自动化本科毕业论文-远程液位采集装置的设计.doc

河北农业大学现代科技学院本科毕业设计 题 目： 远程液位采集装置的设计 学 部： 工学部 专业班级： 自动化 学 号： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 年 月 日摘要： 本设计完成了基于AT89S52的液位数据显示仪表的软硬件设计。本设计首先根据液位测量仪表的总体功能要求和国内外显示仪表发展趋势，确定了液位数据显示仪表的设计要求和总体设计方案。对本系统的各个功能模块的软、硬件设计逐一进行阐述、分析、论证。本设计是基于过程控制实验室中过程控制实验装置中的水箱作为液位测量对象，设计了I/V转换电路，将420mA标准电流信号变换成02.5V电压信号，送入具有SPI串行接口功能的TLC2543模/数转换器，进行模/数转换。本设计采用美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能COMS型8位单片机AT89S52作为微处理器。同时采用HD7279作为人机接口电路，完成了4按键的输入和4位LED实时显示液位数字量。本设计同时考虑了可靠性设计采用看门狗X25045作为低电压监测、数据掉电保护和防止程序跑飞。设计完成了RS485通信接口电路和软件协议。数显仪表具有测量值溢出报警功能。在软件方面，设计了数字滤波子程序，按键处理子程序和显示子程序，通信中断子程序。本设计完成的是一种专用的数据显示仪表的设计，可用于生产过程中的液位数据的显示，不仅实现了对工业生产的有效监控，而且在降低生产成本、简化管理等方面效果显著，具有一定的应用价值。关键词：液位检测；A/D转换；RS485；显示仪表；X25045Abstract: This design completed based on the liquid level data display instrument AT89S52 design of the software and hardware. This design according to the overall level measurement instrument function requirement and domestic and international display instrument development trend, and determine the level data display instrument design requirements and overall design scheme. Modules of this system of software and hardware design, detail by detail discussion and analysis demonstrated. This design is based on process control laboratory in process control experiment device as the water tank level measurement object, design I/V switching circuits, will 4 20mA standard current signal transform into 0 2.5 V voltage signal, into the serial interface function with SPI TLC2543 d/a converter, d/a change. This design USES the American ATMEL company production of low power consumption, high performance COMS type eight monolithic integrated circuit AT89S52 as microprocessors. Adopted HD7279 as the man-machine interface circuit, completed the 4 buttons input and four lends real-time display level the digital quantity. This design by considering the reliability design watchdog X25045 as low voltage monitoring, data off electrical protection and prevent program run fly. Design completed RS485 communication interface circuit and software agreement. Digital instrument has measured values overflow alarm function. In software, design the digital