[参考]基于单片机（微控制器）地下水监测系统研究

1、 计算机控制技术课程设计 计算机控制技术计算机控制技术 课课 程程 设设 计计 成绩评定表 设计课题设计课题 : 基于单片机的地下水监测系统研究 学院名称学院名称 ： 专业班级专业班级 ： 学生姓名学生姓名 ： 学学 号号 ： 指导教师指导教师 ： 设计地点设计地点 ： 设计时间设计时间 ： 指导教师意见： 成绩: 签名： 年 月 日 计算机控制技术课程设计 2 计算机控制技术计算机控制技术 课课 程程 设设 计计 课程设计名称：课程设计名称： 基于单片机的地下水监测系统研究 专专 业业 班班 级级 ： 学学 生生 姓姓 名名 ： 学学 号号 ： 指指 导导 教教 师师 ： 课程设计地点：课程

2、设计地点： 课程设计时间：课程设计时间： 计算机控制技术计算机控制技术课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名学生姓名专业班级专业班级学号学号 题题 目目基于单片机的地下水监测系统研究 课题性质课题性质工程设计课题来源课题来源自拟 指导教师指导教师 计算机控制技术课程设计 3 主要内容主要内容 （参数）（参数） 系统使用st3011型液位变送传感器测水位，ad590电流型温度传感器测水温及 光纤溶解氧传感器测溶氧浓度；然后将转换为电信号的地下水参数，经过 ad623测量放大器一级放大，再经max275滤波电路，运算放大器0p07二级放大 处理，ad7705ad转换，送入微处理器at89c52单片

3、机。在单片机智能测控系 统进行报警、显示、打印等各种数据处理,从而进行地下水监测。 任务要求任务要求 （进度）（进度） 第 1 天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。 第 2 天：确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框 图，并简述工作原理。 第 3 - 4 天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及 元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。 第 5 天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规 范、方案合理、设计正确，篇幅不少于 6000 字。 主要参考主要参考 资料资料 1杨华舒，楮福涛单片计算机系统抗干扰的软件途

4、径电子技术应用， 2001.3.2022. 2邹伯敏,自动控制理论m机械工业出版社2003.6 3程继兴，刘霞单片机系统软件抗干扰措施分析j电子测量技术, 2003.6:61 4胡嗣云，图形点阵式液晶显示模块的控制技术国外电子元器件,2001.9.9- 12 5苏凯mcs-51单片机系统设计与应用沈阳：冶金工业出版社，2003 审查意见审查意见 系（教研室）主任签字：系（教研室）主任签字： 年年 月月 日日 摘摘 要要 为保护有限的水资源，进行地下水监测是必要的。本文详细阐述了多参数地下 水监测系统的研究方案、组成结构及其特点。整个采集系统完成对地下水的水 位、水温等参数的测量，而且在需要时，

5、可适当扩充被测量的地下水参数。系 统使用相应的传感器，将地下水参数由物理量转换为电信号，经过各自的前置 放大电路进行一级放大，信号变为合适的幅度，经过滤波电路以消除其它频率 计算机控制技术课程设计 4 的干扰信号，并进行二级放大处理，送入 ad 转换器进行 ad 转换。转换后 的数字信号被送入微处理器，微处理器采用 at89c52 单片机，进行报警、显示、 打印等各种数据处理。本仪器是一套适合野外现场使用的、携带方便的地下水 监测系统。 关键字关键字:地下水监测；多路数据采集；单片机；传感器 目录目录 1 引言 6 1.1 研究的目的与意义 6 1.2 国内外地下水监测研究的现状 6 2 总体

6、方案设计7 2.1 系统总体设计 7 2.2 硬件方案论证 8 3 系统硬件电路的设计 12 3.1 水位传感器12 3.2 水温传感器13 3.3 溶解氧传感器 13 3.4 测量电路设计 14 3.5 单片机系统设计16 3.6 电源电路设计 24 4 系统软件设计25 4.1 系统程序设计概述 25 4.2 主程序设计26 4.3 子程序设计27 4.4 上位机通信程序30 5 总结 30 计算机控制技术课程设计 5 6 参考文献 32 7 附录：32 1 引言 1.1 研究的目的与意义 地下水是水资源的重要组成部分。在我国北方地区及许多城市，地下水是重要 的供水水源对当地的经济社会发展

7、起着十分重要的作用。自 60 年代以来，水利 部门开始监测地下水水位、水质、开采量和水温等要素。多年来，这些地下水 监测信息为水资源管理和合理开发利用做出了很大贡献。但目前地下水监测仍 然存在许多问题整体工作还很薄弱。如在重要水源地和大型漏斗区都缺少地 下水监测井，地下水监测手段落后，信息传输时效性差等，满足不了水资源管 理的需要。 为了合理的开发和利用地下水资源，遏制地下水环境进一步恶化，防止新的 地下水环境问题出现，在加强勘查研究的基础上，必须对地下动态变化进行监 测。地下水动态是指地下水的数量和质量的变化状况。对地下水动态实施监测， 从而可了解地下水在时空上的分布情况和动态变化规律，以适

