【導(dǎo)讀】液位測(cè)量廣泛應(yīng)用于工業(yè)、經(jīng)濟(jì)、生活等領(lǐng)域?；趩纹瑱C(jī)的液位測(cè)量裝置具有測(cè)量。準(zhǔn)確、重復(fù)性好、功耗低、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，是廣泛采用的技術(shù)。在深入學(xué)習(xí)科學(xué)發(fā)。展觀的同時(shí)，電子設(shè)備的設(shè)計(jì)也需融入可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)理念。過科學(xué)的方法將液位測(cè)量與統(tǒng)計(jì)科學(xué)結(jié)合，合理調(diào)度水資源，降低能源消耗。介紹了基于單片機(jī)的液位測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，最終實(shí)現(xiàn)了液位的實(shí)時(shí)測(cè)量與監(jiān)控，最后，本文總結(jié)了設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題及解決方法，簡(jiǎn)要敘述了液位檢測(cè)監(jiān)控。數(shù)據(jù)的處理方法，引出了進(jìn)一步設(shè)計(jì)開發(fā)的思路。液位測(cè)量對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)等有著重要的意義。油管等，通常需要時(shí)刻了解其液位情況。采用儀器測(cè)量高度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。在某些工業(yè)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的測(cè)量這一基本功能已不能。為了獲得大批量的數(shù)據(jù)，得到可靠的分析。析，有助于人們進(jìn)一步對(duì)自然環(huán)境、天氣變化甚至是災(zāi)害預(yù)警提供可靠的支持。

　　

【正文】 是轉(zhuǎn)化電壓， NI 恒定電流， xR 為被測(cè)電阻， a 為比例系數(shù)。 因此，液位高度的變化同樣正比于 輸入電壓，顧而 A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)正比于液位高度。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)調(diào)試過程，使 用系統(tǒng)內(nèi)部 5V電壓作為模擬輸入， VIN()直接接地，通過接入 傳感器 分壓 將阻抗轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，接入電位器可實(shí)現(xiàn)模擬輸入 。 根據(jù)以上參數(shù) 分析 ，設(shè)計(jì)電路如 圖 11：16 V c c20C L K R19D B 018D B 117D B 216D B 315D B 414D B 612D B 513D B 711CS1RD2WR3C L K I N4I N T R5V i n ( + )6V i n ( )7A G N D8V r e f9D G N D10A D C 0 8 0 4U9A D C 0 8 0 4R410kR61kR71kV C CR510kC4150pFA D _ W RA D _ R DV C CAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD712J P 2JPR810kV C CS2S W S P D T 圖 11： A/D轉(zhuǎn)換單元電路圖 通信單元硬件設(shè)計(jì) MAX485僅有 8個(gè)管腳，電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。 RO引腳 接到單片機(jī)串口接收引腳 RXD()， DI引腳接到單片機(jī)串口發(fā)送引腳 TXD()。由于 MAX485為半雙工通信方式，不能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，只能通過控制 RE和 DE引腳的狀態(tài)來進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。 為了節(jié)省單片機(jī) I/O口 資源，將 RE和 DE引腳連在一起，輸入低電平時(shí)， MAX485 圖 12： MAX485引腳圖 處于接收狀態(tài)；輸入高電平時(shí)，其處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。定義RE和 DE連接在一起的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)為 E，接入單片機(jī) P1口，用于發(fā)送與接收的轉(zhuǎn)換。 A,B端為發(fā)送接收差分信號(hào)端，一般需在 A,B端之間加 匹配電阻，匹配電阻為 120Ω。 圖 13：串行通信模塊電路圖 硬件電路如圖 13： 17 圖 14： 繼電器部分電路圖 圖 15： 電源 指示燈電路圖 其他外圍電路的設(shè)計(jì) 繼電器電路設(shè)計(jì)。 