单片机—水文站的水位自动监测系统设计论文.docx

本文是为了实现对大坝水位进行多点水位采集，然后通过远距离传输，并且有数据显示和越限报警功能，单片机作为下位机，负责大坝现场各水位点的选通和采集，作为上位机的PC机，则负责大坝水位的集中显示和管理记录，而PC机与单片机之间的通讯方式主要采用RS-485总线技术。本文阐述了通过超声波液位传感器等对大坝水位进行自动监测系统，主要由硬件部分和软件部分组成。
硬件部分主要是传感器主要是超声波传感器，数据采集部分采用多路开关方式进行，利用超声波传感器进行模拟数据采集，为了满足生产中多通道的要求，设计了8个模拟数据采集通道。传感器将非电量信号变为电信号，经放大器放大后送入8位串行模数转换器TLC0838，数据处理部分采用AT89S52单片机为核心控制器件，当AT89S52单片机接到控制软件发出的通道采集指令，采集的信号通过串行接口送入单片机，由显示芯片HD7279八驱动LED数码管进行现场显示，再通过RS-485通信总线上传至上位机，由上位机进行显示。
软件部分主要采用汇编语言编程进行了数据采集处理、数据显示、报警等程序的设计。针对电磁干扰对系统的干扰，本文提出了去藕电容的配置等三点抗干扰措施，以增加系统的稳定性。
关键词：超声波传感器；AT89S52单片机；数据采集通信；上位机
Design of Automatic Monitoring System of the Water Level in Hydrological Station
Abstract
The paper mainly describes the method of the ultrasonic liquid level through the dam of water level sensors for automatic monitoring system, which is consist of the hardware part and software part. In this paper, uses the host who and the monolithic integrated circuit is composed by PC machine from the type many machine networking system, the monolithic integrated circuit took the lower position machine, is responsible for the dam scene various gauging stations the selection and gathering, in the achievement position machine PC machine, then is responsible for the dam water level the centralism demonstrate and manage the record, but PC machine and between the monolithic integrated circuit communication way mainly use the RS-485 main line technology.
Here uses the sensor mainly is the ultrasonic sensor, the data-acquisition works in frame of multi-channel switch. Carries on analog data gathering using the ultrasonic sensor, It designs eight analog-data acquisition system .The sensor changes the non-electronic signals into electronic signals and sends them to eight TLC0838 tandem modu1us transfers after being amplified. Data-acquisition takes AT89S52 single chip microcomputer as the key controller element, when the AT89S52 receives the channel acquisition order from the controlling software, the collected signals will be sent to the single chip microcomputer through tandem interface, and will be shown alive as the showing chips HD7279A drives the LED, and sent to the PC through RS-485 the main communication wire, also it will be shown.
It designs much program like data-acquisition treatment, data-display and data-communication Etc, using complied languages. As to the interference from the electromagnetism to the system, the thesis proposes three measures to resist the interference like capacitance dispose, to steady the system.
Key word: Ultrasonic sensor; Single Chip Microcomputer of AT89S52; Data-acquisition and communication System; PC

目 录
第一章 绪论 1
1.1国内外的发展概况 1
1.2目的和意义 1
1.3主要内容 2
第二章 数据采集的硬件设计 3
2.1单片机数据采集系统 3
2.1.1基本组成 3
2.1.2采集方式 3
2.1.3硬件组成 4
第三章 硬件电路设计 5
3.1水位传感器的选择 5
3.1.1浮子式水位传感器 5
3.1.2压力式水位传感器 5
3.1.3气泡式水位传感器 6
3.1.4超声波水位传感器 6
3.2传感器检测电路 8
3.2.1超声波发射电路 9
3.2.2超声波接收电路 10
3.3 A/D转换电路设计 10
3.3.1 A/D转换器工作过程 10
3.3.2 A/D转换单元电路设计 11
3.4单片机最小系统 13
3.5 LED显示电路 14
3.6 报警电路 16
3.7串行通信电路设计 16
3.7.1 RS-485通信总线 17
3.7.2串行通信电路设计 18
3.8 电源电路设计 19
第四章 软件设计 20
4.1数据处理程序设计 20
4.2数据采集处理 21
4.3数据显示 22
4.4报警程序设计 22
4.5数据通信 23
第五章 系统的抗干扰及可靠性设计 24
5.1电磁干扰对系统的干扰 24
5.2系统抗干扰设计 24
第六章 总结 26
谢辞 27
参考文献 28
附录A 外文翻译－原文部分： 29
附录B 外文翻译－译文部分 35
附录C总体接线图 40
附录D 主要源程序 41
1.A/D转换子程序 41
2.动态扫描显示子程序 41
3.控制报警电路连续鸣音30ms的控制子程序的清单 42