8、时地制定相应的 对策，达到地下水资源的可持续开发利用的目的。 地下水监测是为保障社会经济可持续发展而开展的一项重要的基础性、公益性 工作。加强地下水动态监测，一方面是为制定开发利用和保护方案提供基础资 料，另一方面，也是检验水资源开发利用是否合理，地质环境保护措施是否得 当的直接手段，通过长期监测资料的分析，找出开发利用中存在的问题，提出 改进方向和进一步的保护措施。因此，地下水监测既是国民经济和社会发展的 基础性支撑条件，又是实现可持续发展的保障措施。 1.2 国内外地下水监测研究的现状 目前全国大部分监测点仍以传统的人工测量方法(电表、铡钟、测绳等)为主， 监测精度无法控制，监测效率较低，

9、监测数据无法满足科研和生产实际应用的 需要。部分监测孔只能进行水位或水质单项监测：分析项目较少。缺乏专门针 对与地下水有关的生态环境问题和地质灾害的地下水监测。 经过广大地质环境工作者的努力，如今，全国地质环境监测总站向国家资源 部有关部门提交的全国地下水情预报、地下水动态 5 年研究报告等成 果资料已运用到监测工作中，这些成果在我国环境保护领域产生了重大的影响； 此外，为了使地质环境监测成果规范化，全国地质环境监测总站还相继制定了 国家级地下水监测技术要求等规程，为地质环境监测成果奠定了基础在 地下水环境监测仪器方面，自 20 世纪 70 年代初开始，经过 30 多年的发展，目 前国内已研制

10、生产了不少产品，但高质量的分析仪器、专用监测仪器和自动监 计算机控制技术课程设计 6 测系统多是国外引进的，国内仍然是采用现场水样的采取、保存和送到化验室 进行分析测定。 国外一些发达国家在地下水监测方面都有几十年乃至上百年的历史，其监测设 备水平各异。其中美国、荷兰的产品在技术性能上代表着当今世界的先进水平。 近年来，水质现原位测试技术在国外一些发达国家已经开始发展，如美国、日 本等国家已相继研制出水质自动监测设备，并开始走进国内市场(以水利系统为 主)表 l 为国外地下水环境监测仪器对比表 表 1.1 国外地下水环境监测仪器对比 2 总体方案设计 2.1 系统总体设计 该系统设计是多参数实

11、时监测系统设计能够对一定区域的地下水的多种参数 进行实时监测并通过 rs-232 总线，把相关的数据发送到主控机房，集中分析。 本系统能够对地下水的水位、水温和溶解氧进行监测，并且在需要时可以添加 其它传感器对其它相应的参数进行监测。 整个设计框图如图 2.l，各项参数通过传感器和测量电路变成单片机所能接受 的模拟电压。这些电压分别送入 ad 转换通道。转换成数字量，然后送给单片 机。此时单片机可以根据实际需要进行各种处理如数据记录、显示、报警等 功能。 存储 传感器1 传感器2 传感器3 测 量 电 路 多 路 模 拟 开 关 a/d 转 换 单 片 机 显示 打印 报表 通信 图 2.1

12、总设计框图 2.2 硬件方案论证 2.2.12.2.1 单片机系统的选择单片机系统的选择 1.在整个系统中，单片机主要完成信号的采样、数据处理、浓度的计算、测量 结果的显示和打印、与 pc 机串行通信、为步进电机驱动器提供步进脉冲等任务。 计算机控制技术课程设计 7 方案一：89c51 芯片内部有 rom，且片内 rom 全部采用 flash rom，它能于 3v 的超低压工作，与 mcs-51 系列单片机完全兼容，但是其不具备 isp 在线编 程技术， 需把程序编写好以后再放到编程器中烧写，才可以进行硬件电路的调 试，倘若程序编写出现问题，调试电路就比较麻烦，而且其芯片内存也只有 4kb。

13、方案二：at89c52 是美国 atmel 公司生产的低电压，高性能 cmos b 位单片机， 片内含 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器(eeprom)和 256bytes 的随机 存取数据存储器(ram)，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产， 与标准 mc$-51 指令系统及 8052 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器 (cpu)和 flash 存储单元，功能强大的 at89c52 单片机适合于许多较为复杂控制 应用场合。故选用 atmel 公司的 at89c52 单片机。 2.实时时钟电路 为记录测量的时间，需要实时时钟。本系统采用 dsl30

14、2 芯片。dsl302 是美国 dallas 公司生产的高性能低功耗时钟芯片，包括实对对钟日历和 3l 字节的 静态 ram。可实时的对秒、分时、日、周、月以及闰年进行计数处理。内部 有 31 个字节的高速 ram，可通过外部可充电电池加电长期保存数据，并能慢速 为电池充电。通过简单的 3 线串行方式接口，能在 2555v 电源下可靠工 作，在 25v 时耗电小于 300ha。在主电源关闭的情况下，能保持时钟的连续 运行。 3.看门狗电路 在单片机智能测控系统的设计中，断电数据保存功能、看门狗功能、上电掉电 复位功能、电源电压监控功能等对系统是非常重要的。美国 xicro 公司生产的 x250

15、45 芯片集上述功能于一身，这种组合大大简化了硬件设计，提高了系统的 可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗。本系统采 用 x25045 芯片实现看门狗、电压监视、存储电路。 4.人机接口电路 点阵式 lcd 不仅可以显示字符、数字还可以显示图形、曲线及汉字，并能够 实现多种动画显示效果。使人机界而更加友好使用操作也更加灵活、方便。本 系统选择 mgls 一 12864。tpup-16a 微型打印机是一种超小型点阵针式打印机， 使用 epson m150 打印机机芯，自带微处理器及部分字库，可使用不同命令打 印 240 个 5x7 点阵字符，并具备图形和曲线打印功能，经过特

