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辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第 IV 页 水工闸位测控系统设计摘 要本设计的内容是基于RS-485网络的水工闸位测控器的设计。它主要通过对闸位开度与上下游水位的实时监控，实现对闸门的自动控制，系统兼有就地控制与远程控制两种模式。该测控器以C8051F020为核心元件，通过各类传感器采集现场信息，并能对相关状况进行相应的处理。系统通过控制电机的转动来驱动闸门的起闭，通过传感器实时监控闸门内外水位及各闸门的开度和运行状态信息，并能够在当地显示以上信息。并且具有当地设定闸门开度参数，闸门开度上、下限参数的功能。系统通过RS-485网络定时发送实时水位信息，闸门状态，上位机可以通过RS-485网络监控中心远程修改参数。同时系统具有故障报警与越限报警的功能。系统的各参数测量范围为：控制闸门开度在03m，误差不大于正负5mm；监控上下游水位为05m。关键字：C8051F020，RS-485网络AbstractIt is a design that based on the RS-485 network to monitor and control of the hydraulic gate. It is mainly through the real-time monitoring of the gate-opening and the water level downstream to control the gate automatically. There are two control modes in the control system: locally control and remotely control.The monitoring and controling system makes C8051F020 as the core components. Through collecting information from various types of sensors at the scene, it can make the appropriate treatment relevant to the situation. The system drives the starting and closure of the gate by controlling the rotation of the Motor, makes real-time monitoring on the water level inside and outside the gates opening and information of operation state by sensor and is able to display more information locally. It also can set parameters of gate opening and the minimum locally. The system regularly sends information of real-time water level and gate status through the RS-485 network. At the sametimes, PC can amend parameters through the RS-485 remote network monitoring centre. And the system owns failure alarm and limited alarm. The range for each parameter is liked that: the opening of control gate is in 0 3 m; error is not more than plus or minus 5 mm; monitoring water levels on the lower reaches is 0 5 m.Key word：C8051F020，The RS-485 network 目 录目 录III1.绪论11.1设计背景与研究意义11.2设计的主要工作11.3设计中拟解决的技术难题21.4主要技术指标22.方案设计32.1系统总体结构及其功能32.2方案设计42.21方案一42.22方案二42.23方案三52.3方案论证52.4 方案确定63.系统的硬件结构83.1单片机及其外围电路83.1.1微处理器C8051F02083.1.1.2 C8051F020介绍83.2.2. 