD，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。随着数字电子技术的迅速发展，各种数字设备，特别是数字电子计算机的应用日益广泛，几乎渗透到国民经济的所有领域之中。数字计算机只能够对数字信号进行处理，处理的结果还是数字量，它在用于生产过程自动控制的时候，所要处理的变量往往是连续变化的物理量，如温度、压力、速度等都是模拟量，这些非电子信号的模拟量先要经过传感器变成电压或者电流信号，然后再转换成数字量，才能够送往计算机进行处理。方案一：ADC0809转换器有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A的编码来决定所选的通道。ADC0809完成一次转换需100微秒左右，它可对0-5V的模拟信号进行转换，但是它在精度、速度和价格上都适中。方案二：TLC2543转换器TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入输入结构，能够节省52系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。其特点有：1、12位分辨率A/D转换器；2、在工作温度范围内10us转换时间；3、11个模拟输入通道；4、3路内置自测方式；5、采样率为66kbps；6、线性误差1LSBmax；7、有转换结束输出EOC；8、具有单、双极性输出；9、可编程的MSB或LSB前导；10、可编程输出数据长度；综上所述，通过比较TLC2543分辨率高且能够减少单片机的I/O的资源，在实际中应用较多，所以我选择了TLC2543A/D转换器。2.7本章小结本章介绍了远程也为监控系统的基本组成部分，同时也简单论述了各个模块的的基本功能和作用，讨论实现无线远程也为监控系统的各个单元的方法及各种方法的优缺点。通过各种方法的对比论证，最终选择以AT89S52为控制元件芯片，压阻式液位传感器作为信息采集模块，第3章 系统的硬件设计3.1单片机主控模块3.1.1 AT89S52概述AT89S52是一款低功耗、高性能的8位微控制器，内部具有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。片内Flash存储器可在线重新编程，亦适于通用的编程器。通用的8位CPU与在系统可编程Flash集成在一块芯片上，从而使AT89S52功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性价比，使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景。3.1.2 AT89S52的主要性能1、与MCS-51单片机产品完全兼容；2、8K字节在系统可编程Flash存储器，可在线编程，擦写次数不少于1000次；3、具有256字节的片内RAM；4、全静态工作模式：0Hz3MHz；5、具有三级程序锁定位；6、32根可编程I/O口线（P0，P1，P2和P3口）；7、3个16位定时器/计数器T0，T1和T2，一个看门狗定时器；8、8个中断源、6个中断矢量、2级优先权的中断结构；9、1个全双工UART串行通道；10、2种低功耗节电工作方式：空闲模式和掉电模式；11、双数据指针TPTR0和TPTR1；12、具有掉电标识符POF；13、工作电源电压：4.05.5V。3.1.3 AT89S52的引脚排列及功能AT89S52具有PDIP，PLCC和TQFP三种封装形式。P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0口写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，此组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH编程时P0口接收指令字节，而在程序校验时输出指令字节，校验时要求外接上拉电阻。即可构成被动式的热释电红外传感器。广泛用于安防、自控等领域能。BISS0001 P1口：P1口是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。与AT89S51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和触发器输入(P1.1/T2EX)。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P1口除了作为一般的I/O口线外，部分引脚还具有第二功能，如表3.1所列。表3.1 P1口的第二功能管脚第二功能P1.0定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出P1.1定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2口：P2口是一组具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2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，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚经由内部上拉向外输出电流(IIL)。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MOVXDPTR)时，P2口送出高8位地址数据。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址(如MOVXRI)访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可作为输入端口使用。若外部负载将P3口拉低，则经过内部上拉电阻而向外输出电流(IIL)。P3口可接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。P3口除了作为一般的I/O口线外，还具有第二功能，P3口第二功能如表3.2所示。RST：为复位信号输入端。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。特殊寄存器AUXR(辅助寄存器)(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。表3.2 P3口的第二功能管脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（计数器0外部计数输入）P3.5T1（计数器1外部计数输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）ALE/PROG：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。