智能水位计的研究开发
|
摘要
水位计广泛应用于水利、石油、化工、冶金、电力等领域的自动检测和控制系统中。本文设计的智能水位计是吸收了国内外最新智能化仪表的设计经验，采用工业控制单片机，集水位采集、存储、显示及远程联网于一体，适用于各种液位及闸门开度的测量。它具有高精度、高可靠性、多功能和智能化等特点。
针对研制任务的要求，课题期间研制了下位机系统硬件和软件，开发了上位机监控软件，其中所作的具体工作包括：测量原理的研究和在系统中的实现，在本次设计中用三种方法来进行水位测量，分别是旋转编码器法、液位压力传感器法和可变电阻器法；主控芯片的选择，我们选用了高集成度的混合信号系统级芯片C8051F021；实现了信号的采集和处理，包括信号的转换和在单片机内的运算；高集成度16位模数转换芯片AD7705在系统中的应用，我们完成了它与单片机的接口设计及程序编制任务；精确时钟芯片DS1302在系统中的应用，在此，我们实现了用单片机的I／O口与DS1302的连接和在软件中对时序的模拟，该芯片的应用给整台仪器提供了时间基准，方便了仪器的使用；另外，针对研制任务的要求，还给系统加上了一路4～20mA模拟信号电流环的输出电路来提供系统监测，该部分的实现是通过采用AD421芯片来完成的，本设计中完成了AD421与单片机的SPI接口任务，协调了它与AD7705芯片和单片机共同构成的SPI总线系统的关系，并完成了程序设计；与上位机的通信接口设计，该部分通过两种方法实现：RS232通信方式和RS485通信方式；系统设计方面还包括报警电路设计、操作键盘设计、电源监控电路设计、电压基准电路的设计。在硬件设计的基础上，对系统进行了软件设计，软件部分包括下位机单片机程序的设计和上位机监控软件的设计。在软硬件充分结合的情况下，实现了系统设计要求，很好地解决了以往的水位计中存在的问题，达到了高精度水位测量仪器的各项标准。
Water-level meter is generally used in the automatic supervision and control system of water conservancy, rock oil, chemical industry, metallurgy, electric power etc. Based on the abundant experience of domestic and abroad intelligent meters, the meter presented in the paper is designed via advanced microchip, which integrates the functions such as data collection and storage, display and remote communication and can be used in various fluid level and strobe opening scale measurements.
According to the request of this subject, we have developed the system hardware and software for the slave device and the inspection software running on the PC. In this paper all of the followings is illustrated detailedly, such as the research on the principles of measurement and its realization, Three means of water-level measurement that are separately based on photo electricity coder, pressure sensor and potentiometer; Selection of the microchip, We choose an advanced integrated SOC(System on Chip) microchip C8051F021 as the main controller; Realization of signal sampling, processing and its conversion in the MCU; Application of high
precision 16 bits ADC CMOS chip--AD7705 in our system, designing its interface with the
microchip and relevant program; Using a trickle charge timekeeping chip DS1302 in the system which can provide time norm and designing of its i/o interface and program; Additionally, a 4~ 20mA current output channel to provide system check-up using AD421. In the system, AD421, AD7705 and the microchip compose SPI bus; To communicate with the master PC, here we use two ways which are separately RS232 and RS485; Moreover, there are alarm unit, keyboard unit, power supply inspection unit and voltage norm providing unit in the system. Based on the hardware, we have finished software in the slave device and supervision software on the master PC. With all of the above, this water-level meter has satisfied all the request of system, settled many problems ever existed in the previous ones and attained high preciseness as a good meter.
