【正文】 ,自 動控制理論 [M]．機械工業(yè)出版社． [3]程繼興 ， 劉霞．單片機系統(tǒng)軟件抗干擾措施分析 [J]．電子測量技術(shù) ,:61 [4]胡嗣云 ， 圖形點陣式液晶顯示模塊的控制技術(shù)．國外電子元 器 件 , [5]蘇凱． MCS51單片機系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用 ．沈陽：冶金工業(yè)出版社， 2020． 審查意見 系（教研室）主任簽字： 年 月 日 摘 要 為保護有限的水資源，進行地下水監(jiān)測是必要的。整個采集系統(tǒng)完成對地下水的水位、水溫等參數(shù)的測量，而且在需要時，可適當擴充被測量的地下水參數(shù)。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號被送入微處理器，微處理器采用 AT89C52 單片機，進行報警、顯示、打印等各種數(shù)據(jù)處理。 計算機 控制技術(shù) 課程設(shè)計 4 關(guān)鍵字 :地下水監(jiān)測；多路數(shù)據(jù)采集；單片機；傳感器 目錄 1 引言 5 研究的目的與意義 5 國內(nèi)外地下水監(jiān)測研究的現(xiàn)狀 5 2 總體方案設(shè)計 6 系統(tǒng)總體設(shè)計 6 硬件方案論證 6 3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 9 水位傳感器 9 水溫傳感器 10 溶解氧傳感器 10 測量電路設(shè)計 11 單片機系統(tǒng)設(shè)計 13 電源電路設(shè)計 19 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 20 系統(tǒng)程序設(shè)計概述 20 主程序設(shè)計 21 子程序設(shè)計 22 上位機通信程序 24 5 總結(jié) 25 6 參考文獻 25 7 附錄： 26 計算機 控制技術(shù) 課程設(shè)計 5 1 引言 研究的目的與意義 地下水是水資源的重要組成部分。自 60 年代以來，水利部門開始監(jiān)測地下水水位、水質(zhì)、開采量和水溫等要素。但目前地下水監(jiān)測仍然存在許多問題．整體工作還很薄弱。 為了合理的開發(fā)和利用地下水資源，遏制地下水環(huán)境進一步惡化，防止新的地下水環(huán)境問題出現(xiàn)，在加強勘查研究的基礎(chǔ)上，必須對地下動態(tài)變化 進行監(jiān)測。對地下水動態(tài)實施監(jiān)測，從而可了解地下水在時空上的分布情況和動態(tài)變化規(guī)律，以適時地制定相應(yīng)的對策，達到地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用的目的。加強地下水動態(tài)監(jiān)測，一方面是為制定開發(fā)利用和保護方案提供基礎(chǔ)資料，另一方面，也是檢驗水資源開發(fā)利用是否合理，地質(zhì)環(huán)境保護措施是否得當?shù)闹苯邮侄?，通過長期監(jiān)測資料的分析，找出開發(fā)利用中存在的問題，提出改進方向和進一步的保護措施。 國內(nèi)外地下水監(jiān)測研究的現(xiàn) 狀 目前全國大部分監(jiān)測點仍以傳統(tǒng)的人工測量方法 (電表、鍘鐘、測繩等 )為主，監(jiān)測精度無法控制，監(jiān)測效率較低，監(jiān)測數(shù)據(jù)無法滿足科研和生產(chǎn)實際應(yīng)用的需要。缺乏專門針對與地下水有關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題和地質(zhì)災(zāi)害的地下水監(jiān)測。 國外一些發(fā)達國家在地下水監(jiān)測方面都有幾十年乃至上百年的歷史，其監(jiān)測設(shè)備水平各異。近 計算機 控制技術(shù) 課程設(shè)計 6 年來，水質(zhì)現(xiàn)原位測試技術(shù)在國外一些發(fā)達國家已經(jīng)開始發(fā)展，如美國、日本等國家已相繼研制出水質(zhì)自動監(jiān)測設(shè)備，并開始走進國內(nèi)市場 (以水利系統(tǒng)為主 )．表 l為國外地下水環(huán)境監(jiān)測儀器對比表． 表 國外地下水環(huán)境監(jiān)測儀器對比 2 總體方案設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計 該系統(tǒng)設(shè)計是多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計．能夠?qū)σ欢▍^(qū)域的地下水的多種參數(shù)進行實時監(jiān)測．并通過 RS232 總線，把相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送到主控機房，集中分析。 整個設(shè)計框圖如圖 ，各項參數(shù)通過傳感器和測量電路變成單片機所能接受的模擬電壓。轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后送給單片機。 