【正文】 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(xiàn)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。圖11 系統(tǒng)框圖CPU通過(guò)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。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(méi)有I2C接口，可通過(guò)通用I/O口經(jīng)軟件模擬輸出I2C協(xié)議。所以本傳感器采用數(shù)碼管顯示方式。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。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(méi)有I2C接口，因此這里需要通過(guò)軟件（即程序）對(duì)I2C協(xié)議進(jìn)行模擬，然后通過(guò)通用I/O輸出，才能正常建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)關(guān)系。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。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。工作電壓3 V 或5 V。 通過(guò)查詢(xún)相關(guān)資料該芯片完全滿(mǎn)足本液位傳感器的量程、精度及響應(yīng)速度的要求，具體參數(shù)將會(huì)在第二章硬件設(shè)計(jì)中著重介紹。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(chēng)重的原理。保證傳感器對(duì)于任何液體都能夠進(jìn)行測(cè)量，沒(méi)有任何限制。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。頻率輸出模塊考慮到本傳感器與其他類(lèi)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＞。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(xiàn)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(jiàn)的其他設(shè)備無(wú)縫連接，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。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)。聲光報(bào)警模塊 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。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。 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(chēng)重傳感器供電。 第2章 硬件介紹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。 當(dāng)液位傳感器安裝完成后，通過(guò)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(xiàn)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。另外還具有頻率信號(hào)查詢(xún)功能，即通過(guò)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。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。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。本設(shè)計(jì)中采樣器件選用稱(chēng)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。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。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。工作電壓3 V 或5 V。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?？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?？紤]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。RS485總線(xiàn)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。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(xiàn)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?？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。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)。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。