8279总体介绍103.2.2.2 8279的工作方式113.2.2.3 8279的命令字及其格式123.2.2.4 8279的状态字及其格式163.2.2.5 8279数据输入/输出格式163.3 LED显示173.4 调理电路183.5译码电路193.6 RS485模块的介绍193.6.3 上下位机间的通信过程203.6.4 接口电路203.6.5 MAX485接口芯片213.7水位传感器223.7.1水位传感器的选型223.7.2水位传感器介绍223.8 看门狗电路233.8.1看门狗电路的选型233.8.2 MAX1232介绍233.8.3与单片机连接243.9 报警电路的设计254 系统的软件设计思想及编程实现264.1系统软件设计思想264.2系统主程序与中断程序264.3.通信程序设计314.4硬件驱动程序设计34结论35致 谢38附录I 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第VI页1.绪论1.1设计背景与研究意义地球上的水，尽管数量巨大，而能直接被人们生产和生活利用的，却少得可怜。人类真正能够利用的淡水资源是江河湖泊和水情中的一部分，约占地球总水量的0.26%。全球普遍存在着淡水资源短缺的问题，21世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，水资源问题已不仅仅是资源问题，更成为关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。我国是一个水资源短缺的国家，水资源时空分布不均。近年来我国连续遭受严重干旱，旱灾发生的频率和影响范围扩大，持续时间和遭受的损失增加。我国水资源面临的形势十分严峻:水资源衰减严重;水情超采严重，带来许多环境问题;水污染严重，水生态环境恶化，用水安全受到威胁。针对这些问题，需要在技术、管理、政策等方面采取有力措施加以解决。其中，技术是根本，先进的水位监测设施可以为水资源的科学管理提供宝贵的数据资源，有助于指导水资源的合理开发与利用。尽管我国的水文自动测报系统的建设和技术有了巨大的进步，但较国外先进水平而言，自动化发展较滞后，且存在着区域发展不平衡的问题。东南沿海地区起步较早，水情监测系统自动化程度较高，而内陆地区较为落后。所以从总体来说，我国在水情监测技术上与西方发达家还存在着很大的差距。 目前，我国大部分地区的水情监测网的建立还不够合理和完善，水情监测项目也不全面，监测方式很多为人工方式。因此，有必要采用自动化技术促进水情监测系统的发展。在我国，关于水情信息的自动采集与处理技术己比较成熟，但在水情数据的远程传输方面主要集中在利用公用电话网，数传电台实现数据的远程传输。关于利用RS485网络实现数据的远程传输多为理论性研究，有关将这项技术应用于水情监测系统的研究很少。随着RS485网络技术的日趋成熟，利用RS485网络传输技术实现水闸水位信息的远程自动监测已成为可能。 1.2设计的主要工作整个水工闸位测控器的设计主要是以为微控制器为核心，将由液位传感器采集的模拟信号，进行A/D转换，经微控制器处理，通过RS485网络向远端的上位机发送。 设计主要工作: 1）控制电机的转动，驱动闸门的起闭；2）实时监控闸门内外水位及各闸门的开度和运行状态信息，并能够在当地显示以上信息；3）具有当地设定闸门开度参数，闸门开度上，下限参数的功能4） 根据监控中心的需要，通过RS-485网络定时发送实时水位信息，闸门状态；5）可以通过RS-485网络监控中心远程修改参数；6）具有故障报警与越限报警的功能；7）按照MODBUS协议生成数据包。1.3设计中拟解决的技术难题1）.合理设计整体电路，保证系统运行的可靠性、稳定性;2）.结合本设计的实际，研究RS485网络的通信协议及该网络的可靠性和有效性；3）.由于功能较多，因而编制程序需要仔细考虑，保证各程序模块执行流畅，维护方便。1.4主要技术指标本系统所实现的主要技术指标如下:1）各参数测量范围为： 控制闸门开度在03m，误差不大于正负5mm； 监控上下游水位为05m； 2）实时采集周期不大于1分钟；2.方案设计2.1系统总体结构及其功能设计总体结构如图2-1所示。水位监测中心包括装有数据库系统和监测中心软件的上位PC机，其功能是接收来自各个被测站点的水位信息，并将接收到的水位信息存储，也可远程修改监测终端参数，如修改接收信息用户手机号和修改采集周期与水位校正偏差的功能。本系统为RS485网络水工闸位测控器的设计，它主要由上位pc机和下位机通过RS485网络建立联系，上位pc机可通过远程来监测和控制下位机，下位机可通过键盘来键入闸位的初始值。下位机主要通过单片机来控制闸门的开启，电源的管理，处理通过传感器的检测的数值，判断其是否正常工作，若不能正常则判断后报警，其下位机的检测主要是闸位、水位的实时检测，通过转换成可识别的信息后通过单片机处理定时发送数据给上位机，为了保证电动机的正常工作进行电压电流的实时监测，以防止电机过电压过流欠电压等情况，这些监测数据经过单片机处理，再通过RS485模块转换发送给上位机，实现远程监控，上位机也可以发送数据给下位机，也通过RS485模块发送到下位机，从而实现控制下位机，在现场还可以通过键盘来设置闸门的开度，若是发现数据错误，经过确认后可报警。