存 儲傳 感 器 1傳 感 器 2傳 感 器 3測量電路多路模擬開關(guān)A / D轉(zhuǎn)換單片機顯 示打 印報 表通 信 圖 硬件方案論證 單片機系統(tǒng) 的選擇 ，單片機主要完成信號的采樣、數(shù)據(jù)處理、濃度的計算、測量結(jié)果的顯示和打印、與 PC 機串行通信、為 步進電機驅(qū)動器提供步進脈沖等任務(wù)。 計算機 控制技術(shù) 課程設(shè)計 7 方案二 ： AT89C52 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS B 位單片機，片內(nèi)含 8k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器 (EEPROM)和 256bytes的 隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標準 MC$51指令系統(tǒng)及 8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲單元，功能強大的 AT89C52 單片機適合于許多較為復雜控制應(yīng)用場合。 為記錄測量的時間，需要實時時鐘。 DSl302 是美國Dallas 公司生產(chǎn)的高性能低功耗時鐘芯片，包括實對對鐘／日歷和 3l 字節(jié)的靜態(tài) RAM。內(nèi)部有 31個字節(jié)的高速 RAM，可通過外部可充電電池加電長期保存數(shù)據(jù)，并能慢速為電池充電。在主電源關(guān)閉的情況下，能保持時鐘的連續(xù)運行。美國 XiCro 公司生產(chǎn)的X25045 芯片集上述功能于一身，這種組合大大簡化了硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的 空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗。 點陣式 LCD 不僅可以顯示字符、數(shù)字．還可以顯示圖形、曲線及漢字，并能夠?qū)崿F(xiàn)多種動畫顯示效果。本系統(tǒng)選擇 MGLS 一 12864。 T . 在計算機系統(tǒng)中． CPU和外部通信有兩種方式：并行通信和串行通信。串行通信能夠節(jié)省傳輸線，特別是數(shù)據(jù)位數(shù)很多和遠距離數(shù)據(jù)傳送時，這一優(yōu)點更為突出．串行通信的主要缺點是傳送速度比并行通信要慢。在異步通信中，數(shù)據(jù)通常是以字符為單位組成字符幀傳送的。通過傳輸線被接收端一幀一幀地接收。 傳感器的選擇 目前在水位測量儀器中除了應(yīng)用較為廣泛的浮子式編碼水位傳感器以外，力式水位傳感器有價格合理、簡化土建施工、安裝便利等優(yōu)點，所以，本系統(tǒng)選川壓力式水位傳感器來測地 F 水的水位．壓力式水位傳感器選用北京市三強電子廠的ST301I 型液位變送傳感器，它可以朋來測量開口容器及河渠、湖泊，水井中的液位。隨著技術(shù)的發(fā)展，石英晶體溫度傳感器和紅外溫度傳感器也已經(jīng)實現(xiàn)了商品化。由于它是一種電流型元件，信號可以遠距離傳輸且不易受到外界電磁場的干擾，在許多需要對水質(zhì)溫度進行自動檢測控制的場合中被大量采用。主要包括 Winkler 滴定分析法 [81]、 Clark 溶氧電極 [82]、以及熒光猝滅技術(shù) [83]。 Clark 溶氧電極雖然能夠在線檢測溶氧濃度，但由于它的透氣膜易老化，而且它是依靠電極本身在氧的作用下所發(fā)生的氧化還原反應(yīng)測定氧的濃度．測定過程需消耗氧 (且需定期更換電解液 )，所以測量精度和響應(yīng)時間都受到擴散因素 的嚴重約束．故選用采用熒光猝滅原理的光纖溶解氧傳感器 信號調(diào)理電路的選擇 電路主要包括多路模擬開關(guān)、放大器、濾波器。 如 圖 2 低通濾波二級放大A /D轉(zhuǎn)換單片機傳感器前置放大多路模擬開關(guān) 圖 現(xiàn)在市場上可以采購到的各種放大器 (如通用運算放大器、測量放大器 )中?，F(xiàn)在市場銷售的集成測量 放大器有多種型號，其中美國 Analog Device 公司提供的AD623 型測量放大器滿足設(shè)計要求。 A／ D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，使計算機能夠?qū)Χ嗦繁粶y信號處理。本系統(tǒng)采用 MAX IM 公司的集成模擬開關(guān)芯片 MAX308。普通 計算機 控制技術(shù) 課程設(shè)計 9 有源濾波器還因為穩(wěn)定性較差，較難實現(xiàn)窄帶寬的設(shè)計，不易獲得高的 Q值，難滿足系統(tǒng)的要求．與普通的有源濾波囂相比． MAX275 組成的濾波器具有外接元件少．結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整方便和不受運算放大器本身頻率特性影響等優(yōu)點。 信號的第二級放大采用高精度、低溫漂運算放大器 0P07，實現(xiàn)同相電壓放大。 3v～ 418V，設(shè)計中采用 +5V,5V電源。它直接從傳感器接受低電平信號并輸出串行數(shù)字信號。它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、Σ．