第一章 绪论
1.1目的和意义
水情水位测量一直是水文、水利部门的重要课题。为及时发现事故苗头，防患于未来，经济实用、可靠的水位无线监测系统将会发挥巨大的作用水位是水库大坝安全、水利排灌调度、蓄水、泄洪的重要参数之一。水位的自动化监测、传输和处理为水库现代化建设提供了良好的基础资料。在工农业生产的许多领域都需要对水位进行监控，可能现场无法靠近或现场无需人力来监控。我们就可以通过远程监控，坐在仪器前就能对现场进行监控，既方便又节省人力。为了保证水利发电站的安全生产,提高发电效率,水电站生产过程需要对水库水位、拦污栅压差和尾水位进行监测。但是,由于不同电站有着不同的实际情况,因此就有着不同的技术要求,而且水位参数的测量方法和测量位置不同，对监测设备的要求亦有所不同。这样往往造成监测系统设备专用化程度高,品种多,互换性差,不利于设备维护,亦增加了设备设计、生产、安装的复杂性。因此,在综合研究水电站水位监测的实际情况以及特点的基础上,利用现代电子技术,特别是单片机技术和不挥发存储器技术,设计开发一种通用性好,可靠性高,维护方便,可适用于多种监测环境的多模式水位自动监测系统具有重要的实际意义。
1.2国内外的发展概况
传感器是实现测量及控制的首要环节，一般传感器有模拟式和数字式两类，模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相连的时候必须采用A/D转换器把模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传输。数字式传感器直接将待测量转换为数字量输出，其输出信号抗干扰能力强，功耗小，可与数字设备直接连接。数字式传感器的这些特点，特别适合应用于水情遥测系统中。但限于成本控制本设计依然采用模拟传感器。
水位监测系统在我国的应用已相当普及。大型国家水坝常采用由PC机和单片机组成的主从式的多机联网系统，单片机作为下位机，负责大坝现场各水位点的选通和采集，作为上位机的PC机，则负责大坝水位的集中显示和管理记录，PC机作为通用机，在用于专项的应用上时，难免会在很多方面存在问题，比如体积大，功耗大，运行不稳定、很难做到不间断运行等。而PC机与单片机之间的通讯方式主要采用RS485总线技术和现场总线技术两种。RS-485是使用较为广泛的双向有补偿传输线标准，其最大每段总线长度为1200米，每段最多支持32个节点，采用单组双绞线双向主从通信。当总线加长或节点增多时需要使用中继器连接，全网络支持最多256个节点。RS-485通信技术应用时间较长，软硬件实现较为容易，因此是国内粮情测控系统采用较多的通信方式。
而本文多路水位监测系统特点：
1) 能够灵活适应测量库水位、拦污栅压差、尾水位等变化缓慢或剧烈的水位的需要。
2) 系统工作体制采用轮询方式，实时性好。
3) 采用无线/有线双通道传输方式，提高了传输的可靠性。
4) 水位采集站工作模式可灵活编程设定，以适应不同的监测环境。
5) 监测分中心提供微波接口和RS-485接口，为上级监控中心提供监测数据。