16、殊设计，可方便 地作为各类智能仪器设备的微型打印记录终端使用。t 5.串行通信接口电路. 在计算机系统中cpu 和外部通信有两种方式：并行通信和串行通信。并行通 信，即数据的各位同时传送；串行通信，即数据一位一位按顺序传送。串行通 信能够节省传输线，特别是数据位数很多和远距离数据传送时，这一优点更为 突出串行通信的主要缺点是传送速度比并行通信要慢。串行通信分为同步通 信和异步通信两种，本系统采用异步通信。在异步通信中，数据通常是以字符 为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端一帧一帧地发送，每一帧数据均是 低位在前，高位在后。通过传输线被接收端一帧一帧地接收。发送端和接收端 可以由各自独立的时钟

17、来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不 同步。 2.2.22.2.2 传感器的选择传感器的选择 计算机控制技术课程设计 8 1.水位传感器 目前在水位测量仪器中除了应用较为广泛的浮子式编码水位传感器以外，力式 水位传感器有价格合理、简化土建施工、安装便利等优点，所以，本系统选川 压力式水位传感器来测地 f 水的水位压力式水位传感器选用北京市三强电子 厂的 st301i 型液位变送传感器，它可以朋来测量开口容器及河渠、湖泊，水井 中的液位。具有结构简单、测量精确、安装方便等优点 2.水温传感器 在水质的温度传感器中使用最多的是热电偶、集成温度传感器和铂电阻。随着 技术的发展，石英晶体温

18、度传感器和红外温度传感器也已经实现了商品化。由 于热电偶的检测灵敏度较低，现在在许多需要精确测定水温的场合已不使 用集成温度传感器是伴随着大规模集成电路技术发展起来的半导体温传感器， 这其中具有代表性的是美国 ad 公司生产的 ad590。由于它是一种电流型元件， 信号可以远距离传输且不易受到外界电磁场的干扰，在许多需要对水质温度进 行自动检测控制的场合中被大量采用。 3.溶解氧传感器 为了准确测量溶氧浓度，前人做了大量工作，开发了多种溶解氧探测装置。主 要包括 winkler 滴定分析法81、clark 溶氧电极82、以及荧光猝灭技术83。 win2kler 滴定分析法虽是一种国际公认的标准

19、化分析方法，但由于费时费力且 只能离线操作，无法对过程中的溶解氧浓度变化作出及时的响应，所以仅限于 实验室采用。clark 溶氧电极虽然能够在线检测溶氧浓度，但由于它的透气膜 易老化，而且它是依靠电极本身在氧的作用下所发生的氧化还原反应测定氧的 浓度测定过程需消耗氧(且需定期更换电解液)，所以测量精度和响应时间都 受到扩散因素 的严重约束故选用采用荧光猝灭原理的光纤溶解氧传感器 2.2.32.2.3 信号调理电路的选择信号调理电路的选择 电路主要包括多路模拟开关、放大器、滤波器。传感器输出的信号经过多路模 拟开关选择，然后通过放大器放大，再进行滤波，经 ad 转换，最后传到单片 机进行数据处理

20、。如图 2 低 通 滤 波 二 级 放 大 a/ d 转 换 单 片 机 传 感 器 前 置 放 大 多 路 模 拟 开 关 图 2.2 信号处理流程 1.前置放大电路 现在市场上可以采购到的各种放大器(如通用运算放大器、测量放大器)中。由 于通用放大器一般都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温漂因此，通用 运算放大器不能直接用于放大微弱信号，而测量放大器则能较好的完成此功能。 现在市场销售的集成测量放大器有多种型号，其中美国 analog device 公司提 供的 ad623 型测量放大器满足设计要求。 2.多路模拟开关 在多路被测信号共用一路数据采集系统中，模拟多路开关(简称多路开关)通

21、常 用来将多路被测信号分别传送到 ad 转换器能对多路被测信号进行处理。 计算机控制技术课程设计 9 ad 转换器进行转换，使计算机能够对多路被测信号处理。在此数据采集系统 中，使用了电子式多路开关。本系统采用 max im 公司的集成模拟开关芯片 max308。 3.滤波电路 普通有源滤波器由运算放大器和电阻、电容组成，通过一个低通滤波器与一个 高通滤波器的级联易于实现但参数调整困难，而且应用在频率较高的场合， 由于元件周围的分布电容将严重影响滤波器的特性，使其偏离预定的工作状态。 普通有源滤波器还因为稳定性较差，较难实现窄带宽的设计，不易获得高的 q 值，难满足系统的要求与普通的有源滤波嚣

22、相比max275 组成的滤波器具有 外接元件少结构简单，参数调整方便和不受运算放大器本身频率特性影响等 优点。由于没有外接电容，而且是单片结构，因而高频场合时璺分布电容的影 响小，稳定性较好。 4.二级放大 信号的第二级放大采用高精度、低温漂运算放大器 0p07，实现同相电压放大。 0p07 有较宽的电源工作范围3v4-18v，设计中采用+5v,-5v 电源。op07 具 有较大的输入阻抗兆欧姆级，易于与各种信号源相匹配，满足本设计输出信号 约为 o5v 的要求 2.2.42.2.4 a ad d 转换电路选择转换电路选择 ad 转换器选用美国 ad 公司生产的 e型高精度模拟数字转换器 ad

