單片機(jī)在智能水位監(jiān)控儀中的應(yīng)用方案

1 引言

水位監(jiān)控儀廣泛應(yīng)用于水利、石油、化工、冶金、電力等領(lǐng)域的自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中。目前有些水位監(jiān)控儀在運(yùn)行過程中存在著一些問題，如:系統(tǒng)不穩(wěn)定、抗干擾能力差、精度低、輸出控制或顯示信號(hào)不滿足要求、現(xiàn)場更改程序或程序升級(jí)麻煩及通信能力差等。本文設(shè)計(jì)的智能水位監(jiān)控儀是吸收了國內(nèi)外最新智能化儀表的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用工業(yè)控制單片機(jī)，集水位采集、存儲(chǔ)、顯示及遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)于一體，適用于各種液位測(cè)量及閘門開度的測(cè)量。

2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分主要考慮的功能有:模擬量的變換;模擬量的采集;高精度16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705在系統(tǒng)中的應(yīng)用;精確時(shí)鐘芯片DS1302的應(yīng)用;四路繼電器報(bào)警，繼電器驅(qū)動(dòng)芯片采用ULN2003;4~20mA電流環(huán)輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD421的應(yīng)用以提供系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào);用于與上位微機(jī)通訊的接口實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如圖1。

在本系統(tǒng)中，我們選用的主控芯片是高集成度MCU芯片C8051F021。C8051F單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC).具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核和與MCS-51完全兼容的指令集;片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件;內(nèi)置FLASH程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部RAM;大部分器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的RAM,即XRAM;C8051F單片機(jī)具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過4腳的JTAG接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在線系統(tǒng)調(diào)試。

2.1 SPI 通訊接口設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有兩個(gè)外部芯片應(yīng)用了SPI接口方式:AD7705和AD421，單片機(jī)和這兩個(gè)外圍芯片構(gòu)成了一個(gè)SPI總線系統(tǒng)。其中單片機(jī)的NSS端懸空并被片內(nèi)上拉電阻置為高電平連接，因?yàn)锳D421是一個(gè)4~20mA輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片，所以它與單片機(jī)的數(shù)據(jù)線連接只有主設(shè)備輸出從設(shè)備輸入，即 MOSI。水位監(jiān)控儀中SPT系統(tǒng)的連接如圖2所示。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，我們選用了兩種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，第一種是利用單片機(jī)片內(nèi)的12位ADC，在可變電阻器通道中用的是該電路:另外一種是片外的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD7705，該芯片的精度達(dá)16位，應(yīng)用于壓力傳感器通道的數(shù)據(jù)采集中，下面計(jì)算得出具體應(yīng)用中能達(dá)到的精度。在水位監(jiān)控儀的設(shè)計(jì)中，我們忽略模擬電路的前端誤差，那么可精確到的毫米數(shù)可由式1計(jì)算得出:

計(jì)算可得，當(dāng)測(cè)量量程a=10m時(shí)，如果采用12位的ADC，測(cè)量精度為2.44mm;如采用16位ADC,測(cè)量精度可達(dá)0.153mm。

我們的設(shè)計(jì)要求為精確到2mm，所以如采用16位的ADC完全能符合我們的設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)中由于可變電阻器法本身測(cè)量精度較低所以使其采用了單片機(jī)片內(nèi)的 12位ADC，為盡量提高測(cè)量精度，減小測(cè)量誤差，我們還用單片機(jī)的另一通道對(duì)可變電阻器的供電電源電壓進(jìn)行了采集，在軟件中兩者進(jìn)行了適當(dāng)融合處理，在此不再詳述。壓力傳感器通道我們選用了片外的ADC轉(zhuǎn)換芯片AD7705, AD7705芯片正好有兩路模擬通道，供我們的兩路壓力傳感器通道使用，在軟件中進(jìn)行通道的切換。