📄 便携式多功能量水仪的研制.htm
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<!-- saved from url=(0050)http://www.p8s.com/magazine/files20001/LBC/LBC.htm --><HTML><HEAD><TITLE>便携式多功能量水仪的研制</TITLE>
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<P> </P>
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE border=0 borderColor=#008080 cellPadding=0 cellSpacing=0 width=600>
<TBODY>
<TR>
<TD width=600>
<P align=center><B><FONT face=隶书 size=6></FONT><FONT color=#ff5c0f face=隶书
size=5>便携式多功能量水仪的研制</FONT></B></P>
<P align=center><FONT face=文鼎CS楷体 size=3></FONT><SPAN
style="FONT-SIZE: 9pt">武汉水利电力大学水利学院（<FONT face=Verdana>430072</FONT>） 罗本成
宋光爱<BR></SPAN></P>
<HR>
<P align=center><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT face=宋体 size=3><INPUT name=button onclick="history.go(-1);return true;" style="HEIGHT: 20px; WIDTH: 56px" type=button value=" 返 回 ">
</FONT><BR></SPAN></P>
<HR>
<SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"></SPAN>
<P align=justify><B><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT
face=Verdana> </FONT><FONT color=#ff5c0f>摘
要</FONT></SPAN></B><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"> 介绍一种基于<FONT
face=Verdana>AT89C51</FONT>单片机开发的便携式多功能量水仪，该仪器能测量明渠的水位、流量，可满足多种输入量的要求，通用性较强。着重介绍了系统的软、硬件设计。</SPAN></P>
<P align=justify><B><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT
face=Verdana> </FONT><FONT
color=#ff5c0f>关键词</FONT></SPAN></B><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"> <FONT
face=Verdana> </FONT>便携多功能<FONT
face=Verdana> AT89C51</FONT>单片机 <FONT
face=Verdana> </FONT>量水仪</SPAN></P>
<P align=justify><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT
face=Verdana>
</FONT>目前普遍使用的量水仪（或水位仪），要么功能单一（或功能较少），在实际应用时还需要额外的辅助设备；要么功能较全，但体积较大，不方便携带，功耗也较大，供电设备还要额外配置。基于单片机开发的各种量水仪，以其成本低、方便实用、精确而被广泛应用在水利工程中。为此，笔者结合实际的需要，开发研制了一种基于<FONT
face=Verdana>AT89C51</FONT>单片机的便携式多功能量水仪。该仪器功能集中，不仅能实现信号的自动调理，而且还能实现数据的通信、报表打印、密码及<FONT
face=Verdana><I>K/N</I></FONT>参数的设置以及掉电保护等多种功能。更为突出的是，该仪器能与多种液位传感器直接接口，携带方便，供电简单，功耗比较低。</SPAN></P><B>
<P align=justify><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT face=Verdana>1
</FONT>系统的硬件设计</SPAN></P></B>
<P align=justify><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT
face=Verdana> </FONT>系统的硬件主要由<FONT
face=Verdana>AT89C51</FONT>单片机、增益调节电路、<FONT
face=Verdana>LM331<I>V</I>/<I>F</I></FONT>转换器、<FONT face=Verdana>81C55
I/O</FONT>口扩展器、两片<FONT face=Verdana>ICM7211</FONT>四位液晶显示器、<FONT
face=Verdana>CD4051</FONT>八选一模拟开关、<FONT
face=Verdana>CD4052</FONT>双四选一模拟开关、<FONT face=Verdana>4´
4</FONT>薄膜触键及六位液晶显示器<FONT face=Verdana>LCD</FONT>等组成，其框图如图<FONT
face=Verdana>1</FONT>所示。 </SPAN></P>
<P align=center><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"> </SPAN><IMG