1.3主要内容
本次所设计的水位自动监测系统主要包括以下几个内容：
具有自动检测水位等功能，可根据需要进行定时检测、选点检测和巡回检测；根据水位实测值与人工设定的超限制或相关数据模型进行对比分析，若实测值超过设定的范围，则语音报警。水位自动监测系统采用液体压力探头采集水位原始资料，在单片机上进行模数转化资料处理，通过专线把资料传输到工作站；同时也可以在远程工作站通过电话拨号调用资料；在工作站的计算机上进行资料加工、存取、分析等处理。远离水库的指挥中心通过该系统可获得当前时刻的水位、水库库容、淹没面积、当天最高水位、最低水位、日水位升降、平均水位等一系列数据，为水库的防洪、水库水资源调度、蓄水灌溉提供科学的数据。该系统由数据采集、数据传输、数据分析、数据显示和水位预警等部分组成。

第二章 数据采集的硬件设计
2.1单片机数据采集系统
本文的设计是基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件。单片机具有体积小、功耗小、成本低、可靠性高、灵活方便、价格廉以及控制功能强等特点而得到广泛的应用。利用单片机的硬件、软件资源，实现信号采集的智能化控制和管理。
2.1.1基本组成
基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心控制器件；结合外围电路所构成。基本组成如图2.1所示。
输入通道
单片机
输出通道

图2.1 数据采集系统的组成
采集系统硬件主要包括传感器、转换器、单片机、输入输出接口电路等。由单片机做为控制单元的数据采集系统的工作过程可分为以下几个步骤：数据采集是将被测量的信号转换为能够被单片机所识别的信号并输入给单片机；数据处理是由单片机执行以测试为的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的决策与判断。
2.1.2采集方式
一个具体的采集系统的构成，根据所测信号的特性而定。力求做到既能满足系统的性能要求又能在性能价格比上达到最优。根据这个要求，这种方式轮流循环采样的转换速度较慢，但是节省硬件。结构框图如图2.2所示。
传感器
（S）
传感器
（S）
传感器
（S）
模 拟 多 路 开 关
采样\保持
（S\H）
A\D
I\O
主 机

图2.2 多路开关方框图
数据处理部分采用AT89S52做为核心控制器件。模数转换器采用8位串行模数转换器TLC0838，该芯片占用单片机的引脚资源少，仅占有单片机5个引脚即可完成8个通道的数据采集，简化了电路设计，降低了成本。
2.1.3硬件组成
硬件部分分为数据采集和数据处理两部分。整体硬件框图如图2.3所示。
超声波
传感器
电路

多 通 道

A\D
报警电路
LED显示
单 片 机
上 机 位
通信芯片

图2.3 整体硬件框图
数据采集部分采用多路开关方式进行，设计有8个模拟数据采集通道，满足了生产中多通道的要求。可以对常见的模拟信号量，如水位、压力、流量、速度、频率等进行采集。每一种信号量都可以使用不同的传感器。扩大了数据采集系统的应用范围，具有较强的通用性。
它常用于采集多路变化缓慢的信号，如水位变化、应变信号等。用这种方式采集多通道信号时，不能同时采集同一时刻的各种参数。
本文所设计的硬件框图，主要是超声波传感器采集电路，采集到水位数据后经过信号放大和采样保持后再由TLC0838进行A/D转换，然后输入到AT89S52单片机中，其中AT89S52单片机是整个系统的核心，单片机通过处理后再进行LED显示和越限报警，并将数据传送至上位机进行人工操作。

