粮仓料位智能检测系统研究 精品.doc

粮仓料位智能检测系统研究粮仓料位智能检测系统研究1 绪论1.1 课题背景粮食是国民经济的基础，是关系国计民生的特殊战略物资。粮食的数量、质量与安全直接关系到国民经济发展和社会稳定的大局。粮食问题始终是党中央、国务院密切关注的重点问题。因此，做好粮食储备工作，为促进经济稳定发展创造良好的基础，具有重大的意义。 据专家预测，从现在起到本世纪30年代，中国的粮食和农业的发展，正在进入一个重要的历史时期，人口将要达到高峰期，耕地继续减少到低谷，非耕地资源开发需要投入巨大的资金，人民生活将要进入到富裕阶段，这一时期中国的粮食和农业状况如何，成了举世瞩目的重大问题。随着国家农业产业政策的不断完善，以及现代科学技术在农业生产中的应用和推广，国家粮食总产量不断突破历史新高。但国家的粮食储备状况自建国以来却没有得到明显改善，全国80%左右的粮食仍采用原始的存储方式。每年由于粮食储存不善造成的损耗，几乎抵消了农业的增产。在这样一种大形势下，国家投资兴建了大型现代化粮库，最大粮库方圆几公里，仓房数很多。由于大型粮库的规模和其粮仓的容量都是前所未有的，这些因素对粮库的正常运行带来了一些新问题，主要存在问题是如何随时掌握每个仓内粮食的质量变化情况，粮食受温度、湿度及其它因素的影响，可能出现发热、霉变、虫害等情况。同时在粮食储藏过程中，粮食料位的控制是必不可少的。料位失控后，就会发生跑粮或塔空，造成粮食损失，热量失散，浪费能源。同时为了减少粮食储藏过程中的损失，保障粮食的品质和质量，首先应该及时准确地掌握粮食储藏过程中各种物理因素的变化情况，找出其变化规律。粮情监控系统是利用现代电子技术来实现粮食储藏过程中对粮情变化的实时检测、对检测数据进行分析与预测、对异常粮情提出处理建议和控制措施等，为科学及安全储粮提供技术保证和科学依据。1.2 粮仓料位检测的目的和意义粮情监控中对粮仓料位高度的实时测量可谓关键技术之一。料位失控后，就会发生跑粮或塔空，造成粮食损失，热量失散，浪费能源。储粮的料位主要物理参数是粮食的介电常数、空气的介电常数，这些参数的快速、准确、自动监测对于减少粮食损耗具有重要意义。粮情监控系统是能够对粮食料位进行连续的自动监测，完成粮食状态的分析与估计的智能系统。该系统利用计算机构成整个粮食仓储区管理系统，系统设计应具备通讯、数据显示、数据存储、数据分析等主要管理功能。 散粒体颗粒在料仓中存放时具有以下特点: (1)物料在自然堆积时，存在着堆积倾斜角，因此料面是不平的。 (2)粉料、块料之间有微小间隙，它在受到振动、压力及潮湿时，间隙会产生变化，料位也随之改变。 (3)物料在下落过程中，会产生物料的飞溅、气体的飞扬等现象。 由于料位测量具有以上特点，给精确测量带来困难。本课题的测量对象除具有上述的特点外，同时还面临高温、水蒸气多和粉尘等恶劣环境的影响，这也是我们选择测量方法的技术关键。 建立粮情监测产品技术应用新体系，应本着一切从国情出发，从实际需要出发，从目前国内的技术水平出发，面向遍布全国各产区和销区粮库的不同仓房类型和功能的粮情检测成套系列化产品，经济实用地满足粮食储藏的不同需求。针对上述情况，我们采用了具有高可靠性、寿命长、成本低的双电容式智能料位传感器。该传感器结构简单，安装灵活，可垂直安装在容器内的任意部位，可工作在恶劣的环境中，可减小因温度和湿度造成的测量误差，可减小分布电容和寄生电容对测量结果的影响，不仅适用于金属容器，也适用于非金属容器的粉体、颗粒物料料位的测量。1.3 国内外料位监测的发展现状要实现对料位高度的在线监测与控制，关键在于能否精确的检测当前料位高度。近年来，出现了许多新型的料位检测方法，各种料位测量仪也发展很快。目前物位测量仪表主要有三个发展方向:非接触测量、物位仪表智能化和小型化、集成化。同时随着科学技术的发展，以及其它相关领域的最新成果向物位测量方面的移植，使得物位测量仪在一些特殊场合(如高温、高压、高真空等)获得了更广泛的应用，测量精度也有了进一步的提高。对于物位测量这一领域的研究，外国的起步早，投入的资金雄厚，发展非常迅速，在70年代就取得了瞩目的成就。