【正文】 備的驅(qū)動(dòng)方法都是一致的，它只是提供傳輸數(shù)據(jù)的一種機(jī)制，也就是說驅(qū)動(dòng)程序只提供用兩條數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)通信的一種方法。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（MSB），每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀共有9位）。 時(shí)鐘與數(shù)據(jù)變化規(guī)律SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化(下降沿)表示起始信號(hào)，SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化（上升沿）表示終止信號(hào)（）。但是STC89C516RD+單片機(jī)內(nèi)部沒有集成I2C總線設(shè)備模塊,所以外圍的I2C總線設(shè)備要實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信時(shí),也增大了開發(fā)難度。 到此，我們就順利的讀取到了想要的壓力值,但我們不免會(huì)有疑問：數(shù)據(jù)究竟是如何在總線上傳輸?shù)?？這個(gè)問題將在下一個(gè)小節(jié)：I2C總線驅(qū)動(dòng)部分中介紹到。 //ISendByte是數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù) p1=IRcvByte(0x91)。讀取通道0時(shí)，控制字節(jié)為0000 0000，讀取通道1時(shí)，控制字節(jié)為0000 0001。D7 也是保留位.由此可知，當(dāng)單片機(jī)要監(jiān)測(cè)某一個(gè)壓力值時(shí)，它的工作流程如下：（1） 單片機(jī)向I2C上發(fā)出一個(gè)8位的設(shè)備地址，這時(shí)的D0位（讀寫位）為0，通知被控器件將要向其執(zhí)行寫操作，并等待應(yīng)答；（2） 收到應(yīng)答后，發(fā)送控制字節(jié)，寫入被控器件的控制寄存器，等待應(yīng)答；（3） 收到應(yīng)答后，再發(fā)送一個(gè)8位的設(shè)備地址，這時(shí)的D0（讀寫位）為1，通知被控器件將要讀取它發(fā)送的數(shù)據(jù)，等待應(yīng)答；（4） 收到應(yīng)答后，把總線的控制權(quán)交給被控器件，讀取它發(fā)送到總線上的數(shù)據(jù)。我們?cè)谶@里選擇單獨(dú)輸入。D3 是保留位。D2 是自動(dòng)增益位，有效值是1。主控器發(fā)送的第二個(gè)字節(jié)是控制字節(jié)，控制字節(jié)用于控制器件實(shí)現(xiàn)各種功能，如模擬信號(hào)由哪幾個(gè)通道輸入等。這時(shí)總線上的I2C設(shè)備會(huì)根據(jù)自己的地址來判斷主控器是否在“呼叫”自己?？偩€地址的最后一位為方向位，當(dāng)主控器件對(duì)A/D器件進(jìn)行讀操作時(shí)為1，進(jìn)行寫操作時(shí)為0。飛利浦公司規(guī)定A/D器件地址為1001，引腳A2 A1 A0由用戶硬件編程，在本系統(tǒng)中這三個(gè)引腳全部接地，也就是個(gè)說A2 A1 A0分別為0 0 0。要用PCF8591監(jiān)測(cè)兩個(gè)壓力模擬量，首先得確定PCF8591在I2C總線上的地址，其次要確定控制字節(jié)。PCF8591的最大轉(zhuǎn)化速率由I178。C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。C總線上接入8個(gè)PCF8591器件，而無需額外的硬件。C總線接口。PCF8591是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。(2)．A/D轉(zhuǎn)換部分本系統(tǒng)要對(duì)兩個(gè)模擬壓力量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果使用傳統(tǒng)的8位并行A/D轉(zhuǎn)換器件，光數(shù)據(jù)口就會(huì)占據(jù)16個(gè)I/O口，對(duì)于一個(gè)只有4組8位I/O口的單片機(jī)來說，這種硬件上的開銷實(shí)在比較大。所以上述的數(shù)學(xué)模型并不適應(yīng)于下位機(jī)端。我們就將兩個(gè)壓力值利用串口發(fā)送給上位機(jī)，讓PC或32位的ARM嵌入式設(shè)備去計(jì)算，將結(jié)果輸出到軟件界面的相應(yīng)位置。這樣就可以輕松的計(jì)算出當(dāng)前液位高度h了。根據(jù)式（3）計(jì)算當(dāng)前液位高度h時(shí)，用到的壓力值都是比值關(guān)系，所以無須計(jì)算出確切的物理壓力量來。8位A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)值取值空間是0 ~ 255，也就是說它只能將一個(gè)模擬量分割成256份，這個(gè)量化數(shù)值對(duì)于高達(dá)幾十米的大型儲(chǔ)油罐無法做到精確的統(tǒng)計(jì)，這就需要提升A/D轉(zhuǎn)換器的精確度，比如用16位的轉(zhuǎn)換器，但原理都是一致的。將底端壓力值P1經(jīng)過物理量化就可以得到這個(gè)值。液體式壓力計(jì)又可以分為U型管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)、傾斜微壓計(jì)和自動(dòng)液柱壓力計(jì)等，不管采用哪種壓力傳感器，在測(cè)量壓力時(shí)兩個(gè)傳感器必須要用相同規(guī)格的，這樣測(cè)量的的數(shù)據(jù)在計(jì)算時(shí)才有意義。由此可以推出當(dāng)前液位的壓力差也就是底端的壓力值。同理,底端壓力值P1減去頂端的壓力值，就是當(dāng)前液位h(頂端與底端)的壓差。無論是常壓容器還是受壓容器，只要被測(cè)量的溶液為均勻液體即容器中液體處處密度相等，均可采差壓法來測(cè)量液位。