图2.1.1设计总体结构图测控终端分布于各个被测站点。对于不同的被测站点，测控终端能够实现水位数据的采集、计算、存储与现场显示，并可通过RS485总线现监控中心上位机发送水位信息。2.2方案设计2.21方案一方案一采用工业控制计算机，组态系统和可编程、控制器（PLC）等组成-分布式计算机控制系统，它能实现闸门自动控制，实时监测系统各设备的运行和故障报警，指明故障部位和性质，使于尽快排除故障。系统采用了高可靠性的控制部件和软件容错技术，使系统具有抗干优、抗雷击、远程控制能力和多重保护功能；具有友好的中文操用界面和动态图形画面，使于有效地控管水闸和船闸体等全性。系统电路原理图如下图所示。组态系统RS485网络电 源水位传感器A/D转换PLC控制器显示图2.1.2 方案一系统电路原理图2.22方案二监测站的传感器将水位这一物理量转换成模拟电信号传输至微控制器，微控制器对电信号进行A/D转换、计算，存储，并同时显示在显示屏上。当需要发送水位信息时，微控制器通过RS485网络将水位数据送至监控中心的上位PC机。当监测中心需要向监测站发送指令信息时，监测中心将待发指令按规定的格式送至与之相连的微控制器，微控制器对收到的指令信息进行判断，然后完成相应的操作。系统终端电路原理图如图2-3所示。串行接口电路复位芯片时钟芯片RS485网络电源水位传感器A/D转换微处理器显示图2.1.3方案二系统电路原理图2.23方案三方案三中下位机以C8051F020单片机为测控器的核心，来控制闸门的开启，电源的管理，处理通过传感器的检测的数值，水位的实时检测，通过转换成可识别的信息后通过单片机处理定时发送数据给上位机，为了保证电动机的正常工作进行电压电流的实时监测，以防止电机过电压过流欠电压等情况，再通过RS485模块转换发送给上位机，实现远程监控。键盘显示电路是基于8279芯片的电路，8279 是可编程的键盘、显示接口芯片。它既具有按键处理功能,又具有自动显示功能。电流检测则采用LCTA11CE-50A/50m芯片电流互感器，电压检测采用电压互感器LCTV51CF-220V/0.5V，液位检测采用TC401系列 感应式数字液位传感器。报警电路采用声光报警。上位机也可以发送数据给下位机，也通过RS485模块发送到下位机，从而实现控制下位机，在现场还可以通过键盘来设置闸门的开度，若是发现数据错误，经过确认后可报警。系统终端电路原理图如图2.2.3所示。2.3方案论证方案一是使用传感器将水水位转换成模拟电信号，将其进行A/D转换、计算，并同时显示在显示屏上，然后通过PLC控制器，和组态系统将需要发送水位信息通过RS485网络发送至监控中心的上位PC机，系统具有较高的性能，但技术较难，系统复杂，经济造价高。方案二和方案三都是才用单片机作为测控器的处理器，有传感器采集信息，进行信号转换，但方案三的单片机比方案二的单片机功能强大，其内置有AD转换和较大的存储单元，并且性能优越，可靠性高；与方案二相比，方案三电路结构简单，但方案二造价较低。 8051F020 单 片 机液 位 传 感 器继 电 器 装 置电压电流传感器RS-485转化模块声 光 报 警LED 显 示键盘输入电 源上位机RS485变送器变送器变送器图2.2.3 方案三系统电路原理图2.4 方案确定在综合考虑三个方案的优缺点后，本设计最终选择方案三。与系统相关的技术方案包括：电源方案、模拟量采集方案、处理器的选择及、串口通讯方案、显示方案、设置键盘方案的选择方案等。1. 电源方案：本设计中的电源主要有三种：、+5V与正负15V。+5V的电源是供给各种集成器件使用的；而+15V的电源是供给水位传感器,运算放大器以及电压电流传感器的器件使用的。2. 模拟量采集方案：由于本系统的C8051F020单片机内置有A/D转换功能，且具有8个模拟转换通道、转换速度快、性能稳定等特点，基本能够满足本系统的需要。3. 处理器的选择及存储器的扩展方案：考虑到系统的实际技术要求，要采用以下的单片机和外部存储器的选型方案：单片机采用美Cygnal公司的C8051F020单片机；由于该芯片内置有较大的存储空间，故本设计不进行存储器的扩展。4. 串口通讯方案：本监控模块需要通过RS485网络收发数据，由于单片机的工作电平为5V，而PC机RS-232串口电平为-15V到+15V，要实现单片机和上位机通讯，中间需要通过电平转换。电平转换芯片选用比较常用的串口电平转换芯片MAX1232，串口通信接口芯片选用MAX485。5. 显示方案：译码器采用74LS138,驱动器采用BIC8708，将输入的BCD码数据转换为8段显示码输出到LED上显示。6. 看门狗芯片选择方案：由于系统中的单片机C8051F020具有片内VDD监控器，看门狗定时器故本设计不需进行此项方案选择。