针对研制任务的要求，课题期间研制了下位机系统硬件和软件，开发了上位机监控软件，其中所作的具体工作包括：测量原理的研究和在系统中的实现，在本次设计中用三种方法来进行水位测量，分别是旋转编码器法、液位压力传感器法和可变电阻器法；主控芯片的选择，我们选用了高集成度的混合信号系统级芯片C8051F021；实现了信号的采集和处理，包括信号的转换和在单片机内的运算；高集成度16位模数转换芯片AD7705在系统中的应用，我们完成了它与单片机的接口设计及程序编制任务；精确时钟芯片DS1302在系统中的应用，在此，我们实现了用单片机的I／O口与DS1302的连接和在软件中对时序的模拟，该芯片的应用给整台仪器提供了时间基准，方便了仪器的使用；另外，针对研制任务的要求，还给系统加上了一路4～20mA模拟信号电流环的输出电路来提供系统监测，该部分的实现是通过采用AD421芯片来完成的，本设计中完成了AD421与单片机的SPI接口任务，协调了它与AD7705芯片和单片机共同构成的SPI总线系统的关系，并完成了程序设计；与上位机的通信接口设计，该部分通过两种方法实现：RS232通信方式和RS485通信方式；系统设计方面还包括报警电路设计、操作键盘设计、电源监控电路设计、电压基准电路的设计。在硬件设计的基础上，对系统进行了软件设计，软件部分包括下位机单片机程序的设计和上位机监控软件的设计。在软硬件充分结合的情况下，实现了系统设计要求，很好地解决了以往的水位计中存在的问题，达到了高精度水位测量仪器的各项标准。
Water-level meter is generally used in the automatic supervision and control system of water conservancy, rock oil, chemical industry, metallurgy, electric power etc. Based on the abundant experience of domestic and abroad intelligent meters, the meter presented in the paper is designed via advanced microchip, which integrates the functions such as data collection and storage, display and remote communication and can be used in various fluid level and strobe opening scale measurements.
According to the request of this subject, we have developed the system hardware and software for the slave device and the inspection software running on the PC. In this paper all of the followings is illustrated detailedly, such as the research on the principles of measurement and its realization, Three means of water-level measurement that are separately based on photo electricity coder, pressure sensor and potentiometer; Selection of the microchip, We choose an advanced integrated SOC(System on Chip) microchip C8051F021 as the main controller; Realization of signal sampling, processing and its conversion in the MCU; Application of high
precision 16 bits ADC CMOS chip--AD7705 in our system, designing its interface with the
microchip and relevant program; Using a trickle charge timekeeping chip DS1302 in the system which can provide time norm and designing of its i/o interface and program; Additionally, a 4~ 20mA current output channel to provide system check-up using AD421. In the system, AD421, AD7705 and the microchip compose SPI bus; To communicate with the master PC, here we use two ways which are separately RS232 and RS485; Moreover, there are alarm unit, keyboard unit, power supply inspection unit and voltage norm providing unit in the system. Based on the hardware, we have finished software in the slave device and supervision software on the master PC. With all of the above, this water-level meter has satisfied all the request of system, settled many problems ever existed in the previous ones and attained high preciseness as a good meter.
引文
[1] 上海倍加福．《旋转编码器》．2001年
[2] 张东宁，杨啸，倪建成．格雷码式旋转编码器在位移检测中的应用．《组合机床与自动化加工技术》1999年，第03期
[3] 高玉水，王护利，王辉．光电旋转编码器在导弹模拟器中的应用．《电子设计应用》，2003年08期
[4] 潘晓光，汤清华．厚膜压力传感器的研究．《华中理工大学学报》，1997年05期
[5] 美国Cygnal公司．CYGNAL．C8051F02x Family Datasheet. R1.1，2002-01
[6] 易志明，林凌，郝丽宏，等．SPI串行总线接口及其实现．《自动化与仪器仪表》2002年06期
[7] 邬宽明．《单片机外围器件实用手册-数据传输接口器件分册》．北京航空航天大学出版社 2000年
[8] 汪滨琦，陈红伟，姜广文．C8051F020中的ADC应用要素．《单片机与嵌入式系统应用》2002年11期
[9] 沈国民，王欢，谢军龙．16位高性能低功耗A／D转换器AD7705及其应用．《自动化与仪器仪表》，2001年，第03期
[10] 武汉力源电子股份有限公司．AD7705 Datasheet，1999年
[11] 杨振江，孙占彪，王曙梅，等．《智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用》．西安电子科技大学出版社，2001年
[12] 万天才．高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品及其应用：《国外电子元器件》，2001年第2期
[13] OMRON公司．G6B Datasheet．2002年
[14] 李朝青．《PC机及单片机数据通信技术》．北京航天航空大学出版社，1999年
[15] 吴星明，郭吉祥，郭荣祥．AD421 16位串行输入4～20mA电流环路输出数模转换器的原理及其应用．《电子技术应用》，1997年第6期
[16] ANALOG DEVICES. Loop-Powered 4mA to 20mA DAC. 2001年
[17] 周永，吴明光，周春晖．高速光电隔离并行口的设计与实现．《电子技术应用》，1998年12期
[18] ANALOG DEVICE．AD694-4-20mA TransmiRer．1999年
[19] 崔惠柳．串行实时时钟芯片DS1302及其应用．《广西工学院学报》，1998年第1期
[20] 王明顺，吴省．可涓流充电的串行实时时钟芯片DSl302及其应用．《设计电子技术应用》，1996年第10期
[21] DALLAS SEMICONDUCTOR. Trickle charge Timekeeping chip.
