基于單片機(jī)的土工布滲透率的智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

王 芳

(河南廣播電視大學(xué)，河南 鄭州 450008)

1 方案論證

此次設(shè)計(jì)主要是對(duì)數(shù)字電路，模擬電路和單片機(jī)的綜合運(yùn)用。其過程是檢測(cè)壓力，模數(shù)轉(zhuǎn)換，顯示壓力。檢測(cè)壓力時(shí)的信號(hào)是模擬量，需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字量才能用數(shù)碼管來顯示，其工藝流程如圖所示。

下面是對(duì)此次設(shè)計(jì)方案的描述及論證：

第一部分檢測(cè)壓力：檢測(cè)壓力是由傳感器感應(yīng)并送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。壓力傳感器是檢測(cè)氣體，液體，固體等所有物質(zhì)間作用能量的總稱。

第二部分模數(shù)轉(zhuǎn)換：由于模擬信號(hào)在時(shí)間和量值上是連續(xù)的無法用數(shù)碼管顯示。因此我們要把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。這就需要用到轉(zhuǎn)換器在選用轉(zhuǎn)換器時(shí)根據(jù)需要，選用了逐漸逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809。

第三部分顯示：轉(zhuǎn)換器通過單片機(jī)與數(shù)碼管相聯(lián)，單片機(jī)我選用了80C51。和8031相比，80C51在片內(nèi)有4KB ROM存儲(chǔ)器，當(dāng)其不夠時(shí)，還可以在擴(kuò)展。

在實(shí)際運(yùn)用過程中因?yàn)?051端口不夠用，因此需要擴(kuò)展端口。根據(jù)需要和實(shí)際情況在擴(kuò)展端口。選用了一種連接十分簡(jiǎn)單，并不需要鎖存器的有鎖存功能的8155與單片機(jī)相連。

LED顯示器的選擇LED發(fā)光二極管顯示器是一種當(dāng)外加電壓加在發(fā)光二極管上可產(chǎn)生可見光的器件，具有體積小、重量輕、工作電壓低、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間短(一般不超過0.1us)、發(fā)光均勻、清晰、亮度高等優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，選擇3位共陽極LED顯示器。至此本次設(shè)計(jì)的方案已介紹結(jié)束。

2 工作原理

2.1 測(cè)試原理

該儀器的測(cè)試原理是：在規(guī)定的水力梯度和接觸材料條件下，改變法向壓力，測(cè)量在土工布及其有關(guān)產(chǎn)品平面內(nèi)的水流量?jī)x器應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試要求?；趩纹瑱C(jī)的土工布滲透率控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定出基于單片機(jī)的土工布控制系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)方法，包括儀器主體的設(shè)計(jì)和控制，按照平面內(nèi)水流量的測(cè)定方法工藝要求，確定控制系統(tǒng)的電路硬件設(shè)計(jì)等。

2.2 儀器硬件的組成及主要技術(shù)特征

本儀器由兩大部分組成透水儀主機(jī)部分和智能測(cè)試裝置。透水儀主機(jī)包括進(jìn)水槽、出水槽、試樣框、集水器、加壓部分和箱體等。智能測(cè)試裝置以MCS—51系列單片機(jī)80C51為核心，配置有只讀存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器、8個(gè)功能鍵按鈕、3位LED數(shù)字顯示板等，可以對(duì)土工布的測(cè)試狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定(梯度、試樣數(shù))，對(duì)壓力、集水時(shí)間、試樣厚度進(jìn)行測(cè)定，具有數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算處理功能，并能對(duì)壓力、厚度、集水時(shí)間、水力梯度有選擇地進(jìn)行數(shù)字顯示，水滿信號(hào)來時(shí)，能測(cè)試滲透率結(jié)果。土工布?jí)毫z測(cè)環(huán)節(jié)采用應(yīng)變式壓力傳感器，厚度采用差動(dòng)位移傳感器。因信號(hào)微弱易受干擾，采集時(shí)進(jìn)行了濾波、放大處理后送入A/D轉(zhuǎn)換器。同時(shí)軟件設(shè)計(jì)了抗干擾程序，減小了測(cè)量誤差。由于測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，為避免因停電造成數(shù)據(jù)丟失，設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)及鋰電池供電電路。掉電時(shí)使測(cè)試狀態(tài)數(shù)據(jù)保存在耗電極小的81C55內(nèi)的RAM中，提高了測(cè)試的可靠性。由于采用微機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集和計(jì)時(shí)，不需要人為干預(yù)，能自動(dòng)地測(cè)試，從根本上避免了人為因素的影響，實(shí)現(xiàn)了智能化。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 80C51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介與特點(diǎn)

單片機(jī)的概念：據(jù)有運(yùn)算，控制，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等功能并用智能化產(chǎn)品的芯片簡(jiǎn)稱為單片機(jī)，又稱為微處理器。

(1)運(yùn)算器。運(yùn)算器以算術(shù)邏輯單元ALU為核心，加上累加器ACC、暫存寄存器TMP和程序狀態(tài)字寄存器PSW等所組成

(2)控制器。控制器包括程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器、指令譯碼器、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP、緩沖器以及定時(shí)與控制電路等。

(3)存儲(chǔ)器。外部程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展一般采用EPROM、EEPROM芯片。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展通常使用的典型器件有半導(dǎo)體靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM、EEPROM和Flash ROM存儲(chǔ)器芯片。

3.2 量的輸入輸出

量的輸入輸出：被控對(duì)象的一些開關(guān)狀態(tài)可以經(jīng)過開關(guān)兩輸入輸入到單片機(jī)系統(tǒng)，如電磁鐵的吸和斷開，電器的啟動(dòng)于停止，但這些開關(guān)控制量一般都不能直接接入單片機(jī)。單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，被測(cè)試對(duì)象信號(hào)的隔離對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作具有重要作用。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換部分

本部分采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809芯片。ADC0809是一種典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。8路模擬量開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，地址鎖存與譯碼電路完成對(duì)ADDA、ADDB和ADDC三個(gè)地址位的鎖存和譯碼，譯碼輸出用于8路模擬通道的選擇，三態(tài)輸出鎖存器用于存放和輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量。

3.4 I/O擴(kuò)展

擴(kuò)展I/O端口的方法主要有3種：一種用數(shù)據(jù)緩沖器或數(shù)據(jù)鎖存器構(gòu)成簡(jiǎn)單的并行I/O接口;另一種是利用專用芯片如8255或8155擴(kuò)展I/O接口;第三種是使用串行口同步移位寄存器方式擴(kuò)展I/O接口。本次是利用8155擴(kuò)展I/O接口。

3.5 LED顯示器接口

LED顯示器結(jié)構(gòu)上有兩種不同形式：一種是8個(gè)發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED顯示器;另一種是8個(gè)發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED顯示器。本次采共陰極LED顯示器

4 結(jié)束語

至此，基于單片機(jī)的土工布滲透率控制系統(tǒng)的硬件電路已設(shè)計(jì)完成。此次設(shè)計(jì)，器件的選擇與比較，控制系統(tǒng)制作以及電路的設(shè)計(jì)與連接等，都是經(jīng)過參閱資料和多次實(shí)驗(yàn)連接完成。系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)土工布平面水流量壓力指標(biāo)和時(shí)間的測(cè)試。此次設(shè)計(jì)存在很多不足，有待進(jìn)行改正。

［1］徐惠民，安德寧。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理，接口應(yīng)用。［M］北京：北京郵電大學(xué)出版社，2003年