23、7705。 它直接从传感器接受低电平信号并输出串行数字信号。ad7705 是 ad 公司推出 的 16 位(电荷平衡式)ad 转换器。它包括由缓冲器和增益可编程放大 器pga)组成的前端模拟调节电路、调制器及可编程数字滤波罂等，能直 接将来自传感器的不同摆幅范围内的信号放大到接近 a，d 转换器的满标度电压 附近再进行d 转换，实现 0003非线性的 16 位无误码数据输出，其增益和 数据输出更新速率均可编程设定，还可选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系 统校准方式。此外它还具有高分辨率宽动态范围、校准、低功耗及优良的抗 噪声性能，因此非常适用于仪表测量和工业控制等领域。 2.2.52.2.5

24、电源电路选择电源电路选择 本系统采用 12v 铅酸蓄电池供电，采用 lm2575 开关稳压集成电路提供+5v 电压， 由于运放 tlc2274 和滤波器 max275 需要双电源供电，采用 max660 生成-5v 电 压.lm2575 开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的 la 集成稳压电路， 它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压 电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片：内部有完善 的保护电路，包括电流限制及热关断电路等：芯片可提供外部控制引脚。是传 统三端式稳压集成电路的理想替代产品。 2.2.62.2.6 其他部分的选择其他部分的选

25、择 数据采集是由 ad7705 进行两次 ad 转换来完成的。单片机通过 i2c 总线与 dsl302 通信. 存储器为串行的 eeprom，对 lcd 点阵图形和字符显示编程通常 分为两种方式：1 直接写屏：将 lcd 作为输出目标直接输出需显示的内容； 2 间接写屏：先建立 lcd 映象 ram，将需要输出的内容先写到 ram 单元，然 后更新整屏 lcd 3 系统硬件电路的设计 3.1 水位传感器 st3011 型液位变送传感器由不锈钢探头，导气电缆和电气盒组成。探头与电气 计算机控制技术课程设计 10 盒之间由专用电缆连接，电缆中间有一导气管使传感器的背腔与大气相通，电 缆与探头和电气

26、盒之间为密封连接。当把传感器投入到水中某一位置时，测点 的静水压力为： p=hy 其中： p测点的静水压力，g/c;h测点水深，即测点至水面距离， cm；y 一水体容重；推测得测点水深：h=p|y;测点水位：hw=ho+p/y 式中： ho测点的绝对高度；hw测点对应的水位 3.2 水温传感器 ad590 是 ad 公司利用 pn 结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度 传感器ad590 是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度 值。根据特性分挡，ad590 的后级以 i、j、k、l、m 表示。ad590l、ad590m 一 般用于精密温度测量电路。其电路外形如图 2 所

27、示它采用金属壳 3 脚封装， 其中 l 脚为电源正端 v+；2 脚为电流输出端工 0；3 脚为管壳，一般不用集成 温度传感器的电路符号如图。 图 3.1ad590 的外形电路图 图 3.2 集成温度传感器电路符号 ad590 的主特性参数如下： 工作电压：430v： 工作温度：-55+150e； 保存温度：-65-+175e； 正向电压：-t44v； 反向电压：20v； 焊接温度(10 秒)：300e； 灵敏度：1la/k。 在被测温度一定时。ad590 相当于一个恒流源。把它和 5,-30v 的直流电源相 连，并在输出端串接一个 ik8 的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被 测温度成正

28、比，此时电阻两端将会有 lmv/k 的电压信号。 3.3 溶解氧传感器 光纤溶解氧传感器采用荧光猝灭原理氧对一些荧光物质的荧光具有猝灭作 用从而导致其荧光强度的降低和荧光维持寿命的缩短荧光的强度或寿命与 氧气浓度的关系可用 stern2volmoer 方程来描述： 式中，i,to 分别为有氧条件下的荧光强度和寿命 i，t 分 别为无氧条件下的荧光强度和寿命；q为溶解氧的浓度；k 为 stern2volmoer 常数，对于特定的指示剂其值是固定的。通过测定 i。，i 或 t o，r 可测定溶 解氧的浓度。光纤溶解氧传感器由光源、探测器、传输光纤、y 型光纤分路器 和传感头等组成，如图 4 所示，

29、光源采用蓝色半导体发光二极管(led)，以获得 较高的光子能量去激发荧光。激发光经 y 型光纤分路器传输到光纤端头的传感 头，传感头是光纤的端面上包覆一层作为指示剂的荧光材料膜，被激发的荧光 沿光纤原路返回，经 y 型光纤分路器被探测器接收。 计算机控制技术课程设计 11 图 3.3 溶解氧监测简易图 3.4 测量电路设计 3.4.13.4.1 前置放大器前置放大器 ad623 是一种带有精密差动电压增益的器件，ad623 的基本特性：ad623 是一个 集成单电源仪表放大器。它能在单电源(+3v+12v)下提供满电源幅度的输 出ad623 允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到良好的用

30、户灵活 性。在无外接电阻的条件下ad623 被设置为单位增益：外接电阻后。ad623 可 编程设置增益，其增益最高可达 1000 倍。ad623 通过提供极好的随增益增大而 增大的交流共模抑制比(accmrr)而保持最小的误差。线路噪声及谐波将由于共 模抑制比在高达 200h z 时仍保持恒定而受到抑制。虽然 a d623 在单电源方式 进行优化设计但当它作于双电源(256v)时，仍能提供优良的性能。 低功耗(3v 时 1.5mw)，宽电源电压范围、满电源幅度输出使 ad623 成为电池 供电应用的理想选择。 测量放大器是由三个运算放大器构成，并分为二级：第一级是两个同相放大器 al 和 a2

