基于89C51单片机的传感器水位测量系统基于89C51单片机的传感器水位测量系统 摘 要 本文简要介绍了利用单片机和传感器进行水位测量的基本原理，本课题的任务就是利用振弦式压力传感器测量水位，用单片机组成智能测量装置，实现水位的智能监测，并将采集的数据汇总、处理。然后对本系统的工作原理、智能监测方法、要求实现的功能、监测系统的组成和硬件线路设计作了详细的讲解。在结合装置具体要求的基础上，确定了以8051单片机为核心，用振弦式传感器测量共振频率以计算水位的设计方案。 本文例举了智能测量装置的一个整体实现方案。包括硬件的连接以及软件的实现。在硬件的连接中具体的讲解了本设计主要采用的振弦式压力传感器的性能以及硬件的连接及各电路模块的主要功能。在软件的实现中具体的讲解了利用单片机可编程来实现水位测量的扫频和测频两部分，这包括了D/A转换，周期测量，频率计算等子程序。本文对采用传感器和单片机实现水位测量替代传统的人工方法做出了一定的探讨，并分析比较得出比较可行的实现方案。 关键词 单片机 ； 水位测量 ； 振弦式传感器 前 言 本课题探讨了水位测量技术的相关问题。水位测量在生产实际中是非常重要的。随着单片机和微机技术的不断发展，单片机技术已广泛应用于现代工业的各个行业。单片机具有体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，本设计采用单片机和传感器进行水位测量，通过充分利用单片机的控制功能和内部硬件功能，大大减少了外围电路的设计，而且测试精度、可靠性、稳定性大大提高，能方便的实现对整个采集过程及控制过程的自动化处理，本文首先对振弦式压力传感器的工作原理、工作方式、硬件电路的设计和软件部分的设计等方面做了详细的分析。最后在结合系统的具体要求的基础上，确定了硬件以89C51系列的8051为核心，选用了A/D转换芯片ICL8038进行模数转。在硬件设计上主要采用的振弦式压力传感器的性能以及硬件的连接及各电路模块的主要功能。在软件设计上我们同样采用了模块化设计的方法，按系统的功能划分为不同的子程序，用汇编语言实现了激振、信号的采集和处理、测量周期等功能子程序。采用子程序方便了程序的设计和调试，同样也方便了以后的功能的改进和增加。 第一章主要介绍了水位测量的历史及现状及方案论证，介绍了本设计的基本原理。第二章重点讲述了振弦式压力传感器的工作原理及其设计。在第三章详细讲了本设计的硬件系统，硬件电路的工作原理、本设计的扫频部分、测频部分及LCD显示电路和电源电路及系统抗干扰设计。第四章讲述了本系统的软件设计系统，D/A转换子程序、记数子程序、计算频率子程序、译码显示子程序。第五章对本设计作了总结。
1 绪 论 1.1水位测量的历史及现状 水位测量，是水文研究中很重要的一点，提到水文研究，许多人会联想到这是一个非常辛苦的工作，因为水文工作者需要到各个地方采集水文资料，包括水位。一开始，水位工作者只能通过人工的方法来测量，对于河道的情况水位工作者只能以询问经验丰富的老船工，甚至下水摸索来了解。然后，水位测量工作开始用绳索坠物的方法，后来又出现了浮标测量法、电容式水位测量法、电阻应变片的压力感应法、超声波反射法水位测量法。在很多的坝区，因为水位和坝体的承受压力之间有着非常重要的关系，需要我们随时的监控水位，而且，上游的泥沙会堆积在坝底，水位是会改变的。我们就需要一个简单实用，成本较低的水位测量方法来随时测量水位值。随着科学的发展水位的检测方法也在变化，精度也有了更佳的提高。单片机技术和传感器技术的发展使水位测量方法得到了更进一步的发展。本文就振弦式压力传感器做了一定的讲解，利用了压力传感器的良好的测量特性进行了水位的测量装置的研究。 1.2 方案论证 水位测量在科学勘测中一直是一门比较重要的研究课程，在科学的发展史中，有过很多种的水位测量法，比如说：浮标测量法、超声波反射法，电容式水位测量法、电阻应变片的压力感应法等等 浮标测量法是根据漂浮在液面上的浮子（也称浮标）受到水的浮力作用．随水位的变化而产生位移来进行液位测量的，水位上升时浮球向上浮；水位下降时，浮球向下浮。其缺点是安装复杂，测量精度低，不可靠，经常出现浮子卡死不动和传感器堵塞导致测不准；维护工作量大，安装、调试不便，采集到的仅是模拟告警信号，不能直接进入电厂计算机监控系统。 