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，在起動(dòng)和停止的過(guò)程中會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊，因此輸出的12V電壓就會(huì)有很大的波動(dòng)，造成單片機(jī)系統(tǒng)無(wú)法正常工作；或者電網(wǎng)中使用到變頻器，這樣在電動(dòng)機(jī)的起停過(guò)程中也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的干擾信號(hào)，導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。由于RS485芯片直接與外部總線(xiàn)連接，所以考慮到外界的干擾或其他異?，F(xiàn)象（如雷擊）的發(fā)生，這里RS485通訊芯片有單獨(dú)電源供電，即使總線(xiàn)保護(hù)電路沒(méi)有起到作用，發(fā)生上述情況也也不至于損壞單片機(jī)系統(tǒng)以及其他電路。 CPU參數(shù)介紹本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)為ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)，經(jīng)綜合考慮分析設(shè)計(jì)需求及性?xún)r(jià)比，該單片機(jī)資源及運(yùn)行速度均符合設(shè)計(jì)要求，具體參數(shù)如下：●兼容MCS51系列產(chǎn)品；●8k字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器支持在系統(tǒng)編程，可承受1000次擦寫(xiě)周期；●256字節(jié)片內(nèi)RAM。該單片機(jī)具有充足的硬件資源，而且操作簡(jiǎn)單，便于開(kāi)發(fā)，具有較低的成本。因此本設(shè)計(jì)中選擇該單片機(jī)作為液位傳感器的CPU。EA 信號(hào)也需要介紹一下，當(dāng)EA接高電平（5V）時(shí)選擇內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)，當(dāng)EA接低電平（0V）時(shí)選擇外部存儲(chǔ)區(qū)域。AT89S52單片機(jī)復(fù)位電路規(guī)定，當(dāng)晶振在運(yùn)行中只要復(fù)位引腳出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平，即可復(fù)位。圖21 復(fù)位電路AT89S52芯片內(nèi)部有一個(gè)用反向放大器構(gòu)成的振蕩器，反向放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2把ATAL1和XTAL2與外部的石英晶體及兩個(gè)電容連接起來(lái)可構(gòu)成一個(gè)石英晶體振蕩器，兩個(gè)電容的一端分別連接在晶體振蕩器的兩只腳上，另一端接地。該電容的取值范圍是：5~30pF，該單片機(jī)晶體振蕩器的取值范圍為：2~33MHZ。圖22 振蕩電路電路圖圖23 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 顯示電路參數(shù)介紹本設(shè)計(jì)中顯示電路所使用的顯示元件是數(shù)碼管，采用譯碼器和三極管配合的方式來(lái)提供數(shù)碼管所需要的位選控制信號(hào)，控制每一位數(shù)碼管顯示不同的數(shù)字。工作原理：當(dāng)S1為0時(shí)，不論/S2和/S3以及（A0、AA2）為什么狀態(tài)，輸出端均為1，當(dāng)/S2和/S3為1時(shí)，不論S1以及（A0、AA2）為什么狀態(tài)，輸出端均為1。若將選通端中的一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端時(shí)，74LS138還可作數(shù)據(jù)分配器。設(shè)計(jì)中三極管的型號(hào)必須為PNP型，這里選擇9012三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。由于驅(qū)動(dòng)三極管采用PNP型，所以這里數(shù)碼管只能選擇共陽(yáng)型。硬件介紹～，為保證74LS138正常工作因此這里使能控制端SA接VCC，SB和SC接地。如下圖24所示。圖25 數(shù)碼管內(nèi)部電路模擬原理圖圖26 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路參數(shù)介紹本設(shè)計(jì)中需要存儲(chǔ)一些設(shè)置參數(shù)，并且需要在斷電后重新上電數(shù)據(jù)仍然存在。在本次設(shè)計(jì)中所選取的存儲(chǔ)芯片為：AT24C08。主要技術(shù)參數(shù)如下： ●工作電壓：～； ●最大輸出電流：5mA； ●輸入/輸出引腳兼容5V； ●應(yīng)用在內(nèi)部結(jié)構(gòu)：8kB； ●通訊接口：二線(xiàn)串行接口； ●輸入引腳經(jīng)施密特觸發(fā)器濾波抑制噪聲； ●通訊方式：雙向數(shù)據(jù)傳輸； ●兼容性：兼容400KHz（, ）； ●支持硬件寫(xiě)保護(hù)；●高可靠性：讀寫(xiě)次數(shù)：1,000,000 次– 數(shù)據(jù)保存：100年●工作溫度：55℃～+125℃；硬件介紹表22 AT24C08引腳說(shuō)明引腳序號(hào)引腳名稱(chēng)引腳功能1A0器件地址輸入端2A13A24GND電源地5SDA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端6SCL串行時(shí)鐘輸入7VP寫(xiě)保護(hù)使能端8VCC電源芯片是一款I(lǐng)IC接口的EEPROM，引腳功能如上表22所示。