31、，因此输人阻抗高；第二级是普通的差动放大器，把双端输入变为对地 的单端输出。ad623 采用对称结构，可以很大程度上的抑制温漂。所以，通过 调节外接电阻轴 rg 的大小可以很方便地改变 ad623 的增益 图 3.4 前置放大器 ad623 3.4.23.4.2 多路模拟开关多路模拟开关 max308 是 max im 公司生产的 8 路集成模拟开关芯片，可单电源和双电源供电， 在单电源形式下，电压范围是 4.5v-30v. 图为 at89c52 对 max308 的控制连接， p25 口决定 max308 是否被选中，p00、p01、p02 决定选择哪一路输入 计算机控制技术课程设计 12

32、端,分别与 en,a0,a1,a2 连接，网络标号为 len,la0,la1,la2。如图 图 3.5max308 接口连接 3.4.33.4.3 滤波电路设计滤波电路设计 max275 是 maxim 公司推出的一款连续时间模拟集成有源滤波器，片内硬件由 4 个运算放大器及若干电阻电容组成。每 2 个运算放大器构成一个二阶点每个 二阶点的中心频率 fo、转折频率、品质因数 q、带宽增益 hp 都由 4 个外部电 阻确定。不需要外接电容。通过外接电阻的不同组合形式可以实现巴特沃思， 切比雪夫，贝塞尔型的低通、带通滤波器。滤波器的中心频率可以为：100 hz300 khz；增益带宽积为 16 m

33、 hz，即对于 40 hz 的信号可放大 1400 倍。 max275 还可根据设计者的要求实现高至 100 的品质因数 q 图 3.6 滤波电路 3.4.43.4.4 二级放大二级放大 op07 主要特征参数 设计中 0p07 实现同相放大，采用精密电阻实现。可用一个可调电阻和反馈电阻 计算机控制技术课程设计 13 串联进行微调。电阻首先保证精确再标准信号测量校正考虑 ad623 前置放 大与滤波器，应保证 ad 的输入电压为 o5v。 3.5 单片机系统设计 3.5.13.5.1 总体设计总体设计 单片机系统总体结构主要由单片机 at89c52、ad 转换器、时钟电路、看门狗 电路、液晶显

34、示器、打印机、串行通信接口电路、键盘几大部分组成为了记 录测量时间，需要实时时钟dsl302 是高性能、低功耗的时钟芯片，为系统提 供秒、分、时、日、周、月、年等信息。系统采用 x25045 芯片实现看门狗、电 压监视、存储电路。为提高人机交互能力，采用汉字点阵液晶显示器。配合三 个功能按键，实现多级菜单。同时配备了微型打印，可将测量结果打印备份， 并设有报警系统，如图 3 所示 a/d 转换 电路 时钟 电路 显示 电路 单片 机 看门狗电路 上传 报警 键盘 打印 图 3.7 单片机系统结构框图 3.5.23.5.2 单片机设计单片机设计 at89c52 主要功能特性如下： 与 mcs-5

35、1 产品指令和引脚完全兼容 8k 字节的可重擦写的 hash 闪速存储器 . .256x8 字节内部 ram 数据存储器 . .32 个可编程 i/o 口线 3 个 16 位定时/计数器 1 个全双工串行通信口 -4 个中断优先级，6 个中断源 采用 cmos 工艺，低功耗，宽工作电压，工作频率可达 33mhz .支持两种软件可选的节电工作模式：空闲模式和掉电模式 3.5.33.5.3 a ad d 转换电路设计转换电路设计 ad7705 具有以下功能特点： 1)双通道全差分模拟输入，可接受直接来自传感器的低电平的输入信号； 2)用 转换技术实现了 16 位无丢失代码性能，0003的非线性度；

36、 3)可编程增益，增益：l128； 4)可配置成三线串行接口； 5)信号极性以及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配置： 6)器件包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误差： 7)主时钟频率为 imhz(2mhz)或 24576mhz(49152mhz)，数据输出更新频率有 计算机控制技术课程设计 14 20hz，25hz100hz。200hz，50hz60hz,250hz，500hz 八种选择： ad7705 采用 16 脚 dip、soic 和 tssop 封装，其引脚功能说明如下表, 表 3.1ad7705 引脚说明 下图，ad7705 对前级信号调理电路输出的两路

37、直流电压信号进行模数转换，由 精密基准源 tla3l 为 ad7705 提供 25v 参考电压，为了能用软件有效地控制 ad7705 的复位，把 reset 非与 at89c51 的 p13 相连，这样可以保证 ad7705 能可靠的复位。在应用时，把 drdy 非接到 at89c51 的 into 非；可以使 ad7705 在转换结束后使单片机产生中断以读取最新的转换数据。单片机 pi0 与 sclk 相连，为 ad7705 提供数据读写时钟，p12 与 din、dout 相连，作为数据的输 入输出线。 计算机控制技术课程设计 15 图 3.8ad7705 与 at89c52 的接口连接 3

38、.5.43.5.4 实时时钟电路设计实时时钟电路设计 dsl302 经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟，日历提供秒、分、 时、日、周、月和年等信息。对于小于 3l 天的月，月末的日期自动进行调整。 实时时钟，日历还包括了闰年矫正功能。时钟的运行可以采用 24 小时或带 ampm 的 12 小时格式，使用同步串行通信。与时钟ram 通信仅需 3 根线： rst(复位)、vo(数据线)和 sclk(串行时钟)。数据可以每次以一个字节或多达 3l 字节的多字节的形式传送至时钟 ram 或从其中送出。dsl302 被设计成能在非 常低的功耗下工 作，消耗小于 luw 的功率便能保存数据和时