由于使用單片機(jī) I/O口的驅(qū)動(dòng)電流較弱，不滿足繼電器吸合電流參數(shù)的要求，所以時(shí)需使用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器吸合。設(shè)計(jì)電路如圖 14。 為了防止電源尖峰脈沖引發(fā)的噪聲干擾以及高頻信號(hào)線間的耦合干擾，在電源入口處及芯片頂端或底端，接入去耦電容，以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 電源 指示燈設(shè)計(jì)如圖 15。 系 統(tǒng)電路 原理 圖 見附錄 A。 3 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 軟件 系統(tǒng)軟件編譯 開發(fā) 環(huán)境 8051系類單片機(jī)共擁有 111條系統(tǒng)指令，可實(shí)現(xiàn) 51種基本操作。然而繁雜的匯編語言指令卻有程序的可讀性低，程序開發(fā)人員的開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)與開發(fā)難度大，程序移植性差等缺點(diǎn)。 C語言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語言。他兼顧了多種高級(jí)語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。用 C語言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加了軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大，性能更完善的系統(tǒng)。用 C語言進(jìn)行 51系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是單片機(jī) 開發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢(shì)。 KEIL C51開發(fā)工具套件可用于匯編 C語言程序、匯編源程序，鏈接和定位目標(biāo)文件和庫，創(chuàng)建 HEX文件以及調(diào)試目標(biāo)程序。 本設(shè)計(jì)使用 KEIL C51 μVision3為開發(fā)編譯環(huán)境，使用 C語言編寫程序，實(shí)現(xiàn)各模塊功18 能設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)主要模塊流程圖 系統(tǒng)初始化 開始啟動(dòng) A / D 轉(zhuǎn)換讀取液位數(shù)據(jù)當(dāng)片液位 = 高警戒液位且電機(jī)已啟動(dòng)關(guān)閉電機(jī)記錄數(shù)據(jù)當(dāng)片液位 ≤ 高警戒液位且電機(jī)關(guān)閉否是是啟動(dòng)電機(jī)記錄數(shù)據(jù)返回否開始初始化檢測(cè)液位處理顯示處理檢測(cè)響應(yīng)通信請(qǐng)求開始判斷是否有通信請(qǐng)求通信響應(yīng)處理判斷請(qǐng)求信息響應(yīng)處理 1 響應(yīng)處理 n滿足條件 1 滿足條件 n??是返回否圖 16： 主程序流程圖 圖 17： 通信檢測(cè)流程圖 圖 19：液位檢測(cè)流程圖 19 該模塊 在 系統(tǒng)上電開機(jī)時(shí) 將系統(tǒng)端口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、標(biāo)志位、指針、地址等賦予有含義的值。具體分為以下幾個(gè)模塊列表描述。 模塊 變量 /端口 初始值 功能 控制端口初始化 adRD/ 1 A/D轉(zhuǎn)換芯片數(shù)據(jù)讀入控制，初始為不讀入 adWR/ 0 A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換控制，初始為 停止 E/ 0 通信接收發(fā)送控制，初始為接收 DIS/ 0 顯示數(shù)據(jù)鎖存控制，初始為保持 RELAY/ 1 繼電器控制，初始狀態(tài)為斷開 波特率發(fā)生器初始化 TMOD 0x22 單片機(jī)片內(nèi)定時(shí) /計(jì)數(shù)器工作在方式二 SCON 0x40 串行口為 8位 UART工作方式 TH1 0xf4 波特率設(shè)置為 4800bps TL1 0xf4 IE 0 禁止定時(shí)器中斷 TR1 1 啟動(dòng)定時(shí)器 REN 1 允許串行口接收數(shù)據(jù) 時(shí)間初始化 sec 0x00 初始化系統(tǒng)時(shí)間為 2021年 1月 1日 0時(shí) 0分 0秒星期四 其中 sec,min,hr,date,mon,day,year 依次為秒 、 分 、 時(shí) 、日、月、星期、年 min 0x00 hr 0x00 date 0x01 mon 0x01 day 0x04 year 0x09 數(shù)據(jù)參數(shù)初始化 xmark 0x7531 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)標(biāo)志字節(jié) 