到目前为止，国外的许多家公司都研制出具有代表性的一系列功能齐全、自动化程度高、精度高的测量系列与相应产品。我国的经济发展水平比较落后，各种基础行业的资金投入少，各相关领域发展缓慢，使得物位测量技术、测量方法相当落后，产品自动化程度不高，精度、可靠性、功能等与国外的物位测量水平有很大的差距。近年来，特别是改革开放的近二十年间，我国的经济技术水平得到了迅猛的发展，国家增加了各基础行业的资金投入，测量技术得到了更新，料位测量发展比较迅速。例如:上海自动化仪表五厂、上海集成仪器仪表研究所、北京新大运传感技术公司等科研机构与部门研制开发了开关式和连续式电容料位计、智能超声料ILM232、浮子式物位计和重捶式物位计UZZ-02等，北京集讯系统有限公司开发的Level Plus液位计，这些产品的性能指标、功能较以前同类产品有很大程度上的提高，但和国外的物位测量仪表相比有待改进2。1.4本的研究内容本系统需要测量物料在粮仓中的存储高度，属于料位测量的范畴，就料位检测方式来说。测量料位的方法主要有：电容式、重锤探测式、雷达式、超声波式、激光式、放射性式等。对料位的智能检测我们采用的是一种新型的双电容式料位传感器，电容式料位传感器测量粮食料位的依据是利用粮食介电常数不同于空气的介电常数 ,当粮食接触传感器时 ,引起电容式传感器电容量的变化。其基本工作原理是电容式传感器把粮食的料位转换为电容量的变化 ,再由电容量转换位电压通过A/D进行数据采集送入单片机进行控制检测。有单片机进行检测、显示、记录、报警等并采取相应的处理措施，以确保粮食储藏过程的安全。电容式料位传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的，在实际的料位测量中，一般以物料的容器壁作为电容的一个极，传感器探头固定在容器中作为电容的另一极，其结构如图1-1所示。 图1-1料位传感器测量的结构示意图利用自动控制技术，选用合适的测试手段和控制方法，建立以单片机为核心的粮仓的料位参数自动监测控制系统。从而实现粮仓料位的智能化控制，是本课题研究的重要内容。具体包括以下方面：(1)硬件系统的设计：包括单片机监测控制系统的组建，传感器、调控设备及其他元器件的选型；控制电路的设计，显示及报警电路的设计。(2)软件系统的设计与实现：包括软件流程图，以及部分软件编程设计（如：单片机控制的A/D转换程序）。2 电容式料位传感器原理、应用及发展2.1 电容式料位传感器在现代料位测量系统中，所采用的料位传感器按所测量的物料种类的不同和工矿环境等因素的不同而不同，诸如电阻式、电感式、电容式、超声波式、核辐射式等物位传感器，可谓种类繁多，机理各异。但在这多种传感器中，并不是每种料位传感器都可用在各种物料与工矿环境中，它们几乎均有一定的适用范围及局限性。在目前我国的工业物位测量中，电容式料位传感器较其他种类的传感器有较广泛的用途，因为电容式传感器以其灵敏性好，输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象，对恶劣环境的适应性强等优点被很多厂矿等工业物位测量中使用。2.1.1 电容式料位传感器的基本原理1.电容式传感器基本原理电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应好、价格便宜等优点，可以实现非接触测量，且具有平均效应。电容传感器可以用来检测压力、力、位移、物位以及振动等沸点参量，是一种应用广泛和有发展前途的传感器2。电容式传感器是把被测的非电量转换为自身电容量变化的一种传感器。这些被测量是用于改变组成电容器的可变参数而实现其转换的。电容式传感器的基本工作原理可以用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为： (2-1)式中： d 两平行极板间的距离（m）； A两平行极板间相互覆盖的有效面积（m2）； 两极板间介质的介电常数（Fm-1）； r介质的相对介电常数； 0 真空中的介电常数（空气中介电常数也用0），0=8.8510-12(Fm-1)由式可见，影响平行极板电容器的电容量的参数有，A，d 三个，只要其中一个参数发生改变，电容 C就要改变。