39、钟信息 表 3.2ds1302 引脚功能 dsl302 与单片机的接口电路如图示，dsl302 与单片机的连接仅需三条线，将 rst、sclk、io 分别与单片机的 p14、p15、p16 相连，用单片机的通 用 io 口线模拟 i2c 通信此外，本系统采用 36v 的可充电锂电池作为备用 电源，工作的时候由 vcc2 向备用电池涓流充电。 图 3.9dsl302 与 at8952 的接口电路 3.5.53.5.5 看门狗电路设计看门狗电路设计 计算机控制技术课程设计 16 看门狗定时器为单片机提供了独立的保护系统。当系统故障时，在可选的超时 周期之后，x25045 看门狗将以 rfset 信

40、号做出响应。用户可从三个预设置的值 中选择此周期。一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不改变。利用 x25045 低 vee 检测电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响。当 vex 降 到最小 vee 转换点以下时系统复位，复位一直确保到 vcc 返回且稳定为止。 x25045 的特点是具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口 sedalperphcrialinterfacespi 和软件协议。x25045 采用 8 脚 dip 和 sioc 封 装。 表 3.3x25045 引脚功能 x25045 与单片机的硬件接口非常简单，x25045 的信号线可与 at89c52 的 io 口

41、 直接相连，用软件控制读写及选通。图是 at89c52 单片机与 x25045 的接口电路。 该电路为 at89c52 扩展了上电复位、手动复位、可编程看门狗定时，电源电压 监控、串行 e2prom 等功能。 图 3.10x25045 接口电路 计算机控制技术课程设计 17 3.5.63.5.6 人机接口电路设计人机接口电路设计 1.mgls 一 12864 液晶显示 使用两片 lm61202 作为列驱动器，同时使用一片 hd61203 作为行驱动器的 128*64 点阵的液晶显示模块。两片 hd 61202 分别控制液晶的左右半屏，它可 直接与 8 位微处理器接口。hd61202 是一种点阵

42、式液晶显示系统的列驱动器， 它与行驱动器 hd61 203 配合洪同驱动 lcd。hd61202 内部有 64*64=4096 位显示 ram，对应液晶显示器的半屏，ram 中每位数据对应相应 lcd 屏上一点的亮、灭 状态：。m gls12864 的控制器 hd61202 有一系列操作指令通过指令可以实 现对显示屏的控制。 2.tpup-16a 微型打印机主要性能如下： (1)自带微处理器、2kb 控制程序。具有标准的 ceammic 8 位并行接口，可方便 地与各类微处理器连接。 (2)具有标准的 ascii 字符库 96 个及 128 个非标准字符、圈符库，并有 16 个 67 点阵用户

43、自定义、自安装字符库，可打印 8x96 点阵的图形，代码字符和 图形可在同一行中打印tpu p-16a 采用 20 芯扁平电缆及接插件与上级微处理 器连接，全部标准 rrl 电平，最大通信距离达 5 米。 表 3.4tppup-l6a 接插件引脚说明 db0db7 为输入数据线stb 非为输入选通信号线，busy 为打印机忙标志， ack 非为打印机输出应答信号，err 非为打印机输出出错信号，输出有效宽度 30ms。 3.人机交互接口电路 图中单片机 p22 口输出电平经 74hc00 反相后作为液晶显示模块 mgls-12864 左右半屏的选择信号。p36 和 p37 的输出信号经 74h

44、c00 反相后作为读写使 能信号，单片机读写 lcm 就如同访问片外数据存储器一样。p23 和 p24 分 别为打印机的选通信号和忙查询信号。液晶显示模块和打印机共用 8 位并行数 据输出口 po。系统配有三个功能按键和一个电源开关。三个功能按键接在单片 机的中断输入上，分别实现“确定”、“取消”、“选择”功能。 图 3.11 人机接口电路 计算机控制技术课程设计 18 4.声音报警电路 声音报警电路如图所示，将采集到的数据与标准数据进行比较当不符合标准 时，p 口输出高电平，晶体管导通，蜂鸣器报警。表明地下水参数是不符合国 家规定标准。需要重视，并采取相应的保护措施。 图 3.12 报警电路

45、 3.5.73.5.7 串行通信接口电路设计串行通信接口电路设计 rs-232c 是 eia(美国电子工业协会)公布的异步串行通信接口，采用单端驱动、 单端接收电路。其特点是：传送信号只用一根信号线，地线是公共的传输距 离最长为 15m，传输速率最高为 20kbsrs-232c 采用负逻辑。l”电平为- 5v+15v。”0”的电平为+5v+15v而单片机采用itlcmos 电平逻辑，二 者互不兼容，必须进行屯平变换。我们使用 max232 串行通信芯片，它是单片集 成双 rs-232 驱动，接收器，采用单一+sv 电源供电，外接四支电容便可构成标 准的 rs232 通信接 13，从而完成 tt