filtering subroutine, key processing procedure and display subroutine, communication interrupt subroutines. This design is a kind of special finished the design of the data display instrument can be used in the production process, the liquid level data display, not only realize the effective control of industrial production, and in lower production cost, simplify the management etc, has certain effect significantly the application value. Key words: Level detection; A/D conversion；RS485 ; Display instrument; X2504I目录第一章 引言11.1 课题研究背景11.2 显示仪表及其特点11.3 显示仪表国内外概况21.4 本设计的研究目的及意义2第2章 液位数据显示仪表的硬件设计32.1 硬件总设计32.2 单片机介绍及最小系统的设计32.2.1 单片机介绍32.2.2 最小应用系统的设计52.3 液位信号采集部分的设计52.3.1差动变极距式电容压力传感器介绍52.3.2 液位信号采集的设计72.4 A/D转换器TLC2543电路设计72.4.1 TLC2543介绍82.4.2 TLC2543与单片机电路设计92.5 按键及显示驱动芯片HD7279A电路设计92.5.1 HD7279A介绍92.5.2 按键与显示电路设计122.6看门狗电路及声光报警电路设计132.6.1 X25045芯片的功能142.6.2 基于X25045的看门狗电路设计142.6.3 声光报警电路设计152.7 本章小结15第3章 系统软件的设计163.1 主程序设计163.2 数据采集子程序设计173.3 按键处理子程序设计173.4 数据显示子程序设计203.5 中断通讯子程序设计213.6 系统数字滤波抗干扰设计233.7 本章小结24第4章 RS485通讯244.1 通讯方式介绍244.2 RS485通讯电路的设计274.2.1 MAX485芯片介绍274.2.2 基于MAX485芯片的通讯电路设计274.3 RS485方式构成的多机通信网络284.4 数据传输协议294.5 本章小结315.1 系统硬件抗干扰技术315.2 系统软件抗干扰技术345.3 本章小结35结束语35参考文献36致 谢38第一章 引言1.1 课题研究背景液位测量一直与自动化密切相关，液位的测量几乎遍及生产与生活的各个领域，尤其是工业生产过程领域。化工、石油、矿山等企业总是有许多盛液的反应锅(罐)或贮槽需要测定液位；水电、港务、航道等部门也需要测定水库、港口或航道的水位；国防部门等需要测定飞机、坦克之类的动力油箱中的油位。从测量范围来说，小的只有几十个厘米，大的可达几十米；从精度要求来说，有的只允许1毫米误差，有的却允许几厘米甚至几十厘米的误差；从测量环境和条件来说，有的很简单，有的却非常复杂。近年来由于微电子技术的发展使得液位检测技术发生了根本性变化。新的检测原理与电子部件的应用使得液位测量仪更趋向小型化和微型化，特别是一些小型现场液位开关发展极快，如超声液位计和振动式液位开关，由于没有可动部件，所以可靠性高，不仅可现场显示，而且可以发出控制信号。与此同时，液位检测也在向着智能化发展，在液位测量领域内广泛应用微处理技术，以实现故障诊断和报警，目的是提高测量的精确度、可靠性、安全性和多功能化。1.2 显示仪表及其特点在工业生产自动控制过程中，显示仪表应用十分广泛且是测控系统中不可缺少的一部分。显示仪表与不同的传感器、变送器配合使用，可把生产过程中人们感兴趣的温度、压力、流量、物位等测量结果进行显示，以方便人们正确把握生产的现场状态，有效控制整个生产流程，保证生产能稳定、有序、安全地进行。显示仪表是一种智能仪表，智能仪表是一类新型的电子仪器，它由传统的仪表发展而来，但与传统的仪表有很大的区别。智能仪表具有如下新特点和新功能：校零功能在每次采样后对传感器的输出值自动校零，从而大大降低了因漂移变化造成的误差；量程的自动切换功能可根据测量值和控制值的大小改变测量范围和控制范围，在保证测量和控制范围的同时提高分辨率；多点快速测控可对多种不同的参数进行快速测量和控制；数字滤波功能利用微处理器对测量数据进行处理，可抑制各种干扰和脉冲信号；自动修正误差许多传感器和控制器的特性是非线性的，且受环境参数变化的影响比较严重，从而给仪表带来了误差；利用微处理技术，可以依靠软件在线或者离线修正；数据处理功能利用微处理器可以实现传统仪表无法实现的各种复杂的处理和统计功能；比如统计分析、函数变换和频谱分析等等；复杂控制规律利用微处理器不仅可以实现经典的PID控制，还可以实现各种复杂的控制规律，例如，自适应技术、模糊控制等；多媒体功能可以利用液晶技术显示丰富的画面，实现多页显示，代替传统的数码管显示；通信和网络功能利用通信各种通信接口，可以大大增加仪表的数据传输和网络功能；自我诊断功能采用微处理器后，可以对测控系统进行监控，一旦发现故障则立即进行报警，并可显示故障部位或可能的故障原因，对排出故障的方法进行提示1。