电容式传感器在检测非电量时，就是使被测非电量改变其中一个或两个参数，从而得到被测非电量与传感器电容量之间有一对应函数关系。因此，依据电容器电容的三个变化参数，我们把电容式传感器分为：极距变化型电容传感器、面积变化型电容传感器和介质变化型电容传感器。2. 电容式料位传感器的原理电容式料位传感器测量粮食料位的依据是利用粮食介电常数不同于空气的介电常数，当粮食接触传感器时,引起电容传感器电容量的变化。双电容式传感器也是依据这一原理。为克服温、湿及其它因素对传感器的影响,在一个传感器基板上制作了二个完全相同的电容器，其中一个基准电容器,容量为Cr,另一个测量电容器,容量为Cx。由于两个电容器处于相同的环境条件下,由温、湿度等干扰因素引起的容量变化Cx，Cr必然相同，将电容量的变化转换成频率变化的电信号后,两个电容传感器的频率Fx，Fr之差为一固定值,不受外界温、湿度等干扰因素影响4。新型双电容式料位传感器适用于组成交流电桥检测电路，将两个电容器分别接入交流电桥的两臂，其中一个为基准电容器，外罩一个布满微孔透气的绝缘罩，里面事先装满与被测物料相同的参比物料，容量为Cr,虽然基准电容器不直接接触被测物料，但绝缘罩里面的参比物料的温度和湿度与外面的被测物料相同；另一个为测量电容器，容量为Cx，直接接触被测物料。由于两个电容器处于相同的环境条件下，由温度、湿度等干扰因素引起的容量变化Cx和Cr必然相同，因而交流电桥输出的信号基本只与料位有关，输出电压Uh(比例系数与检波放大电路的增益有关少，从而减小了因温度和湿度造成的测量误差。由于平行板电容器比传统的电容式料位传感器的电容量大了传统的电容式料位传感器的电容量约为几到几十pF)，因此可减小分布电容和寄生电容对测量结果的影响。并且平行板电容器不依赖于容器壁而单独存在，可垂直安装在容器内的任意部位，不仅适用于金属容器，也适用于非金属容器的料位测量。2.1.2 目前电容式料位传感器存在的问题与不足电容式料位传感器以其体积小、结构简单、可以进行非接触测量、动态响应好、灵敏度高、分辨力强、并能在恶劣环境下工作等优点获得广泛的应用，被认为是一种很有发展前途的传感器。但它还存在一些缺点和不足影响了它的使用范围和测量精度。电容式料位传感器的主要缺点是：它的电容量一般很小，仅几十至几百pF，甚至只有几个pF，环境变化将影响电容量发生变化、寄生电容和分布电容对其灵敏度很有影响、存在输出特性的非线性7。例如，在温度影响下，电容泄漏电导、极板的尺寸、间隙的大小、介质的介电常数都会发生变化。因此，电容式传感器的应用也受到一定程度的限制。另外，电容式料位传感器的智能化程度不是很高，对一些先进的集成转换功能和微处理器的输入输出及误差校正的控制作用未做充分的开发利用。再者，当电容式料位传感器对测量一些具粘附性的物料时，就显得无能为力了。总之，若不对电容式料位传感器做一些改进和发展的话，就会限制其的使用范围和测量精度。2.1.3 电容式料位传感器的改进和其发展趋势本文传感器采用双电容器和平行板电容器的结构,用两个结构相同的电容器组成交流电桥检测电路,使两个电容器处于相同的环境条件下,减小因温度和湿度造成的测量误差;改变电容器的结构和参数,增大电容量,减小分布电容和寄生电容对测量结果的影响。新型双电容式料位传感器的结构是在一块绝缘板的两侧分别各固定两块相同的长方形金属板,构成两个完全一样的平行板电容器,其中一侧的电容器外罩一个布满微孔透气的绝缘罩。电容式料位传感器最主要的发展方向就是向高智能化的方向发展，一方面要充分发挥微处理器的控制功能和提高微处理器本身的性能；另一方面要提高电容式料位传感器中变换电路的集成度，同时，为了克服不稳定的“寄生电容”的影响，常将电子放大线路安放在紧靠电容式传感器的地方或采取屏蔽措施和驱动电缆技术；为了提高测量精度，改善抗干扰性能，对测量电路及器件的要求要高等。对于电容式料位传感器对粘性物料的挂料误差问题，从传感器本身的机理或外围电路上去处理，把挂料的影响排除掉，从而给工程测量问题带来很大的便利性。