[22] 丁金华，孙秋花．串行时钟芯片DS1302的应用．《大连轻工业学院学报》，1998年第1期
[23] 李华．《MCS51系列单片机实用接口技术》．北京航空航天大学出版社，1993年
[24] DALLAS SEMICONDUCTOR. Using the Dallas Trickle charge Timekeeper. Application Note 82
[25] 李明伟，钱培怡．一种新型的自动校时时间控制器．《Automation and instrumentation》1997年第12期
[26] 李现勇．《Visual C++串口通信技术与工程实践》．人民邮电出版社，2002年
[27] ANALOG DEVICES. EMI/EMC Comliant ±15kV ESD Protected RS-232 Line Drivers/Receivers. 1996年
[28] 先锋工作室．《单片机程序设计实例》．清华大学出版社，2003年
[29] 胡大可．《MSP430系列单片机C语言程序设计与开发》．北京航空航天大学出版社，2002年
[30] 马忠梅，籍顺心，张凯，等．《单片机的C语言应用程序设计》．北京航空航天大学出版社，1999年
[31] 孙涵芳，徐爱卿．《MCS-51／96系列单片机原理及应用》(修订版)．北京航空航天大学出版社，1998年
[32] 赵晓安，耿恒山，杨鹏，等．《MCS-51单片机原理及应用》．天津大学出版社，2001年
[33] 刘燕鸣，李伟，宋晓宇．CRC校验的软检实现方法．《沈阳建筑工程学院学报》1998年第14卷第1期
[34] 郭观七．循环冗余校验码的软件实现．《岳阳大学学报》1998年第11卷第1期
[35] 邱林海，周敬利，余胜生．多媒体通讯中CRC码及其快速算法设计．《小型微型计算机系统》1998年第19卷第11期
[36] 韩炬．适用于单片机的循环冗余校验码的快速算法．《微计算机信息》2000年第16卷第5期
[37] 王天宁．C51实现单片机CRC快速算法．《嵌入式应用》2003年第19卷第7期
[38] 康博创作室．《Visual Basic 5.0编成实例与技巧》．中国水利水电出版社．1998年
[39] 蒋方帅．《Visual Basic 6.0全攻略宝典》．中国水利水电出版社，2000年
[40] 李玉东，李雷．《Visual Basic 6.0中文版控件大全》．北京电子工业出版社，2000年
[41] 王幸之，王雷，翟成，等．《单片机应用系统抗干扰技术》．北京航空航天大学出版社，2001年
[2] 张东宁，杨啸，倪建成．格雷码式旋转编码器在位移检测中的应用．《组合机床与自动化加工技术》1999年，第03期
[3] 高玉水，王护利，王辉．光电旋转编码器在导弹模拟器中的应用．《电子设计应用》，2003年08期
[4] 潘晓光，汤清华．厚膜压力传感器的研究．《华中理工大学学报》，1997年05期
[5] 美国Cygnal公司．CYGNAL．C8051F02x Family Datasheet. R1.1，2002-01
[6] 易志明，林凌，郝丽宏，等．SPI串行总线接口及其实现．《自动化与仪器仪表》2002年06期
[7] 邬宽明．《单片机外围器件实用手册-数据传输接口器件分册》．北京航空航天大学出版社 2000年
[8] 汪滨琦，陈红伟，姜广文．C8051F020中的ADC应用要素．《单片机与嵌入式系统应用》2002年11期
[9] 沈国民，王欢，谢军龙．16位高性能低功耗A／D转换器AD7705及其应用．《自动化与仪器仪表》，2001年，第03期
[10] 武汉力源电子股份有限公司．AD7705 Datasheet，1999年
[11] 杨振江，孙占彪，王曙梅，等．《智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用》．西安电子科技大学出版社，2001年