1.3 显示仪表国内外概况鉴于显示仪表在工业控制领域的重要性，国内外对其都有较为深入的研究。现今常用的数据显示仪表主要有三大类：工业控制计算机、通用显示仪表、专用显示仪表。工业控制计算机是一种具备特殊性能的计算机。工控机能够在苛刻的外界环境下连续长时间稳定运行，具有抗恶劣环境、结构特性好、电压适用范围宽、各种I/O设备配套齐全以及它对普通PC软件的完全兼容性等诸多优点。工控机配套相应的外设和专门的软件即能很好地实现对生产过程中的液位状况进行监控，但目前我国的嵌入式工控机几乎全部采用进口的微处理器和芯片组，关键技术受制于人，所以其价格一般比较昂贵，管理和维护也比较复杂。在工业发达国家，工业控制计算机得到了广泛的应用。对应我国的实际国情和并不复杂的工业测量控制系统，其昂贵的价格使得成本太高。通用显示仪表一般在结构上考虑得比较全面，可以根据实际应用系统的特征，通过软件编程实现所需要的监控和显示功能。专用显示仪表则主要针对不同系统的数据特征，“量体裁衣”地对其进行设计，既简化了管理和维护、节约了成本，又能很好地满足所要求的数据显示功能2。1.4 本设计的研究目的及意义本设计的研究目的：鉴于工业生产的现状和国内外数据显示仪表的应用局限，根据液位测量的特点，专门设计一种性能优良、功能全面、价格低廉的液位数据显示仪表，使其不仅能满足对液位数据的显示，而且具有超限报警等功能。仪表不仅能接收变送器输出的4-20mA的工业电流，而且还可以与远程变送器组成多点对多点RS-485串行通信网络，实现单个仪表对多个液位信息的显示和监控。本设计的研究意义：实现远程无人值守、全自动的多界面液位测量数据的显示，提高工业生产中液位的自动化测量水平，节约生产成本，简化生产管理。液位测量系统中的数据显示仪表是本课题的主要设计内容。显示仪表通过420mA电流获得变送器所采集到的液高，对这些数据进行适当的处理后，显示在LED数码管上。当显示仪表检测到液位数据超过设定的警戒线时，启动声光报警器报警。第2章 液位数据显示仪表的硬件设计2.1 硬件总设计硬件设计是本装置设计的一个重要环节，考虑到设计的要求及设计的目的，硬件系统由数据采集，A/D处理，中央处理器，HD7279显示及RS485通讯部分组成。其硬件总框图如图1所示。图1 硬件总框图液位采集A/D处理中央微处理器HD7279A8位LED声光报警RS485通讯2.2 单片机介绍及最小系统的设计2.2.1 单片机介绍AT89S52单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能COMS型8位单片机，片内8Kbytes可系统编程的Flash只读程序存储器，具有高密度、非易失性等存储技术特色，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，可在线编程（ISP）又可用传统方法进行编程及通用的8位微处理器集于单片芯片中。AT89S52单片机引脚图如图2所示。AT89S52具有如下特性：1、与MCS51产品指令系统完全兼容5；2、8K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器；3、全静态工作模式：0Hz33MHz；4、256字节8位内部RAM；5、32个可编程I/O口线、3个16位定时/计数器、8个中断源；6、全双工串行UATR通道；7、低功耗空闲模式唤醒系统；8、看门狗（WDT）及双数据指针；9、掉电标识和快速编程特性；10、灵活的在线系统编程（ISP字节或页写模式）。1 402 393 384 375 366 357 348 339 3210 3111 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21VSSP2.0ALE/P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6 P3.2 TXD P3.1RXD P3.0RST/VPDP1.7 P3.3T0 P3.4T1 P3.5P3.6P3.7XTAL2XTAL1VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7/VppP2.7P2.6P2.5P2.3P2.4P2.2P2.1图2 AT89S52的引脚图2.2.2 最小应用系统的设计AT89S52单片机内部有8K闪存，芯片本身就是一个最小系统。在能满足系统性能要求的情况下，可优先考虑采用此种方案。用这种芯片的最小系统简单、可靠，在使用AT89S52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟和复位电路即可，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的测控单元。