【正文】 件輸出的信號(hào)為模擬量（電壓信號(hào)），因此這里還需要增加 A/D 轉(zhuǎn)換功能。 因此，在設(shè)計(jì)之初通過以上需求分析，本傳感器設(shè)計(jì)如下功能電路： CPU（ AT89S52 單片機(jī)）：對(duì)采樣數(shù)據(jù)綜合運(yùn)算處理，控制各功能模塊工作； 顯示模塊：采用數(shù)碼管，將采樣處理后的實(shí)際液位高度顯示出來； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：存儲(chǔ)對(duì)傳感器設(shè)置的一些參數(shù)，如：報(bào)警點(diǎn)、零點(diǎn)、總線地址等數(shù)據(jù)； 3 A/D轉(zhuǎn)換模塊：將采樣器件輸出的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量信號(hào)，并將該信號(hào)傳遞給 CPU； 數(shù)據(jù)采集模塊：即采樣器件，經(jīng)重量物理量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)物理量； 紅外接收模塊：接收紅外遙控器發(fā)送的數(shù)據(jù)； 頻率輸出模塊：輸出（ 200~1000） HZ 頻率信號(hào)； 總線通訊模塊：用于 RS485 通訊； 聲光報(bào)警模塊：用于非正常狀態(tài)下聲光報(bào)警； 電源模塊：給 CPU 以及其他功能模塊電路供電。 通過上述要求分析可得如下圖 11 所示的系統(tǒng)框圖。 C P UA T 8 9 S 5 2顯 示 模 塊數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 模 塊A / D 轉(zhuǎn) 換 模 塊頻 率 輸 出 模 塊總 線 通 訊 模 塊電 源 模 塊數(shù) 據(jù) 采 集 模 塊紅 外 接 收 模 塊聲 光 報(bào) 警 模 塊 圖 11 系統(tǒng)框圖 功能單元詳細(xì)介紹 CPU 通過整體考慮系統(tǒng)的輸入 /輸出情況，本傳感器所需要的單片機(jī)硬件資源如下： 數(shù)碼管顯示需要 11 個(gè) I/O 口；與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片通訊需要 2 個(gè) I/O 口； AD 轉(zhuǎn)換接口需要 4個(gè) I/O 口；紅外接收模塊需要 1 和 I/O 口；頻率輸出需要 1 個(gè) I/O 口； RS485 通訊需要 1個(gè) I/O 口和一組串行接口。通訊芯片采用 I2C 接口，紅外接收采用外部中斷和定時(shí)器配合 4 的方式。 綜上所述，本設(shè)計(jì)中選定 ATMEL 公司生產(chǎn)的單片機(jī)型號(hào)為 AT89S52，該單片機(jī)符合上述所需求的硬件要求，唯一缺陷是該單片機(jī)沒有 I2C 接口，可通過通用 I/O 口經(jīng)軟件模擬輸出 I2C 協(xié)議。 顯示模塊 考慮到該傳感器使用的特殊性，有可能安裝在較高的位置，因此需保證在 3~5 米的范圍內(nèi)能夠清楚的看到顯示數(shù)值。所以本傳感器采用數(shù)碼管顯示方式。設(shè)計(jì)為 4 位數(shù)碼管，采用單片機(jī)連接譯碼器，由譯碼器來控制三極管，有三極管來驅(qū)動(dòng) 4 位數(shù)碼管，并控制其亮暗。 在參數(shù)設(shè)置界面下，第一位數(shù)碼管作為功能顯示位，其余三位作為參數(shù)值顯示位；在數(shù)據(jù)顯示界面下，四位數(shù)碼管均作為液位高度顯示值位，實(shí)時(shí)地顯示液位高度的變化情況。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 CAT24WC08 是一個(gè) 8K 位串行 CMOS E2PROM 內(nèi)部含有 512 個(gè) 8 位字節(jié) CATALYST 公司的先進(jìn) CMOS 技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗 CAT24WC01 有一個(gè) 8 字節(jié)頁(yè)寫緩沖器CAT24WC08 有一個(gè) 16 字節(jié)頁(yè)寫緩沖器該器件通過 I2C 總線接口進(jìn)行操作有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能 。 該芯片數(shù)據(jù)通訊采用 I2C 方式，由于本設(shè)計(jì)中所使用的單片機(jī)沒有 I2C 接口，因此這里需要通過軟件（即程序）對(duì) I2C 協(xié)議進(jìn)行模擬，然后通過通用 I/O 輸出，才能正常建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)關(guān)系。 A/D轉(zhuǎn)換模塊 本設(shè)計(jì)中采用的 A/D轉(zhuǎn)換芯片為 AD7705， AD7705 是 AD 公司新推出的 16 位轉(zhuǎn)換器。器件包括由緩沖器和增益可編程放大器 (PGA ) 組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路 , 可編程數(shù)字濾波器等部件。