当然，对电容式料位传感器的改进与发展还有很多方面的内容和措施，但它们的目的就是使电容式料位传感器向精确化与先进化的方向发展。3 粮仓料位智能检测系统3.1电容式传感器的设计电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、正确选材以及精细的加工工艺分不开的。在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温度和压力范围内，应尽量使它具有低成本、高精度、高分辨力、稳定可靠和好的频率响应等。为了发扬电容式传感器的特点克服缺点，在设计时本课题采取的措施有: (1) 减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能温度变化使传感器内部零件的几何尺寸和相互位置以及某些介质的介电常数发生改变，从而改变电容式传感器的电容量，产生温度误差。温度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值，因此必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。 (2) 消除和减小边缘效应边缘效应不仅使电容式传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量消除或减少它。适当减小极间距，使极径与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。本文设计时电极做得较薄使之与极间距相比很小，用以减小边缘电场的影响。 (3) 消除和减小寄生电容的影响传感器采用双电容器和平行板电容器的结构，用两个结构相同的电容器组成交流电桥检测电路，使两个电容器处于相同的环境条件下，改变电容器的结构和参数，增大电容量，由于平行板电容器比传统的电容式料位传感器的电容量大（传统的电容式料位传感器的电容量约为几到几十pF)，因此可减小分布电容和寄生电容对测量结果的影响。 (4) 防止和减小外界干扰 电容式传感器是高阻抗传感元件，外界干扰对其有一定的影响。当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输至电子线路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作，甚至会损坏。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。为防止和减小干扰，本文采取的措施有: 屏蔽和接地:用金属网把导线套起来而它们之间绝缘即屏蔽电缆)金属网可靠接地，壳体可靠接地。 增加原始电容值，降低容抗。 导线间的分布电容有静电感应，导线和导线离得远，线尽可能短，平行排列时采用同轴屏蔽线。 一点接地，避免多点接地。地线用粗的良导体。针对上述情况设计了双电容式智能料位传感器，如图3-1双电容传感器结构。图3-1 双电容传感器结构传感器采用双电容器和平行板电容器的结构,用两个结构相同的电容器组成交流电桥检测电路,使两个电容器处于相同的环境条件下,减小因温度和湿度造成的测量误差；改变电容器的结构和参数,增大电容量,减小分布电容和寄生电容对测量结果的影响。新型双电容式料位传感器的结构是在一块绝缘板的两侧分别各固定两块相同的长方形金属板,构成两个完全一样的平行板电容器,其中一侧的电容器外罩一个布满微孔透气的绝缘罩，其结构和尺寸如图3-2所示。图3-2 传感器的结构图3.2系统设计方案的确定本系统对粮仓的料位测量是利用双电容式料位传感器，电容式料位传感器测量粮食料位的依据是利用粮食介电常数不同于空气的介电常数，当粮食接触传感器时，引起电容式传感器电容量的变化，通过测量电容量的方法就可以求知料位数值。电路部分以AT89C51单片机为核心部件，电路板上主要包括信号检测与数据采集处理电路与显示电路、控制输出电路、模拟电路、数字电路等。系统总线路如图3-3所示。