甚至同廠生產(chǎn)的不同批次的成品油密度差別也很大，所以利用壓差法不必事先去測(cè)定各種油的密度。其中P1，P2是底端和上端的壓力值。具體實(shí)現(xiàn)方法在下文中分模塊詳細(xì)介紹。大致的實(shí)現(xiàn)方法是由兩個(gè)壓力傳感器獲取到兩個(gè)壓力模擬量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后以I2C數(shù)據(jù)形式發(fā)送到單片機(jī)中，單片機(jī)經(jīng)過一定的算數(shù)運(yùn)算后得到當(dāng)前液位與滿載液位的高度比。所以我們選用Qt作為本系統(tǒng)的上位機(jī)開發(fā)軟件。 方案比較i. 下位機(jī)端：顯然，用C語言開發(fā)下位機(jī)程序有可讀性強(qiáng)、易于編程、代碼量低的優(yōu)點(diǎn)，而且可以降低開發(fā)難度與開發(fā)周期。Qt 的良好封裝機(jī)制使得 Qt 的模塊化程度非常高，可重用性較好，對(duì)于用戶開發(fā)來說是非常 方便的。優(yōu)點(diǎn)是Qt提供了強(qiáng)大的可視化編程能力。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)過于嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)編程水平要求頗高。ii. 上位機(jī)端：方案一： 使用Delphi作為開發(fā)工具，Delphi是著名的Borland公司開發(fā)的可視化軟件開發(fā)工具。方案二：使用keil軟件，用C語言為單片機(jī)編寫程序。通過對(duì)儲(chǔ)油罐實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與計(jì)量管理設(shè)計(jì)目標(biāo)的論證，確定上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）系統(tǒng)參數(shù)的修改（2）儲(chǔ)油罐實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與計(jì)量 軟件開發(fā)工具論證i. 下位機(jī)端：方案一：使用匯編語言為單片機(jī)編寫程序。本設(shè)計(jì)最終選擇方案1，因?yàn)樗鄬?duì)于方案2來說，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)高度模塊化，低功耗電路設(shè)計(jì)，全數(shù)字總線接口，通信協(xié)議開放，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，所利用的液位測(cè)量技術(shù)成熟，可靠性高。 兩種硬件方案論證結(jié)合兩種硬件方案，采用的硬件結(jié)構(gòu)有所不同，方案2用單片機(jī)作為硬件系統(tǒng)，顯然電路復(fù)雜，可靠性較低，而且無法向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)。 硬件方案2 硬件方案2是光用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)液位監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)儀表之間通過RS485總線連接，儲(chǔ)油罐實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集液位的核心是兩個(gè)壓力傳感器。3. 可視信息服務(wù)顯示系統(tǒng)總貌及構(gòu)成、各個(gè)油罐的溫度，液位，壓力數(shù)據(jù)。2. 儲(chǔ)油罐實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與計(jì)量?jī)?chǔ)油罐狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：儲(chǔ)油罐液位等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 功能分析根據(jù)對(duì)儲(chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)及計(jì)量管理任務(wù)的深入分析，系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下幾大功能：1. 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定與修改儲(chǔ)油罐區(qū)參數(shù)設(shè)定和修改：儲(chǔ)油罐數(shù)量、標(biāo)號(hào)設(shè)定、通訊參數(shù)設(shè)置，儲(chǔ)油罐分區(qū)管理定義等。（5）操作維護(hù)方便性。（4）經(jīng)濟(jì)性。（3）兼容性。（2）通用性。在設(shè)計(jì)初期，主要考慮了以下因素：（1）可靠性。針對(duì)油庫(kù)儲(chǔ)油罐地理位置分布廣，信號(hào)傳送距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，采用“功能分散、負(fù)荷分散、危險(xiǎn)分散、管理集中”的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，“硬件模塊化、軟件組合化、通信網(wǎng)絡(luò)化”的設(shè)計(jì)方法。因此，研發(fā)出符合我國(guó)國(guó)情的油罐區(qū)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅可以保障石油庫(kù)區(qū)的安全生產(chǎn)，而且將加快石油行業(yè)的現(xiàn)代化管理進(jìn)程。相比較而言，國(guó)外的油罐區(qū)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能好，但其價(jià)格過高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我國(guó)廣大用戶的承受能力。