多点水压巡回检测系统.docx
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多点水压巡回检测系统
1绪论
在二十世纪七十年代的时候微处理器就应用在生活跟生产中，现在微处理器在计算机应用上非常重要。
由于微处理器它的价格相对便宜，功能也相对较强，体积也很小得到广大的发展与应用，它又跟电子上的一些测量仪器结合在一起，产生许多新型的微处理仪器。
这种微处理计算机仪器有相当于人脑的操作，无论对程序编译还是存储都是相当的迅速，人们叫这些仪器为智能仪器，它又比一些传统的仪器有很大的区别。
在当今社会中智能仪器已经成为一个具有知识的仪器，而不是传统的数据处理仪器了，它能对机件寿命预测、故障判断、容错技术等功能进行操作。
并且它的工作能力是非常强大，它也成为现代仪表的一个主导结构。
它也对推动自动控制、电子技术、国防工程、航天技术与科学试验这些方面的发展产生了重大的影响。
硬件跟软件二者一同组成了这个智能仪器，它现在也成为了一个专用的微型计算机系统。
硬件部分：
主机电路、模拟量输入/输出通道、人机接口电路、通信接口电路。
软件部分：
监控程序、接口管理程序。
1.1课题背景及意义
伴着现代化技术的迅速发展，人们的城市化水平不断的提高,所以对高层建筑的供水问题变得越来越重要。
由于科学技术的不断发展，这个问题变的越来越容易实现。
此高层供水项目的难易取决于我国科学技术很好的检验效果，它也是我们社会主义国家民主的体现。
水压作为新一代传送力的介质，在很多领域都有不可替代的作用，这就越发体现出对水压控制、利用的重要意义。
在生产中智能化的检测对水压控制是非常重要的。
从企业生产的经济利益上讲，要时刻的注意被控制的对象参数检测的精确，而在以前这个环境的温度还有设备的老化都影响着传统的控制系统。
我们测试的信号常常总会与传感器检测到的信号有误差。
为了避免外界因素对系统进行干扰，可以把压力测量结果进行智能化。
我们可以控制一些检测、整合、处理等因素，从而来控制它的变量，使它变得更精确。
1.2课题的发展现状
进入了信息化时代的今天，世界的多极化发展更加迅速，这自动化、信息化就成为这个发展中非常重要。
制造业自动化和信息化主要基础就是单片机，自动化和信息系统是单片机的前端器件；现代国际上发展最迅速的技术就是单片机，单片机技术涉及了多种学科方面的高端成果；单片机可以说是功效倍增器，它改造和升级传统产业的技术，所以现在来衡量一个国家科技发展的情况就得看单片机的发展。
单片机是一种完全按嵌入式的系统，它的运用很广泛，无论在中、小型工控领域中还是在电子系统智能化中都得到广泛的使用。
用单片机来实现的巡回检测系统具有好多优点，比如它的精确度非常高、成本花费低、检测容易实现，所以在日常生活中的电子产品都看到它的背影，我们通过利用硬件设备来研制一个比较简单的电路，这样不仅操作相对简单，还可以节约成本，基本满足了压力测量的需求。
这个设计研制的成本简单，程序容易看懂，最终能达到检测要求。
1.3方案选择
本设计要求精确度较高的软件进行测量，虽然成本看着很低，但所有的硬件加焊接，成本也是很高的。
由于这个设计的系统比较复杂，所以软件方面也是很难操作的，不过硬件上面的设计还是简单的多，对一些要求很低的方面，我就要考虑一下经济，可以适当的利用硬件来弥补，这样即实现了要求又减小了花费成本。
2总体方案论证
本次设计主要运用了单片机AT89C51来进行测量与显示。
电路采用TLC1543模数转换电路，TLC1543的转换器对各路电压值进行采样，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再通过单片机转换成可识别的信息由LCD显示器显示出来，最后输出在液晶屏显示出来。
本次设计压力测量系统是以单片机为核心组成的，系统中为了采集输入信息的样本必须有前向通道作为电信号来输入。
通过传感器进行压力的测量，先利用传感器将压力信号转换成电信号，再把信号放大经过模数转换器转换成数字量后，最后由计算机来进行有效的处理。
最终用LCD显示压力信号的结果。
为了设计方便，设计中的压力传感器用8个相同型号的电位器所替代。
2.1系统框图
系统组成框图如图2.1所示：
图2.1系统框图
3硬件电路设计
3.1单片机电路设计
3.1.1AT89C51
单片机是这个设计的主要核心组成部分。
把中央处理器CPU、定时/计数器、存储器和I/O接口电路等计算机中的主要功能中的部分器件结合到一块芯片上，然后这个芯片通过单片机来完成微处理器。
单片机又可以叫做微控制器，它有好多优点：
功能齐全、应用灵活、可靠性高等。
在现在这个时代单片机发展越来越快，它的体积变小了，能耗变小了，以后发展还会加快。
单片机中有个51系列的单片机具有强大的功能、可重复编程能力和性价比高等优点，所以在生活和生产中都得到广泛的应用。
可以这么说，只要是需要控制、通信和智能的领域都是以单片机作为基础[1]。