46、lcmos 电平和 eia 电平的相互转换这 样，两者之间就可以通过 rs-232 接口进行数字信号传送。图是 at89c52 单片机 通过 max232 与 pc 机进行通信的硬件接线图。 表 3.5pc 机 rs-232c 接口引脚说明 计算机控制技术课程设计 19 图 3.13 串行通信硬件接线图 3.6 电源电路设计 lm2575 开关稳压集成电路芯片的主要参数如下： 1)最大输出电流：1a： 2)最大输入电压：45v； 3)输出电压：5v： 4)振荡频率：52lhz； 5)最大稳压误差：4； 6)转换效率：7588(不同的电压输出的效率不同)： 7)工作温度范围：为一 40+125。

47、 max660 是单片电压反向电荷泵，可以将+15v+55v 的电压转换成- 计算机控制技术课程设计 20 15v-55v。工作仅消耗 012ma 电流，适用于手持设备以及为运放供电。 在本系统中通过 max660 将+5 v 转换为-5v 为运放 tlc2274 和滤波器 max2575 供 电。 图 3.12 电源电路图 4 系统软件设计 4.1 系统程序设计概述 程序软件是系统的灵魂，系统依靠程序软件的运行实现地下水参数的自动测量， 程序软件的设计可以有效的发挥扩展系统硬件的功能，又可以完善抗干扰措施。 程序设计应遵循以下原则：（1)采用结构化程序设计，功能程序实行模块化， 便于调试、连

48、接和移植修改；(2)合理利用系统资源；(3)提高软件的抗干扰能 力。 运用汇编语言进行单片机软件的开发，能充分发挥硬件速度快、效率高的特长， 便于实现实时测量。 单片机程序主要实现数据采集、数据处理、数据显示打印、数据通信等功能。 包括主程序、数据采集子程序、时钟读取子程序、数据存储子程序、lcd 显示 子程序。打印控制子程序、按键处理子程序等。 计算机控制技术课程设计 21 系统初始化 系统扫描 判断字 采集数据数据管理通信 图 4.1 系统框图 4.2 主程序设计 主程序是是一个顺序执行的无限循环的程序。它负责调度系统的各应用程序模 块，并与系统的外部设备及时交换信息，实现系统软、硬件资源

49、的整体管理 计算机控制技术课程设计 22 测量 采集数据 存储数据 数据处理 是否报警报警 打印 显示是否显示 是否打印 n n n y y y 开始 上电自检 系统初始化 等待 n y 读取时钟并显示 是否上传上传 结束 n y 图 4-2 主程序流程图 4.3 子程序设计 4 4.3.1.3.1 数据采集程序设计数据采集程序设计 数据采集是由 ad7705 进行两次 ad 转换来完成的。将 sckl，分别接单片机的 pi0 和 p13。din 和 dout 相连并接单片机的 p12；直接将片选端 c5 接地， 使片选始终有效：drdy 非接外部中断 0 即 p32，当一次 ad 转换结束，

50、自动产 生一次中断，在中断中设置标志通知单片机取 ad 转换结果。单片机对 ad7705 寄存器进行操作必须严格遵循规定的时序，ad7705 与单片机之间的数据 计算机控制技术课程设计 23 交换必须是倒序(8 位)只有在状态信号 drdy 指示输出数据寄存器的数据准备 就绪时，单片机才可以读取转换结果. 开始 选中ad7705 串行口初始化 设置寄存器 选择数据存储位 a/d转换 结束 存储高位字节 完毕 存储低位字节 完毕 y y n n 图 4-3 数据采集流程图 4.3.24.3.2 数据存储程序设计数据存储程序设计 存储器为串行的 eeprom，这就决定了读写速度相对较慢，并且不能无

51、限次的读 写读存储器阵列数据，首先把 cs 拉至低电平选择芯片，发送 8 位 read 指令， 紧接是 8 位字节地址，然后是所选定地址的存储器储存的数据移出到 so 线上。 继续提供 sck 便读出下一地址储存的数据。当字节地址到达最高地址($iff)时， 地址计数器自动翻至 000，a 置高电平终止读操作首先发出 wren 指令使写使能 锁存器置位。cs 首先被置低电平，发送 8 位指令，接着 c5 变高允许继续进行 写操作。把数据写入 ffprom 存储器阵列时，cpu 首先发 write 指令，然后是地 址，接着是要写的数据。为了结束写操作，只能在第 24，32，40 和 48 个时钟

52、 之后将跳变高电平 在其它时间变高都不能结束写操作。 4.3.34.3.3 显示和打印程序设计显示和打印程序设计 无论采用直接写屏方式或间接写屏方式编程方式，只要根据显示器的指令系统， 首先建立西文字符和中文字符库，然后建立相应的图形显示和字符显示最基本 计算机控制技术课程设计 24 的控制程序，最后在此基础上编写显示字符、数字、汉字及复杂图形等程序 报表由 5 行组成，第 1 行为报表的开始，行中间的数字指明报表的序号，第 4 行为报表的结束第 5 行空出一行分隔各报表，中间各行为报表的具体内容。 所示报表中，打“x”者即是可变参数，在数据表格中以 00h 作为其标志，报表 中其它的打印字符

53、即是数据表格中的打印常数，此外数据表格中还应包括必要 的打印命令和打印控制信息 表 4.1 报表格式 开始 打印机初始化 数据准备 数据传送 打印报表 结束 busy=0? y n 图 4-4 打印程序流程图 4.4 上位机通信程序 visual basic(简称 vb)是设计 windows 应用程序强有力的开发工具，它易学好 用具有丰富的控件和功能强大的多任务处理功能。在 windows 环境下可利用 win32api 接口函数和利用 rad 开发系统的 aetivex 控件(如 vb 的 mscomm 控件)实现串行通信。前者的最大优点是可用多线程编程以实现一个通信程序对 计算机控制技术