第三章 硬件电路设计
3.1水位传感器的选择
传感器是实现测量及控制的首要环节，一般传感器有模拟式和数字式两类，模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相连的时候必须采用A/D转换器把模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传输。数字式传感器直接将待测量转换为数字量输出，其输出信号抗干扰能力强，功耗小，可与数字设备直接连接。数字式传感器的这些特点，特别适合应用于水情遥测系统中。但限于成本控制本设计依然采用模拟传感器。
目前主要测水位的液位传感器有浮子式水位传感器、水位跟踪式传感器、超声波水位传感器、雷达激光水位传感器,压力式水位传感器等。下面是一些主要水位传感器的简单介绍。
3.1.1浮子式水位传感器
其主要产品有上海精浦机电有限公司的GEMPLE GPH500，正天科技的FYC-3型浮子式水位传感器等。
1)工作原理：它利用液体浮力测液位的原理，靠浮子随水面升降的位移反映水位变化。漂浮通过绳索经滑轮与编码器相连，编码器的数字输出即为水位高度。为防止错码的出现，其编码器的编码为格雷码。机械浮子式和光电浮子式都是来用机械齿轮减速产生进位和退位的办法来形成编码。其工作示意图如图3.1所示。
2）特点：稳定，可靠，优点：成熟、运用最广泛，价格相对较低。
3）缺点：机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散。
3.1.2压力式水位传感器
2）优点：测量精度高，价格相对低廉，安装简便，不需要建造水位井。
3）缺点：对泥沙含量大的水流，测量精度会受到影响，工作不稳定，压阻式有时飘、温飘，要定时率定。
3.1.3气泡式水位传感器
原理：将一根上端装有压力传感器和气源的管子插入水中，以恒定流向管子里通入少量空气或惰性气体，压力传感器即可测出管内气体压力，此值与管子末端以上水头成正比，通过记录系统转换成水位。
优点：该仪器的压力传感器不直接与水体接触，可不建测井，特别适用水体污染严重和腐蚀性强的工业废水等场合。国外 应用气泡式水位计较普遍。
缺点：在一些水位变幅较大较快而且含沙量较大的山区河流误差偏大，针对这种情况，我生产厂家要采取必要的措施，如加装防浪头。
3.1.4超声波水位传感器
超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器，是在SCA6-1型声学水位计基础上的改进设计。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485数据输出。应用于沿海水文台站的常规长短期潮位观测，江河湖泊的水位连续自动测量，以及港工水文调查、港口调度、船舶航行等部门的水位测量。目前智能水位传感器由声学传感器、温度传感器、声管、测量电路、信号传输电缆组成。其水位测量原理如图3.2所示。
1.水位采集系统 （3-1在设计上采用自校准技术对声速进行补偿，即在连接声学探头的第一节声管（称此声管为校准管）的已知距离L0处开有一校准用小圆孔。声学探头发射的声脉冲首先遇小孔这一界面产生反射回波，这一回波传播的声程2L0为已知，传播时间T0可测出，传播声速若为C0则有：
发射声脉冲后，测得T0、t即可测算出声程L。
由图2知，探头安装基准面至水位零点高度为S（S可以当地水准点或水尺为参考，安装时测量确定）则水位值H为：
式中：H为水位值
S为探头发射面至水位零点距离
L为探头发射面至水面间距离
（2）水位采集系统的组成
水位测量是应用空气声学回声测距原理，将声学探头安装在自流道进口和出口处，通过电缆将信号传至水位采集系统，采集并输出进口和出口处的水位值。
水位采集系统由声学探头，声路总成、外保护管总成、水位采集主机系统、显示及电源组成、水位采集系统通过RS-485接口与流量数据处理系统相连。
