水位报警器
摘 要
目前，国内许多水文站监测水位和降雨量仍采用人工方法。该方法不但存在测量的人身安全问题，而且还存在数据测量难准确、监测实时性不强等问题。为了实时准确监测水位及降雨量，设计了一套单片机控制的水位与降雨量监测系统。本系统以感应式数字液位水位计、单片机采样发送、通过GSM网络无线传输和计算机实时接收处理等技术为核心，采用了较好的系统软件与硬件。利用该系统，可以实现江河、湖泊及水库等水位和该区域降雨量的有效监测。
关键词：单片机 A/D转换 感应器
Abstract
At present, many domestic water level and rainfall monitoring hydrological stations are still using manual methods. The method of measuring not only the physical presence of security problems, but there are still difficult to measure accurately the data, real-time monitoring is not strong, and so on. In order to accurately monitor real-time water level and rainfall, designed a single-chip microcomputer control of the water level and rainfall monitoring system. Induction of this system to digital Level Water Level, microcontroller samples sent through GSM wireless network transmission and receiving real-time computer processing technology as the core, a good system software and hardware. Use the system, can achieve rivers, lakes and reservoirs, and other water level and rainfall in the region of effective monitoring.
Key words: SCM AD converter sensor
目 录
摘 要 ......................................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................................... I
第1章 绪论 ......................................................................................................................... 1
第2章 单片机89C51简介 ............................................................. 2
2.1单片机概述 ................................................................................................................... 2
2.2单片机的特点 ............................................. 1
2.3单片机的种类 ............................................. 1
2.4单片机应用领域 ........................................... 1
2.5单片机89C51介绍 ......................................... 2
2.6本章小结 ................................................. 4
第3章 压力传感器 ........................................................................................................ 4
3.1压力传感器简介 ........................................... 4
3.2压阻式压力传感器原理 ..................................... 4
第4章A/ D转换器TLC2543 ......................................................... 7
4.1A/ D转换器TLC2543 ........................................ 7
4.1.1TLC2543 的引脚及功能 .................................. 7
4.1.2 TLC2543的编程要点 .................................... 8
4.2TLC2543与51系列单片机接口 ............................... 9
4.3数据采集程序设计 ........................................ 11
4.4应用TLC2543 应注意的几个问题 ............................ 12
4.5本章小结 ................................................ 13
第5章系统设计 .............................................................................. 13
5.1系统设计思路 ............................................ 13
II
毕业论文
5.2系统设计框图 ............................................ 14
5.3系统硬件设计 ............................................ 14
5.4系统软件设计 ............................................ 15
致 谢 ................................................................................................ 19
参考文献 .......................................................................................... 19
附 录 ................................................................................................ 20
III
毕业论文
第1章 绪论
我国是水资源丰富的大国，但对水利资源的利用对于我国来说仍然是一个非常严峻的问题。水库作为国家的重要资产，在水的管理方面具有着举足轻重的作用, 我国的水灾频频发生，因此必须监测江河、湖泊与水库等的水位及这些区域的降雨量。这种监测不但可为预防水灾、及时进行防汛决策提供大量可靠的数据和资料，同时还可为防洪抢险救灾和保护人民生命财产安全发挥重要作用。
目前，国内许多水文站监测水位和降雨量仍采用人工方法。该方法不但存在测量的人身安全问题，而且还存在数据测量难准确、监测实时性不强等问题，这会严重影响正常的工作效力。为此需要对水位进行自动显示、监测和报警。传统的水位检测系统一般通过有线方式与监控中心取得接洽，这种方式不但保护起来艰难，而且在很大水平上限制了其在时空上的拓展性。采取GSM模块与单片机构成的系统则能够解决以上的问题。通过单片机的并行I／0口可以很方便的实现水位的显示功效。现有的GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络才气强的特色，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节俭了昂贵的建网费用和保护费用。当采取GSM模块时，就可以通过一种无线通讯的方式以实现远程终端监控和报警的功效。
水资源有着大量的能量，合理的应用好水资源可以更好的为人们服务，但是目前我国乃至全世界对水资源的利用和监控还有着很大的缺陷，水位报警装置的研究还不够完善，虽然相比以前，人们对水位的控制得到了很大的提高，但是随着生态平衡被逐渐的破坏，人民的生存压力也越来越来，随之而来也带来了一系列的问题。所以对水资源的合理利用，对水位的合理监控将显得越来越重要。相信随着科技的发展，人们可以更好的解决这一系列的问题。