7. 设置键盘的方案选择：本设计采用INTEL8279 可编程的键盘、显示接口芯片，它既具有按键处理功能,又具有自动显示功能，内部有键盘FIFO (先进先出对站) / 传感器、双重功能的64BRAM ,键盘控制部分可控制8 8 = 64 个按键或控制8 8阵列方式的传感器。该芯片能自动消除键抖动并具有双键锁定保护功能。显示器RAM 容量为168 ,即显示器最大配置可达16 位LED 数码显示。它在单片机系统中应用广泛。3.系统的硬件结构多通道综合采集系统以C8051F020单片机为核心，主要由以下几部分组成：数据的采集、LED显示和数据通讯三部分。传感器输出的电流信号经过放大转换后，送至C8051F020内部的A/D转换器中，在单片机内部完成模数转换、数据存储、数据处理的工作，最后送到LED显示，同时经过RS-485接口送至计算机，由上位机进行实时监控。3.1单片机及其外围电路3.1.1微处理器C8051F0203.1.1.1微处理器的选型由于系统需24小时连续工作，因此设计必须尽可能降低对电能的消耗。所以本系统采用低功耗芯片C8051F020来满足系统低功耗性能的要求。3.1.1.2 C8051F020介绍C8051F020 器件是完全集成的混合信号系统级MCU 芯片，具有64 个数字I/O 引脚。下面列出了一些主要特性：1) 高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）2) 硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口3) 片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器4) 真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关5) 具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列6) 硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口具有片内VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020/1/2/3 是真正能独立作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。片内JTAG 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU 进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。每个MCU 都可在工业温度范围（-45到+85）内用2.7V-3.6V 的电压工作。端口I/O、/RST 和JTAG 引脚都容许5V 的输入信号电压。C8051F020/2 为100 脚TQFP 封装见下图图3.11C8051F020引脚图C8051F020 系列MCU 对CIP-51 内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统向CIP-51 提供22 个中断源（标准8051 只有7 个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU 干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。MCU 可有多达7 个复位源：一个片内VDD 监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0 提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR 引脚及/RST 引脚。/RST 引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST 引脚。除了VDD 监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止；使用MONEN 脚使能/禁止VDD 监视器。在一次上电复位之后的MCU 初始化期间，WDT 可以永久性使能。MCU 内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器，外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC 或外部时钟源产生系统时钟。时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU 从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速（可达16MHz）的内部振荡器。