[12] 万天才．高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品及其应用：《国外电子元器件》，2001年第2期
[13] OMRON公司．G6B Datasheet．2002年
[14] 李朝青．《PC机及单片机数据通信技术》．北京航天航空大学出版社，1999年
[15] 吴星明，郭吉祥，郭荣祥．AD421 16位串行输入4～20mA电流环路输出数模转换器的原理及其应用．《电子技术应用》，1997年第6期
[16] ANALOG DEVICES. Loop-Powered 4mA to 20mA DAC. 2001年
[17] 周永，吴明光，周春晖．高速光电隔离并行口的设计与实现．《电子技术应用》，1998年12期
[18] ANALOG DEVICE．AD694-4-20mA TransmiRer．1999年
[19] 崔惠柳．串行实时时钟芯片DS1302及其应用．《广西工学院学报》，1998年第1期
[20] 王明顺，吴省．可涓流充电的串行实时时钟芯片DSl302及其应用．《设计电子技术应用》，1996年第10期
[21] DALLAS SEMICONDUCTOR. Trickle charge Timekeeping chip.
[22] 丁金华，孙秋花．串行时钟芯片DS1302的应用．《大连轻工业学院学报》，1998年第1期
[23] 李华．《MCS51系列单片机实用接口技术》．北京航空航天大学出版社，1993年
[24] DALLAS SEMICONDUCTOR. Using the Dallas Trickle charge Timekeeper. Application Note 82
[25] 李明伟，钱培怡．一种新型的自动校时时间控制器．《Automation and instrumentation》1997年第12期
[26] 李现勇．《Visual C++串口通信技术与工程实践》．人民邮电出版社，2002年
[27] ANALOG DEVICES. EMI/EMC Comliant ±15kV ESD Protected RS-232 Line Drivers/Receivers. 1996年
[28] 先锋工作室．《单片机程序设计实例》．清华大学出版社，2003年
[29] 胡大可．《MSP430系列单片机C语言程序设计与开发》．北京航空航天大学出版社，2002年
[30] 马忠梅，籍顺心，张凯，等．《单片机的C语言应用程序设计》．北京航空航天大学出版社，1999年
[31] 孙涵芳，徐爱卿．《MCS-51／96系列单片机原理及应用》(修订版)．北京航空航天大学出版社，1998年
[32] 赵晓安，耿恒山，杨鹏，等．《MCS-51单片机原理及应用》．天津大学出版社，2001年
[33] 刘燕鸣，李伟，宋晓宇．CRC校验的软检实现方法．《沈阳建筑工程学院学报》1998年第14卷第1期
[34] 郭观七．循环冗余校验码的软件实现．《岳阳大学学报》1998年第11卷第1期
[35] 邱林海，周敬利，余胜生．多媒体通讯中CRC码及其快速算法设计．《小型微型计算机系统》1998年第19卷第11期
[36] 韩炬．适用于单片机的循环冗余校验码的快速算法．《微计算机信息》2000年第16卷第5期
[37] 王天宁．C51实现单片机CRC快速算法．《嵌入式应用》2003年第19卷第7期
[38] 康博创作室．《Visual Basic 5.0编成实例与技巧》．中国水利水电出版社．1998年
[39] 蒋方帅．《Visual Basic 6.0全攻略宝典》．中国水利水电出版社，2000年
[40] 李玉东，李雷．《Visual Basic 6.0中文版控件大全》．北京电子工业出版社，2000年
[41] 王幸之，王雷，翟成，等．《单片机应用系统抗干扰技术》．北京航空航天大学出版社，2001年