时钟电路用于产生微处理器工作的时钟信号，时钟电路通常有石英时钟、石英振荡器、RC时钟等，本系统采用最常用的石英时钟。微处理器外接一个石英晶体和两个电容，共同构成一个自激多谐振荡器。系统时钟取决于晶体的固有频率，为11.0582MHz，电容C1和C2均选22pF。AT89S52的复位输入引脚RST为AT89S52提供了初始化的手段。在AT89S52的时钟电路工作后，只要在RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。只要RST保持高电平，则单片机循环复位。只有当RST由高电平变底电平以后，AT89S52才开始执行程序。复位电路中C选10uF, RK选10K，RS选0.2K。单片机最小化系统电路图如图3所示。RST10K8位8位8位+XATL0 XATL1 RESET 22pFC2C122pFC10uF0.2KRS11.0592M8位AT89S525VRKP0P1P3P2图3 AT89S52单片机最小化系统2.3 液位信号采集部分的设计2.3.1差动变极距式电容压力传感器介绍力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但差动变极距式电容压力传感器，它具有较低的价格和较高的精度灵敏度以及较好的线性特性。故本次设计选用差动电容式压力传感器。改变电容两平行板间距d的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时非线性严重。采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因受温度影响引起的不稳定性。图4是一种电容式差压传感器示意图。左右对称的不锈钢基座内有玻璃绝缘层，其内侧的凹形球面上除边缘部分外镀有金属膜作为固定电极，中间被夹紧的弹性膜片作为可动测量电极，左、右固定电极和测量电极经导线引出，从而组成了两个电容器。不锈钢基座和玻璃绝缘层中心开有小孔，不锈钢基座两边外侧焊上了波纹密封隔离膜片，这样测量电极将空间分隔成左、右两个腔室，其中充满硅油。当隔离膜片感受两侧压力的作用时，通过硅油将差压传递到弹性测量膜片的两侧从而使膜片产生位移。电容极板间距离的变化，将引起两侧电容器电容值的改变。图4 电容式差压传感器对于差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系可表示为：C0=d/d0式中 C0为初始电容值；d0为极板间初始距离；d为距离变化量。 此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反映被测差压的标准电信号输出。 这种传感器结构坚实，灵敏度高，过载能力大；精度高，其精确度可达0.250.05；可以测量压力和差压。当隔离膜片感受两侧压力的作用时，通过硅油将差压传递到弹性测量膜片的两侧从而使膜片产生位移。电容极板间距离的变化，将引起两侧电容器电容值的改变，从而使加在平板电容器上的电压发生变化。再通过应变电桥，传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（4-20mA或0-5V）并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 2.3.2 液位信号采集的设计由数据采集传感器输出的420mA的电流可以通过125的标准电阻转化为0.52.5V标准信号，而设计中A/D转换模块的参考电压为2.5V，因此需要将0.52.5V的信号转化为02.5V的信号。转换电路所需2.5V的基准电压可由TL431搭接的简单稳压电路获取。其电路可见TLC2543与单片机借口电路中的基准电压电路部分。转化电路见图5。图5 4-20mA到0-2.5V转换电路 （2.2） （2.3） （2.4）取V，则K，K，K，K，K，K，K，K。2.4 A/D转换器TLC2543电路设计2.4.1 TLC2543介绍数据采集系统涉及多学科，所研究的对象是物理或生物等各种非电或电信号。根据各种电或非电物理信号的特征，利用相应的归一化技术，将其转换成为可真实反映事物特征的电信号后，经A/D转换器转换为计算机可识别的有限长二进制数字编码，以此作为研究自然科学和实现工业实时控制的重要依据。在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等物理量。这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到单片机中进行处理。若输入的是非电模拟信号，还需经过传感器转换成模拟电信号。本设计以AT89S52单片机为核心，利用少量的I/O接口，采用TLC2543串行A/D转换芯片，扩展出一个数据采集系统。TLC2543引脚如图6所示。图中的AIN0-AIN10为模拟输入端，11路输入信号由内部多路器选通；为片选端，在端由高变低时，内部计数器复位。