为了实时准确监测水位及降雨量，设计了一套单片机控制的水位与降雨量监测系统。本系统以感应式数字液位水位计、单片机采样发送、通过GSM网络无线传输和计算机实时接收处理等技术为核心，采用了较好的系统软件与硬件。利用该系统，可以实现江河、湖泊及水库等水位和该区域降雨量的有效监测。
1
水位报警器
第2章 单片机89C51简介
2.1单片机概述
单片机的全名叫做“单芯片微型计算机”，单片机具有计算机的基本组成部分即：控制器、运算器、存储器、输入接口、输出接口五大部分，简称单片机。主要用于自动化控制,由于不像PC机那么大,所以知道它的人并不多,其实它已进入了我们的生活。
学校的打铃机系统，家用洗衣机的模糊控制，多功能定时器，彩电的遥控器系统等等。可以说从遥控器彩电到航天技术都有单片机的身影，也许你还不知道，你正在被单片机世界包围着，因为不久的将来它会被应用到我们的生产和生活的每个角落。
单片机系统由硬件和软件两大部分组成，这一点它和PC机一样，硬件由存储器，输入输出，CPU等组成真可谓麻雀虽小，五脏俱全，软件是由各种应用程序组成。这就要看单片机其他硬件(元器件)组成的是一台什么设备了，要根据单片机应具备的功能编相应的程序，给单片机编程序普通地都用汇编语言和C语言。
单片机的硬件部分，是必不可少的部分，除了单片机本身一块集成快以外，还需要外部元件的支持，它才能工作。比如说各种显示光管和7段数码管，晶振端的晶振和各种接口电路中。
虽然如此，但它仍优于传统的模式电路。用单片机系统,简化电脑设计，外围元件少，功能多，故障少。所谓软件是指各种程序，如同人大脑的思想它是实现各种功能的工具，比方说用单片机设计多花样的彩灯，用传统的方式只有1-4种，而用单片机，通过程序设计出来的花样可达20-100多种。
单片机的品种非常多，接着用途分共有两大类。分为专用型和非专用型(通用型)，专用型是为某一特定的设备研制的，遥控彩电的发射和接受系统的是为它量身定做的。通用型可以设计成各种应用我们生活的设备，这类可以说品种繁多，它可以应用各种行业。
2
毕业论文
2.2单片机的特点
（1）片内存储容量较小
原因是受集成度的限制。ROM一般小于8KB，RAM一般小于256B，但可以在外部扩展。通常ROM，RAM可分别扩展至64KB。
（2）可靠性高
因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机。系统软件（如：程序指令，常数，表格）固化在ROM中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。
（3）便于扩展:
计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的（总线，并行和串行的输入/出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。
（4）控制功能强的控制指令
如：条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令，
（5）实用性好
体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。
2.3单片机的种类
（1）ATMEL公司的AVR单片机；
（2）Motorola单片机；
（3）MicroChip单片机；
（4）MDT20XX系列单片机 ；
（5）Scenix单片机；
（6）EPSON单片机；
（7）东芝单片机；
（8）8051单片机；
（9）华邦单片机；
（10）Zilog单片机；
（11）NS单片机。
1
毕业论文
2.4单片机应用领域
单片机应用领域：
（1）用图象传感器测量线才系统 ；
（2）卫星电视的串口模拟SPI、I2C的应用，如雷达录取的数据传送；
（3）直接与AD芯片配合进行各种数据传感器配合；
（4）利用单片机与PC机的232通讯进行控制，单片机为控制对象；
（5）通过IC卡、单片机、PC机构成的各种收费系统；
（6）通过单片机控制各种步进电机完成工控任务系统 ；
（7）通过单片机控制各种电慈设备完成工控任务系统（如程控交换系统）；
（8）可应用在电机的变频技术上的控制领域中；
（9）各种测量工具如水位尺，它在水文上的应用很普及；
（10）大型指针钟控制器，主要根据时间控制电机带动指针；
（11）电子配料控制仪，基于小型生产的自动或半自动控制，如控制上料、搅拌等 ；
（12）用定时器和捕获功能进行某一系统的检测。可提供报警、控制等。如水位控制、温度控制，全自动洗衣机等；
（13）电子称重计；
（14）教学用仪器、医疗仪器；
（15）由单片机构成的霓虹灯控制器；
（16）在刚的热处理中采用热磁仪测量；
（17）各种金属探伤仪器；
（18）矿山生产智能监测仪；
（19）煤矿的产煤计数器；
（20）汽车安全系统 ；
（21）智能玩具 ；
（22）用超声波测量江河水位 ；
（23）交流电监测仪 ；
（24）消防系统报警监测仪 ；
（25）各类水表、电表 。
总之，单片机技术使用范围广，在各种仪器仪表生产单位、石油、化工，纺织、机械的加工等各个行业中都有广泛的应用.
1
水位报警器
2.5单片机89C51介绍
1.5.1概述
该系列单片机是采用高性能的静态80C51设计。由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash 程序存储器全部支持12时钟和6时钟操作。
P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2分别包含128字节和256字节RAM、32条I/O口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O 口（可用于多机通信、I/O 扩展或全双工UART）以及片内振荡器和时钟电路。
此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围（频率可降至0）。可实现两个由软件选择的节电模式空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结CPU，但RAM、定时器、串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存RAM的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。运行可从时钟停止处恢复。
1.5.2特性
（1）80C51核心处理单元
4k字节FLASH 89C51X2；
8k字节FLASH 89C52X2；
16k字节FLASH 89C54X2；
32k字节FLASH 89C58X2；
128字节RAM 89C51X2；
256字节RAM 89C52X2/54X2/58X2；
布尔处理器；
全静态操作；
（2）12时钟操作可选6个时钟通过软件或并行编程器
（3）存储器寻址范围
64K字节ROM和64K字节RAM
（4）电源控制模式
―时钟可停止和恢复
―空闲模式
―掉电模式
（5）两个工作频率范围
6时钟模式时为0到20MHz
12时钟模式时为0到33MHz
（6）LQFP, PLCC或DIP封装
（7）扩展温度范围
2
毕业论文
（8）双数据指针
（9）3个加密位
（10）4个中断优先级
（11）6个中断源
（12）4个8位I/O口
（13）全双工增强型UART
―帧数据错误检测
―自动地址识别
（14）3个16位定时/计数器T0 T1标准80C51和增加的T2捕获和比较
（15）可编程时钟输出
（16）异步端口复位
（17）低EMI (禁止ALE以及6时钟模式)
（18）掉电模式可通过外部中断唤醒
图2.1 CPU框图
3
水位报警器
2.6本章小结
本章介绍了单片机的基本原理和本论文用到的芯片89C51，可以说单片机以其独特的特点广泛应用与各个领域。
第3章 压力传感器
3.1压力传感器简介
微机电系统(MEMS)是在微电子相关技术基础上发展起来的一门多学科交叉前沿学科，它采用半导体工艺技术，把微机械结构和电路集成在一起，具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点。微传感器是最早开始研制的微机电器件，也是微机电技术中相对最成熟、最早开始产业化的产品。
微压力传感器在整个MEMS行业，无论是设计研究，还是产业应用中都占主要地位。就其传感原理来说，微压阻式、微电容式、微谐振式是当今微压力传感器的3种最常见的形式。其中，微压阻式结构最简单，制作工艺及步骤也最容易，缺点是其相关性能不如其他两种好。
3.2压阻式压力传感器原理
对于金属或半导体材料，若沿它的某一晶面加以压力或拉力时，其晶格内部将产生畸变，这一畸变将导致晶体内部能级构造的变化，进一步导致载流子相对能量的改变，从而引起晶体固有电阻率的变化。这种现象就是物理学上的压阻效应。
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下
l式表示： R s
式中： ρ——金属导体的电阻率（cm2/m）
s—导体的截面积（cm2）
l—导体的长度（m）
4
毕业论文
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。
电阻应变片
圆形金属筒
压力使得圆形金属筒以及电阻应变片变形，从而使电阻应变片的电阻值产生变化。