图3.12 片内时钟和复位电路3.2.2. 8279总体介绍 3.2.2.1 8279的介绍图3.21 8279芯片图本设计采用8279作为键盘的核心器件。8279是可编程的键盘、显示接口芯片。它既具有按键处理功能，又具有自动显示功能，在单片机系统中应用很广泛。8279内部有键盘FIFO（先进先出堆栈）传感器，双重功能的8*8=64B RAM，键盘控制部分可控制8*8=64个按键或8*8阵列方式的传感器。该芯片能自动消抖并具有双键锁定保护功能。显示RAM容量为16*8，即显示器最大配置可达16位LED数码显示。 （1）数据线 DB0DB7是双向三态数据总线，在接口电路中与系统数据总线相连，用以传送CPU和8279之间的数据和命令。 （2）地址线 CS=0选中8279，当A0=1时，为命令字及状态字地址；当A0=0时，为片内数据地址，故8279芯片占用2个端口地址。 （3）控制线 CLK：8279的时钟输入线。 IRQ：中断请求输出线，高电平有效。 /RD、/WR：读、写输入控制线。 SL0-SL3：扫描输出线，用来作为扫描键盘和显示的代码输出或直接输出线。 RL0-RL7：回复输入线，它们是键盘或传感器矩阵的信号输入线。 SHIFT：来自外部键盘或传感器矩阵的输入信号，它是8279键盘数据的次高位即D6位的状态，该位状态控制键盘上/下档功能。在传感器方式和选通方式中，该引脚无用。 CNTL/S：控制/选通输入线，高电平有效。键盘方式时，键盘数据最高位（D7）的信号输入到该引脚，以扩充键功能；选通方式时，当该引脚信号上升沿到时，把RL0-RL7的数据存入FIFO RAM中。 OUTA0-OUTA3：通常作为显示信号的高4位输出线。 OUTB0-OUTB3：通常作为显示信号的低4位输出线。 /BD：显示熄灭输出线，低电平有效。当/BD=0时将显示全熄灭。 3.2.2.2 8279的工作方式 8279有三种工作方式：键盘方式、显示方式和传感器方式。 （1） 键盘工作方式 8279在键盘工作方式时，可设置为双键互锁方式和N键循回方式。 双键互锁方式：若有两个或多个键同时按下时，不管按键先后顺序如何，只能识别最后一个被释放的键，并把该键值送入FIFO RAM中。 N键循回方式：一次按下任意个键均可被识别，按键值按扫描次序被送入FIFO RAM中。 （2） 显示方式 8279的显示方式又可分为左端入口和右端入口方式。 显示数据只要写入显示RAM，则可由显示器显示出来，因此显示数据写入显示RAM的 顺序，决定了显示的次序。 左端入口方式即显示位置从显示器最左端1位（最高位）开始，以后显示的字符逐个向右顺序排列；右端入口方式即显示位置从显示器最右端1位（最低位）开始，已显示的字符逐个向左移位。但无论左右入口，后输入的总是显示在最右边。 （3） 传感器方式 传感器方式是把传感器的开关状态送入传感器RAM中。当CPU对传感器阵列扫描时，一旦发现传感器状态发生变化就发出中断请求（IRQ置1），中断响应后转入中断处理程序。 3.2.2.3 8279的命令字及其格式 8279的各种工作方式都要通过对命令寄存器的设置来实现。8279共有8种命令，通过这些命令设置工作寄存器，来选择各种工作方式。命令寄存器共8位，格式为: 3.2.2 寄存器格式如上图，8279的一条命令由两大部分组成，一部分表征命令类型，为命令特征位，由命令寄存器高3位D7-D5决定。D7-D5三位的状态可组合出8种形式，对应8类命令。另一部分为命令的具体内容，由D4-D0决定。每种特征所代表的命令如表3.1所示 ，下面详细说明各种命令中，D4-D0各位的设置方法，以便确定各种命令字。 （1） 键盘/显示命令 分别如表3.2.3和表3.2.4所示。D7 D6 D5 代表的命令类型0 0 0 键盘/显示命令0 0 1 时钟变成命令0 1 0 读FIFO/.传感器RAM命令0 1 1 读显示器RAM命令1 0 0 写显示命令1 0 1 显示静止/熄灭命令1 1 0 清除命令1 1 1 结束中断/出错方式设置命令 表3.2.3 8279命令特征表特征位D7 D6 D5=000 D4、D3两位用来设定4种显示方式，D2-D0三位用以设定8种键盘/显示扫描方式。D4D3显示方式008个字符显示，左端入口方式0116个字符显示，左端入口方式108个字符显示，右端入口方式1116个字符显示，右端入口方式表3.2.4 显示方式D2D1D0键盘、显示扫描方式000编码扫描键盘，双键锁定001译码扫描键盘，双键锁定010编码扫描键盘，N键轮回011译码扫描键盘，N键轮回100编码扫描传感器矩阵101译码扫描传感器矩阵110选通输入，编码显示扫描111选通输入，译码显示扫描表3.2.5 键盘/显示扫描方式表3.2.3中所谓译码扫描指扫描代码直接由扫描线SL0-SL3输出，每次只有1位是低电平（4选1）。所谓编码扫描是指扫描代码经SL0-SL3外接译码器输出。 