54、课程设计 25 多个串行通信口的通信。而后者可屏蔽通信过程中的底层操作，使用方便 5 总结 地下水监测是为保障社会经济可持续发展而开展的一项重要的基础性、公益性 工作加强地下水动态监测，一方面是为制定开发利用和保护方案提供基础资 料，另一方面，也是检验水资源开发利用是否合理，地质环境保护措施是否得 当的直接手段，通过长期监测资料的分析，找出开发利用中存在的问题提出 改进方向和进一步的保护措施。 本系统是一种可供野外使用的便携式地下水监测仪，在研制过程中以实用，简 单可靠性和低成本作为系统设计的原则。本系统研究的重点是： (1)系统中测量地下水参数采用目前相关领域中最有代表性的水位、水温、ph

55、值等传感器，具有精度和灵敏度高、抗干扰强等特点 (2)在多路数据被测信号共用一路数据采集系统中，使用了多路模拟开关 max308，将多路被测信号分别传送到 ad 转换器中，节省了电路消耗。 (3)实时时钟芯片 dsl302 采用串行通讯方式，只需三条线即可与单片机通 讯同时体积仅仅是其它同种时钟芯片的 14，且片内均含 r 棚，可增加系统 的 r 枷，它的时钟校准也较为容易，采用专用晶振器，无需调整即可达到国家 要求的时钟误差标准。 (4)系统采用 x25045 芯片实现看门狗、电压监视、数据存储功能。x25045 将微 机测控系统中常用的功能：看门狗定时器、电源电压监控、上电复位、串行 e2

56、prom 集成在 8 只引脚的集成芯片内。大大减少了对电路板的空间要求，简化 了硬件设计，提高了系统的可靠性降低了成本和功耗。 (5)采用汉字点阵液晶显示器，配备微型打印机，打印输出。 (6)采用 spi 和 i2c 串行总线，使其接口电路简单，便于用户操作。 (7)系统采用低功耗设计，采用 lm2575 开关稳压集成电路提供+5v 电压，采用 max660 提供一 5v 电压。系统功耗较低，由电池供电，满足野外便携使用的要 求 从本系统的实际应用情况来看，还需要在以下几个方面进一步加以改进完善： (1)进一步完善与各种传感器的接口电路，以适应不同的，检测环境的监测。 (2)扩充监测参数数量，

57、满足地下水监测的更高要求 (3)软件程序有待于进一步改善，使用执行时间更短的一些算法，从而可以增加 电路的采样数，使得最后的测试结果更加接近于真值。 (4)后期数据处理规范化问题，需在软件上加以考虑，以适应不同用户，不同行 业的需求 通过本次课程设计，我了解了系统设计的思路和步骤，并且于实践中加深了理 解。而且于每一步的探索与应用中，学到了许多细节的知识，将模电，数电， 数字信号处理，微机原理，计算机控制，vb 编程，单片机等学科知识进行了 综合。再小到元件选择和参数确定，流程图和电路图的绘制，学到了许多新方 法和新软件，如 visio,巩固了旧知识又学到了新内容，开拓了视野。同时也知 道了自

58、己存储知识的不足，以后将更努力的学习。在实践中遇到了许多问题， 锻炼了我分析，解决问题的能力，而且得到了老师的指导和同学们的大力帮助， 表示感谢！ 6 参考文献 1杨华舒，楮福涛单片计算机系统抗干扰的软件途径 j电子技术应用, 2001(3)：20-22 计算机控制技术课程设计 26 2邹伯敏启动控制理论机械工业出版社2003.6 3张松春，竺子芳，赵秀芬等，电子控制设备抗干扰技术及其应用 m北京： 机械工业出版社，1995 4李朝青pc 机及单片机数据通讯技术 m北京：北京航空航天大学出版社， 103-107 5王占操，粱厚琴，曹燕单片机系统中的软件抗干扰技术叨电子技术, 200311：18

59、 6程继兴，刘霞单片机系统软件抗干扰措施分析们电子测量技术, 20036：61 7胡嗣云图形点阵式液晶显示模块的控制技术们国外电子元器件, 20019：9-12 8苏凯mcs-51 单片机系统设计与应用沈阳：冶金工业出版社，2003 9徐爱钧，彭秀华单片机高级语言 c51windows 环境编程与应用 iv0北京： 电子工业出版社，2001 10刘书刚微控制器硬件抗干扰技术 j单片机嵌入式应用系统 200291- 17 11叶卫东c51 程序优化技巧明 航空计测技术， 2001(3):3133 12马云鹏，陆宝春，张世琪智能仪器中的误差处理 j自动化与仪器仪表， 2000(6)：51-53 1

60、3戴蓉，刘祖林，王春麟等智能仪器仪表中单片机的抗干扰措施阴仪表 技术与传感器，2000.(12)：37-41 14王柏林单片机系统设计的误区与对策j电子技术应用，2002，(2)：2224 7 附录： 系统硬件总原理图（注：单片机通过网络标号与各部分电路进行连接） 计算机控制技术课程设计 27 so 2 si 5 sck 6 cs 1 reset 7 129 8 vss 4 wp 3 串串串串串串 x25045 std bust db0-db7 串串串串串 tpup-16a vdd vo vss ddo/dd7 r/w d/i icsa icsb ic 串串串串串串串串串 mgls-12864