图3-3系统总体图考虑到经济、实用的因素，本系统的设计具体选型如下： (1) 正弦激励源电路 由于应用时所用极板较大，要求激励电压较高，本系统采用700V, 200KHz正弦交流电激励被测电容，激励部分分为振荡电路，放大电路和功率驱动电路。 (2) 双电容式传感器 选用时考虑到：a.由于储粮时主要受到温度、湿度等的影响比较大，这样就要求使用的传感器能够减小因温度和湿度造成的测量误差；b. 有粮食的特殊性会受到灰尘、杂物等的影响，这样就要求使用的传感器能够减小分布电容和寄生电容对测量结果的影响。这样本文设计了双电容式智能料位传感器。 (3) 单片机系统 由AT89C51单片机为核心，A/D转换器采用MAXIM公司的MAX197，是8通道、12位逐次逼近式A/D转换器。它采用28脚双列直插式标准封装，无须外接元件就可独立完成A/D转换功能。此外，系统具有看门狗电路、掉电保护等功能单元。 (4) 显示系统 本系统中使用LED显示块构成8位LED显示器(其中1位为小数点位)，电路以AT89C51单片机与2片中规模集成电路74LS164和74LS138的连接构成显示电路，占用CPU的IO线少。 (5) 报警系统在系统中设置了声光报警电路，当物位超过给定值的上下限时即进行报警。同时电路还设置了上限报警、下限报警、以及正常运行指示灯，进行声光报警。有光电隔离、功率驱动于单片机连接。4 系统硬件电路设计4.1 正弦激励源电路 振荡电路产生200KHz正弦波，经放大电路放大以达到所需要的电压值，再经功率驱动电路驱动1:10的变压器达到700V激励被测电容。传感器精度要求激励源必须非常稳定,不能随负载和温度变化，因此采用有源晶振供频率稳定的激励信号,设计电压反馈稳幅环节保持激励信号的幅值稳定,100kHz正弦激励,以降电极阻抗,提高检测电路频响和提高精度2。如图4-1正弦激励源电路图4-1 正弦激励源电路4.2信号检测电路料位的测量过程是：料位电容量电压。电容里与两极间被测介质填充高度的关系由两平行极板组成的平板形电容器，其电容量的表达式分别为：（4-1）(4-2)C一电容器的电容量；一极板间介质的介电常数；B金属板的宽度；H金属板的高度。以图4-2所示平板电容器为例，其电容量为: (4-3)式中：1一被测介质的介电常数；2一空气介质的介电常数式中K1、K2:取决于电容器的结构尺寸和介质的介电常数， 所以在介质不变、电容裁面不变时，电容量的变化与中间 图4-2 平板形电容器介质的填充高度(料位)成线性关系。因此，测出了传感器的电容，就可求出物料的深度15。测量电路的作用为把微小的电容变化量放大，转变为可由单片机识别的数字量，其包括C/V转换电路、交流放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路、直流放大电路和A/D转换电路等。其中A/D转换由单片机完成。C/V转换电路交流电桥法 交流电桥法的原理是把被测电容(亦可有漏导)放在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的另一个桥臂。一桥臂分别接到频率相同、电压相同的两个信号源上。调节参考阻抗使桥路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参考阻抗共扼相等。主要优点是:精度高，适合做精密电容测量其典型原理图如图4-3所示。图4-3 交流电桥法原理图4.3数据采集电路设计(A/D)单片机是整个系统的核心，则A/D转换电路是数据采集系统的核心电路。 AT89C51单片机我们选用ATMEL公司89系列的标准型单片机AT89C51，AT89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的FLASH可编程可擦除只读存储器（EPROM），它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS- 51兼容。另外，AT89C51还具有MCS-51系列单片机的所有优点。128X8位内部RAM，32位双向输入输出线，两个十六位定时/计时器，5个中断源，两级中断优先级，一个全双工异步串行口及时钟发生器等。