能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種器件還具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn) , 非常適合儀表測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。它采用三線串行接口 , 有兩個(gè)全差分輸入通道 , 能達(dá)到01003% 非線性的 16 位無(wú)誤碼數(shù)據(jù)輸出 , 其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設(shè)定 , 還可選擇輸入模擬緩沖器 , 以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。工作電壓 3 V 或 5 V。 3 V 電壓時(shí) , 最大功耗為 1 mW , 等待模式下電源電流僅為 8uA。 通過查詢相關(guān)資料該芯片完全滿足本液位傳感器的量程、精度及響應(yīng)速度的要求， 5 具體參數(shù)將會(huì)在第二章硬件設(shè)計(jì)中著重介紹。 數(shù)據(jù)采集模塊 在設(shè)計(jì)之初筆者查詢了許多相關(guān)資料，對(duì)于液位傳感器的設(shè)計(jì)原理和方法有很多；如接觸式、非接觸式、紅外檢測(cè)、浮子檢測(cè)、超聲波檢測(cè)等等。本設(shè)計(jì)中從設(shè)計(jì)成本及廣泛的應(yīng)用性方面考慮，采用稱重的原理。這樣做的目的是：首先采樣器件（稱重傳感器）成本相對(duì)較低；其次，液位首先引流至液位管，液體和采樣器件無(wú)接觸，這樣不存在液體的化學(xué)性質(zhì) 對(duì)采樣原件造成干擾或損壞。保證傳感器對(duì)于任何液體都能夠進(jìn)行測(cè)量，沒有任何限制。 紅外接收模塊 考慮到本傳感器的安裝特殊性，有可能安裝在人手無(wú)法觸及的高度，因此不適合采用按鍵的方式對(duì)傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。這里選擇紅外遙控的方式對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，遙控器發(fā)送的數(shù)據(jù)使傳感器能夠正常接收的最短距離大于 5米，能夠保證數(shù)據(jù)的正常接收。 本設(shè)計(jì)中不涉及遙控器的設(shè)計(jì)， 本設(shè)計(jì)中所使用的遙控器 由市場(chǎng)采購(gòu)而得，遙控器具體發(fā)送的命令形式將在第三章軟件設(shè)計(jì)中著重介紹。 頻率輸出模塊 考慮到本傳感器與其他類似設(shè)備兼容，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，因此本傳感器集成了頻率輸出功能，可根據(jù)采樣到的數(shù)據(jù)（ 0~1000） cm，輸出國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的（ 200~1000） HZ的頻率信號(hào)，該信號(hào)高電平＞ ，低電平＜ ，占空比為 50%，脈沖寬度＞ 。 該傳感器頻率信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生，由單片機(jī) I/O口輸出，考慮到外接存在的各種干擾信號(hào)，因此在信號(hào)輸出級(jí)采用光電隔離的方式，從而保證外界的干擾信號(hào)對(duì)傳感器內(nèi)部系統(tǒng)不會(huì)造成干擾。 RS485通信模塊 考慮到輸出信號(hào)形式的多樣化， 以及與其他設(shè)備的兼容性，該 傳感器集成了總線輸出模塊，采用 RS485接口，運(yùn)用目前市場(chǎng)上 產(chǎn)品 比較流行的 modbusRTU協(xié)議，能夠保證與市場(chǎng)常見的其他設(shè)備無(wú)縫連接，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。 通信芯片使用 MAXIM公司生產(chǎn)的 MAX3082芯片，該芯片采用差分信號(hào)傳輸，因此有較遠(yuǎn)的傳輸距離，一般 2公里以上。該芯片同時(shí)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能夠很好地濾除干擾信號(hào)。 在芯片的輸出端增加了瞬態(tài)電壓抑制器，能夠很好的抑制總線上的浪涌電壓，從而保證通訊芯片免受其害，造成不可恢復(fù)的后果。 聲光報(bào)警模塊 6 聲光報(bào)警模塊采用發(fā)光二極管和蜂鳴器組合的 形式，為能到到足夠的亮度，因此我們選擇兩個(gè) 10mm的紅色發(fā)光二極管；為能 夠 達(dá)到足夠大的響度，蜂鳴器采用直流 12V規(guī)格。為降低整機(jī)工作的功耗，在報(bào)警狀態(tài)下采用聲光交替形式，即蜂鳴器工作時(shí)發(fā)光二極管不工作，蜂鳴器不工作時(shí)發(fā)光二極管工作，有效的降低了整機(jī)功耗。 