5
水位报警器
V1
B
电桥失去平衡，AB之间产生微小电位差：
微小电位差经放大器放大，在仪表上显示的同时，由自控系统处理后进行螺杆转速调控。
压阻式压力传感器的工作原理及特点：
6
毕业论文
压阻式压力传感器是基于单晶硅的压阻效应而工作的。当压力变化时,单晶硅产生应变,使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化,再由桥式电路获得相应的电压输出信号。它的特点是精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单等。更可适应于恶劣的环境条件下工作,便于实现显示数字化。
第4章A/ D转换器TLC2543
4.1A/ D转换器TLC2543
具有11个输入端的12位模数转换器TLC2543是美国德州仪器公司于近几年推出的一种性能价格比较优的12位A/ D转换芯片,具有多种封装形式,并具有民用级、工业级、军用级产品。在产品型号、规格、封装形式、适用范围等方面,已形成一个系列。一九九八年以来开始在我国推广使用。就12位A/ D转换器来说, TCL2543 具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简捷、价格低等优点,相信在我国单片机应用领域将会很快推广。鉴于51系列单片机是我国单片机应用领域的主流型号,一批与之兼容的单片机(如AT89C51、GMS97C51等) 于近几年相继推广使用,51系列术语含义可以扩大,我们可以把与51系列兼容的单片机称为广义51系列或51系列兼容机,以下统一使用51系列术语。可以预计,51系列单片机的开发应用,在我国的单片机应用领域仍将是主导地位,因此,探讨TLC2543与51系列单片机接口具有实际意义。但是, TLC2543与带有串行外设接口( S PI , Serial Peripheral Interf ace)的微处理器易于接口,而51系列单片机不具有SPI ,因此必须用软件合成S PI 的操作。结合实际应用TLC2543 的体会, 从应用角度出发, 介绍了TLC2543的基本结构与编程要点, 给出了TLC2543与51系列单片机的接口电路以及A/D采集程序设计实例,同时讨论了TLC2543应用中一些应注意的问题。
4.1.1TLC2543 的引脚及功能
TLC2543是12位开关电容逐次逼近模数转换器,有多封装种形式,其中DB、DW或N 封装的管脚图见下图。TLC2543有20根引脚,其它封装形式引脚数及引脚功能相同。引脚的功能简要分类说明如下：
(1)电源引脚
7
水位报警器
Vcc ,20脚:正电源端,一般接+ 5V。GND ,10脚:地。
REF + ,14脚:正基准电压端,一般接+5V 。
REF - ,13 脚:负基准电压端,一般接地。
(2) 控制引脚
CS ,15 脚:片选端, 由高到低有效, 由外部输入。
EOC ,19 脚:转换结束端,向外部输出。
I/ O CLOCK,18 脚:控制输入输出的时钟,由外部输入。
(3) 模拟输入引脚
AIN0～AIN10 ,1 ～ 9脚、11～12脚:11路模拟输入端,输入电压范围:0. 3V～Vcc +0.3V 。
(4) 控制字输入引脚
DATA TN PUT ,17脚:控制字输入端,选择通道及输出数据格式的控制字由此输入。
(5) 转换数据输出引脚
DATA OUT ,16 脚:A/ D 转换结果输出的3 态串行输出端。
图4.1 TLC2543管脚图
4.1.2 TLC2543的编程要点
（1）控制字的格式
控制字为从DATA IN PUT 端串行输入TLC2543 芯片内部的8 位数据, 8
毕业论文
它告诉TLC2543 要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。其中高4 位( D7 ～ D4) 决定通道号,对于0 通道至10 通道,该4 位分别为0000、0001、⋯、1010 ,该4 位为其它数字时的功能,用于检测校正,本文不作具体介绍。低4 位决定输出数据长度及格式, 其中D3、D2 决定输出数据长度, TLC2543 的输出数据长度有8 位、12 位、16 位,但由于TLC2543 为12 位A/ D转换芯片,经过分析可以看出,8 位、16 位输出对TLC2543 的应用意义不大, 宜定在12 位输出, D3、D2 两位为00 即可。D1 决定输出数据是高位先送出,还是低位先送出,若为高位先送出,该位为0 ,反之为1。D0 决定输出数据是单极性(二进制) 还是双极性(2 的补码) ,若为单极性,该位为0 ,反之为1。
举例说明:设采集第6 通道、输出数据为12 位、高位先送出、输出数据的格式为二进制,则控制字为:0110 0000 ,用十六进制表示即为60 H,本文基于此格式说明转换过程。
（2）TLC2543 的内部寄存器
从编程角度看, TLC2543 内部寄存器有输入数据寄存器与输出数据寄存器。输入数据寄存器存放从DATA IN PUT 端移入的控制字。输出数据寄存器存放转换好的数据, 以供从DATA OUT 端移出。
（3）转换过程
上电后,片选CS 必须从高到低,才能开始一次工作周期,此时EOC 为高,输入数据寄存器被置为0 ,输出数据寄存器的内容是随机的。
开始时,片选CS 为高, I/ O CLOCK、DATA IN PUT 被禁止, DATA OUT 呈高阻状态, EOC为高。使CS 变低, I/ O CLOCK、DATA IN PUT 使能, DATA OUT 脱离高阻状态。12 个时钟信号从I/ O CLOCK端依次加入,随着时钟信号的加入,控制字从DATA INPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543 (高位先送入) , 同时上一周期转换的A/ D 数据, 即输出数据寄存器中的数据从DATA OUT 一位一位地移出。TLC2543 收到第4 个时钟信号后,通道号也已收到,因此,此时TLC2543 开始对选定通道的模拟量进行采样,并保持到第12 个时钟的下降沿。在第12 个时钟下降沿, EOC 变低,开始对本次采样的模拟量进行A/ D 转换,转换时间约需10μs ,转转完成EOC 变高,转转的数据在输出数据寄存器中, 待下一个工作周期输出。此后,可以进行新的工作周期。
4.2TLC2543与51系列单片机接口
目前使用的51系列单片机没有S PI或相同的接口能力,为了与TLC2543接口,可以根据上节所给出的编程要点, 利用软件合成S PI 操作,
9
水位报警器
完成A/ D 数据的采集。下图给出了TLC2543与51系列接口的一种方式。图中TLC2543 与单片机之间只用4 根线,转换结束EOF未接入单片机,这是基于二个工作周期之间的单片机指令一般大于10μs ,转换已经完成,不必判断EOF ,也可以通过试验或计算指令执行时间确定转换是否结束, 这样可以省去一根接线。下一节将根据此电路进行A/ D 采集程序的设计。 为了使电路简捷,有关电源、参考电压、去耦等电路未画出。
图4.2 TLC2543与51系列单片机接口电路
10
毕业论文
4.3数据采集程序设计
根据TLC2543 的工作原理电路,可以进行A/ D采集程序的设计。设TLC2543工作于输出数据为12位、高位先送出、输出数据为二进制的格式,这样控制字的高4 位为通道号,低4 位均为0。以下是采集一个通道的TLC2543A/ D 转换子程序
AD12： NOP
NOP
NOP
CLR P1.5
SET P1.4
NOP
CLR P1.4
MOV A，R1
SWAP A
MOV R2，#08H
AD1： MOV C，P1.7
RLC A
MOV P1.6，C
SETB P1.5
CLR P1.5
DJNZ R2，AD1
MOV @R0,A
MOV A,R1
SWAP A
MOV R2,#04H
AD2: MOV C, P1.7
RLC A
MOV P1.6 C
SETB P1.5
CLR P1.5
DJNZ R2,AD2
INC R0
MOV @R0,A
SETB P1.4
RET
11
水位报警器
以下是利用上述子程度采集0通道数据放入内存21H、22H,采集1通道数据放入内存23H、24 H的主程序。注意其中调用了三次子程序,而第一次调用取出的数据是随机数。
CJDZ:NOP
NOP
MOV R1,#00H
MOV R0,#21H
LCALL AD12
NOP
MOV R1,#01H
MOV R0,#21H
LCALL AD12
NOP
MOV R1,#00H
MOV R0,#23H
LCALL AD12
RET
4.4应用TLC2543 应注意的几个问题
在TLC2543 的应用中,以下几个问题值得注意：
（1）硬件设计中, EOC引脚是否连接问题。EOC引脚由高变低是在第12个时钟的下降沿，它标志TLC2543开始对本次采样的模拟量进行A/ D转换,转换完成后EOC 变高，标志转换结束。从理论上讲，应该通过EOC ，判断是否可以进行新的周期以便从TLC2543中取出已转换的A/D数据，但是，正如前面介绍， TLC2543的一次A/ D转换时间约为10μs，而一般情况下，一个工作周期后，单片机的后续处理工作已大于10μs，因此，除非特别需要,一般可以不接EOC。