片内的FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器来编程。因此AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，它可方便地应用在各种控制领域12。AT89C51的主要性能有： 与MCS- 51微控制器产品兼容； 4KB可改编程序FLASH存储器; (可经受1,000次的写入/擦除周期) 全静态工作：0Hz-24MHz； 三级存储器保密； 128x8字节内部RAM； 32条可编程I/O线； 2个16位定时器/计数器； 6个中断源； 可编程串行通道； 片内时钟振荡器； 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存片内RAM中的内容。管脚功能13：AT89C51单片片机为40引脚芯片如图4-4所示。图4-4 AT89C51引脚 1) I/0口线：P0, P1, P2, P3共四个八位口P0口是三态双向口，通称数据总线口.因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。P0口也用以输出外部存储器的低8位地址。由于是分时输出.故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。P1口是专门供用户使用的I/O口.是准双向口。P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。不扩展外部存储器时，P口也可以作为用户I/O口线使用，P2口也是准双向口。P3口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。作为第一功能使用时操作同P1口。P3口的第二功能如下表1。表1 P3口的第二功能 2)控制口线：PSFN(片外取控制)、ALE(地址锁存控制)、EA(片外储器选择)、RF-SFT(复位控制)； 3)电源及时钟：Ccc、Vss；XTAL1，XTAL2本文通过74HC373地址锁存器连接A/D与单片机AT89C51；74LS164为串并转换移位寄存器，数据端A，B（第1，2脚）接单片机RXD引脚，时钟端CLK接单片机TXD；74LS138为3线8线译码器，译码器输入端A，B，C分别接AT89C51的P1.0，P1.1，P1.2实现了各个芯片与单片机的连接，数据的交换。 数据采集电路设计A/D转换电路是数据采集系统的核心电路，它对采样获得的连续电压(被测量信号从时间上离散化)转换成数字量(数字上离散化)。任何A/D转换器的最基木的特征都是转换位数和转换时间，转换时间是指完成一次完整的A/D转换所占有时间。在同样模拟输入电压下，A/D转换器的位数越高，标志着它的量化精度越高，但这会带来转换速度减慢和转换器价格上升的问题。 A/D转换器芯片种类繁多，但大量投放市场的单片集成或模块A/D按其变换原理主要分为逐次比较式、双积分式、量化反馈式和并行式A/D转换器。双积分式A/D转换器转换精度高，抗干扰能力强、价格低，但转换速度较慢；并行式转换器速度快，但价格高；逐次逼近式A/D转换器转换精度高、速度快，大约在几微秒到几百微秒之间，但抗干扰能力弱。但总的来讲逐次逼近式A/D转换器性能价格比最优，应用最广泛。经过分析比较，我们选择逐次逼近型A/D转换器MAX197芯片。MAX197是MAXIM公司的产品，是8通道、12位逐次逼近式A/D转换器。它采用28脚双列直插式标准封装，无须外接元件就可独立完成A/D转换功能。MAX197采用标准微处理器并行接口，通过读/写三态数据I/O端口可实现工作模式的选择、A/D启动及读取转换结果1718。其主要性能如下： 单电源+5V供电； 分辨率为12位； 线性误差为1/2LSB； 输入信号范围为士10V，士5V, 010或05V ； 模拟输入通道为8个； 转换时间为6Us； 采样速率为100x103次/秒； 信号带宽为：5MHz； 内部或外部时钟可选； 内部4.096V基准电压或外部基准电源； 内部或外部采样控制可选； 两种节电工作方式可选； 输入通道耐压为士16.5V；MAX197的工作模式可以选择，所以必须送一个控制字到MAX197的内部锁存器中，用于选择期望的工作模式。