電源模塊 在一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)中，電源模塊起到至關(guān)重要的作用，因?yàn)殡娫茨K的帶載能力和輸出文波直接影響到單片機(jī)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此對(duì)電源模塊的設(shè)計(jì)一定要避免以上不良影響。以免影響單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作或工作處于臨界點(diǎn)。 經(jīng)分析可知傳感器系統(tǒng)所需要的電壓有兩種：直流 5V，給傳感器系統(tǒng)的所有功能芯片供電；直流 6V，給稱重傳感器供電?？紤]到干擾的存在，因此在 5V電壓中，需使用隔離電源；在單片機(jī)系統(tǒng)和外界輸出接口處也加以隔離，以達(dá)到隔離干擾的目的 ，保證傳感器系統(tǒng)的正常工作 。 7 第 2章 硬件介紹 總體概述 該 液位傳感器適用于高溫高壓、強(qiáng)腐蝕、易結(jié)晶、易堵塞等惡劣條件下連續(xù)檢測(cè)各種液體，適合測(cè)量污水、酸堿溶液、和鍋爐的水位 ,整機(jī)安裝方便、可靠性高、精度高，可替代傳統(tǒng)的浮球式、投入式、差壓式等液位變送器在各種場(chǎng)合下應(yīng)用。 該傳感器可通過數(shù)碼管實(shí)時(shí)地顯示被測(cè)容器內(nèi)當(dāng)前液位的高度，具有液位高于上限設(shè)定值報(bào)警和低于下限設(shè)定值報(bào)警功能，具有（ 200~1000） HZ 的頻率輸出功能，具有 RS485 總線通訊功能，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，具有紅外遙控功能等。 當(dāng)液位傳感器安裝完成后，通過紅外遙控器對(duì)傳感器的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可設(shè)置的參數(shù)有：零點(diǎn)值、線性度設(shè)置、高限位報(bào)警點(diǎn)、低限位報(bào)警點(diǎn)、 RS485通訊地址設(shè)置，這些參數(shù)經(jīng)紅外遙控器修改后數(shù)據(jù)將會(huì)存儲(chǔ)在 E2PROM 中，即使傳感器斷電后該數(shù)據(jù)仍然存在，不會(huì)丟失。傳感器再次上電后，內(nèi)部參數(shù)仍為上一次修改存儲(chǔ)的內(nèi)容。 另外還具有頻率信號(hào)查詢功能，即通過紅外遙控器查看功能 6內(nèi)容，可以查看到當(dāng)前的頻率輸出。這個(gè)功能主要是方便工程維護(hù)人員在不使用其他儀器的情況下方便地查看頻率輸出情況，以更快的速度解決現(xiàn)場(chǎng)問題而設(shè)。 顯示模塊采用數(shù)碼管顯示方式，首先亮度較高，數(shù)碼管尺寸可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同尺寸；其次數(shù)碼管有足夠的亮度，即使在光照較強(qiáng)的情況下也能夠清楚的觀察到顯示值；再次從成本上考慮，數(shù)碼管價(jià)格相對(duì)要便宜的多。以上三點(diǎn)均是數(shù)碼管比液晶或其他屏所具有的優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)中考慮使用數(shù)碼管顯示。 本設(shè)計(jì)中采用 4位數(shù)碼管顯示，第一位數(shù)碼管在參數(shù)調(diào)節(jié)狀態(tài)下作為功能項(xiàng)顯示用，其余三個(gè)數(shù)碼管作為參數(shù)值顯示用。為節(jié)省單片機(jī)的 I/O口，所以顯示采用譯碼器控制的方式，若不采用譯碼器位選信號(hào)將需要 4個(gè) I/O口，采用譯碼器后位選信號(hào)僅需要 3個(gè) I/O口，這樣就可以節(jié)省出一個(gè) I/O 口做其他用途。 本設(shè)計(jì)中采樣器件選用稱重傳感器，該傳感器輸出為模擬量電壓信號(hào)，而本設(shè)計(jì)中所使用的單片機(jī)僅能處理數(shù)字信號(hào)，因此在這里就需要將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)才能被單片機(jī)接收并處理。這里就需要用到 A/D轉(zhuǎn)換器， 本設(shè)計(jì)中采用 AD7705 芯片來完成 A/D 轉(zhuǎn)換功能， AD7705 是 AD 公司新推出的 16 位轉(zhuǎn)換器。器件包括由緩沖器和增益可編程放大器 (PGA ) 組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路 , 可編程數(shù)字濾波器等部件。能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種器件還具有高分辨率 、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗 8 噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn) , 非常適合儀表測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。