山東金嶺鐵礦 張繼信 張建剛

1.前言

機(jī)作為主體，實(shí)現(xiàn)液位的數(shù)據(jù)采集及顯示。

單片機(jī)控制系統(tǒng)以其控制精度高、性能穩(wěn)定可靠、設(shè)置操作方便、造價(jià)低等特點(diǎn)被應(yīng)用到液位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制中來[1]。本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于單片機(jī)的液位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以AT89C51單片

2.系統(tǒng)說明

本系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：由差壓式液位傳感器采集數(shù)據(jù)采集部分，A/D轉(zhuǎn)換部分，數(shù)據(jù)處理部分，數(shù)據(jù)顯示部分等。首先把差壓式傳感器采集到的液位模擬量以電信號方式輸入到ADC0809轉(zhuǎn)換器中，將之轉(zhuǎn)換成為離散的數(shù)字量，該模擬量在AT89C51芯片內(nèi)通過數(shù)字處理程序和數(shù)字濾波程序的處理后，進(jìn)入片外數(shù)據(jù)存儲器8255A，最終在8段LED顯示器中直觀的顯示出來。當(dāng)所測液位超出限定范圍時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出報(bào)警。其系統(tǒng)原理如圖1所示。

本文設(shè)計(jì)的液位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)增加了數(shù)據(jù)采集抗干擾信號處理技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的液位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的各方面性能有了顯著提高，而且該系統(tǒng)的電路調(diào)試方便、穩(wěn)定性好、成本低。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3.液位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

液位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要組成部分。其中系統(tǒng)硬件主要包括主控制器AT89C51芯片、A/D轉(zhuǎn)換芯片、顯示數(shù)碼管、液位傳感器、超限報(bào)警模塊等。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

3.1 AT89C51單片機(jī)

AT89C51產(chǎn)品與80C51相比，除了其片內(nèi)有閃存存儲器，現(xiàn)編程/擦除速度快之外，AT89C51還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離編程，而且其產(chǎn)品價(jià)格比片內(nèi)帶EPROM的80C51低，這就充分顯示出AT89C51的優(yōu)越性。由于本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是建立一個(gè)液位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，因此選用選用雙排直插式結(jié)構(gòu)的AT89C51單片機(jī)，滿足設(shè)計(jì)要求。

AT89C51作為系統(tǒng)的核心部分，主要完成以下功能：

（1）對采集到的液位信號進(jìn)行必要的處理，保證檢測精度符合要求；

（2）將8路液位信號送LED進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；

（3）響應(yīng)鍵盤輸入，當(dāng)所測液位越限時(shí)，發(fā)出報(bào)警。

3.2 液位傳感器

差壓式液位傳感器選用Motorola公司生產(chǎn)的MPX2010型硅壓阻式壓力傳感器。

差壓式液位傳感器的差模輸出電壓一般為幾十毫伏左右。這信號必須經(jīng)過調(diào)理器電路放大變換，使其滿足應(yīng)用的要求。為了滿足與數(shù)字系統(tǒng)接口的要求，傳感器輸出信號通過調(diào)理器電路變?yōu)?～5V。

3.3 超限報(bào)警模塊

報(bào)警模塊是液位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成部分。在液位數(shù)據(jù)采集的過程中，首先限定了可能出現(xiàn)的液位界限，當(dāng)所測得的液位數(shù)據(jù)超出這個(gè)范圍時(shí)，報(bào)警電路就發(fā)揮作用，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能只需在單片機(jī)的P1.0端口處接一只發(fā)光二極管即可[2]，當(dāng)液位數(shù)據(jù)超出所設(shè)定的界限時(shí)，發(fā)光二極管閃亮，實(shí)現(xiàn)報(bào)警的目的。

3.4 顯示器模塊

在此設(shè)計(jì)中使用的是LED顯示器。這種顯示器有兩種類型：一種是發(fā)光二極管的陰極連在一起的共陰極顯示器；另一種是發(fā)光二極管的陽極連在一起的共陽極顯示器，本文選用共陰極形式。由于8段顯示器雖然能顯示的字符數(shù)量較少，但控制簡單，使用方便，故得到了廣泛應(yīng)用。

4.采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集程序是整個(gè)液位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要組成部分，也是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主程序，它完成對數(shù)字處理子程序、轉(zhuǎn)換子程序，顯示子程序等程序的調(diào)用，從而構(gòu)成整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)采集程序首先修改堆棧指針，設(shè)置位碼寄存器地址，設(shè)置定時(shí)器0工作方式為工作方式1，定時(shí)器0置初值，然后啟動(dòng)定時(shí)器0，允許定時(shí)器0中斷，開中斷，秒標(biāo)志位清0并置初值；指向通道0，再計(jì)算通道地址，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，待轉(zhuǎn)換完成后讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，調(diào)結(jié)果轉(zhuǎn)換程序?qū)⒍M(jìn)制轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制，送當(dāng)前通道號到顯示器1；調(diào)用顯示子程序，顯示時(shí)間為一秒，一秒不到等待，到一秒后秒標(biāo)志位清0秒計(jì)數(shù)器重置初值，通道號加1，若不是最后一個(gè)通道，則轉(zhuǎn)到計(jì)算通道地址之前，若是最后一個(gè)通道就轉(zhuǎn)到0通道之后循環(huán)。

數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖2所示。

盡管在硬件電路的構(gòu)件方面已經(jīng)采取了種種抗干擾措施，但干擾是不可能完全消除的。在數(shù)據(jù)采集處理時(shí)，要涉及到數(shù)值計(jì)算。正確的程序不一定算出正確的結(jié)果。使用軟件抗干擾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于不需要增加硬件設(shè)備，使用靈活，修改方便，本章軟件抗干擾的技術(shù)主要采用設(shè)置指針陷阱的方法，即在某個(gè)子程序后面或程序段后，插入幾條指令[3]

NOP

NOP

NOP

NOP

LJMP MAIN

其中MAIN是初始化程序的開始地址，在ROM區(qū)的空白處（特別是后面的空白處），每幾十個(gè)字節(jié)放一條指令LJMP MAIN。通過指針陷阱，一旦單片機(jī)受干擾時(shí)，程序指針混亂，執(zhí)行了一段程序后，就會落入陷阱中，執(zhí)行LIMP MAIN指令，恢復(fù)到初始化程序開始處，避免了死機(jī)。

5.結(jié)論

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般由液位數(shù)據(jù)采集模塊和采集數(shù)據(jù)處理模塊兩部分組成。因此在不同的應(yīng)用系統(tǒng)上設(shè)計(jì)思路有著很大的相似之處。本文以實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，簡要介紹了以AT89C51單片機(jī)為核心的液位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并根據(jù)本系統(tǒng)的具體要求，通過組裝調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)以下預(yù)期功能：

（1）所選液位傳感器滿量程測量液位高度為0～15cm，通過單片機(jī)將液位高度處理后，轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字量，通過設(shè)定，系統(tǒng)測量液位的精度可達(dá)±1mm；

（2）LED顯示器每秒顯示測量通道號和1路液位數(shù)據(jù)；

（3）采集系統(tǒng)設(shè)定液位界限為0～10cm，當(dāng)超出液位界限5mm時(shí)，紅燈亮，報(bào)警時(shí)間為0.5秒。

[1]姜志海.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006,7.

[2]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000,9.164-220.

[3]劉麗娜,廉新宇.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中抗干擾分析[J].陶瓷研究與職業(yè)教育,2005,3.