在智能声学水位传感器工作中，用户可以根据实际需要选择安装不同个数的温度传感器。为了便于互换和维护，每个DS1820有独自的单线接口与微处理器连接通讯。智能声学水位传感器可以挂接1～8个温度传感器。当传感器测量至水面距离时，如果是声程范围内温度均匀或对精度要求较低时，可以不使用温度传感器，通过自校准技术直接测量水位，因为校准管距离L0为已知，测得T0、t之后，根据公式（3）即可算出声程L，再由公式（4）得出水位。如果声程范围内温度不均匀，就会产生测量误差，上述方法将不能满足精度要求。所以，为了提高水位测量的准确度，采集水位（声程）的同时，还要采集声程数点的温度值，在数据处理时可以对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。具体计算步骤如下：
声程内平均温度：
式中：T为温度（℃）。温度变化1℃，将影响声速变化约0.18％，如果声管中传播声速由发射面至水面间变化较大。为了在不均匀的声场进行准确测量，采集水位的同时，还要采集声程数点的温度值，修正声速，对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。声学测量中，温度的影响是产生测量偏差的主要原因。在水位测量的实际应用过程中，声程不同位置测得的温度数据为非均匀变化，最大差值会达到6℃以上。经过温度修正，减小了声场温度影响产生的测量误差。尤其是在声程远端，未修正误差较大，修正后误差明显减小。声场受温度影响产生的测量误差，可以通过加入测温传感器，测量声路不同位置的温度，在软件上对测量值进行修正，减小测量误差。实际应用表明，效果很好。
浮子式水位传感器的缺点是机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散；压力式水位传感器工作不稳定，压阻式有时飘、温飘，要定时率定；超声波水位传感器的优势：在测量过程中没有任何部件接触水面，实现了非接触测量。不需建设观测井，基建投资少，见效快。运动部件，不因部件磨损锈蚀而产生故障，提高了无故障工作时间。周边环境无特殊要求，具有很高的兼容性，可多种组合，功能齐全，能够满足各种用户要求。实时全变量温度补偿，精度高，运用有线或无线传输水位信息，时效性强，降低劳动强度，提高了现代化水平。软件功能齐全，更适于水位站使用，提高经济效益。故本文选用的是超声波传感器。
3.2传感器检测电路
本文设计的超声波传感检测电路是利用40kHz的超声波发生器，实现40kHz的振荡是很容易的，并且方法有多种，取液位计与水面的距离为适当的高度，可令超声波发出去后能有效地返回，让接收器收到信号，送到微处理器，经微处理器处理所得的数据，即可算出水位高度。超声波在空气中一般可以实现有效传播，只要外部的环境不是特别的恶劣，所受的干扰并不是很大，测量结果不会有太大的误差。整个系统的核心是AT89S52。所选用是超声波传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这可很容易地用软件编程使AT89S52的P1口中的第0位产生40KHz方波的方法来实现。并在第一个脉冲产生时开始启动计时。40kHZ的脉冲方波信号经放大后即可驱动超声波传感器工作，使其向水面垂直发出40kHz的超声波。
所选的超声波传感器是双用型传感器，即发送和接收集成于一体。当超声波遇到水面时发生反射，反射波回到超声波传感器，超声波接收器将超声波调制脉冲变为交变电压信号，再将所得的交变电压信号放大，输人到音调译码器中，音调译码器的输出由高电平跃变为低电平，作为中断信号输人到AT89S52单片机的INT1管脚。INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，取得超声波往返的时间差。通过计算式s=340t/2算出液位计离水面的距离，从而计算出水位的高度。这些都可以通过对51单片机编程实现。计算出水位高度以后，单片机将所算出的结果通过P0口输出到七段LED数码管显示出来。
超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器，是在SCA6-1型声学水位计基础上的改进设计。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485数据输出。应用于沿海水文台站的常规长短期潮位观测，江河湖泊的水位连续自动测量，以及港工水文调查、港口调度、船舶航行等部门的水位测量。目前智能水位传感器由声学传感器、温度传感器、声管、测量电路、信号传输电缆组成。
3.2.1超声波发射电路
超声波发射电路如图3.3所示为超声波的发射电路图。

