[導(dǎo)讀] 本文根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，主要提出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并論述設(shè)計(jì)原理詳細(xì)的論述了信號(hào)采集電路、LCD顯示電路，4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出電路、打印機(jī)電路、鍵盤電路和RS-232接口電路的設(shè)計(jì)思想。采用了一些抗干擾措施，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和測(cè)量精度。
1 引言
本系統(tǒng)主要用于對(duì)城市及工業(yè)排污水流量的監(jiān)測(cè)，為國(guó)家的宏觀管理提供信息。其主要技術(shù)參數(shù)和功能有：
① 水位測(cè)量范圍：0.030m~1000m，水位分辨率為0.001m；水位測(cè)量誤差：±0.003m；流量測(cè)量范圍：10 m3/h~1500 m3/h；流量測(cè)量誤差：±3%。
② 實(shí)時(shí)按小時(shí)存儲(chǔ)流量數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)時(shí)間為5個(gè)月；查詢和打印歷史數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)顯示實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；
③ 自動(dòng)顯示運(yùn)行狀態(tài)和操作信息；
④ 通過(guò)鍵盤操作，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘和巴歇爾槽的類型。
⑤ 提供RS~232接口功能；輸出4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的組成
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖略，可向作者索取。單片機(jī)使用AT89C55WD，該芯片的主要特點(diǎn)是內(nèi)部集成ROM為20K字節(jié)，其它性能與52系列相同。這樣既免去外部ROM的擴(kuò)展，又提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。74LS373作為地址鎖存器，將單片機(jī)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的三總線結(jié)構(gòu)。74LS244驅(qū)動(dòng)器用于提高單片機(jī)控制信號(hào)的帶載能力，以提高系統(tǒng)工作的可靠性。74LS138譯碼器的高電平使能端E3用P2.7控制，兩個(gè)低電平使能端E1、E2直接接地，C、B、A分別連接P2.6、P2.5、P2.4，這樣每個(gè)譯碼輸出信號(hào)控制的地址范圍為4K字節(jié)，共計(jì)32K字節(jié)且為高地址段、低32K字節(jié)的地址段被內(nèi)部帶有鋰電池的DS1320Y非易失性SRAM芯片占用，地址為0000H ~ 7FFFH。主要用于存放歷史數(shù)據(jù)，作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和C51高級(jí)語(yǔ)言的運(yùn)行環(huán)境。它的片選信號(hào)直接接地，即默認(rèn)為P2.7為低電平時(shí)選通，這樣可減少連線和發(fā)生故障的概率。
3 主要模塊功能及其設(shè)計(jì)
3.1 信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路
調(diào)理電路是將壓差傳感器輸出的微弱電壓信號(hào)經(jīng)放大后，再經(jīng)具有調(diào)零、調(diào)滿的后級(jí)放大電路，通過(guò)低通濾波器輸出0~5V 的電壓信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換電路MAX197進(jìn)行采集，由單片機(jī)檢測(cè)并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。該電路應(yīng)用12位A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX197，共有8個(gè)模擬輸入通道，工作方式和通道號(hào)在同一字節(jié)寫(xiě)入芯片便可啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)為有效電平時(shí)，分別讀出低8位和高4位，數(shù)字化的值為0~4905，對(duì)應(yīng)著壓力即水的深度h為0~1000mm，將此值代入公式Q＝K×Hn，可計(jì)算出瞬時(shí)流量Q，式中K和指數(shù)n由用戶使用的巴歇爾槽的類型來(lái)確定。MAX197可編程芯片的工作方式在啟動(dòng)前可根據(jù)需要設(shè)置。
3 鍵盤電路和微型打印機(jī)電路