如今，MCS-51兼容的单片机种类繁多，而Atmel公司所提供的89C51单片机系列已成为兼容单片机的主流。
在89C51系列中，以89C51最具代表性。
所以，本控制系统将采用AT89C51单片机作为其核心部件[2]。
AT89C51单片机的结构介绍见表3.1。
表3.1AT89C51单片机的结构
型号
AT89C51
位数
8位
工作频率
0～24MHz
ROM
4KB
RAM
128B
I/O
4个8位输入输出端口
定时器/计数器
2个16位定时器/计数器
中断源
5个
串行口
一个全双工通用串行口UART
数据指针寄存器
一个16位数据指针寄存器
单片机功能强大的原因是其内部结构决定的，典型的51单片机包括中央处理器、数据存储器、程序存储器、指令寄存器、并行I/O口、串行口通信接口、定时器/计数器和中断系统等几大主要部件，将这些组件之间通过地址总线、数据总线和控制总线相连。
在下文中，主要介绍并分析其组成部分[3]。
（1）单片机控制模块
中央处理器又被成为微电脑，是整个单片机中很重要的部分，就像人的大脑一样在控制着外围电路的运行。
51系列单片机的CPU主要是由5部分组成分别是控制器、算数逻辑单元、特殊功能寄存器、专用寄存器和通用寄存器。
51系列单片机的CPU模块是采用的8位数据总线宽度的结构，这种方法可以减轻单片机的逻辑运算，8位二进制指令和寻址方式是用来数据管理的。
所有组成单元之间的协调工作是由CPU中的单片机运行，同时也负责着控制、指挥和调度的重任，并且还能强有力的完成各种逻辑运算和输出输入的控制。
（2）数据存储器（RAM）
数据存储器（RAM）主要用于存放程序运行过程中的变量，这样的数据结果具有暂时性，当掉电后将丢失数据。
51单片机的片内、片外数据存储器是两个独立的地址空间，因此应分别单独编址。
片内RAM共有256个单元，地址为00H～FFH。
片外数据存储器一般都是16位编址。
（3）程序存储器（ROM）
程序存储器（ROM）主要是用来存放用户使用的程序，并且这些程序也是由用户亲自编写的。
程序存储器还可以存放固定数据或者表格等。
普通51单片机的程序计数器为16位，所以可寻址的程序存储器的地址空间为64KB。
（4）定时器/计数器
定时器/计数器主要是运用单片机内部的计数和定时，就是我们平时所使用的闹钟一样简单方便。
波特率的大小可以由定时计数器提供，同时也可以产生相应的电平信号来控制中断的运行。
一般89C51单片机中拥有两个16位的可编程定时器/计数器，所以可以在实现计数的功能是也能实现定时的功能[4]。
（5）指令寄存器
存放单片机需要执行主要使用指令寄存器。
顺序执行是所有单片的共同特点，因此，他的指令都是通过寄存器一条一条的读取的。
（6）并行输入/输出（I/O）口
单片机与外界进行通信的最主要的接口就是并行输入/输出（I/O）口。
经典的89C51单片机共有4组8位I/O口（P0、P1、P2、P3），可以对数据进行输出和输入操作，这就相当于可以进行双向的数据通信。
一些并行I/O引脚还能提供额外的扩展功能。
（7）中断系统
中断系统用于设计的应急响应系统。
经典的89C51单片机内部拥有两个外部中断、一个串行中断、两个定时器/计数器中断系统[5]。
所有的中断源的响应都是由中断系统统一管理，而且这些中断源还提供了多级优先权供单片机选择。
（8）全双工串行口（UART）
全双工串行通信接口（UART）是一种灵活的、主要用于串行数据传输和其他设备。
典型的89C51建立了一个全双工串口，串口可以实现各种工作模式的选择和各种通信速率的选择（波特率）。
（9）时钟振荡电路
单片机指令的执行需要时钟振荡电路为其提供一个统一的步调。
时钟振荡电路在经典的89C51单片机都是存在的，因此只需外接一个振荡电容和无源晶振便可以工作。
整个单片机运行的脉冲时序靠时钟振荡电路产生的时钟提供的[6]。
（10）复位电路
单片机的初始化操作就是复位。
单片机系统在上电、开始运行时，都需要复位设置。
它的作用是使CPU和系统中的其他组件都在一定的初始状态，并且从这个初始状态和开始工作。
在51系列的类型中，不同的单片机型号和不同的封装都会产生单片机不同的引脚结构。
本设计把AT89C51单片机作为双列直插式的封装，它有有40个引脚，其引脚图如图3.1所示。
在下文中，分别介绍了单片机的各个引脚的主要功能[7]。
（1）主电源引脚
整个单片机工作的动力源就是电源引脚。
AT89C51单片机的工作电源为5V，在此单片机中，电源引脚主要有如下两个。
VCC（40脚）：
接+5V电源正端。
VSS（20脚）：
接地引脚。
图3.1AT89C51单片机引脚图
（2）时钟引脚
时钟引脚就好比一个有着固定周期的时钟，单片机提供工作时序的基准是靠其实现的。
AT89C51单片机的时钟引脚包括如下两个：
XTAL1（19脚）：
接外部石英晶体的一端。
在单片机的内部，它其实就是一个反相放大器的输入端，这个放大器经过复杂的电路构造形成了片内振荡器。