（2）一个输入输出工作周期为12个时钟信号，随这12个时钟信号的进入， TLC2543的DATA OUT引脚送出的12 位数，为上一个工作周期的A/ D转换数据，而这一数据是何通道的采集量,取决于上一工作周期从DATA INPUT引脚送入TLC2543的控制字的前四位。那么对于系统上电后第一个工作周期,从DATA OUT 取出的数据是没有意义的。
（3）控制字的低4位决定输出数据长度及格式,初始设定后，一般不要在运行过程中改变,以免数据混乱。而在工作周期循环,若累加器A中数据没有处理好，容易把非法的控制字带入TLC2543，引起输出数据格式错误， 12
毕业论文
这一点，应予特别注意。
514CS端控制着TLC2543的转换初始化与输入输出。本文中CS端控制转换过程，CS 在输入输出数据过程必须保持为低，即在输入12个时钟信号期间CS 必须保持0。之后，CS 端被置高，以便使CS由高到低的变化，而产生下一工作周期。CS端被置高时，与TLC2543相联的其它三线，呈高阻状态，可为其它线路使用，硬件设计时，可设计为共享线路，软件编程时，根据CS情况决定谁使用这些线路。
（4）对于转换结果用二进制方式输出，当输入电压等于VREF+时，转换结果为12个“1”，即(1111 1111 1111) ，当输入电压等于VREF- 时，转换结果为12个“0”，即(0000 0000 0000) ，当输入电压等于( VREF+ + VREF- ) / 2时，转换结果为(1000 0000 0000)，供校正参考。12位采集数据，对于8位单片机，分放在两个内存地址中，若是向微机系统传送，可以直接发送，由微机系统计算。若是自身使用，计算合成后，仍需放两个地址。
4.5本章小结
本章介绍了TLC2543的基本结构与编程要点, 给出了TLC2543与51系列单片机的接口电路以及A/ D采集程序设计实例,同时讨论了TLC2543应用中一些应注意的问题。
第5章系统设计
5.1系统设计思路
为了达到报警的需求，只需在危险水位附近安上压力传感器，水一到危险水位就传导出电流，附近就由传感器组传导电流即模拟信号给数据采集系统中，通过A/D转换成数字信号给单片机的控制系统，控制系统即可将次危险信号通过无线发射机发送给控制中心的计算机上，这样就可以远程知道水位到了危险水位，这样就可以达到报警的要求。
13
水位报警器
5.2系统设计框图
图5.1 系统遥测站
图5.2 系统中心站
系统由系统遥测站和系统中心站两部分组成。系统遥测站主要完成对水位信号的采集、存储，接收遥控指令并发送数据。系统中心站的主要工作是接收数据信息、进行数据处理和数据管理、传输到计算机显示水位信息等。
此报警系统就是利用单片机实时将水位信息通过无线传输发送到主机上，通过主机即可了解水位信息，当水位达到危险水位时即可达到报警的目的。
5.3系统硬件设计
感应水位计可以采用压力传感器，利用水的压力产生信号即电流给传感器，将电流送入A/D转换单元。可选用TI公司的12位串行模数转换器TLC2543，其价格适中，分辨率较高，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。而且采用的是串行输入结构，能大大节省51系列单片机的I/O资源，以便于系统以后的扩展升级。
其特点为：12位分辨率A/D转换器；在工作温度范围内10us转换时间；11个模拟输入通道；3路内置自测试方式；采样率为66kb/s；线形误差±1LSBmax；有转换结束输出EOC；具有单、双极性输出；可编程的MSB或LSB前导；可编程输出数据长度。
而单片机的控制系统中的单片机可选用Atmel公司的AT89C51单片机，它是一种低功耗、高性能的、片内含有4KB Flash ROM的8位CMOS单片机，工作电压范围为2.7～6V（实际使用+5V供电），8位数据总线。 14
毕业论文
它有一个可编程的全双工串行通信接口，能同时进行串行发送和执着收。通过RXD引脚（串行数据接收端）和TXD引脚（串行数据发送端）与外界进行通信。
其特点为：工作频率0~24MHz；2个标准16位定时/计数器；可编程I/O口线32条，中断源5个；4K字节快闪ROM，128字节RAM；工作电压2.7~6V，编程电压12V/5V；可电擦写1000次；40引脚，DIP封装。
再利用AT89C51控制系统将信号串行输出给发射单元，再经过无线传输到主控中心达到报警效果。
5.4系统软件设计
本系统的软件程序主要包括数据采集子程序和数据传输子程序。
串行输入输出的数模转换器，在编程时要特别注意TLC2543的工作时序。其I/O CLOCK引脚接受串行输入信号，在I/O CLOCK的前8个上升沿，DIN引脚的8位输入数据存入数据寄存器；在I/O CLOCK的第4个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到I/O CLOCK的最后一个下降沿为止；将前一次转换数据的其余11位输出到DATA OUT端，在I/O CLOCK的下降沿时，数据开始变化，I/O CLOCK的最后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位。因此，TLC2543在每次I/O周期读取到的数据，都是上次转换结果，应该丢弃，就再读一次，就为当前转换值。
15
水位报警器
图 5.3 数据采集子程序流程图
单片机的数据传输子程序的功能是将单片机通过TLC2543采集到的数据通过单片机的串行口以一个固定的波特率发送到调制器再通过发射机发送出去。
16
毕业论文
图5.4 单片机数据发送子程序
17
水位报警器
图5.5 硬件设计电路
18
毕业论文
致 谢
经过半年的准备，在论文完成之际，首先要感谢尊敬的教授，本论文的顺利完成与他们的谆谆教导和悉心启迪是分不开的。他们严谨的治学态度、渊博的学术知识、孜孜不倦的敬业精神和平易近人的态度，给我留下了深刻的印象，并且将不断的激励我奋发向上。在此，对他们的教导和关心表示衷心地感谢！
感谢寝室及班上的同学，在我遇到问题的时候，他们给了我很多的鼓励，我永远难忘那些我们在一起共同学习、共同奋斗过的时光。
此外，我要感谢我的家人，是你们无微不至的关心和照顾，支持着我的每一步人生历程，我要用自己的毕生所学来回报你们。
最后，对大学四年来所有在学业上和生活中给予我帮助和关心的人们致以诚挚的谢意，对培养我的母校表示深深的感谢！
参考文献
[1]何立民 《单片机应用技术选编》 北京航空航天出版社 1997年2月
[2]万福君 《单片微机原理、系统设计与开发应用》 中国科学技术大学出版社 1994年11月
[3]郭敬枢 《微机控制技术》 重庆大学出版社 1994年11月
[4]周立功单片机网 http://www.zlgmuc.com/
[5]陈杰、黄鸿 《传感器与检测技术》 高等教育出版社 2002年8月
19
水位报警器 附 录
图 6.0 硬件电路图
20
水位报警器
摘 要
目前，国内许多水文站监测水位和降雨量仍采用人工方法。该方法不但存在测量的人身安全问题，而且还存在数据测量难准确、监测实时性不强等问题。为了实时准确监测水位及降雨量，设计了一套单片机控制的水位与降雨量监测系统。本系统以感应式数字液位水位计、单片机采样发送、通过GSM网络无线传输和计算机实时接收处理等技术为核心，采用了较好的系统软件与硬件。利用该系统，可以实现江河、湖泊及水库等水位和该区域降雨量的有效监测。
关键词：单片机 A/D转换 感应器
Abstract
At present, many domestic water level and rainfall monitoring hydrological stations are still using manual methods. The method of measuring not only the physical presence of security problems, but there are still difficult to measure accurately the data, real-time monitoring is not strong, and so on. In order to accurately monitor real-time water level and rainfall, designed a single-chip microcomputer control of the water level and rainfall monitoring system. Induction of this system to digital Level Water Level, microcontroller samples sent through GSM wireless network transmission and receiving real-time computer processing technology as the core, a good system software and hardware. Use the system, can achieve rivers, lakes and reservoirs, and other water level and rainfall in the region of effective monitoring.