鍵盤接口電路使用8255可編程并行芯片，片選信號(hào)的地址為E000H，PA口連接的是操作鍵。PB口連接著功能鍵并用中斷的方式向系統(tǒng)反映用戶的擊鍵信息，它們通過(guò)中斷源擴(kuò)展電路合用單片機(jī)的同一中斷源，單片機(jī)響應(yīng)中斷后，利用查詢的方法再進(jìn)一步的識(shí)別具體的中斷源信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的操作。操作鍵是配合功能鍵使用的，在不同的功能鍵下完成不同的操作，以減少系統(tǒng)的空間占用和配線。中斷源擴(kuò)展電路是通過(guò)74LS08與門邏輯電路實(shí)現(xiàn)的。鍵盤防抖動(dòng)和防重復(fù)鍵是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的。
8255的PC口是連接微型打印機(jī)數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的接口電路，打印機(jī)的BUSY信號(hào)使用P14進(jìn)行查詢?cè)L問(wèn)，選通信號(hào)用P1.5控制。打印機(jī)的型號(hào)為WH4008A/T，每行點(diǎn)數(shù)為240，內(nèi)部配有全部字符集及所有國(guó)標(biāo)一、二級(jí)漢字。用戶可自選使用并行接口或串行接口，本系統(tǒng)選擇使用前者。它提供了眾多的打印機(jī)控制命令，有漢字的旋轉(zhuǎn)，放大，字間距調(diào)整，打印條形碼和圖形等，編程靈活方便。
3.3 液晶（LCD）顯示電路
系統(tǒng)使用SED1335彩色液晶顯示器，有效顯示點(diǎn)陣為320X240，顯示顏色為4色；內(nèi)藏字符發(fā)生器CGROM；可工作在文本顯示模式或圖形顯示模式；其最大特點(diǎn)是MPU訪問(wèn)SED1335不需判其“BUSY”，SED1335隨時(shí)準(zhǔn)備接收MPU的訪問(wèn)并在內(nèi)部時(shí)序下及時(shí)地把MPU發(fā)來(lái)的指令、數(shù)據(jù)傳輸就位。與單片機(jī)以總線的形式連接，主要信號(hào)有：片選信號(hào)地址為0xB000，8Bit數(shù)據(jù)線接P0口、寫(xiě)入控制線WR、數(shù)據(jù)/命令選擇信號(hào)線接A8。
3.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路
為節(jié)省系統(tǒng)的軟件開(kāi)銷，使其具有良好的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用硬件DS12887實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。DS12887是內(nèi)部帶有非遺失性RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘集成電路。24腳雙列直插封裝組件，在一個(gè)組件內(nèi)有石英晶體、鋰電池和一個(gè)集成電路。集成電路內(nèi)包括振蕩器、日歷時(shí)鐘、總線接口、寫(xiě)保護(hù)電路、計(jì)數(shù)器等部件，寄存器A、B、C、D以及114字節(jié)的用戶RAM。占用系統(tǒng)地址：0C000H0C00DH依次是秒、秒報(bào)警、分、分報(bào)警、時(shí)、時(shí)報(bào)警、周、日、月、年寄存器，A、B、C和D控制寄存器；0C00EH~0C07FH為用戶RAM區(qū)。
3.5 RS232接D電路
使用兩片MAX232集成電路芯片完成E1A 信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)與TTL信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換，該芯片使用單+5V電源供電，內(nèi)部具有電壓提升電路。避免了使用其它需用±（12~15）V供電的集成電路芯片所帶來(lái)的不便。提供與通信設(shè)備硬件握手信號(hào)R1、CD、DTR和RTS。
3.6 輸出4~20mA電路
電路結(jié)構(gòu)如圖1。兩片8位雙緩沖DAC0832數(shù)摸轉(zhuǎn)換芯片組成一個(gè)16位的DAC。輸出時(shí)先將數(shù)字信號(hào)的高8位輸出到DAC0832（1）輸人緩沖器，片選信號(hào)為CSH（地址9000H），這時(shí)輸出電流不發(fā)生變化。當(dāng)輸出數(shù)字信號(hào)低8位輸出時(shí)，片選信號(hào)CSL（地址A000H）使其進(jìn)入DAC0832（2）的輸入緩沖器，接著Xfer、WRZ信號(hào)有效使得輸出的16位數(shù)字信號(hào)進(jìn)入DAC0832（2）（1）的輸出緩沖器，輸出電流作相應(yīng)的變化。放大器A1是將DAC0832輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。調(diào)節(jié)電位器RW1使得DAC0832（1）的1LSB對(duì)輸出的貢獻(xiàn)是DAC832（2）的1LSB的256倍；放大器A2電路部分用于調(diào)節(jié)其輸出電壓的滿量程值，AD694的功能是將電壓信號(hào)0~2V（或0~10V）轉(zhuǎn)換為4~20mA（或0~20mA）電流信號(hào)。
4 系統(tǒng)的抗干擾措施
采用合理的接地技術(shù)先將數(shù)字地和模擬地分別連接并各集中于一點(diǎn)，最后兩者在同一點(diǎn)匯聚；對(duì)于PCB板的傳感器輸入信號(hào)處理電路部分使用鋪地技術(shù)；在軟件上使用數(shù)字濾波技術(shù)——平均值濾波法，以提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。
5 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)試、運(yùn)行，符合系統(tǒng)的技術(shù)要求，不久將投放市場(chǎng)。