alt="LBC_1.gif (1770 字节)" src="便携式多功能量水仪的研制.files/LBC_1.gif"></P>
<P align=center><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"> 图<FONT face=Verdana>1
</FONT>系统的硬件电路框图</SPAN></P><B>
<P align=justify><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT face=Verdana>1.1
</FONT>信号增益调节电路</SPAN></P></B>
<P align=justify><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT
face=Verdana>
</FONT>增益信号是由程序控制的，它根据待测量信号幅值的大小来改变放大器增益，以使不同幅值范围的输入信号都能放大到<FONT
face=Verdana>A/D</FONT>精确转换所需的幅值范围。本仪器设计的输入量程为<FONT face=Verdana>0~
5V</FONT>，分辨率是<FONT face=Verdana>1.0mV</FONT>。为了保证测量精度的一致性，设计了以一片<FONT
face=Verdana>CD4051</FONT>八选一模拟开关、若干高精密电阻和一个低功耗运算放大器<FONT
face=Verdana>OP07</FONT>等组成程控增益放大电路。鉴于实际场合中常用的液位传感器输出满量程电压一般为<FONT
face=Verdana>60mV</FONT>、<FONT face=Verdana>200mV</FONT>、<FONT
face=Verdana>2V</FONT>、<FONT face=Verdana>5V</FONT>等几种，故设计了<FONT
face=Verdana>0~ 5V</FONT>的量程，具体电路组成如图<FONT face=Verdana>2</FONT>所示。其中<FONT
face=Verdana>N<SUB>1</SUB></FONT>、<FONT
face=Verdana>N<SUB>2</SUB></FONT>组成同相关联差动放大器，<FONT
face=Verdana>N<SUB>3</SUB></FONT>为电压跟随器，主要用来抑制共模信号，<FONT
face=Verdana>N<SUB>4</SUB></FONT>是输出差动放大器，整个电路的增益可通过改变权电阻网络<FONT
face=Verdana><I>R</I><SUB>0~
</SUB><I>R</I><SUB>7</SUB></FONT>来调节。</SPAN></P>
<P align=center><IMG alt="LBC_2.gif (4167 字节)"
src="便携式多功能量水仪的研制.files/LBC_2.gif"><SPAN
style="FONT-SIZE: 9pt"> </SPAN></P>
<P align=center><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"> 图<FONT face=Verdana>2
</FONT>信号增益调节电路图</SPAN></P>
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE border=0 cellPadding=0 cellSpacing=0 width="100%">
<TBODY>
<TR>
<TD vAlign=top width="53%"><B>
<P align=justify><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT face=Verdana>1.2
</FONT>信号<FONT face=Verdana>A/D</FONT>转换电路</SPAN></P></B>
<P align=justify><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT
face=Verdana>
</FONT>为了适应便携式仪表电池供电、功耗低等特点，采用了功耗低、高精度、供电简单的<FONT
face=Verdana><I>V</I>/<I>F</I></FONT>转换芯片<FONT
face=Verdana>LM331</FONT>组成电压<FONT face=Verdana>-</FONT>频率（<FONT
face=Verdana>10V-100kHz</FONT>）的<FONT
face=Verdana>A/D</FONT>转换电路，其输出频率与输入电压的关系为</SPAN></P>
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE border=0 cellPadding=0 cellSpacing=0 width="96%">
<TBODY>
<TR>
<TD width="117%"><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><IMG height=40
src="便携式多功能量水仪的研制.files/Image82.gif" width=185></SPAN></TD>
<TD width="33%"><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt">（<FONT
face=Verdana>1</FONT>）</SPAN></TD></TR></TBODY></TABLE></CENTER></DIV>
<P align=justify><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT
face=Verdana> </FONT>通过<FONT
face=Verdana>AT89C51</FONT>的<FONT