其控制字格式及功能如下表2：表2 MAX197的内部锁存器PD1，PDO用于选择时钟及节电工作模式；ACQMOD该位为0时表示内部采样模式，为1时表示外部采样模式；RND, BIP输入信号电压范围选择；A2，A1，A0模/数转换通道选择。和控制A/D转换的启动，采用内部采样模式和外部模式时，转换过程稍有不同。当A/D转换结束，12位数据已经准备好，则跳转为低电平，可向单片机申请中断。单片机响应中断，从MAX197的I/O口读取A/D转换结果。读取数据时，和同时为低电平。当HBEN为低电平时，读取低8位数据；当HBEN是高电平时，读取高4位数据。MAX197与AT89C51单片机接口电路图如图4-5所示：图4-5 MAX197与AT89C51单片机接口电路图AT89C51的P1.0连接端，作为硬件控制节电工作方式的控制端。P1.0脚接MAX197的脚，在A/D转换结束后，可以采用查询方式判断脚是否为低电平来判断一次转换是否结束。地址QO用于控制是读低8位还是高4位。4.4 显示电路的设计单片机采用AT89C51，这种单片机成木较低，同时内置了FlashROM，而且与Intel5l系列单片机完全兼容，开发较为容易。该单片机主要用于接受A/D转换后的传感器数据，对它们进行滤波及软件补偿，然后将它们转换为BCD码送入操作面板实时显示。图4-6所示为单片机系统构成的8位LED动态显示电路19。图4-6 8位LED动态显示电路在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各位显示器(扫描)，对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。该电路以AT89C51单片机位显示核心。电路使用器件少，仅用到了2片中规模集成电路74LS164和74LS138，占用CPU的I/O线少，特别适合于I/O线不是很多的单片机如AT89C20511051，97C20511051，PIC16Cxx等系统中使用。 74LS164为串并转换移位寄存器，数据端A，B（第1，2脚）接单片机RXD引脚，时钟端CLK接单片机TXD，并行8位数据输出端分别接8个数码管的A，B，C，D，E，F，G，H；74LS138为3线8线译码器，译码器输入端A，B，C分别接AT89C51的P1.0，P1.1，P1.2，译码器输出端Y0Y7接8个数码管从低位到高位的共阴极端。 电路中要显示的数字所对应的字形码通过串行口送到74LS164，74LS138在同一时刻只有1位输出端为低电平，其他7位输出全为高电平，为低电平的对应的数码管选中，因此作为数码管显示时的位选信号。系统在工作时，通过74LS164每次输出一个字形码，同时控制74LS138的译码器输入端A，B，C的电平状态，即从P1.0，P1.1，P1.2送出相应的电平，译码后使得要显示的对应位数码管共阴极端依次为低电平，即依次选中要显示的位，完成整个显示电路的动态扫描，依此扫描8次，完成8位数据的显示。4.5 报警系统电路设计单片机通过串并转换芯片74LS164扩展I/O口线与声光报警电路连接的。如图4-7所示报警电路框图。图4-7 报警电路框图声光报警电路设计：在系统中还设置了声光报警电路，电路原理图如图4-8所示当物位超过给定值的上下限时即进行报警。这部分电路设置了上限报警、下限报警、以及正常运行指示灯，进行声光报警2。图4-8 声光报警电路由于在本系统中，AT89C51单片机的口线较为不足，因此在图4-8中是由一串并转换芯片74LS164来扩展单片机的口线，这里只要用到AT89C51单片机两条口线来模拟串口，即可由74LS164来驱动7个发光二极管1个警音开关。在图4-8各电阻是起到限流的作用。同时在单片机的RAM区中开辟四个位的空间，用于储存系统的工作状态，分别对应于系统正常工作、越限工作、上限报警和下限报警。