指針 numtab 0x0001 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)指針 uplq 0xCF 高液位警戒高度，初始值 downlq 0x10 低液位警戒高度，初始值 初始化過程中，調(diào)用 A/D轉(zhuǎn)換模塊獲得首次液位數(shù)據(jù)，同時(shí)將其顯示，完成初始化工作 表 2：初始化參數(shù)及含義 顯示 與 A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)中，顯示輸出的要求為壓縮 BCD碼，而 A/D轉(zhuǎn)換輸入的數(shù)據(jù)是 8位 16進(jìn)制碼，因此在實(shí)現(xiàn)顯示之前需要編碼的轉(zhuǎn)換。對(duì) 8位 A/D轉(zhuǎn)換器而言，其十六進(jìn)制、相對(duì)滿偏電壓比率、相對(duì)電壓幅值的關(guān)系對(duì)應(yīng)如表 3： 20 十六進(jìn)制 二進(jìn)制 滿刻度比率 相對(duì)電壓幅值 Vref= 高四位 低四位 高四位電壓 低四位電壓 F 1111 15/16 15/256 E 1110 14/16 14/256 D 1101 13/16 13/256 C 1100 12/16 12/256 B 1011 11/16 11/256 A 1010 10/16 10/256 9 1001 9/16 9/256 0 1000 8/16 8/256 7 0111 7/16 7/256 6 0110 6/16 6/256 5 0101 5/16 5/256 4 0100 4/16 4/256 3 0011 3/16 3/256 2 0010 2/16 2/256 1 0001 1/16 1/256 0 0000 0/16 0/256 表 3： A/D轉(zhuǎn)換幅值數(shù)據(jù)關(guān)系對(duì)照表 綜上，電壓幅值與液位高度在數(shù)值上是相等的。為了通過 LED直觀顯示液位高度，進(jìn)行轉(zhuǎn)換的思路如下： 設(shè)輸入 8二進(jìn)制數(shù)據(jù)為 n ， 5/n 的商即為 以分米為單位的液位高度 數(shù)據(jù)，余數(shù)為 以 厘米 為單位的 數(shù)據(jù)，由于顯示位數(shù)僅為 2位，最低位為分米， 固使用 “二舍三入 ”的辦法 保留分米單位的整數(shù)倍數(shù)據(jù) 1n 。 為了將這個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為為壓縮 BCD碼，再將 10/1n ，得到的商左移四位（相當(dāng)于乘以 16）為壓縮 BCD碼高四位，余數(shù)為壓縮 BCD碼低四位，二者相加，就是最終的結(jié)果。 顯示 模塊的軟件 設(shè)計(jì) 由于使用了靜態(tài)鎖存顯示，需要對(duì)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行鎖存控制。 硬件設(shè)計(jì)中使用了 74LS273鎖存數(shù)據(jù)它的特點(diǎn)是在 ALE輸入信號(hào)的下降沿到來時(shí)鎖存信號(hào)，因此 首先置控制引腳高電平，延遲幾個(gè)時(shí)鐘周期待信號(hào)穩(wěn)定， P0口輸出處理后的數(shù)據(jù)，同樣延遲幾個(gè)時(shí)鐘周期待信號(hào)穩(wěn)定，控 制引腳置低電平，數(shù)據(jù)鎖存，顯示輸出。 A/D轉(zhuǎn)換模塊軟件 設(shè)計(jì) 21 A/D轉(zhuǎn)換的控制變量有兩個(gè)，即 adWR與 adRD；上文中已說明了它的功能，故不再重復(fù)。該模塊分為兩個(gè)階段，第一階段是為 A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制，通過 adWR復(fù)位 → 延遲 → 置位完成。第二階段是數(shù)據(jù)的提取過程，由于 P0口做輸入時(shí)的特性，首先軟件上將 P0口寄存器置為 0xFF， 延遲適當(dāng)時(shí)間后 adRD復(fù)位，輸出 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，隨之通過 P0口讀入數(shù)據(jù)，還原 adRD為高，該階段結(jié)束。兩個(gè)階段中可加如適當(dāng)?shù)难舆t，以滿足 ADC0809 100ns的轉(zhuǎn)換時(shí)間。 通信 協(xié)議及通信模塊 軟件設(shè)計(jì) 1) 通信協(xié)議 為了使 PC上位機(jī)與設(shè)備實(shí)現(xiàn)有意義的通信，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的通信協(xié)議。 通信波特率設(shè)計(jì)為 4800bps，過高的波特率在沒有檢糾錯(cuò)方式的情況下易發(fā)生數(shù)據(jù)的丟失，過低的波特率會(huì)使傳輸變慢； 8位有效數(shù)據(jù)位；無奇偶校驗(yàn)位； 1位停止位。傳送以字節(jié)為單位，發(fā)送命令與數(shù)據(jù)。 