本系統(tǒng)針對(duì)上述問題，采用相應(yīng)的傳感器采集儲(chǔ)油罐內(nèi)的溫度和壓力，并通過單片機(jī)將儲(chǔ)油量、溫度值顯示出來；同時(shí)利用串口將各項(xiàng)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，從而進(jìn)行更精確的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)。長(zhǎng)治學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文長(zhǎng) 治 學(xué) 院2012屆學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文儲(chǔ)油罐實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué) 號(hào)： 08405433 姓 名： 張國(guó)雁 指導(dǎo)教師： 張 毅 專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)系 別： 電子信息與物理系 完成時(shí)間：2012年5月儲(chǔ)油罐實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)專業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 姓名：張國(guó)雁 學(xué)號(hào)： 08405433指導(dǎo)教師： 張毅 摘要:我國(guó)石油資源豐富,采油煉油企業(yè)眾多,儲(chǔ)油罐是儲(chǔ)存油品的重要設(shè)備,儲(chǔ)油罐液位的精確計(jì)量對(duì)生產(chǎn)廠庫(kù)存管理及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響很大。但國(guó)內(nèi)許多反應(yīng)罐、大型儲(chǔ)油罐、加油站的液位計(jì)量仍采用人工檢尺和分析化驗(yàn)的方法,其他參數(shù)的測(cè)定也沒有實(shí)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量,這樣易引發(fā)安全事故，無法為生產(chǎn)操作和管理決策提供準(zhǔn)確的依據(jù)。關(guān)鍵詞 ：儲(chǔ)油罐、液位監(jiān)測(cè)、QT、ARM、嵌入式目錄1 系統(tǒng)概述 1 題目分析 1 選題意義 1 需求分析 1 功能分析 22 方案論證 3 硬件方案1 硬件方案2 兩種硬件方案論證 32. 2 軟件方案 軟件開發(fā)工具論證 方案比較 43 系統(tǒng)設(shè)計(jì)之下位機(jī)部分 6．液面測(cè)量模塊: 6 12 串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊 14 顯示模塊 164 系統(tǒng)設(shè)計(jì)之上位機(jī)部分 18 PC端軟件 18 ARM嵌入式設(shè)備端軟件 215 系統(tǒng)調(diào)試 23 調(diào)試計(jì)劃 23 程序運(yùn)行中的錯(cuò)誤 23 調(diào)試結(jié)果 236 總結(jié)分析 28附錄 311 系統(tǒng)概述 題目分析 選題意義隨著科技的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，由傳統(tǒng)的人工測(cè)量開始逐步向計(jì)算機(jī)智能監(jiān)測(cè)方向發(fā)展。而國(guó)內(nèi)研制的系統(tǒng)大多計(jì)算精度低、穩(wěn)定性和可靠性差。 需求分析在設(shè)計(jì)儲(chǔ)油罐管理系統(tǒng)時(shí)，首先確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和功能要求，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度上進(jìn)行可行性分析，然后進(jìn)行方案選擇和總體設(shè)計(jì)，考慮下位機(jī)硬件電路的結(jié)構(gòu)是否合理，性價(jià)比等問題，探討上位機(jī)的功能框架，采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)，再進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和調(diào)試，最終完成設(shè)計(jì)任務(wù)。系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，性能穩(wěn)定，可以在惡劣環(huán)境長(zhǎng)期連續(xù)工作。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮其應(yīng)用對(duì)象的共性，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性，可以在油庫(kù)推廣應(yīng)用。系統(tǒng)應(yīng)能攜掛不同類型的傳感器，能夠測(cè)量多種參數(shù)。系統(tǒng)的造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理，性能價(jià)格比高。在軟件方面，要求人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)便；在硬件方面，要求維護(hù)檢修方便。儲(chǔ)油罐參數(shù)設(shè)定與修改：儲(chǔ)油罐的安全高度、液位的高低報(bào)警值等設(shè)定和修改。儲(chǔ)油罐實(shí)時(shí)計(jì)量：依據(jù)壓力值，計(jì)算出液位的高度和剩余百分比。2 方案論證 硬件方案1硬件方案1的系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)儀表和儲(chǔ)油罐實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與計(jì)量的管理主機(jī)或服務(wù)器等組。