由于键盘最大8*8=64个键，由SL0-SL2接3-8译码器，译码器的8位输出作为键盘扫描输出线（列线），RL0-RL7为输入线（行线）。 8279最多驱动16位显示器，故可由SL0-SL3接4-16译码器，译码器的16位输出作为显示扫描输出线（16选1），决定第几位显示。显示字段码由OUTA0-OUTA3和OUTB0-OUTB3输出。表3.1、表3.2、表3.3三个表相互组合可得到各种键盘显示命令。（2） 时钟编程命令 特征位D7 D6 D5=001 D4-D0用来设定分频系数，分频系数范围在0-31之间。用单片机的ALE端接8279的CLK端，但ALE端输出的脉冲频率比8279所需工作时钟频率（100KHz）高出很多，通过设置分频系数就可使8279得到所需的时钟频率。（3） 读FIFO/传感器RAM命令。 特征位D7 D6 D5=010 D2-D0为8279中FIFO及传感器RAM的首地址。 D3 无效位。 D4 控制RAM地址自动加1位：D4=1时，CPU读完一个数据，RAM地址自动加1，准备 读下一个单元数据；D4=0时，CPU读完一个数据，地址不变。（4） 读显示RAM命令 特征位D7 D6 D5=011 D4=1 RAM地址自动加1，D4=0不加1。 D3-D0为显示RAM中的地址（5） 写显示RAM命令 特征位D7 D6 D5=100。 D4是地址自动加1控制，D4=1，地址自动加1；D4=0，地址不加1。D3-D0是欲写入的RAM地址，若连续写入则表示RAM首地址。命令格式同读显示RAM。 （6） 显示器禁止写入/熄灭命令 特征位D7 D6 D5=101 D4：无用位。 D3：禁止A组显示RAM写入，D3=1，禁止。 D2：禁止B组显示RAM写入，D2=1，禁止。 D1：A组显示熄灭控制。D1=1，熄灭；D1=0，恢复显示。 D0：B组显示熄灭控制。D0=1，熄灭；D0=0，恢复显示。 利用该命令可以控制A、B两组显示器，哪组继续显示，哪组被熄灭。 例：假设A、B两组灯均已被点亮，现在希望A组灯继续亮，B组灯熄灭，确定其命令字。 分析：根据命令格式，A组灯继续亮应禁止A组RAM再写入其他数据，故D3=1；B组显示熄灭D0=1，除特征位外其余位设为“0”。故其控制命令字为D7-D0=10101001B=A9H。 （7） 清除（显示RAM和FIFO中的内容）命令 特征位D7 D6 D5=110 D0为总清除特征位，D0=1把显示RAM和FIFO全部清除。 D1=1清除FIFO状态，使中断输出线复位，传感器RAM的读出地址清0。 D4-D2：设定清除显示RAM的方式，如表3.4所示。 D4D3D2清除方式10X将全部显示RAM清为0110将显示RAM置为20H（A组=0010，B组=0000）111将显示RAM置为FFH0D0=0，不清除；D0=1 扔按上述方式清除表3.25 清除显示方式（8） 结束中断/出错方式设置命令 特征位D7 D6 D5=111 D4=1时（其D3-D0位任意）有两种不同作用。 第一：在传感器方式，用此命令结束传感器RAM的中断请求。 因为在传感器工作方式时，每当传感器状态发生变化，扫描电路自动将传感器状态写 入传感器RAM，同时发出中断申请，即将IRQ置高电平，并禁止再写入传感器RAM。中断响应后，从传感器RAM读走数据进行中断处理，但中断标志IRQ的撤除分两种情况。若读RAM地址自动加1标志位为“0”，中断响应后IRQ自动变低，撤消中断申请；若读RAM地址自动加1标志位为“1”，中断响应后IRQ不能自动变低，必须通过结束中断命令来撤消中断请求。 第二：在设定为键盘扫描N键轮回方式时作为特定错误方式设置命令。 在键盘扫描N键轮回工作方式，又给8279写入结束中断/错误方式命令，则8279将 以一种特定的错误方式工作，即在8279消抖周期内，如果发现多个按键同时按下，则将FIFO状态字中错误特征位置“1”，并发出中断请求阻止写入FIFO RAM。 根据上述8种命令可以确定8279的工作方式。在8279初始化时把各种命令送入命令 地址口，根据其特征位可以把命令存入相应的命令寄存器，执行程序时8279能自动寻址相应的命令寄存器。 3.2.2.4 8279的状态字及其格式 状态字显示出8279的工作状态。状态字和8种命令字共用一个地址口。当A0=1时，从8279命令/状态口地址读出的是状态字。状态字各位意义如下： D7：D7=1表示显示无效，此时不能对显示RAM写入。 D6：D6=1表示至少有一个键闭合；在特殊错误方式时有多键同时按下错误。 D5：D5=1表示FIFO RAM已满，再输入一个字则溢出。 D4：D4=1表示FIFO RAM中已空，无数据可读。 D3：D3=1表示FIFO RAM中数据已满。 D2-D0：FIFO RAM中数据个数。 显然，状态字主要用于键盘和选通工作方式，以指示FIFO RAM中的字符数及有无错误发生。