Key words: SCM AD converter sensor
目 录
摘 要 ......................................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................................... I
第1章 绪论 ......................................................................................................................... 1
第2章 单片机89C51简介 ............................................................. 2
2.1单片机概述 ................................................................................................................... 2
2.2单片机的特点 ............................................. 1
2.3单片机的种类 ............................................. 1
2.4单片机应用领域 ........................................... 1
2.5单片机89C51介绍 ......................................... 2
2.6本章小结 ................................................. 4
第3章 压力传感器 ........................................................................................................ 4
3.1压力传感器简介 ........................................... 4
3.2压阻式压力传感器原理 ..................................... 4
第4章A/ D转换器TLC2543 ......................................................... 7
4.1A/ D转换器TLC2543 ........................................ 7
4.1.1TLC2543 的引脚及功能 .................................. 7
4.1.2 TLC2543的编程要点 .................................... 8
4.2TLC2543与51系列单片机接口 ............................... 9
4.3数据采集程序设计 ........................................ 11
4.4应用TLC2543 应注意的几个问题 ............................ 12
4.5本章小结 ................................................ 13
第5章系统设计 .............................................................................. 13
5.1系统设计思路 ............................................ 13
II
毕业论文
5.2系统设计框图 ............................................ 14
5.3系统硬件设计 ............................................ 14
5.4系统软件设计 ............................................ 15
致 谢 ................................................................................................ 19
参考文献 .......................................................................................... 19
附 录 ................................................................................................ 20
III
毕业论文
第1章 绪论
我国是水资源丰富的大国，但对水利资源的利用对于我国来说仍然是一个非常严峻的问题。水库作为国家的重要资产，在水的管理方面具有着举足轻重的作用, 我国的水灾频频发生，因此必须监测江河、湖泊与水库等的水位及这些区域的降雨量。这种监测不但可为预防水灾、及时进行防汛决策提供大量可靠的数据和资料，同时还可为防洪抢险救灾和保护人民生命财产安全发挥重要作用。
目前，国内许多水文站监测水位和降雨量仍采用人工方法。该方法不但存在测量的人身安全问题，而且还存在数据测量难准确、监测实时性不强等问题，这会严重影响正常的工作效力。为此需要对水位进行自动显示、监测和报警。传统的水位检测系统一般通过有线方式与监控中心取得接洽，这种方式不但保护起来艰难，而且在很大水平上限制了其在时空上的拓展性。采取GSM模块与单片机构成的系统则能够解决以上的问题。通过单片机的并行I／0口可以很方便的实现水位的显示功效。现有的GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络才气强的特色，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节俭了昂贵的建网费用和保护费用。当采取GSM模块时，就可以通过一种无线通讯的方式以实现远程终端监控和报警的功效。
水资源有着大量的能量，合理的应用好水资源可以更好的为人们服务，但是目前我国乃至全世界对水资源的利用和监控还有着很大的缺陷，水位报警装置的研究还不够完善，虽然相比以前，人们对水位的控制得到了很大的提高，但是随着生态平衡被逐渐的破坏，人民的生存压力也越来越来，随之而来也带来了一系列的问题。所以对水资源的合理利用，对水位的合理监控将显得越来越重要。相信随着科技的发展，人们可以更好的解决这一系列的问题。
为了实时准确监测水位及降雨量，设计了一套单片机控制的水位与降雨量监测系统。本系统以感应式数字液位水位计、单片机采样发送、通过GSM网络无线传输和计算机实时接收处理等技术为核心，采用了较好的系统软件与硬件。利用该系统，可以实现江河、湖泊及水库等水位和该区域降雨量的有效监测。
1
水位报警器
第2章 单片机89C51简介
2.1单片机概述
单片机的全名叫做“单芯片微型计算机”，单片机具有计算机的基本组成部分即：控制器、运算器、存储器、输入接口、输出接口五大部分，简称单片机。主要用于自动化控制,由于不像PC机那么大,所以知道它的人并不多,其实它已进入了我们的生活。
学校的打铃机系统，家用洗衣机的模糊控制，多功能定时器，彩电的遥控器系统等等。可以说从遥控器彩电到航天技术都有单片机的身影，也许你还不知道，你正在被单片机世界包围着，因为不久的将来它会被应用到我们的生产和生活的每个角落。
单片机系统由硬件和软件两大部分组成，这一点它和PC机一样，硬件由存储器，输入输出，CPU等组成真可谓麻雀虽小，五脏俱全，软件是由各种应用程序组成。这就要看单片机其他硬件(元器件)组成的是一台什么设备了，要根据单片机应具备的功能编相应的程序，给单片机编程序普通地都用汇编语言和C语言。