图3.3 超声波发射电路
由图可见，超声波的发射电路比较简单，主要是由一个超声波探头、一个NPN型晶体管、一个稳压二极管和一个升压变压器组成。传感器探头需要40kHz的脉冲信号才能触发，图中输人端口是从单片机的P3.5输出的40kHz方波。方波电压信号经二极管稳压后送到三极管放大，再经Tl升压变压器升压，驱动超声波传感器探头发出40KHz的超声波。
3.2.2超声波接收电路
在这里超声波的发送与接收用的是同一个探头。如图3.4所示为接收用电路。

图3.4 超声波接收电路
超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与传播距离成正比，因此，超声波传感器接收信号一般在lmV-1V之间。这么微弱的电信号，一般都要经过放大才能使用。除此之外，接收探头接收到信号后，向电路中输出的是交变的正弦波电压信号，这就需要设计交流放大电路。这里选用两个运算放大器组成两级放大电路，放大倍数可达100倍。经这经这样处理后，最后接收电路所输出的是正常的电压信号。
3.3 A/D转换电路设计
由于超声波传感器采集的信号是模拟信号，而单片机所接受的信号为数字信号，故需要将模拟信号转换成数字信号，因此本文设计了一个A/D转换电路，下面是A/D转换电路的设计。
3.3.1 A/D转换器工作过程
A/D转换器实际上是将模拟信号转换成数字量的装置，其转换过程主要包括采样、量化、编码三个步骤。
(1) 采样、保持部分
采样就是周期性地测量一种连续信号或连续过程信号，测量的周期称为采样周期Ts，采样周期的倒数称为采样频率
(3-8)
在对模拟信号进行模数转换时，户以D转换器从启动变换到转换完成需要一定的转换。当输入信号频率较高时，由于转换时间的存在，会造成较大的转换误差。为了防止这种现象的产生，必须在A/D 转换开始时将信号电平保持住，而在户以D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即将输入信号采样保持，能实现这种功能的器件叫做采样/保持器。采样保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器。A/D转换器输出数字量的大小只能是某个规定的最小单位的整数倍，即必须把采样电压转化为这个最小数值单位的整数倍。这个转化过程叫做量化，所取的最小数量单位叫做量化单位，其大小等于输出的数字信号最低有效位1所代表的数量大小。把量化的结果用代码表示出来称为编码。采样保持电路能将采样后的模拟信号暂时存储起来，保持一个采样周期。
当输入信号变化较快时，就不能输入到TLC0838中，这就要求输出信号能快速而准确的跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。图3.5是采样保持电路。

图3.5 采样保持电路
图中S是一个模拟开关，由场效应管构成。当控制信号为高电平时，开关闭合，电路处于采样周期。这时Ui对存储电容元件C充电，U0=UC=Ui，即输出电压跟随输入电压的变化。当控制电压变为低电平时，开关断开，电路处于保持周期。因为电容元件无放电电路，故U0=UC。
这样就实现了采样保持,就能够与TLC0838相连。
(2)量化编码部分
量化编码部分是留D转换器的核心组成部分。所谓量化，就是采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。执行量化动作的装置为A/D 转换器。
在实际应用中，因串行A/D转换芯片具有占用单片机的引脚资源少，可以简化单片机系统，降低成本的优点，所以串行工作方式的A/D转换器在单片机系统中有着广泛的应用。信号采集单元选用串行多路模数转换器TLC0838实现。TLC0838是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
3.3.2 A/D转换单元电路设计
在实际应用中，因串行A/D转换芯片具有占用单片机的引脚资源少，可以简化单片机系统，降低成本的优点，所以串行工作方式的A/D转换器在单片机系统中有着广泛的应用。信号采集单元选用串行多路模数转换器TLC0838来实现。
TLC0838为美国德州仪器公司推出的八通道8位逐次逼近模数转换器。它具有与单片机接口连接简单，占用线路板体积较小，性价比较高的优点。
其采用取样—数据—比较器的结构，使用逐次逼近流程转换输入信号。要转换的模拟通道的输入电压连到一个输入端与地比较(单端输入)或与另一个输入比较(差分输入)。通过同单片机相连的串行数据电路传送控制命令，用软件进行通道选择和输入端配置。输入配置在多路器寻址时序中进行。串行输出可配置为标准移位寄存器或微处理器接口。以SPI总线与单片机接口。输入和输出均与TTL和CMOS兼容，总失调整误差±1LSB。A/D 转 换 单元电路见图3.6所示。TLC0838以SIP总线与单片机接口。片选信号CS接P1.0引脚，因为数据输入端D1和输出端D0在同一时间有一个为高阻，所以连在一起，接P1.1引脚，串行数据时钟信号输入端CLK接P1.2引脚。状态转换输出引脚SARS连接PI.3，数据输出方式选择引脚SE连接P1.4。