3.2.2.5 8279数据输入/输出格式 对8279输入/输出数据不仅要先确定地址口，而且数据存放也要按一定格式，其格式在键盘和传感器方式有所不同。 （1） 键盘扫描方式数据输入格式 键盘的行号、列号及控制键位置如下：表3.2.6 键盘行列控制键D7：控制键 “CNTL”状态。 D6：控制键 “SHIFT”状态。 D5 D4 D3：被按键所在列号（由SL0-SL2）状态确定）。 D2 D1 D0：被按键所在行号（由RL0-RL7）状态确定）。 （2） 传感器方式及选通方式数据输入格式 此种方式8位输入数据为RL0-RL7的状态。格式如下：表3.2.7 传感器8位格式3.2.2.6 8279译码和编码方式 8279的内、外译码由键盘/显示命令字的最低位D0选择决定。 D0=1选择内部译码，也称为译码方式，SL0SL3每时刻只能有一位为低电平。此时8279只能接4位显示器和48矩阵式键盘。 D0=0选择内部编码，也称为编码方式，SL0SL3为计数分频式波形输出，显示方式可外接416译码器驱动16位显示器。键盘方式可接38译码器，构成88矩阵式键盘。 3.2.8 16位显示器示意图3.3 LED显示3.3.1显示的选型根据设计要求，监控终端必须具有当地显示水位的功能，因此要设计一个显示器。由于八段式LED具有结构简单、抗干扰能力强、功耗小等特点，本设计选用其作为显示器。但由于八段式LED不能译码，所以还需选择一个译码锁存器，本设计中采用Intel8279。3.3.2介绍LED显示器在许多的数字系统中作为显示输出设备，使用非常广泛。它的结构是由发光二极管构成a、b、c、d、e、f和g七段，并且每个LED还有一个发光段dp，一般用于表示小数点，所以将LED称为八段数码管。LED内部的所有发光二极管有共阴极接法和共阳极接法两种，即将LED内部所有二极管阴极或阳极接在一起并通过com引脚引出，并将每一发光段的另一端分别引出到对应的引脚。通过点亮不同的LED字段，可显示数字0，1,，9和A，B，C，D，E，F等不同的字符及自定义一些段发光代表简单符号。Intel8279是带锁存器的COMS型译码驱动器，可以将输入的BCD码数据转换为7段显示码输出。3.4 调理电路3.4.1调理电路用途由于传感器输出的是电流信号，不能直接由A/D转换芯片直接处理，因此需要对电流信号进行调理，才能介入A/D转换芯片，将其转换为数字信号。3.4.2调理电路原理首先由传感器输出4ma20ma的电流信号，通过一个利用同相放大电路，把电阻R1产生的输入电压变为标准输出电压。该同相放大电路的放大倍数为： A=1+R4/R3，取R3=100k、R4=150k、R1=200，则010mA输入对应的05V的电压输出，取R3=100k、R4=25k、R1=200，R2=200、R5=20k，C=20uF, 则420mA的电流输入则对应15V的电压输出。电容用来滤波，电阻R5用做输出限幅。 3.4.3与单片机连接调理电路如下图所示。图3.4.1 数据采集电路3.5译码电路3.5.1译码电路用途本系统根据设计需要扩展了多个不同芯片，包括数据存储器、时钟芯片、A/D转换芯片等。这种情况下单片机工作时，关键是如何准确无误地选中所需要的芯片，所以必须设计译码电路，使系统能够正常工作。3.5.2译码电路原理单片机选择某一扩展芯片的过程简称选片。选片方法在电路形式上有两种:一种叫线选法，另一种叫译码法。线选法是把单片机高位地址线分别与多个扩展芯片的片选端连通，控制选择各条线的电平，以达到选片目的。线选法优点是接线简单，适用于扩展芯片较少的场合，缺点是芯片地址不连续，地址空间利用率低。译码法是通过译码电路决定扩展芯片地址的方法。译码电路常选用集成译码芯片如74LS138。本系统采用线选法与译码法相结合的方式来实现译码电路。3.6 RS485模块的介绍3.6.1RS485 总线基本特性根据RS485 工业总线标准，RS485 工业总线为特性阻抗120的半双工通讯总线，其最大负载能力为32 个有效负载（包括主控设备与被控设备）3.6.2 RS485 总线传输距离当使用0.56mm(24AWG)双绞线作为通讯电缆时，根据波特率的不同，最大传输距离理论值如下：波特率最大传输距离2400Bps1800米4800Bps1200米9600Bps800米表3.6.1 RS-485传输距离3.6.3 上下位机间的通信过程（1）通信均有上位机发起，下位机不主动申请通信；（2）当处于轮询状态时，上位机依据下位机地址，定时向下位机发送呼叫指令。此时，每台下位机都中断接受并判断，地址不相符的下位机中断返回，执行其他下位机任务；反之则把本机地址及其状态作为应答信号发送给上位机。上位机接收到应答信号后，可以作进一步的处理。（3）通信协议：本系统采用MODBUS通信协议：3.6.4 接口电路单片机C8051F020与RS485总线之间是通过串口RS232相连的，即TX、RX和GND三条线，图中以网络标号相连。由于各自的工作电压不太一样，在这里采用电平转换芯片MAX3232以实现电平转换。