当单片机系统通过A/D转换器从模拟电路中检测到被测介质的物位值后，将其与预先设定好的物位上、下限值进行比较，当检测到的物位值处于上下限范围内时，则将RAM区中表示系统正常工作的位置0，当检测到的物位值不在正常范围内，则将RAM中对应表示系统工作状态的位置零，然后通过发光二极管和蜂鸣器实现声光报警。其中，当物位值处于正常范围时，用绿色发光二极管来指示，当物位越限时，用红色发光二极管和蜂鸣器来报警。4.6 看门狗电路设计由于在单片机工作现场存在着各种各样的干扰源，这些干扰源很可能引起程序跑飞，造成死机或程序的非正常运行，如不及时恢复，容易造成巨大损失。看门狗就是在程序跑飞或死机时，对系统进行重新置位或复位，以使系统恢复正常运行的一种专用电路。现在常见的看门狗主要有两种：软件狗和硬件狗27。 软件狗实际上就是通常所说的软件陷阱，是纯软件的处理方法。它是在程序存储器的空余地址中全部填上一条跳转指令，一旦程序跑飞，只要程序指针指向这些地址，便立即被强行跳转至程序开头或其它指定地址处，从而使程序继续正常执行。硬件狗，就是一个能够发出“复位”信号的计数器或定时器电路。本文选用微处理器监控芯片MAX813L。其工作原理是：当程序正常运行时，CPU在通过与MAX813L连接的口线P3.3在1.6S内给一个正脉冲，看门狗定时器被清零，WDO维持高电平；当程序跑飞或死机时，CPU小能在1.6S内给一个正脉冲信号，WDO立即跳变为低电平，经反相器变为高电平对单片机进行复位。MAX813L各管脚功能如下： Vcc：电源电压； GND：地； MR：定时器清零控制端； RESET：复位输出端； PFI：比较电压输入端； PFO：比较器输出端； WDI：看门狗输入端； WDO：看门狗输出端；本文设计的看门狗电路图如图4-9所示：图4-9 看门狗电路图5 系统软件实现目前存在有4种编程语言支持单片机，即汇编语言、PL/M51语言、C语言和BASIC语言。其中汇编语言和C语言应用的较多，结合本系统的特点，这里选用了功能强、效率高的C语言。C语言主要有以下特点：助记符指令和机器指令一一对应。用C语言编制的程序效率高，占用存储空间小，运行速度快。C语言能写出最优化程序，且能反映出计算机的实际运行情况。C语言能直接与存储器、接口电路打交道，也能申请中断。因此C语言程序能直接管理和控制硬件设备11。 系统程序设计中采用了流行的模块编程方法，每一个功能程序模块都能完成某一明确的任务，实现具体的某个功能，如采集、显示等。实际的应用程序一般由一个主程序(包括若干功能模块)和多个子程序构成。采用模块化的程序设计方法有以下优点：单个模块结构的程序功能单一，因而易于编写、调试和修改；便于分工，可由多个程序员同时进行编写调试； 程序可读性好，便于功能扩充和版本升级:程序的修改可局部进行，使用频繁的子程序可以汇编成子程序库，以便于多个模块调用等。 本软件设计中，把整个程序按照各子程序完成的功能分为：主程序、采集子程序、显示子程序等。下面将分别就几个主要程序的编程方法进行论述：5.1 主程序主程序功能单一化，只对各子程序进行控制、调动，使整个程序成为有机的整体。软件主程序是系统的监控程序，主要工作流程为：系统在上电以后进入初始化状态，将系统中所有的接口模式、状态以及有关的存储单元置位成初始状态，然后恢复AT89C51的P1口(控制输出)的工作状态。其程序流程如图5-1所示：图5-1 程序流程图5.2 数据采集子程序SAMPLE： MOV RO ，#20H；采样值首址送R0 MOV R2 , #03H；采样次数送R2 MOV A，#40H MOV DPTR，#BEFFH MOVX DPTR , A；启动AD转换 JB P1.2，$ MOVX A，DPTR；读取高4位MOV R0，ADEC DPLINC R0MOVX A，DPTRMOV R0,A DJNZ R2 , SAM1；采样完否?RETNOPNOPLJMP ERR5.3 显示子程序我们采用AT89C51单片机，同时用74LS164和74LS138作为扩展芯片。74LS164是一个8