通信協(xié)議命令控制字如 表 4： 上位機(jī)命令控制字 含 義 下位機(jī)命令控制字 含 義 0x00 請(qǐng)求聯(lián)機(jī)檢測(cè) 0xF0 響應(yīng)聯(lián)機(jī)檢測(cè)成功 0x01 讀系統(tǒng)時(shí)間 0xF1 響應(yīng)寫時(shí)間指令，發(fā)送 7字節(jié)時(shí)間數(shù)據(jù) 0x02 設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間 0xF2 響應(yīng)度時(shí)間指令，接收 7字節(jié)時(shí)間數(shù)據(jù) 0x03 讀當(dāng)前液位及 0xF3 響應(yīng)讀當(dāng)前液位指令，發(fā)送 1字節(jié)液位數(shù)據(jù) 0x04 讀記錄數(shù)據(jù) 0xF4 響應(yīng)讀記錄數(shù)據(jù)指令，發(fā)送 2字節(jié)數(shù)據(jù)量及相應(yīng)數(shù)據(jù) 0x05 讀液位上下限 0xF5 響應(yīng)讀液位上下限指令，發(fā)送 2字節(jié)液位上下限數(shù)據(jù) 0x06 設(shè)置液位上下限 0xF6 響應(yīng)設(shè)置液位上下限指令，接收 2字節(jié)液位上下限數(shù)據(jù) 0x07 讀當(dāng)前液位及電機(jī)狀態(tài) 0xF7 響應(yīng)讀當(dāng)前液位及電機(jī)狀態(tài)指令，發(fā)送2字節(jié)液位數(shù)據(jù)及電 機(jī)狀態(tài) 表 4：通信協(xié)議 軟件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng) 以 查詢的方式 檢測(cè)上位機(jī)的命令控制字，并及時(shí)進(jìn)入各響應(yīng)函數(shù)予22 以響應(yīng)。 2) 通信 模塊的 控制 該模塊在控制上設(shè)計(jì)兩個(gè)函數(shù)，一個(gè)是發(fā)送函數(shù)，另一個(gè)是接收函數(shù)。由于采用半雙工的通信方式，需要控制變量 E的置位與復(fù)位轉(zhuǎn)換發(fā)送與接收的狀態(tài)。 發(fā)送的過程：置 E為 1，使系統(tǒng)處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)；將數(shù)據(jù)寫入串行通信緩沖區(qū) SBUF；等待，直到發(fā)送完畢，將 E清 0,返回 接收狀態(tài)。 接收過程：清零 E，使系統(tǒng)處于接收狀態(tài)；等待，直到接收完畢，讀串行通信緩沖區(qū)SBUF；繼續(xù)保持接收狀態(tài)。 這兩個(gè)子程序 在其他函數(shù)需要進(jìn)行串口通信時(shí)調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的串行通信。 時(shí)間模塊軟件設(shè)計(jì) DS1302內(nèi)部寄存器的定義直接影響著軟件的設(shè)計(jì)，大概可分為時(shí)間控制寄存器和內(nèi)部 RAM寄存器。 圖： 20 DS1302 時(shí)間寄存器 23 圖 21： DS1302數(shù)據(jù)寄存器 其中 : ? CH： 時(shí)鐘停止位寄存器 2 的第 7 位 12/24 小時(shí)標(biāo)志 CH=0 振蕩器工作允許 bit7=1,12 小時(shí)模式 CH=1 振蕩器停止 bit7=0,24 小時(shí)模式 ? WP: 寫保護(hù)位寄存器 2 的第 5 位 :AM/PM 定義 WP=0 寄存器數(shù)據(jù) 能夠?qū)懭? AP=1 下午模式 WP=1 寄存器數(shù)據(jù)不能寫入 AP=0 上午模式 ? TCS: 涓流充電選擇 DS: 二極管選擇位 TCS=1010 使能涓流充電 DS=01 選擇一個(gè)二極管 TCS=其它 禁止涓流充電 DS=10 選擇兩個(gè)二極管 DS=00 或 11, 即使 TCS=1010, 充電功能也被禁止 ? RS: 涓流充電電阻選擇位 RS位 電阻 典型 值 00 無 無 01 R1 2KΩ 10 R2 4KΩ 11 R3 8KΩ 表 5： RS狀態(tài)標(biāo)志及含義 由于 DS1302數(shù)據(jù)傳輸方式為串行移位輸入輸出 。地址、數(shù)據(jù)的 寫 操作流程是相同的。地址 沒 有 讀 操作 。無論是讀還是寫，二者結(jié)構(gòu)類似。讀寫的核心 是 產(chǎn)生 SCLK移位信號(hào)與移位 ，讀操作是將數(shù)據(jù)從 DS1302的 I/O口移入單片機(jī)，寫操作是將數(shù)據(jù)從單片機(jī)移入DS1302時(shí)鐘芯片。我們最終 處理的 對(duì)象是時(shí)間數(shù)據(jù)或狀態(tài)數(shù)據(jù)， 在獲取數(shù)據(jù)時(shí) ,首先寫入地址，然后讀取數(shù)據(jù)；寫入數(shù)據(jù)時(shí)，先寫入地址，再輸出數(shù)據(jù)。完成時(shí)間的模塊軟件的設(shè)計(jì)。 51系列單片機(jī)中有片外存儲(chǔ)器讀寫的指令 MOVX，無需用戶復(fù)雜的控制、輸入出處24 操作，故不再陳述。 上位機(jī)軟件 設(shè)