当采用外部时钟时，对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端；对于HMOS单片机，该引脚接地。
XTAL2（18脚）：
与外部石英晶体的另一端相接。
在单片机内部，反相放大器的输出端就是片内振荡器。
当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端；对于CHMOS单片机，该引脚悬空不接。
单片机内部的CPU运行必须依靠时钟引脚的时钟信号。
51单片机的时钟引脚具有两种工作模式分别是，片内和片外时钟模式。
片内时钟模式的具体描述在上面，下面，将重点关注片外时钟模式。
当单片机运行在片外时钟模式的时候，需要从一个引脚输入一个一定频率的时钟信号就可以完成其功能的实现。
外部振荡器产生这个时钟信号，其可用有源晶振或者其他的时钟芯片制成。
这里需要注意的是，对于采用不同制作工艺类型的单片机，有不同的外部时钟的电路和输入引脚。
对于常见的80C51单片机来说，外部时钟信号通过XTAL2引脚接入后，才能直把脉冲接送到单片机内部的时钟发生器，此时引脚XTAL1必须接地，如图3.2所示。
这里需要注意是，TTL信号不会由XTAL2引脚的逻辑电平产生，因此需要外接一个上拉电阻来实现其功能。
图3.28051单片机外部时钟接线模式
对于CMOS型单片机其内部的时钟发生器的信号取决于反相放大器的输入端，这和普通的51单片机是不同的。
因此单片机的XTAL1引脚输入外部的时钟信号，而此时还必须悬空XTAL2引脚，如图3.3所示。
图3.3CMOS型单片机外部时钟接线模式
另外，应该根据不同单片机的工作频率要求来设定外部时钟信号的频率。
例如，输入频率的应为0到12MHz是80C51单片机，输入频率为0到24MHz应该是AT89C51单片机。
（3）输入/输出引脚
AT89C51单片机提供了4组8位的并行输入/输出引脚，并且都支持双向数据传输。
其中部分引脚还有扩展功能。
各组引脚的功能如下：
P0口（39～32脚）：
P0.0～P0.7统称为P0口。
在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用使用低8位地址总线和双向数据总线。
在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输端口。
P1口（1～8脚）：
P1.0～P1.7统称为P1口。
P1端口通常用做通用I/O端口，是8位准并行的，具备4个TTL负载的驱动能力。
P1端口可以用做位处理，即各位都可以单独输出或输入数据。
P2口（21～28脚）：
P2.0～P2.7统称为P2口。
P2口一般可作为准双向I/O口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256B时，P2口用作高8位地址总线。
P3口（10～17脚）：
P3.0～P3.7统称为P3口。
除了作为准双向I/O口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一个引脚均可以独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。
P3口的第二功能见表3.2所示。
表3.2P3口第二功能表
引脚
第二功能引脚名称
说明
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
RXD
TXD
INT0
INT1
T0
T1
WR
RD
串行通信的数据接收端口
串行通信的数据发送端口
外部中断0请求输入端，低电平有效
外部中断1请求输入端，低电平有效
定时/计数器0计数脉冲输入端
定时/计数器1计数脉冲输入端
外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效
外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效
（4）ALE/（PROG）引脚（30脚）
ALE/（PROG）引脚拥有两种功能，可以作为地址锁存使能端和编程脉冲输入端。
下面分别进行介绍。
当作为地址锁存使能端时为ALE。
当单片机访问外部程序存储器时，ALE（地址锁存）的负跳变将低8位地址打入锁存。
而当访问外部数据存储器时，例如执行MOVX类指令时，ALE引脚会跳过一个脉冲。
当单片机在非访问内部程序存储器时，ALE引脚将有一个1/6振荡频率的正脉冲信号输出，该信号可以用于外部计数或电路其他部分的时钟信号。
PROG被作为编程脉冲的引脚，通常进行程序下载的时候才使用到。
（5）PSEN引脚（29脚）
片外程序存储器只会读选通信号输出端，低电平有效的信号。
在从外部程序存储器读取指令或常数时候，在每个机器周期内为该信号读取两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。