图3.6TLC0838接口电路
TLC0838工作过程如下：输入配置在多路器寻址时序中进行。置CS为低，使所有逻辑电路使能，转换器初始化。CS在整个转换过程中必须置为低。接着CLK从单片机P1.2口接收时钟，在每个时钟的上升沿；由单片机P1.1口输出的多路器地址通过Dl端移入多路器地址移位寄存器。在每个时钟的上升跳变时，Dl端的数据就移入多路器地址移位寄存器。第一位为逻辑高，表示起始位。紧接的2、3、4、5位是配置位，用来选择通道。多路器地址选择模拟输入通道，也决定输入是单端输入还是差分输入。
在连续的每个时钟的上升跳变，起始位和配置位移入移位寄存器。当起始位移入多路器寄存器之后，输入通道选通，转换器开始工作。SARS状态输出变高表示转换过程正在进行。引脚D1在转换过程中与多路器的移位寄存器之间是关断的。为使选定的通道稳定，在通道配置位输送完后，要隔一个时钟周期转换的数据才在时钟的下降沿从引脚D0输出数据至单片机P1.1。
转换过程为采样比较器把从电阻梯形网络输出的逐次信号和输入模拟信号进行比较。比较器的输出指出模拟输入是大于还是小于电阻梯形网络的输出。在转换过程中，转换数据同时从D0端输出，以最高位(MSB)开头。经过8个时钟后，转换完成，SARS变为低。
TLC0838的输出数据可从高位开始，也可从低位开始。在SE为高时，数据先从最高到最低位输出，并将最低位保持在数据线上；在SE为低时，数据从低位开始重新输出一遍。在全8位分辨率下允许任意小的模拟电压编码间隔。变换结果范围为0-FF。为满足低温下系统正常工作的要求，选用工业级TLC0838芯片，工作温度为-0℃-5℃。
3.4单片机最小系统
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对单片机来说,单片机+晶振电路+复位电路,便组成了一个最小系统。下面介绍AT89S52的最小系统，如图3.7所示。

图3.7 AT89S52最小系统
P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。
P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2口送出高八位地址。
P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。
程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于AT89S52，如果EA 接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H~1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000H~FFFFH。
数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。
1) AT89S52的主要性能
2) 与MCS-51单片机产品兼容
3) 8K字节在系统可编程Flash存储器
4) 1000次擦写周期
5) 全静态操作：0Hz～33Hz
6) 三级加密程序存储器
7) 32个可编程I/O口线
8) 三个16位定时器/计数器
9) 八个中断源
10) 全双工UART串行通道
11) 1低功耗空闲和掉电模式
12) 掉电后中断可唤醒 图3.8 AT89S52引脚图
13) 看门狗定时器
14) 双数据指针
15) 掉电标识符
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其定时计数控制寄存器如表1所示。
表1 T2CON：定时器/计数器2控制寄存器
TF2
EXF2
RLCLK
TCLK
EXEN2
TR2
C/T2
CP/RL2
7
6
5
4
3
2
1
0
3.5 LED显示电路
本文设计了LED即时显示功能，下面是对此的设计。
本文采用比高公司生产的具有串行接口，可同时驱动8位共阴式数码管(或46只独立LED)的智能显示驱动芯片HD7279A。该芯片同时可连接多达64键的键盘矩阵，且64键键盘控制器内含有去抖动电路;无需外围元件便可直接驱动LED，一片芯片即可完成LED显示及键盘接口的全部功能。HD7279A内部含译码器，可直接接收BCD码或是16进制码，并同时具有2种译码方式，各位可独立控制译码1不译码、消隐和闪烁等属性;具有(循环)左移/(循环)右移指令;具有段寻址指令，可方便地用来控制独立的LED显示管； HD7279A和微处理器之间采用串行接口，.其接口和外围电路比较简单，且占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域获得了日益广泛的应用。本数据采集系统不需要按键，只用到HD7279A的显示功能。显示接口电路如图3.9所示。
HD7279A一共有28个引脚，引脚连接说明如下：
VDD：正电源，接系统电源VCC。
NC：无连接，必须悬空。
VSS：接地。
CS：片选输入端，与单片机AT89S15的P2.4口连接。此引脚为低电平时，单片机AT89S52可向芯片发送指令。
CLK：同步时钟输入端，与单片机AT89C52的P2.5口连接。向芯片发送数据，此引脚电平上升沿表示数据有效。
DATA：串行数据输入/输出端，与单片机AT89C52的P2