由低变高时，在设定时间内禁止DATA INPUT和 I/O CLOCK；DIN为串行数据输入端，由4位的串行地址输入来选择模拟量的输入通道；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端，为高时，处于高阻抗状态，为低时，处于激活状态；EOC为转换结束端，在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC从高电平变为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止；CLK为I/O时钟，其接收串行信号并完成以下4个功能:(1)在I/O CLOCK的前8个上升沿，8位输入数据存入输入数据寄存器；(2)在I/O CLOCK的第4个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到I/O CLOCK的最后一个下降沿为止；(3)将前一次转换数据的11位输出到 DATA OUT端，在I/O CLOCK的下降沿时数据开始变化；(4) I/O CLOCK的最后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；VCC为电源；GND为内部电路的地回路端3。DATA OUTPUT 1 202 193 184 17 5 166 157 148 139 1210 11I/O CLOCKDATA OUTPUT AIN0VCCAIN1AIN2AIN4AIN3AIN6AIN5AIN7AIN8GNDAIN9AIN10REF+REF-EOC图6 TLC2543的引脚图2.4.2 TLC2543与单片机电路设计TLC2543与AT89S52的接口电路如图7所示。以片选信号的电平为参考，TLC2543的工作过程可分为A/D转换周期和I/O周期两部分交替进行。图7 TLC2543与AT89S52芯片的接口电路图1.=1，A/D转换周期此时I/O CLOCK、DATA IN被禁止，DATA OUT引脚呈现高阻态，EOC为高，TLC2543被禁止，为共同使用串行总线的其他芯片让出了总线使用权。这个周期是A/D转换周期，TLC2543仍在进行A/D转换，其A/D转换通道是上一次I/O周期从DATA IN输入信号高4位所确定的通道。2.=0，I/O周期此时I/O CLOCK、DATA IN可用，DATA OUT脱离高阻状态，TLC2543既通过DATA IN脚读入数据，又通过DATA OUT脚输出数据。12个时钟信号从I/O CLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATA IN一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送入)，同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATA OUT一位一位地输出。TLC2543收到第4个时钟信号后，通道号也己经收到，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量(液位值)进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约为10us，转换完成后EOC变高，转换后的数据在输出寄存器中，等待下一个时钟周期输出。然后进行下一个工作周期。2.5 按键及显示驱动芯片HD7279A电路设计2.5.1 HD7279A介绍1.HD7279的主要特点（1）与CPU间采用串行接口方式，仅占用4根口线；（2）内部含有译码器，可直接接收BCD码或16进制码，同时具有两种译码方式，实现LED数码管位寻址和段寻址，消引和闪烁属性等多种控制指令，编程灵活；（3）循环左移和循环右移指令；（4）内部含有驱动器，无需外围元件可直接驱动LED；（5）具有级连功能，可方便的实现多于8位显示或多于64键的键盘接口；（6）具有自动消除抖动并识别按键值的功能。2.HD7279的引脚说明键盘显示专用接口芯片HD7279的引脚如图8所示。图8 HD7279引脚图DIG0DIG7分别为8个LED管的位驱动输出端。SASG分别为LED数码管的A段G段的输出端。DP为小数点的驱动输出端。DIG0DIG7和SASG同时还分别是64键盘的列线和行线端口，完成对键盘的监视、译码和键码的识别。在88阵列中每个键的键码是用16进制表示的，可用读键盘数据指令读出，其范围是00H3FH。HD7279与微处理器仅需4条接口线，其中为片选信号。当MCU访问HD7279时，应将片选端置为低电平。DATA为串行数据输入/输出端，当向HD7279发送数据时，DATA为输入端；当HD7279输出键盘代码时，DATA为输出端。CLK为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿表示数据有效。KEY为按键信号输出端，在无键按下时为高电平；而有键按下时此引脚变为低电平并且一直保持到键释放为止4。RC引脚用于连接HD7279的外接振荡元件，其典型值为R=1.5K，C=15pF 。为复位端。