单片机的硬件部分，是必不可少的部分，除了单片机本身一块集成快以外，还需要外部元件的支持，它才能工作。比如说各种显示光管和7段数码管，晶振端的晶振和各种接口电路中。
虽然如此，但它仍优于传统的模式电路。用单片机系统,简化电脑设计，外围元件少，功能多，故障少。所谓软件是指各种程序，如同人大脑的思想它是实现各种功能的工具，比方说用单片机设计多花样的彩灯，用传统的方式只有1-4种，而用单片机，通过程序设计出来的花样可达20-100多种。
单片机的品种非常多，接着用途分共有两大类。分为专用型和非专用型(通用型)，专用型是为某一特定的设备研制的，遥控彩电的发射和接受系统的是为它量身定做的。通用型可以设计成各种应用我们生活的设备，这类可以说品种繁多，它可以应用各种行业。
2
毕业论文
2.2单片机的特点
（1）片内存储容量较小
原因是受集成度的限制。ROM一般小于8KB，RAM一般小于256B，但可以在外部扩展。通常ROM，RAM可分别扩展至64KB。
（2）可靠性高
因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机。系统软件（如：程序指令，常数，表格）固化在ROM中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。
（3）便于扩展:
计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的（总线，并行和串行的输入/出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。
（4）控制功能强的控制指令
如：条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令，
（5）实用性好
体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。
2.3单片机的种类
（1）ATMEL公司的AVR单片机；
（2）Motorola单片机；
（3）MicroChip单片机；
（4）MDT20XX系列单片机 ；
（5）Scenix单片机；
（6）EPSON单片机；
（7）东芝单片机；
（8）8051单片机；
（9）华邦单片机；
（10）Zilog单片机；
（11）NS单片机。
1
毕业论文
2.4单片机应用领域
单片机应用领域：
（1）用图象传感器测量线才系统 ；
（2）卫星电视的串口模拟SPI、I2C的应用，如雷达录取的数据传送；
（3）直接与AD芯片配合进行各种数据传感器配合；
（4）利用单片机与PC机的232通讯进行控制，单片机为控制对象；
（5）通过IC卡、单片机、PC机构成的各种收费系统；
（6）通过单片机控制各种步进电机完成工控任务系统 ；
（7）通过单片机控制各种电慈设备完成工控任务系统（如程控交换系统）；
（8）可应用在电机的变频技术上的控制领域中；
（9）各种测量工具如水位尺，它在水文上的应用很普及；
（10）大型指针钟控制器，主要根据时间控制电机带动指针；
（11）电子配料控制仪，基于小型生产的自动或半自动控制，如控制上料、搅拌等 ；
（12）用定时器和捕获功能进行某一系统的检测。可提供报警、控制等。如水位控制、温度控制，全自动洗衣机等；
（13）电子称重计；
（14）教学用仪器、医疗仪器；
（15）由单片机构成的霓虹灯控制器；
（16）在刚的热处理中采用热磁仪测量；
（17）各种金属探伤仪器；
（18）矿山生产智能监测仪；
（19）煤矿的产煤计数器；
（20）汽车安全系统 ；
（21）智能玩具 ；
（22）用超声波测量江河水位 ；
（23）交流电监测仪 ；
（24）消防系统报警监测仪 ；
（25）各类水表、电表 。
总之，单片机技术使用范围广，在各种仪器仪表生产单位、石油、化工，纺织、机械的加工等各个行业中都有广泛的应用.
1
水位报警器
2.5单片机89C51介绍
1.5.1概述
该系列单片机是采用高性能的静态80C51设计。由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash 程序存储器全部支持12时钟和6时钟操作。
P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2分别包含128字节和256字节RAM、32条I/O口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O 口（可用于多机通信、I/O 扩展或全双工UART）以及片内振荡器和时钟电路。
此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围（频率可降至0）。可实现两个由软件选择的节电模式空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结CPU，但RAM、定时器、串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存RAM的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。运行可从时钟停止处恢复。
1.5.2特性
（1）80C51核心处理单元
4k字节FLASH 89C51X2；
8k字节FLASH 89C52X2；
16k字节FLASH 89C54X2；
32k字节FLASH 89C58X2；
128字节RAM 89C51X2；
256字节RAM 89C52X2/54X2/58X2；
布尔处理器；
全静态操作；
（2）12时钟操作可选6个时钟通过软件或并行编程器
（3）存储器寻址范围
64K字节ROM和64K字节RAM
（4）电源控制模式
―时钟可停止和恢复
―空闲模式
―掉电模式
（5）两个工作频率范围
6时钟模式时为0到20MHz
12时钟模式时为0到33MHz
（6）LQFP, PLCC或DIP封装
（7）扩展温度范围
2
毕业论文
（8）双数据指针
（9）3个加密位
（10）4个中断优先级
（11）6个中断源
（12）4个8位I/O口
（13）全双工增强型UART
―帧数据错误检测
―自动地址识别
（14）3个16位定时/计数器T0 T1标准80C51和增加的T2捕获和比较
（15）可编程时钟输出
（16）异步端口复位
（17）低EMI (禁止ALE以及6时钟模式)
（18）掉电模式可通过外部中断唤醒
图2.1 CPU框图
3
水位报警器
2.6本章小结
本章介绍了单片机的基本原理和本论文用到的芯片89C51，可以说单片机以其独特的特点广泛应用与各个领域。
第3章 压力传感器
3.1压力传感器简介
微机电系统(MEMS)是在微电子相关技术基础上发展起来的一门多学科交叉前沿学科，它采用半导体工艺技术，把微机械结构和电路集成在一起，具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点。微传感器是最早开始研制的微机电器件，也是微机电技术中相对最成熟、最早开始产业化的产品。
微压力传感器在整个MEMS行业，无论是设计研究，还是产业应用中都占主要地位。就其传感原理来说，微压阻式、微电容式、微谐振式是当今微压力传感器的3种最常见的形式。其中，微压阻式结构最简单，制作工艺及步骤也最容易，缺点是其相关性能不如其他两种好。
3.2压阻式压力传感器原理
对于金属或半导体材料，若沿它的某一晶面加以压力或拉力时，其晶格内部将产生畸变，这一畸变将导致晶体内部能级构造的变化，进一步导致载流子相对能量的改变，从而引起晶体固有电阻率的变化。这种现象就是物理学上的压阻效应。
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下
l式表示： R s
式中： ρ——金属导体的电阻率（cm2/m）
s—导体的截面积（cm2）
l—导体的长度（m）
4
毕业论文
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。
电阻应变片
圆形金属筒
压力使得圆形金属筒以及电阻应变片变形，从而使电阻应变片的电阻值产生变化。