△調(diào)制器及可編程數(shù)字濾波罌等，能直接將來自傳感器 的不同擺幅范圍內(nèi)的信號放大到接近 A， D 轉(zhuǎn)換器的滿標度電壓附近再進行Ⅳ D 轉(zhuǎn)換，實現(xiàn) 0． 003％非線性的 16 位無誤碼數(shù)據(jù)輸出，其增益和數(shù)據(jù)輸出更新速率均可編程設(shè)定，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準和系統(tǒng)校準方式。 電源電路選擇 本系統(tǒng)采用 12V 鉛酸蓄電池供電，采用 LM2575 開關(guān)穩(wěn)壓集成電路提供 +5V 電壓，由于運放 TLC2274 和濾波器 MAX275 需要雙電源供電，采用 MAX660 生成 5v 電壓 .LM2575 開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是美國國家半導體公司生產(chǎn)的 lA 集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)部集成了一個固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構(gòu)成一種高效的穩(wěn)壓電路，可大大減小散熱片的體積，而在大多數(shù)情況下不需散熱片：內(nèi)部有完善的保護電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等：芯片可提供外部控制引腳。 其他部分的選擇 數(shù)據(jù)采集是由 AD7705 進行兩次 A／ D 轉(zhuǎn)換 來 完成的。探頭與電氣盒之間由專用電纜連接，電纜中間有一導氣管使傳感器的背腔與大氣相通，電纜與探頭和電氣盒之間為密封連接。H—— 測點水深，即測點至水面距離， cm；Y一水體容重；推測得測點水深： H=P|Y。根據(jù)特性分擋， AD590 的后級以 I、 J、 K、 L、 M表示。其電路外形如圖 2 所示．它采用金屬殼 3 腳封裝，其中 l腳為電源正端 V+； 2 腳為電流輸出端工 0； 3 腳為管殼，一 般不用．集成溫度傳感器的電路符號如圖。 在被測溫度一定時。把它和 5,30V 的直流電源相連，并在輸出端串接一個 Ik8的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有 lmV/K 的電壓信號。通過測定 I。光纖溶解氧傳感器由光源、探測器、傳輸光纖、 Y型光纖分路器和傳感頭等組成，如圖 4 所示，光源采用藍色半導體發(fā)光二極管 (LED)，以獲得較高的光子能量去激發(fā)熒光。 計算機 控制技術(shù) 課程設(shè)計 11 圖 溶解氧監(jiān)測簡易圖 測量電路設(shè)計 前置放大器 AD623 是一種帶有精密差動電壓增益的器件， AD623 的基本特性： AD623 是一個集成單電源儀表放大 器。在無外接電阻的條件下． AD623 被設(shè)置為單位增益：外接電阻后。 AD623 通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比 (ACCMRR)而保持最小的誤差。雖然 A D623 在單電源方式進行優(yōu)化設(shè)計．但當它 作于雙電源 (177。 6V)時，仍能提供優(yōu)良的性能。 測量放大器是由三個運算放大器構(gòu)成，并分為二級：第一級是兩個同相放大器Al 和 A2，因此輸人阻抗高；第二級是普通的差動放大 器 ，把雙端輸入變?yōu)閷Φ氐膯味溯敵觥Ｋ?，通過調(diào)節(jié) 外 接 電 阻 軸 Rg 的 大 小 可 以 很 方 便 地 改 變 AD623 的 增 益 ． 圖 前置放大器 AD623 多路模擬開關(guān) MAX308 是 MAX IM 公司生產(chǎn)的 8 路 集成模擬開關(guān)芯片，可單電源和雙電源供電，在單電源形式下，電壓范圍是 . 圖為 AT89C52 對 MAX308 的控制連接， 計算機 控制技術(shù) 課程設(shè)計 12 P2． 5口決定 MAX308 是否被選中， P0． 0、 P0． P0． 2 決定選擇哪一路輸入端 ,分別與 EN,A0,A1,A2 連接，網(wǎng)絡(luò)標號為 LEN,LA0,LA1,LA2。每 2 個運算放大器構(gòu)成一個二階點．每個二階點 的中心頻率 Fo、轉(zhuǎn)折頻率、品質(zhì)因數(shù) Q、帶寬增益 H∞ P 都由 4個外部電阻確定。通過外接電阻的不同組合形式可以實現(xiàn)巴特沃思，切比雪夫，貝塞爾型的低通、帶通濾波器。 MAX275 還可根據(jù)設(shè)計者的要求實現(xiàn)高至 100 的品質(zhì)因數(shù) Q． 圖 濾波電路 二級放大 OP07 主要特征參數(shù) 計算機 控制技術(shù) 課程設(shè)計 13 設(shè)計中 0P07 實現(xiàn)同相放大，采 用 精密電阻實現(xiàn)。電阻首先保證精確．再標準信號測量校正．考慮 AD623 前置放大與濾波器，應(yīng)保證 AD的輸入電壓為 O～ 5v。系統(tǒng)采用 X25045 芯片實現(xiàn)看門狗、電壓監(jiān)視、存儲電路。配合三個功能按鍵，實現(xiàn)多級菜單。與 MCS51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 3 個 1