该端由低电平变成高电平并保持25ms即复位结束。通常，该端接+5V即可。CLKO为振荡输出端。VDD为正电源（+5V）；VSS接地。3.HD7279的控制时序（1）纯指令时序不带数据的纯指令的指令宽度为8个bit，即单片机需发送8个CLK脉冲，向HD7279发送8位指令，DATA引脚最后为高阻态，如图9所示。 CSCLKDATAT1T2T3图9 纯指令时序（2）带数据指令时序带有数据的指令的宽度为16个bit，即单片机需发送16个CLK脉冲，前8个向HD7279发送8位指令；后8个向HD7279传送8位显示数据，DATA最后为高阻态，如图10所示CSCLKDATA8位指令8位数据T4图10 带数据指令时序（3）读键盘指令时序读取键盘数据指令的宽度为16个bit，前8个为单片机发送到HD7279的指令，后8个bit为HD7279返回的键盘代码。执行此指令时，HD7279的DATA端在第9个CLK的上升沿变为输出状态，并与第16个CLK的下降沿恢复为输入状态，等待接收下一个指令，如图11所示。CSCLKT5T7DATA键盘指令键盘代码T6T8图11 读键指令时序2.5.2 按键与显示电路设计HD7279A应连接共阴极式数码管。应用中，无须用到的键盘和数码管可以不连，省去的数码管或对数码管的设置属性均不会影响键盘的使用。如果不用键盘，则典型电路图中连接到键盘的8只10K电阻和8只100K下拉电阻均可省去。如果使用了键盘，则下拉的8只100K的电阻就不得省去。除非不接入数码管，否则串入DP及SA-SG连线的8只200的电阻不能省去。实际用中8只下拉电阻和8只键盘连接位选线DIG0-DIG7的8只电阻，应遵从一定的比例关系，下拉电阻应大于位选电阻的5倍而小于50倍，典型值为10；下拉电阻的取值范围是10K100K，位选电阻的取值范围是1K10K。在不影响显示的前提下，下拉电阻应尽可能取较小值，这样可以提高键盘部分的抗干扰能力。按键显示电路如图12所示。HD7279A需要一个外接的RC振荡电路以供系统工作，其典型值是K。pF。如果芯片无法正常工作，就检查这个振荡电路。HD7279A的复位端在一般的应用情况下，可以直接与正电源连接，在需要较高可能性的情况下，连接一个外复位电路，或直接由MCU控制。在上电或复位端由低电平变为高电平后，HD7279A大约需要经过1825ms的时间才会进入正常的工作状态。上电后，所有的显示都为空，所有显示的显示位的属性均为“显示”和“不闪烁”。当有键按下时，KEY引脚输出变为低电平，此时如果接到“读键盘”指令，HD7279A将输出所按下的键的代码。如果在收到“读键盘” 指令时没有有效按键，它将输出FFH。程序中，尽可能减少CPU对HD7279A的访问次数，可以使得程序变的有效率5。图12 按键与显示电路原理图因为芯片直接驱动LED数码管显示，电流较大，且为动态扫描方式，故如果该部分电路电源连线较细较长，可能会引入较大的电源噪声干扰，将HD7279A的正负电源端上并入去耦电容可以提高电路抗干扰能力。2.6看门狗电路及声光报警电路设计系统在运行时，通常会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力就显得尤为重要，看门狗(Watch Dog)电路是自行检测系统的重要保障。本设计选用美国Xicor公司生产的标准化8脚集成电路芯片X25043，它将E2PROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，降低了成本和系统功耗。本设计不仅用到X25043的看门狗功能，而且还用到了它的E2PROM来存储设定的的液位报警值6。2.6.1 X25045芯片的功能X25045有三种常用的功能：看门狗定时器、电压监控和E2PROM7。（1）看门狗:看门狗定时器对微机控制系统提供了独立的保护系统。它提供了三种定时时间，可编程选择200ms, 600ms和1.4s。在设定的时间内如果没有对X25045进行访问，则看门狗以RESET信号做输出响应，即变为高电平，延时200ms后，RESET由高电平变成低电平，进行系统复位。（2）电压监控:上电时，电源电压超过4.5V后，经过约200ms的稳定时间后，RESET信号由高电平变成低电平。掉电时，如电源电压低于4.5V，RESET信号就立刻由低电平变为高电平并一直保持到电源电压恢复到稳定为止。（3）E2PROM功能:X25045芯片内部的储存器采用CMOS工艺的4096为串行E2PROM，按5128组织，每个字节可以擦写10万次以上，内部数据可以保存100年以上。芯片具有编程块锁定功能。采用简单的三线总线的串行外设接口就可以对该芯片进行读写。2.6.2 基于X25045的看门狗电路设计X25045与微处理器的接口十分简单，图13即为该芯片与AT89S52单片机的接口电路。该电路为AT89S52上电复位、手动复位、电源电压监控、可编程看门狗定时器、串行E2PROM等功能8。图13 X25045与AT89S52的接口电路图2.12是X25045与AT89S52的一种接口方式，通过4根口线，SCK，SI，SO完成对X25045的操作。X25045内部操作的时序符合SPI总线接口协议的标准。