5
水位报警器
V1
B
电桥失去平衡，AB之间产生微小电位差：
微小电位差经放大器放大，在仪表上显示的同时，由自控系统处理后进行螺杆转速调控。
压阻式压力传感器的工作原理及特点：
6
毕业论文
压阻式压力传感器是基于单晶硅的压阻效应而工作的。当压力变化时,单晶硅产生应变,使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化,再由桥式电路获得相应的电压输出信号。它的特点是精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单等。更可适应于恶劣的环境条件下工作,便于实现显示数字化。
第4章A/ D转换器TLC2543
4.1A/ D转换器TLC2543
具有11个输入端的12位模数转换器TLC2543是美国德州仪器公司于近几年推出的一种性能价格比较优的12位A/ D转换芯片,具有多种封装形式,并具有民用级、工业级、军用级产品。在产品型号、规格、封装形式、适用范围等方面,已形成一个系列。一九九八年以来开始在我国推广使用。就12位A/ D转换器来说, TCL2543 具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简捷、价格低等优点,相信在我国单片机应用领域将会很快推广。鉴于51系列单片机是我国单片机应用领域的主流型号,一批与之兼容的单片机(如AT89C51、GMS97C51等) 于近几年相继推广使用,51系列术语含义可以扩大,我们可以把与51系列兼容的单片机称为广义51系列或51系列兼容机,以下统一使用51系列术语。可以预计,51系列单片机的开发应用,在我国的单片机应用领域仍将是主导地位,因此,探讨TLC2543与51系列单片机接口具有实际意义。但是, TLC2543与带有串行外设接口( S PI , Serial Peripheral Interf ace)的微处理器易于接口,而51系列单片机不具有SPI ,因此必须用软件合成S PI 的操作。结合实际应用TLC2543 的体会, 从应用角度出发, 介绍了TLC2543的基本结构与编程要点, 给出了TLC2543与51系列单片机的接口电路以及A/D采集程序设计实例,同时讨论了TLC2543应用中一些应注意的问题。
4.1.1TLC2543 的引脚及功能
TLC2543是12位开关电容逐次逼近模数转换器,有多封装种形式,其中DB、DW或N 封装的管脚图见下图。TLC2543有20根引脚,其它封装形式引脚数及引脚功能相同。引脚的功能简要分类说明如下：
(1)电源引脚
7
水位报警器
Vcc ,20脚:正电源端,一般接+ 5V。GND ,10脚:地。
REF + ,14脚:正基准电压端,一般接+5V 。
REF - ,13 脚:负基准电压端,一般接地。
(2) 控制引脚
CS ,15 脚:片选端, 由高到低有效, 由外部输入。
EOC ,19 脚:转换结束端,向外部输出。
I/ O CLOCK,18 脚:控制输入输出的时钟,由外部输入。
(3) 模拟输入引脚
AIN0～AIN10 ,1 ～ 9脚、11～12脚:11路模拟输入端,输入电压范围:0. 3V～Vcc +0.3V 。
(4) 控制字输入引脚
DATA TN PUT ,17脚:控制字输入端,选择通道及输出数据格式的控制字由此输入。
(5) 转换数据输出引脚
DATA OUT ,16 脚:A/ D 转换结果输出的3 态串行输出端。
图4.1 TLC2543管脚图
4.1.2 TLC2543的编程要点
（1）控制字的格式
控制字为从DATA IN PUT 端串行输入TLC2543 芯片内部的8 位数据, 8
毕业论文
它告诉TLC2543 要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。其中高4 位( D7 ～ D4) 决定通道号,对于0 通道至10 通道,该4 位分别为0000、0001、⋯、1010 ,该4 位为其它数字时的功能,用于检测校正,本文不作具体介绍。低4 位决定输出数据长度及格式, 其中D3、D2 决定输出数据长度, TLC2543 的输出数据长度有8 位、12 位、16 位,但由于TLC2543 为12 位A/ D转换芯片,经过分析可以看出,8 位、16 位输出对TLC2543 的应用意义不大, 宜定在12 位输出, D3、D2 两位为00 即可。D1 决定输出数据是高位先送出,还是低位先送出,若为高位先送出,该位为0 ,反之为1。D0 决定输出数据是单极性(二进制) 还是双极性(2 的补码) ,若为单极性,该位为0 ,反之为1。
举例说明:设采集第6 通道、输出数据为12 位、高位先送出、输出数据的格式为二进制,则控制字为:0110 0000 ,用十六进制表示即为60 H,本文基于此格式说明转换过程。
（2）TLC2543 的内部寄存器
从编程角度看, TLC2543 内部寄存器有输入数据寄存器与输出数据寄存器。输入数据寄存器存放从DATA IN PUT 端移入的控制字。输出数据寄存器存放转换好的数据, 以供从DATA OUT 端移出。
（3）转换过程
上电后,片选CS 必须从高到低,才能开始一次工作周期,此时EOC 为高,输入数据寄存器被置为0 ,输出数据寄存器的内容是随机的。
开始时,片选CS 为高, I/ O CLOCK、DATA IN PUT 被禁止, DATA OUT 呈高阻状态, EOC为高。使CS 变低, I/ O CLOCK、DATA IN PUT 使能, DATA OUT 脱离高阻状态。12 个时钟信号从I/ O CLOCK端依次加入,随着时钟信号的加入,控制字从DATA INPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543 (高位先送入) , 同时上一周期转换的A/ D 数据, 即输出数据寄存器中的数据从DATA OUT 一位一位地移出。TLC2543 收到第4 个时钟信号后,通道号也已收到,因此,此时TLC2543 开始对选定通道的模拟量进行采样,并保持到第12 个时钟的下降沿。在第12 个时钟下降沿, EOC 变低,开始对本次采样的模拟量进行A/ D 转换,转换时间约需10μs ,转转完成EOC 变高,转转的数据在输出数据寄存器中, 待下一个工作周期输出。此后,可以进行新的工作周期。
4.2TLC2543与51系列单片机接口
目前使用的51系列单片机没有S PI或相同的接口能力,为了与TLC2543接口,可以根据上节所给出的编程要点, 利用软件合成S PI 操作,
9
水位报警器
完成A/ D 数据的采集。下图给出了TLC2543与51系列接口的一种方式。图中TLC2543 与单片机之间只用4 根线,转换结束EOF未接入单片机,这是基于二个工作周期之间的单片机指令一般大于10μs ,转换已经完成,不必判断EOF ,也可以通过试验或计算指令执行时间确定转换是否结束, 这样可以省去一根接线。下一节将根据此电路进行A/ D 采集程序的设计。 为了使电路简捷,有关电源、参考电压、去耦等电路未画出。
图4.2 TLC2543与51系列单片机接口电路
10
毕业论文
4.3数据采集程序设计
根据TLC2543 的工作原理电路,可以进行A/ D采集程序的设计。设TLC2543工作于输出数据为12位、高位先送出、输出数据为二进制的格式,这样控制字的高4 位为通道号,低4 位均为0。以下是采集一个通道的TLC2543A/ D 转换子程序
AD12： NOP
NOP
NOP
CLR P1.5
SET P1.4
NOP
CLR P1.4
MOV A，R1
SWAP A
MOV R2，#08H
AD1： MOV C，P1.7
RLC A
MOV P1.6，C
SETB P1.5
CLR P1.5
DJNZ R2，AD1
MOV @R0,A
MOV A,R1
SWAP A
MOV R2,#04H
AD2: MOV C, P1.7
RLC A
MOV P1.6 C
SETB P1.5
CLR P1.5
DJNZ R2,AD2
INC R0