face=Verdana>T<SUB>0</SUB></FONT>计数器（其中<FONT
face=Verdana>T<SUB>1</SUB></FONT>作定时器用）计算出<FONT
face=Verdana><I>f</I><SUB>OUT</SUB></FONT>，从而得到输入<FONT
face=Verdana><I>V</I><SUB>in</SUB></FONT>，进而算出水位值<FONT
face=Verdana><I>H</I><SUB>i</SUB></FONT>（<FONT
face=Verdana><I>H</I><SUB>i~
</SUB><I>V</I><SUB>in</SUB></FONT>），具体如图<FONT
face=Verdana>3</FONT>所示。</SPAN></P>
<P align=justify><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT
face=Verdana> </FONT>在该电路中，电阻<FONT
face=Verdana><I>R</I><SUB>16</SUB></FONT>为<FONT face=Verdana>80kW ±
10%</FONT>，它主要是使<FONT face=Verdana>LM331</FONT>的输入端<FONT
face=Verdana>7</FONT>脚产生偏流，以抵消<FONT
face=Verdana>6</FONT>脚偏流的影响，从而减少频率偏差。<FONT
face=Verdana><I>R</I><SUB>39</SUB></FONT>和可调电位器<FONT
face=Verdana><I>R</I><SUB>W3</SUB></FONT>的作用</SPAN></P></TD>
<TD width="4%"></TD>
<TD vAlign=top width="43%">
<P align=center><IMG alt="LBC_3.gif (2260 字节)"
src="便携式多功能量水仪的研制.files/LBC_3.gif"><SPAN
style="FONT-SIZE: 9pt">图<FONT face=Verdana>3 </FONT>信号<FONT
face=Verdana>A/D</FONT>（<FONT
face=Verdana><I>V</I>/<I>F</I></FONT>）转换电路</SPAN></P>
<P> </P></TD></TR>
<TR>
<TD colSpan=3 vAlign=top width="100%"><SPAN
style="FONT-SIZE: 9pt">是调整<FONT
face=Verdana>LM331</FONT>的增益偏差和由<FONT
face=Verdana><I>R</I><SUB>23</SUB></FONT>、<FONT
face=Verdana><I>R</I><SUB>25</SUB></FONT>及<FONT
face=Verdana><I>C</I><SUB>6</SUB></FONT>引起的偏差。当<FONT
face=Verdana>6</FONT>脚、<FONT face=Verdana>7</FONT>脚的<FONT
face=Verdana><I>RC</I></FONT>时间常数匹配时，输入电压的阶跃变化将会引起输出频率的阶跃变化，如果<FONT
face=Verdana><I>C</I><SUB>8</SUB></FONT>比<FONT
face=Verdana><I>C</I><SUB>9</SUB></FONT>小得多，那么输入电压的阶跃变化可能会使输出频率瞬间停止。<FONT
face=Verdana>6</FONT>脚的<FONT face=Verdana>47W </FONT>电阻<FONT
face=Verdana><I>R</I><SUB>23</SUB></FONT>和<FONT face=Verdana>1.0m
F</FONT>电容器<FONT
face=Verdana><I>C</I><SUB>9</SUB></FONT>并联用以产生滞后效应，使<FONT
face=Verdana><I>V</I>/<I>F</I></FONT>转换获得良好的线性度。</SPAN></TD></TR></TBODY></TABLE></CENTER></DIV><B>
<P align=justify><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT face=Verdana>1.3
</FONT>低功耗设计</SPAN></P></B>
<P><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt">该仪器全部芯片均选用<FONT
face=Verdana>CMOS</FONT>低功耗芯片，其余外围电路采用了低功耗设计，并设计了<FONT
face=Verdana>4×4</FONT>触摸薄膜键盘及六位<FONT
face=Verdana>LCD</FONT>液晶显示器作为人—机接口。在软件设计上，整个系统采用了等待和掉电工作的节电运行机制，功耗较低。</SPAN></P><B>
<P align=justify><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt"><FONT face=Verdana>2
</FONT>系统的软件设计</SPAN></P></B>
<P align=justify><SPAN style="FONT-SIZE: 9pt">
软件是系统的指挥中心，由它来配合控制完成各种预定功能。为了充分发挥<FONT
face=Verdana>AT89C51</FONT>优越的性能价格比，在设计上尽量做到硬件“软化”，使系统硬件设计得到简化。系统软件采用<FONT
face=Verdana>MCS-51</FONT>汇编语言编写，采用了模块化结构设计。为增强系统的实时性，对那些偶发事件采用中断方式处理。</SPAN></P><B>
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