对看门狗的复位由输入电平的下降沿完成，SCK是外部输入的同步时钟信号；在对芯片发出指令或写入数据时，时钟前沿将SI引脚信号输入；在读数据时，时钟后沿将数据位输出到SO引脚上。数据不管输入/输出都是高位在先。X25045芯片是设计成直接与许多常用微控制器系列的同步外设接口(SPI)相接的5128的E2PROM。X25045包括一个8位的指令寄存器，它可通过SI输入来访问。数据在SCK的上升沿由始终同步输入。在整个工作周期内，必须是低电平且WP输入必须是高电平。X25045监视总线，如果在预置的时间内没有总线活动，那么它将提供RESET输出。（1）指令寄存器：X25045内有一个8位的指令寄存器，对该芯片所有的操作都需要通过对指令寄存器写命令来完成，共有6条指令。所有指令、数据和地址都是以高位(MSB)在前的方式串行传送。读和写指令的第三位包含了高八位A。（2）状态寄存器：X25045内部有一个状态寄存器。RDSR指令提供对状态寄存器的访问。在任何时候都可以读状态寄存器。2.6.3 声光报警电路设计 声光报警电路如图14所示，该电路用于当采集到的液位数据超过设定的警戒线时启动声光报警。图14 声光报警电路2.7 本章小结本章主要是硬件电路的设计。硬件电路的设计主要有数据采集部分、输出部分、标准电压电流信号接口部分以及键盘显示的电路设计。数据采集基于TLC2543的A/D转换电路的设计；输出部分主要是报警驱动；键盘显示主要设计了采用HD7279A键盘显示驱动芯片实现的人机界面。 第3章 系统软件的设计任何一个控制系统必须通过软、硬件的结合才能构成完整的控制系统，执行应的操作。通过软件的设计可以弥补硬件的不足，优化控制系统，使整个系统发挥出最大的潜力，获得最佳的控制效果。3.1 主程序设计本设计软件的总体设计流程图如图15所示。NYNY开始系统初始化A/D采集显示数据采集到数据是否溢出是否采集到5次数据调用数字滤波程序显示数据启动声光报警按键扫描结束图15 主程序流程图以下几节着重讨论数据采集子程序设计、按键处理及显示子程序设计、中断通讯子程序设计以及系统数字滤波抗干扰的设计。3.2 数据采集子程序设计编程过程中应特别注意TLC2543的工作时序。其I/O CLOCK引脚接收串行输入信号，在I/O CLOCK的前8个上升沿，DIN引脚的8位输入数据存入数据存储器；在I/O CLOCK的第4个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到I/O CLOCK的最后一个下降沿为止；将前一次转换数据的其余n位输出到DATA OUT端，在I/O CLOCK的下降沿时，数据开始变化；I/O CLOCK的最后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位。因此，TLC2543在每次I/O周期读取到的数据都是前一次的转换结果，应该丢弃，再读一次，即为当前转换值。数据采集子程序的程序流程图如图16所示：I/O CLOCK时钟清零通道左移四位功能选择CS关闭等待转换结束标志位为1功能选择CS开启写入通道方式控制字，并读出12位数字的高8位读出低4位数据图16 数据采集子程序流程图3.3 按键处理子程序设计键盘是由若干按键组成的开关矩阵，它是微型计算机最常用的输入设备，也是几乎所有微控制器必不可少的设计单元，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。一般单片机系统中采用非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于嵌入式计算机系统中。液位控制装置的按键共有4个，分为两类：第一类，状态设置按键，即D1：CORV，D4：STEP；第二类，增加、减少等数字设定键，即D2：，D3：。其中，CORV键是复用的，长按时是进入菜单键，当进入菜单后CORV又为确定键。STEP键就是步态转换键。具体的程序见附录B。工业控制设备中使用“”和“”二键控制显示数值，要求按一次“”键是显示值加1，按一次“”键使显示数值减1。如果按“”键超过一定的时间，则显示值就很快地增加，例如一秒加10个数字，“”键亦如此。这样就可以用很少的键完成多位数的输入工作。也可以将长按的一键作为进入菜单的键。按键实现流程如图17和图18所示。NYNY开始有按键按下吗延时去抖动读键值闭合键释放否？返回图17 读按键流程图NNYNYNY开始显示第一个参数按键扫描设定值+1是“+”键吗？按键扫描是“”键吗？设定值1按键扫描是“STEP”键吗？按键扫描是最后一个参数吗？返回图18 使用“”和“”二键控制显示数值键盘程序流程3.4 数据显示子程序设计HD7279A实现数码管和键盘的硬件连接图参照图11所示。下面以按键控制A/D采集并在数码管显示的整个工作流程加以介绍，具体的工作流程图如图19所示。在程序开始后，在主程序中循环运行判断是否有按键按下，扫描按键以查询的方式进行，直到有按键按下，单片机接受指令发送控制指令给数模转换芯片进行A/D采集，同时HD7279A发送数码管显示指令，将采集到的A/D值在数码管上显示出来，此程序设计包含了按键驱动，数码管显示和A/D采集，通过此程序设计能够掌握HD7279A是如何驱动数码管显示和按键的原理。