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程大致如下：壓力傳感器從儲(chǔ)油罐終端采集到數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)處理（A/D轉(zhuǎn)換）后顯示到現(xiàn)場(chǎng)端的數(shù)碼管上，同時(shí)通過串口傳輸給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)，連入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)顯示并保存上傳的液位數(shù)據(jù)，并可以通過管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)來進(jìn)行后續(xù)處理。其硬件的組成是：?jiǎn)纹瑱C(jī)，A/D轉(zhuǎn)換部分，液位顯示部分，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理，顯示到數(shù)碼管上，管理人員可以定時(shí)查看各個(gè)儲(chǔ)油罐的信息。再者系統(tǒng)調(diào)試比較困難，無形中延長(zhǎng)了開發(fā)周期，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高。2. 2 軟件方案使用儲(chǔ)油罐計(jì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采集和處理儲(chǔ)油罐中所儲(chǔ)油品的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過軟件顯示并打印油品的儲(chǔ)量、溫度及相關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，使管理人員了解各個(gè)油罐的情況。特點(diǎn)是執(zhí)行效率高。特點(diǎn)是易讀性強(qiáng)，可維護(hù)性高，開發(fā)簡(jiǎn)單，代碼量低。Delphi的優(yōu)點(diǎn)是：不能隱式定義、結(jié)構(gòu)嚴(yán)格、方便快捷、運(yùn)行速度快、使用方便、可讀性高等。方案二： 使用Qt設(shè)計(jì)計(jì)量管理系統(tǒng)。編程語言是C++,是面向?qū)ο蟮恼Z言，功能強(qiáng)大。 Qt 提供了一種稱為 signals/slots 的安全類型來替代 callback，這使得各個(gè)元件之間的協(xié)同工作變得十分簡(jiǎn)單。：Qt是面向?qū)ο笳Z言，易于擴(kuò)展，允許組件編程，對(duì)日后軟件的維護(hù)，功能的擴(kuò)充提供了極大的方便，而且是一款完全開源免費(fèi)的軟件。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)之下位機(jī)部分 液面測(cè)量模塊液面測(cè)量模塊功能是測(cè)量液位的高度，并計(jì)算出液位高度比。其中涉及到的內(nèi)容有I2C總線驅(qū)動(dòng)，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)學(xué)建模等內(nèi)容。(1) 數(shù)學(xué)模型部分利用壓差法計(jì)算儲(chǔ)油罐液面高度，可以消除密度對(duì)計(jì)算的影響。成品油是一種混合物，各種規(guī)格的成品油密度不一致。這樣適應(yīng)性就更廣闊。壓差法的計(jì)算的思路是:壓差比 = 液面高度比 儲(chǔ)油罐數(shù)學(xué)模型兩個(gè)傳感器之間的相對(duì)高度h0是事先設(shè)定且固定的,也就是說底端的壓力值P1減去上端的壓力值P2,就是這段液位的壓差。由液體壓力計(jì)算公式P=ρgH 可知,故液面最頂端的壓力值也是0。 (1) (2)聯(lián)立(1),(2)式,可以消除ρ，: (3)壓力不是基準(zhǔn)量，而是力和面積的導(dǎo)出量，故測(cè)量壓力的方法很多，在本系統(tǒng)中我們要測(cè)量液體的壓力，所以選擇液體式壓力計(jì)。無論是常壓儲(chǔ)油罐還是受壓儲(chǔ)油罐，底部是承壓最大的區(qū)域，監(jiān)測(cè)儲(chǔ)油罐的壓力值時(shí)，就應(yīng)該以底部作為監(jiān)測(cè)部位。需要說的一點(diǎn)，P1 和P2是兩個(gè)模擬壓力量，經(jīng)8位的A/D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字值。在本系統(tǒng)中就采用的是8位的轉(zhuǎn)換器。兩傳感器之間的距離h0我們?cè)O(shè)置1000mm，這個(gè)值的大小可以根據(jù)兩個(gè)傳感器的實(shí)際距離，在程序中手動(dòng)更改。再將當(dāng)前液位高度除以儲(chǔ)油罐滿載時(shí)的高度hmax，就可以得到當(dāng)前儲(chǔ)油量與滿載時(shí)的百分比。但是在下位機(jī)端，單片機(jī)計(jì)算乘除運(yùn)算比較吃力，而且精確度相當(dāng)差。在下位機(jī)端需要建立另一套數(shù)學(xué)模型，將底端壓力乘某個(gè)常量，得到一個(gè)大概的液位高度值，顯示到下位機(jī)的數(shù)碼管上。所以我在設(shè)計(jì)過程中選擇了同樣能實(shí)現(xiàn)兩路模擬量檢測(cè)，且對(duì)硬件資源開銷極小的PCF8591。PCF8591具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行I178。PCF8591的3個(gè)地址引腳A0, A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個(gè)I178。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過雙線雙向I178。PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。C總線的最大速率決定。PCF8591采用典型的I2C總線接口尋址方法，即總線地址由器件地址、引腳地址和方向位共同組成。所以在I2C系統(tǒng)中最多可以接23=8個(gè)A/D器件