在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不再出现。
（6）复位引脚（9脚）
复位的概念和计算机系统重新启动一样，一切恢复到原始状态，所有的东西都回归到原点。
单片机的复位引脚为RST，单片机内部CPU的复位信号便从这里输入。
单片机的复位是非常重要的，单片机的初始化是由复位操作可以完成的，并且还能使死机状态下的单片机开始重新运行，防止死机。
通过RST引脚完全可以单片机的复位，其基本原理是在单片机的时钟振荡电路启动后，如果RST引脚接入至少两个机器周的高电平，单片机就能实现了复位。
在单片机复位的时候，输出高电平是ALE引脚和PSEN引脚。
当单片机的RST引脚从高电平跳突然变到低电平后，单片机就会立即退出复位状态，程序便自动从0000H地址单元开始执行指令。
在日常生活使用中，外部复位电路通常用来实现单片机复位。
外部复位电路就是督促单片机进入复位状态的硬件结构系统。
复位电路的设计需要严格满足单片机复位请求要求，否则将导致单片机的无法正常复位。
通常来说，为了保证单片机能够可靠、稳定地复位，高电平在RST引脚上至少要保持10ms以上的。
单片机的复位电路一般采用上电复位和手拉加上电复位两种方法。
内部具有看门狗系统的单片机也可以采用看门狗复位方式。
下面，将重点介绍这两种复位电路构成原理。
上电复位电路原理：
上电复位电路一般是在电源接通的时候开始的，促使单片机快速复位，然后程序从头开始顺序扫描。
上电复位电路的基本原理仍然需要遵循单片机复位要求初衷，采用RC电路的充放电效的电路来完成比较的方便简单，如图3.4所示。
当硬件开始电路接通电源的时候，电源通过电容的通断加在RST引脚一个短暂的高电平信号，随后，随着电容的慢慢充电，这个高电平信号开始逐渐降低变小，当电平下降到一定程度后，单片机就可以退出复位状态了。
一般情况下高电平持续的时间和RC电路的充放电时间有关，并且取决于电阻和电容的取值的大小。
图3.4上电复位电路
手动加上电复位电路：
上电复位电路，有局限性的，有时单片机程序在有运行时跑飞了，我们实现了手动单片机复位。
因此在实际应用的电路中，一般采用既可以手动复位，又可以上电复位的电路。
典型的手动加上电复位电路如图3.5所示。
图3.5手动加上电复位电路
手动加上电复位电路其实比较简单，只是在上电复位电路的基础上增加了一个按键开关和电阻用于手动复位。
其中，上电复位部分的原理也是RC电路的充放电效应，在系统上电的时候可以给RST引脚一个短暂的高电平信号进行复位。
另外，当按下按键开关的时候，VCC通过一个电阻连接到RST引脚，给RST一个高电平，当按键松开的时候，RST引脚恢复为低电平，复位完成。
由于人手的反应时间远大于单片机的复位要求，因此只要按下按钮便可以实现单片机复位。
（7）EA/VPP（31脚）
EA/VPP引脚具有两种功能，访问内部或外部程序存储器选择信号和提供编程电压。
下面分别介绍这两种功能。
当单片机访问内部或者外部程序存储器时，EA作为选择信号。
如果EA保持为低电平时，则单片机从外部程序存储器（0000H～FFFFH单元）开始执行；如果EA保持为高电平，则单片机先从片内0000H单元开始，执行内部程序存储器程序，如果外部还有扩展程序存储器，则在执行完成内部程序存储器程序后，自动转向外部程序存储器执行程序。
当需要对单片机进行编程时，此引脚用于输入编程允许电压。
3.1.2单片机控制系统
大家都知道，每一个通过单片机控制的系统都有一个单片机最小系统电路。
所谓“单片机最小系统电路”是指单片机工作时不可或缺的基本连接线路，是最基本的、必要的电路。
它主要包括三个部分，说明如下。
电源电路：
每个电路都需要有电源才能运转起来，单片机也如此。
要将MSC-51系列单片机的40脚接VCC（也就是+5V），而+5V电源电路在上面已经详细说明，这里不再介绍。
再把单片机20脚接地GND，如图3.6所示[8]。
晶体振荡器电路：
MSC-51系列单片机内部有振荡电路，只要在18和19脚上连接简单的晶体振荡器即可，典型的晶体振荡器频率能够选取11.0592MHz，它可以准确地得到9600波特率和19200波特率，通常用于有串行通信的场所，另一个典型的晶体振荡器频率为12MHz，它可以产生精确的μs级延时，方便定时操作，本例采用的就是12MHz的晶体振荡器[9]。
复位电路：
在MSC-51系列单片机中复位引脚为第9脚，当此引脚连接高电平超过两个机器周期时，就可以产生复位动作。
为了保证应用系统可靠地复位，在复位电路的设计时，往往使RST引脚保持10ms以上的高电平。
复位电路上有上电复位和手动复位两种，本例采用上电复位的形式[10]。
下图给出的单片机最小系统电路图也是家用电磁炉控制器硬件电路的一部分，但是，只有这一小部分的基本电路是远远不够的，电磁炉还需要有加热、功率调节、时间显示和模式控制等功能。
下面，文章将着重介绍具有这些功能的外围电路以及和单片机的各个接口是如何连接的。
图3.6单片机最小系统电路
3.2模数转换电路设计