NY开始初始化发送读键盘指令A/D采集HD7279发送显示命令数码管显示有闭合按键吗？结束从HD7279读键盘代码图19 HD7279A显示和键盘程序流程图3.5 中断通讯子程序设计中断是为处理器对外界异步事件具有处理能力而设置的，中断技术的引入把计算机的发展和应用大大地推进一步。中断是指计算机在执行某一程序的过程中，由于计算机系统内、外的某种原因，而必须终止原程序的执行，转去执行相应的处理程序，待处理结束之后，再回来继续执行被终止原程序的过程。能产生中断的外部或内部事件称为中断源。几个中断源同时申请中断时，或者CPU正在处理某中断事件时，又有另一事件申请中断，CPU必须区分哪个中断源更重要，从而优先处理，这就是中断优先级问题。优先级高的事件可以中断CPU正在处理的低级的中断服务程序，待完成了高级中断服务程序之后，再继续被中断的低级中断服务程序，这就是中断的嵌套。当数据显示仪表需要与PC机进行通讯时就需要用到中断通讯子程序。本设计中中断通讯子程序由中断发送子程序和中断接收子程序组成，中断发送子程序和中断接收子程序流程图分别如图20和21所示。关中断标志位发送通信协议发送数据发送校验码中断入口中断返回NY接收协议根据协议决定数据类型接收数据接收校验码校验码是否正确关中断标志位中断入口中断返回图20 中断发送子程序 图21 中断接收子程序3.6 系统数字滤波抗干扰设计从传感器或者变送器送过来的信号中，通常会掺杂一些噪声和干扰。模拟系统中，一般采取在信号输入端装RC低通滤波器的方法来抑制某些干扰信号，但其对高频干扰信号有较好的抑制，而对低频干扰信号滤波效果不佳。所谓数字滤波器就是通过一定的计算和判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重，故数字滤波器是一种程序滤波。数字滤波器可以对极低频率的干扰信号进行滤波，以弥补RC滤波器的不足，并且可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，使用上极其灵活、方便，而且降低了硬件成本。本设计采用了算术平均滤波法，算术平均滤波法是连续取N个采样值进行算术平均运算。N值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较底；N值较小时，信号平滑度较底，但灵敏度较高。算术平均滤波法的优点在于适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。缺点是对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费RAM。程序设计中将采集到的数据去掉一个最大值和一个最小值，再将余下数值除3求得平均值，其程序流程图如图22所示。NYA/D采集采集5次？去掉最大值和最小值余下数值3求平均值显示数值数字滤波子程序入口返回图22 数字滤波程序流程图3.7 本章小结本章主要针对设计对象对整个系统的软件部分进行了设计。主要包括主程序的设计和各部分子程序的设计即包括数据采集子程序、按键处理子程序、数据显示子程序、中断通讯子程序以及系统数字滤波抗干扰设计。第4章 RS485通讯4.1 通讯方式介绍在设计下位机的工作中，还涉及到将液位数据显示仪表的测量数据传送到上位机。这时，将整个液位测量系统设计成一个由微机与单片机组成的上位机与下位机的分布式控制系统，下位机深入到液位测量现场，采集液位数据，最后将状态信息与处理结果数据传至上位PC机。这时就涉及到PC机与下位机的通信的设计问题。对于异步串行通信接口来说，有以下四类:1、RS232C (RS232A，RS232B)2、RS449，RS422，RS423，RS4853、20mA电流环4、USB通信接口在实现计算机与计算机、计算机与外设间的串行通信时，通常采用标准通信接口。所谓标准接口，就是明确定义若干信号线，使接口电路标准化、通用化。采用标准接口后，能很方便地把各种计算机、外部设备、测量仪器有机地连接起来，构成一个测量、控制系统。RS232C是由美国电子工业协会(EIA)正式公布的、在异步串行通讯中应用最广的标准总线。它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定，适合于短距离或带调制解调器的通讯场合。为了提高数据传输率和通讯距离，EIA又公布了RS449，RS422，RS423和RS485串行总线接口标准。20mA电流环是一种非标准的串行接口电路，但由于它具有简单、对电气噪声不敏感的优点，因而在串行通讯中也得到广泛使用。为保证高可靠性的通信要求，在选择接口标准时，须注意以下两点:（1）通信速度和通信距离通常的标准串行接口的电气特性，都有满足可靠传输时的最大通信速度和传送距离指标。但这两个指标之间具有相关性，适当地降低通讯速度，可以提高通讯距离，反之亦然。例如，采用RS232C标准进行单向数据传输时，最大数据传输速率为20Kbit/S最大传送距离为15m。改用RS422标准时，最大