图3.6.2单片机与RS485的接口电平转换电路其中，MAX3232为RS-232收发器，简单易用，单+5V电源供电，仅需外接几个电容即可完成从TTL电平到RS-232电平的转换，引脚排列如下图所示。图3-6.3 MAX3232引脚3.6.5 MAX485接口芯片MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS485芯片。 采用单一电源+5 V工作，额定电流为300 A，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS485电平的功能。其引脚结构图如图3.14图中可以看出,MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100的电阻。 可以串行口取电，可以驱动max232与max485实现通信。没加负载时电压有5.16V，加负载后降制3V左右。图3.6.4 MAX485引脚图图 3.6.5 单片机与RS485的接口示意图图 3.6.6 单片机与RS485的接口电路图RS485总线与单片机的接口电路是整个系统远程控制的关键，它关系到数据的发送与接收。作为一个自动数据采集系统，如果数据不能输出，系统的远程控制是毫无意义的。3.7水位传感器3.7.1水位传感器的选型水位测量主要依靠水位传感器实现。目前采用的水位传感器主要有浮子式传感器、压力式水位传感器和超声波水位传感器。压力式水位传感器采用扩散型硅压阻传感器作为敏感元件，内含温度补偿功能，因此测量精度高，但对泥沙含量大的水流，测量精度会受到影响;超声波水位传感器为非接触式水位测量装置，不怕淤积、腐蚀，但价格高，精度受气候、波浪等外界因素的影响，且存在一定的测量盲区。浮子式水位传感器结构简单，使用及维修方便，但稳定性较差。根据系统实际需求，考虑测量精度要求、价格承受能力、安装维护方便、运行可靠安全等多方面因素，本系统选用北京太工天成测控技术有限公司设计的TC401系列 感应式数字液位传感器。3.7.2水位传感器介绍 TC401感应式数字液位传感器是一种用于液位测量的器件，采用神经网络电路的棒式传感器，利用机械方法定位感应装置感应液位变化，经机械编码处理，实现数字化分度（等精度测量的关键）、数字化采样、数字化传输的全新新型液位传感器。分 辨 率： 5mm、10mm、20mm可选工作温度： -30+50单支长度： 0.8m、1.2m、1.6m 可以级联组合各种量程电源输入： 918VDC（12VDC）电源消耗： 每米20mA环境温度： -25+60外型尺寸： 360(L)280(W)96(H)mm 室内型、320(L)180(W)420(H)mm 户外型、重 量： 4.5kg（室内型） 12kg（户外型）、最大级联范围：015m、适用介质： 污水、海水、灌溉用水、抗冰冻、防泥沙3.7.2技术指标3.8 看门狗电路3.8.1看门狗电路的选型为防止单片机系统在运行过程中会死机以及程序跑飞、功能不正常等，所以在设计中要注意抗干扰的问题。为了解决这个潜在的问题，在本系统中加了一个看门狗，选用的芯片是MAX1232。3.8.2 MAX1232介绍MAX1232是MAXIM公司生产的微处理器监视器，不光提供了看门的功能，而且同时还能检测供电电源的变化，并提供了高电平、低电平两种上电复位方式，拥护能够设置它的超时时间、设定电源电压波动允许范围。用MAX1232芯片作为单片机系统以及其他电子设备的看门狗电路，不需要其他的电子元件配合，可以直接和微处理器相连，使用简单方便，性能可靠，被大量应用在一些单片机系统上。引脚及功能封装图如图3-14所示。图3.8.1 MAX1232封装图名称功能VCC+5V电源输入TOL电源电压波动允许设置（接地为5%，接VCC为10%）GND接地TD超时时间设置（接地为150ms，悬空为600ms，接VCC为1.2s）/RST低电平复位信号ST喂狗信号PB/RST按键复位信号RST高电平复位信号表3.8.2 MAX1232引脚功能表3.8.3与单片机连接将MAX1232的RST引脚接到单片机的RESET脚上，即在系统工作不正常时使单片机高电平复位；RST引脚接DS12887，即在系统工作不正常时使单片机高电平复位；TOL接地，将VCC的最低电压设置到4.62V；TD脚和VCC相连，超时时间设置为1.2s，即单片机程序要在每个小于1.2s时间内对MAX1232的ST引脚赋高电平。如果单片机程序工作不正常，对MAX1232的ST引脚就不会有赋高电平的动作；超过了超时时间，MAX1232的内部定时器就会溢出，其RST和/RST引脚就会发出一个复位脉冲使单片机和DS12887复位。其与单片机连接图如下图所示。图3.8.3 MAX1232与单片机连接图MAX1232是一种非常好用的芯片，其电路结构简单、性能可靠，且不需要单独编程，能够很好的保证单片机系统正常工作。