它采用三線串行接口 , 有兩個(gè)全差分輸入通道 , 能達(dá)到 01003% 非線性的 16 位無(wú)誤碼數(shù)據(jù)輸出 , 其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設(shè)定 , 還可選擇輸入模擬緩沖器 , 以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。工作電壓 3 V 或 5 V。 3 V 電壓時(shí) , 最大功耗為 1 mW , 等待模式下電源電流僅為 8uA。 聲光報(bào)警電路 采有兩個(gè)三極管、兩個(gè) 10mm 發(fā)光二極管、一個(gè) 12V 蜂鳴器組成。報(bào)警信號(hào)由單片機(jī)給出，用三極管來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和發(fā)光二極管?？紤]到盡可能的降低整機(jī)功耗，因此兩個(gè)三極管分別用 PNP 型和 NPN型，保證在同一時(shí)刻只用一種報(bào)警狀態(tài)，能夠有效地降低整機(jī)功耗。 頻率輸出由內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)，由 I/O口輸出。考慮到外部干擾信號(hào)有可能會(huì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)造成干擾，因此在單片機(jī)系統(tǒng)和頻率輸出端之間增加光耦加以隔離，以達(dá)到隔離干擾信號(hào)的目的，保證單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在光耦的輸出端加一個(gè)上拉電阻，保證頻率輸出由足夠的功率，便于遠(yuǎn)距離傳輸頻率信 號(hào)不至于衰減的過多，從而使下級(jí)設(shè)備能夠正常讀取頻率輸出值。在頻率輸出的信號(hào)端增加瞬態(tài)電壓抑制器加以對(duì)浪涌電壓進(jìn)行抑制保護(hù)光耦免受傷害。同時(shí)在輸出端增加發(fā)光二極管作為頻率輸出指示，能夠比較直觀的觀察到有無(wú)頻率輸出，便于現(xiàn)場(chǎng)查找原因和解決問題。 RS485總線采用 MAXIM公司的 MAX3082芯片， 該芯片采用差分信號(hào)傳輸，因此有較遠(yuǎn)的傳輸距離，一般 2公里以上。該芯片同時(shí)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能夠很好地濾除干擾信號(hào)。在芯片的輸出端增加了瞬態(tài)電壓抑制器，能夠很好的抑制總線上的浪涌電壓，從而保證通訊芯片免受其害，造成 不可恢復(fù)的后果。 考慮到總線上有可能會(huì)出現(xiàn)不可知的干擾信號(hào)，會(huì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)造成干擾，使單片機(jī)系統(tǒng)誤工作或無(wú)法正常工作，因此在單片機(jī)系統(tǒng)與總線芯片之間增加光耦以達(dá)到光電隔離的目的，避免干擾信號(hào)經(jīng)總線電路進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)?？紤]到 MAX3082芯片的接收和發(fā)送端工作時(shí)波特率會(huì)比較高，普通光耦無(wú)法正常工作，因此本設(shè)計(jì)中在 MAX3082芯片的接收和發(fā)送端均采用了肖特基結(jié)構(gòu)的快速光耦，從而保證數(shù)據(jù)能夠正確的傳輸。 在一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)中，電源模塊起到至關(guān)重要的作用，因?yàn)殡娫茨K的帶載能力和輸出文波直接影響到單片機(jī)系統(tǒng)工作 的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此對(duì)電源模塊的設(shè)計(jì)一定要避免以上不良影響。以免影響單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作或工作處于臨界點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)中需要 5V和 6V 和 12V三個(gè)電壓等級(jí)的直流電壓，考慮到現(xiàn)場(chǎng)一般只有交流 220V和交流 380V 電壓，為方便使用這里需要對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換；首先需將 220V 交流電壓轉(zhuǎn)換為 9 12V 交流電壓，這里需要選擇變壓器，然后將交流 12V電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，這里需要用到整流橋，為了減小該直流電壓的脈動(dòng)，還需要增加濾波電容。到此 12V直流已經(jīng)獲得，為得到直流 5V和 6V電壓，這里還需要增加 L7805和 L7806，這樣就可 以獲得 5V和 6V電壓。到此三種不同等級(jí)的電壓均以獲得。 下一步就要考慮電壓對(duì)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的影響，由于交流電網(wǎng)中有可能使用大功率電氣設(shè)備如電動(dòng)機(jī)等，在