MOV @R0,A
SETB P1.4
RET
11
水位报警器
以下是利用上述子程度采集0通道数据放入内存21H、22H,采集1通道数据放入内存23H、24 H的主程序。注意其中调用了三次子程序,而第一次调用取出的数据是随机数。
CJDZ:NOP
NOP
MOV R1,#00H
MOV R0,#21H
LCALL AD12
NOP
MOV R1,#01H
MOV R0,#21H
LCALL AD12
NOP
MOV R1,#00H
MOV R0,#23H
LCALL AD12
RET
4.4应用TLC2543 应注意的几个问题
在TLC2543 的应用中,以下几个问题值得注意：
（1）硬件设计中, EOC引脚是否连接问题。EOC引脚由高变低是在第12个时钟的下降沿，它标志TLC2543开始对本次采样的模拟量进行A/ D转换,转换完成后EOC 变高，标志转换结束。从理论上讲，应该通过EOC ，判断是否可以进行新的周期以便从TLC2543中取出已转换的A/D数据，但是，正如前面介绍， TLC2543的一次A/ D转换时间约为10μs，而一般情况下，一个工作周期后，单片机的后续处理工作已大于10μs，因此，除非特别需要,一般可以不接EOC。
（2）一个输入输出工作周期为12个时钟信号，随这12个时钟信号的进入， TLC2543的DATA OUT引脚送出的12 位数，为上一个工作周期的A/ D转换数据，而这一数据是何通道的采集量,取决于上一工作周期从DATA INPUT引脚送入TLC2543的控制字的前四位。那么对于系统上电后第一个工作周期,从DATA OUT 取出的数据是没有意义的。
（3）控制字的低4位决定输出数据长度及格式,初始设定后，一般不要在运行过程中改变,以免数据混乱。而在工作周期循环,若累加器A中数据没有处理好，容易把非法的控制字带入TLC2543，引起输出数据格式错误， 12
毕业论文
这一点，应予特别注意。
514CS端控制着TLC2543的转换初始化与输入输出。本文中CS端控制转换过程，CS 在输入输出数据过程必须保持为低，即在输入12个时钟信号期间CS 必须保持0。之后，CS 端被置高，以便使CS由高到低的变化，而产生下一工作周期。CS端被置高时，与TLC2543相联的其它三线，呈高阻状态，可为其它线路使用，硬件设计时，可设计为共享线路，软件编程时，根据CS情况决定谁使用这些线路。
（4）对于转换结果用二进制方式输出，当输入电压等于VREF+时，转换结果为12个“1”，即(1111 1111 1111) ，当输入电压等于VREF- 时，转换结果为12个“0”，即(0000 0000 0000) ，当输入电压等于( VREF+ + VREF- ) / 2时，转换结果为(1000 0000 0000)，供校正参考。12位采集数据，对于8位单片机，分放在两个内存地址中，若是向微机系统传送，可以直接发送，由微机系统计算。若是自身使用，计算合成后，仍需放两个地址。
4.5本章小结
本章介绍了TLC2543的基本结构与编程要点, 给出了TLC2543与51系列单片机的接口电路以及A/ D采集程序设计实例,同时讨论了TLC2543应用中一些应注意的问题。
第5章系统设计
5.1系统设计思路
为了达到报警的需求，只需在危险水位附近安上压力传感器，水一到危险水位就传导出电流，附近就由传感器组传导电流即模拟信号给数据采集系统中，通过A/D转换成数字信号给单片机的控制系统，控制系统即可将次危险信号通过无线发射机发送给控制中心的计算机上，这样就可以远程知道水位到了危险水位，这样就可以达到报警的要求。
13
水位报警器
5.2系统设计框图
图5.1 系统遥测站
图5.2 系统中心站
系统由系统遥测站和系统中心站两部分组成。系统遥测站主要完成对水位信号的采集、存储，接收遥控指令并发送数据。系统中心站的主要工作是接收数据信息、进行数据处理和数据管理、传输到计算机显示水位信息等。
此报警系统就是利用单片机实时将水位信息通过无线传输发送到主机上，通过主机即可了解水位信息，当水位达到危险水位时即可达到报警的目的。
5.3系统硬件设计
感应水位计可以采用压力传感器，利用水的压力产生信号即电流给传感器，将电流送入A/D转换单元。可选用TI公司的12位串行模数转换器TLC2543，其价格适中，分辨率较高，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。而且采用的是串行输入结构，能大大节省51系列单片机的I/O资源，以便于系统以后的扩展升级。
其特点为：12位分辨率A/D转换器；在工作温度范围内10us转换时间；11个模拟输入通道；3路内置自测试方式；采样率为66kb/s；线形误差±1LSBmax；有转换结束输出EOC；具有单、双极性输出；可编程的MSB或LSB前导；可编程输出数据长度。
而单片机的控制系统中的单片机可选用Atmel公司的AT89C51单片机，它是一种低功耗、高性能的、片内含有4KB Flash ROM的8位CMOS单片机，工作电压范围为2.7～6V（实际使用+5V供电），8位数据总线。 14
毕业论文
它有一个可编程的全双工串行通信接口，能同时进行串行发送和执着收。通过RXD引脚（串行数据接收端）和TXD引脚（串行数据发送端）与外界进行通信。
其特点为：工作频率0~24MHz；2个标准16位定时/计数器；可编程I/O口线32条，中断源5个；4K字节快闪ROM，128字节RAM；工作电压2.7~6V，编程电压12V/5V；可电擦写1000次；40引脚，DIP封装。
再利用AT89C51控制系统将信号串行输出给发射单元，再经过无线传输到主控中心达到报警效果。
5.4系统软件设计
本系统的软件程序主要包括数据采集子程序和数据传输子程序。
串行输入输出的数模转换器，在编程时要特别注意TLC2543的工作时序。其I/O CLOCK引脚接受串行输入信号，在I/O CLOCK的前8个上升沿，DIN引脚的8位输入数据存入数据寄存器；在I/O CLOCK的第4个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到I/O CLOCK的最后一个下降沿为止；将前一次转换数据的其余11位输出到DATA OUT端，在I/O CLOCK的下降沿时，数据开始变化，I/O CLOCK的最后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位。因此，TLC2543在每次I/O周期读取到的数据，都是上次转换结果，应该丢弃，就再读一次，就为当前转换值。
15
水位报警器
图 5.3 数据采集子程序流程图
单片机的数据传输子程序的功能是将单片机通过TLC2543采集到的数据通过单片机的串行口以一个固定的波特率发送到调制器再通过发射机发送出去。
16
毕业论文
图5.4 单片机数据发送子程序
17
水位报警器
图5.5 硬件设计电路
18
毕业论文
致 谢
经过半年的准备，在论文完成之际，首先要感谢尊敬的教授，本论文的顺利完成与他们的谆谆教导和悉心启迪是分不开的。他们严谨的治学态度、渊博的学术知识、孜孜不倦的敬业精神和平易近人的态度，给我留下了深刻的印象，并且将不断的激励我奋发向上。在此，对他们的教导和关心表示衷心地感谢！
感谢寝室及班上的同学，在我遇到问题的时候，他们给了我很多的鼓励，我永远难忘那些我们在一起共同学习、共同奋斗过的时光。
此外，我要感谢我的家人，是你们无微不至的关心和照顾，支持着我的每一步人生历程，我要用自己的毕生所学来回报你们。
最后，对大学四年来所有在学业上和生活中给予我帮助和关心的人们致以诚挚的谢意，对培养我的母校表示深深的感谢！
参考文献
[1]何立民 《单片机应用技术选编》 北京航空航天出版社 1997年2月
[2]万福君 《单片微机原理、系统设计与开发应用》 中国科学技术大学出版社 1994年11月
[3]郭敬枢 《微机控制技术》 重庆大学出版社 1994年11月
[4]周立功单片机网 http://www.zlgmuc.com/
[5]陈杰、黄鸿 《传感器与检测技术》 高等教育出版社 2002年8月
19
水位报警器 附 录
图 6.0 硬件电路图
20