在访问单片机外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置1，可禁止ALE操作。该位置1后，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。此ALE使能标志位的设置在微控制器执行外部程序时无效。PROG为本引脚的第二功能，对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。PSEN：为程序储存允许输出控制端，是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部程序存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP：EA为内外程序存储器选择控制端。欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000HFFFFH)，EA端必须保持低电平 (接地)。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.1.4 AT89S52的最小系统在引脚18-XTAL2和引脚19-XTAL1两端跨接晶体振荡器(简称晶振)，就构成了稳定的自激振荡器，发出脉冲直接进入内部时钟电路，这里选用晶体振荡器的频率为11.0592MHz；引脚为9复位输入端，接上电容，电阻及开关后构成复位电路；引脚20为接地端，引脚40为电源端。AT89S52的最小系统如图3.1所示。图3.1 AT89S52最小系统3.2压力传感器3.2.1 BH350-3AA型康铜金属箔电阻应变片概述 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用式(3.1)表示。 (3.1)式中：P金属导体的电阻率 L导体的截面积 S导体的长度我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化即可获得应变金属丝的应变情况。在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测机械零件的表面。当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时，粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形，引起应变片电阻发生相应的变化。这时，电阻应变片便将力学量转换为电压的变化量输出。3.2.2 BH350-3A型康铜金属箔电阻应变片原理图压力使得圆形金属筒以及电阻应变片变形，从而使电阻应变片的电阻值产生变化。电桥失去平衡，在A、B间产生微小电位差。压阻式传感器的满量程输出信号为 70350mV 不等,其输出阻抗很高,这就要求放大电路须有更高的输入阻抗,不从传感器输出端吸收电流,以免破坏传感器的工作状态。如图3.2所示。图3.2铜金属箔电阻应变片原理图3.3放大电路模块LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独 立。每一组运算放大器可如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出 端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与 该输入端的相位相同。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应 用在各种电路中。这一电路具有很高的输入阻抗和很高的共模抑制比和开环增益。失调电流、电压、噪声和漂移都很小。电路图如图3.3所示。3.4 A/D转换模块3.4.1 TLC2543概述TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入输入结构，能够节省52系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。3.4.2 TLC2543引脚图TLC2543引脚分布如图3.4所示。图3.3 LM324放大电路图 图3.4 TLC2543引脚分布1、 A1N0A1N10为模拟输入端；2、 /CS为片选段；3、 DIN为串行数据输入端；4、 DOUT为A/D转换结果的三态串行输入端；5、 EOC为转换结束端；6、 CLK为I/O时钟；7、 REF+为正基准电压段；8、 REF-为负基准电压段；9、 VCC为电源；10、GND接地；3.4.3 A/D转换过程及实现 TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。 TLC2543，它是12位串行模数转换器，使用 开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O 资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。其特点如下所述： A/D转换器有12位分辨率；在工作温度范围内转换时间为10us；有11个模拟输入通道；采用 3路内置自测试方式；有转换结束(EOC)输出；具有单、双极性输出；有可编程的MSB或 LSB前导；输出数据长度可以编程设定为8位、12位或16位。在本系统中采用的输出长度设 定为12位。另外TLC2543与外围电路的连线简单,它有三个控制输入端为CS（片选）、输入/ 输出时钟（I/O CLOCK）以及串行数据输人端（DATA INPUT）；模拟量输入端AIN0 AIN10 （1 9 脚、11 12 脚），11路输入信号由内部多路器选通，对于本系统，选用了AIN0 模拟输入端；系统时钟由片内产生并由I/O CLOCK同步；正、负基准电压（REF+ ，REF-）由外部提供, 通常为VCC和地, 两者差值决定输人范围。在本系统中，输入模拟信号为420mA 电流的模拟量，也就是转换输入范围电压是05V。电路图如图3.4所示。 图3.4 A/D转换电路3.5 无线通信模块NRF2401 是单片射频收发芯片，工作于 2.4 2.5GHz ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和 调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以 -5dBm 的功率发射时，工作电流 只有 10.5mA ，接收时工作电流只有 18mA ，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其 DuoCeiverTM 技术使NRF2401 可以使用同一天线，同