模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量。
能够完成这一任务的器件称之为模数转换器，简称A/D转换器。
本次设计中的A/D转换器的任务是将电位器的阻值变化信号转换为数字量进行输出。
A/D转换电路的核心元件采用的是TLC1543芯片。
TLC1543是TI公司的多通道、低价格的CMOS10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器。
采用串行通信接口的优点是输入通道多、性价比高、易于和单片机连接，芯片内部有一个14通道多路选择器可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试，可广泛应用于各种数据采集系统[11]。
主要技术指标如下：
分辩率：
10位
总的不可调整误差：
±1LSBMax
信号输入：
11个模拟输入通道
内置采样与保持电路
3路内置自测试方式
接口形式：
SPI串行数据总线
转换时间：
典型最大10µs
电源电压：
单电源5V
TLC1543采用20脚DIP封装，引脚排列如图4-9-1所示。
各管脚功能说明如下：
A0～A10：
11路模拟信号输入端，模拟信号输入由内部多路器选择
REF+：
基准电压正（通常为VCC或采用基准电压）
REF-：
基准电压负端（通常为地）
/CS：
片选端，/CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器同时控制和使能ADDRESS、I/OCLOCK和DATAOUT。
ADDRESS：
串行数据输入端，是一个4位的串行地址，用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压。
DATAOUT：
A/D转换结束后三态串行数据输出端。
I/OCLOCK：
为数据输入/输出提供同步时钟。
EOC：
转换结束端。
在第十个I/OCLOCK该输出端从逻辑高电平变为低电平并保持低电平直到转换完成及数据准备传输。
TLC1543的引脚排列如图3.7所示。
图3.7TLC1543的引脚排列
模数转换电路图如图3.8所示。
图3.8模数转换电路图
3.3显示模块电路设计
显示模块的功能是将检测出的水塔8点压力值通过12864液晶屏显示。
如图3.9为显示模块的电路原理图。
图3.912864液晶电路连接方式
12864采用标准的16脚接口[12]，其中：
第1脚：
VSS为地电源
第2脚：
VDD接5V正电源
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15～16脚：
空脚。
3.4时钟模块电路设计
DS1302是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，并且具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。
DS1302的引脚排列图如图3.11所示。
图3.11DS1302的引脚排列
选用三线接口与CPU进行同步通信，同时也可以使用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部还有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302的引脚说明,其中Vcc1为后备电源，Vcc2为主电源。
在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。
DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。
当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。
当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。
X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。
RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
RST输入有两种功能：
首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据传送的方法。
当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。
如果在传输过程中RST置为低电平，它将会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态状态。
上电运行时，VCC>2.0V时，则RST必须
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