由于時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)（SCL）和數(shù)據(jù)信號(hào)線(xiàn)（SDA）是漏極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，因此需要對(duì)該兩個(gè)信號(hào)做上拉處理，這里選擇上拉電阻值為10kΩ。本設(shè)計(jì)中僅需要一片存儲(chǔ)芯片即可，因此這里選擇存儲(chǔ)器的地址為0，即此時(shí)A0～A2引腳全部接地。圖27 硬件連接原理圖圖28 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路 數(shù)據(jù)采集電路參數(shù)介紹本設(shè)計(jì)中使用的液位采集器件為稱(chēng)重傳感器，型號(hào)為CXH120，該傳感器為半導(dǎo)體荷重傳感器適應(yīng)于各種小量程范圍內(nèi)靜、動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量，應(yīng)用于皮帶稱(chēng)、調(diào)速稱(chēng)等過(guò)程控制。%FS/10℃；●靈敏度溫飄：%F12）Ω；●輸出阻抗：（120177。硬件介紹采樣原理根據(jù)連通器的原理，將被測(cè)容器內(nèi)的液體通過(guò)引流管引流至液位管內(nèi)，液位管用于盛放液體，液位管安裝在稱(chēng)重傳感器的上面，稱(chēng)量液體的重量，被測(cè)容器內(nèi)的液位越高流入液位管的液位也就越高，重量也就越大，稱(chēng)重傳感器所產(chǎn)生的電壓也就越高，單片機(jī)通過(guò)采樣該電壓的變化量來(lái)確定液位的高度如圖29安裝示意圖所示。H知，若要求體積首席需要計(jì)算出圓柱形液位管內(nèi)管的底面積； 由：S=πH； V=πH；由：m=ρπH；可以計(jì)算出不同高度對(duì)應(yīng)的液體質(zhì)量。該傳感器內(nèi)部主要電路為電橋，當(dāng)有一定壓力作用在傳感器檢測(cè)頭上面時(shí)就會(huì)引起電阻的變化，從而使輸出信號(hào)發(fā)生變化，壓力不同輸出的電壓大小也不同，該信號(hào)呈線(xiàn)性變化，電路如下圖210所示。這里就需要用到A/D轉(zhuǎn)換芯片。AD7705芯片是帶有自校正功能的ΣΔ于A/D轉(zhuǎn)換器。其中串行接口包括寄存器組，它由通訊寄存器、設(shè)置寄存器、時(shí)鐘寄存器、數(shù)據(jù)輸出寄存器、零點(diǎn)校正寄存器和滿(mǎn)程校正寄存器等組成。20Hz到500Hz；它能夠通過(guò)指令設(shè)定對(duì)零點(diǎn)和滿(mǎn)程進(jìn)行校正；AD7705與微處理器的數(shù)據(jù)傳送通過(guò)串行方式進(jìn)行，采用了節(jié)省端口線(xiàn)的通訊方式，最少只占用單片機(jī)的兩條端口線(xiàn)。AD7705是雙通道全差分模擬輸入，而AD7706是3通道偽差分模擬輸入，二者都帶有一個(gè)差分基準(zhǔn)輸入。還可處理177。對(duì)于AD7705是以AIN()輸入端為參考點(diǎn)，當(dāng)電源電壓為3V、可處理0～+10mV到0～+，它的雙極性輸入信號(hào)范圍是177。因此，AD7705可以實(shí)現(xiàn)2通道系統(tǒng)所有信號(hào)的調(diào)理和轉(zhuǎn)換。該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。AD7705采用16腳塑料雙列直插（DIP）和16腳寬體（）SOIC封裝和16腳TSSOP封裝。硬件介紹本設(shè)計(jì)中使用的AD7705封裝形式為T(mén)SSOP，為得到更高的采樣數(shù)據(jù)的精確度，這里采用兩線(xiàn)制差分信號(hào)輸入方式，使用AIN1（+）和AIN()作為傳感器模擬信號(hào)輸入端，各管腳的具體功能如下表23所示。本設(shè)計(jì)中使用的運(yùn)算放大器型號(hào)為L(zhǎng)M358，它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合?！駟挝辉鲆骖l帶寬(約1MHz)，●電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?3—30V)；雙電源(177。15V)，●低功耗電流，適合于電池供電，●低輸入偏流，●低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，●共模輸入電壓范圍寬，包括接地，●差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍，V，本設(shè)計(jì)中所需的信號(hào)為同向信號(hào)，所以該放大器所組成的電壓跟隨器也必須是同向電壓跟隨器，LM358運(yùn)算放大器本身具有兩路完全相同的運(yùn)放組成，實(shí)際設(shè)計(jì)中僅用到一路。LM358連接電路如下圖212所示。TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開(kāi)關(guān)電源等等。％ ，典型值25℃（TL431B）；●低動(dòng)態(tài)輸出阻抗，；● to 100mA；●等效全范圍溫度系數(shù)50 ppm/℃典型；●溫度補(bǔ)償操作全額定工作溫度范圍；●低輸出噪聲電壓。發(fā)送端采用單片機(jī)將待發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)。為了減少干擾，采用的是價(jià)格便宜性能可靠的一體化紅外接收頭(HS0038，接收紅外信號(hào)，它同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、整形得到T