电容式液位计：在容器内插入电极，当液位变化时，电极内部介质改变，电极间(或电极与容器壁之间)的电容也随之变化，该电容量的变化再转换成标准化的直流电信号。其精确度为±(0.5~1.5)%。电容式液位计具有以下优点：传感器无机械可动部分，结构简单、可靠；精确度高；检测端消耗电能小，动态响应快；维护方便，寿命长。缺点是被测液体的介电常数不稳定会引起较大的误差。 超声波反射法液位计的传感器由一对发射、接收换能器组成。发射换能器面对液面发射超声波脉冲，超声波脉冲从液面上反射回来，被接收换能器接收。根据发射至接收的时间可确定传感器与液面之间的距离，即可换算成液位。其精确度为±0.5%。这种液位计无机械可动部分，可靠性高，安装简单、方便，属于非接触测量，且不受液体的粘度、密度等影响，因此多用于药池、药罐、排泥水池等的液位测量。超声波反射法液位计目前所存在的缺点有一定的盲区，且价格较贵。 另外也采用频率计法，但由于需要采用模拟电路和数字电路技术，需要硬件多，电路复杂，稳定性差，测试精度、可靠性、稳定性均不能满足野外工程的需要。 为了克服上述的种种不足，本设计采用单片机和传感器进行水位测量，通过充分利用单片机的控制功能和内部硬件功能，大大减少了外围电路的设计，而且测试精度、可靠性、稳定性大大提高，能方便的实现对整个采集过程及控制过程的自动化处理，其基本原理为：通过振弦式压力传感器测量水位，用单片机组成智能测量装置，实现水位的智能监测，并将采集的数据汇总、处理，提供查询、报表输出，完成包括数据采集，数据处理，数据转换及显示、打印等软件功能，实现与其它计算机的通讯[1.2]。这是过去普通数字电路较难实现的功能。采用单片机技术，较好的完成了这一功能，提高了信号的采集精度，利用单片机控制端口实现各种硬件控制的功能。采用LCD液晶显示，功耗小。 1.3 本系统的设计原理 本设计系统基于单片机8051和振弦式传感器测量水位，用单片机组成智能监测电路，实现水位的智能监测。主要工作原理如下： 通过单片机和D/A转换芯片产生一锯齿波电压信号，放大后送入标准函数信号发生器ICL8038，使它产生相应的标准频率的扫频正弦波，用这个信号来激振振弦传感器[3]，当送入的波频率和传感器的频率共振时，传感器便被激励出相应的感应信号[4]，这个信号是个衰减的正弦波，该信号在经过过零比较器之后，将被整流成一个标准的方波，以这个方波的半个周期的两个上升或者下降沿为单片机P3.2输入，启动和停止计数器，计数器记下在这半个周期内的内部时钟的脉冲数[6-8]，内部时钟一个脉冲的固定周期为 1.4总体概况及展望 本系统的优点在于采用8051单片机对振弦传感器进行数据采集、分析处理、显示。具有电路结构简单，使用方便，显示可靠直观，抗干扰能力强等特点。系统软件采用51系列的汇编语言，采用模块化程序设计技术，软件使用维护方便，可靠性强。 可以相信，随着单片机和传感技术的日趋发展和成熟，在不久的将来，利用单片机技术开发出来的功能化仪器、仪表将会在各个领域得到更广泛的应用。 2 振弦式传感器 振弦式传感器由前苏联的达维金可夫发明,其核心元件是一根钢弦,钢弦的一端固定,另一端则固定在测量元件(受压膜片或测量端块)上.当受力后,钢弦长度将产生微小变化,引起固定频率的变化,从而测出物理量的数值[5.9]。振弦式频率传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好等优点；其输出为频率信号，便于远距离传输，可以直接与微机接口，因而获得广泛运用。振弦式传感器的一般工作原理是：振弦放置在磁场中，将振弦以一定方式激振，它在振动时会在拾振线圈中感应出电势U的频率就是振弦的固有频率，测得振弦的固有频率求出待测物理量（一般是压力）。振弦的激振方式一般按振弦的材料来选择，对于非磁性材料采用磁电法激振，对于磁性材料采用电磁法激振。振弦式频率传感器具有良好的测量特性。据资料介绍，它可以做到小于0．1﹪的非线性特、0．05％的灵敏度和小于0．1﹪的温度误差。此外，传感器的结构和测量电路都比较简单。因此，它已被广泛用于精密的压力测量领域中。 2.1 工作原理 振弦式传感器的工作原理可以用图2.1来说明。传感器是由一根放置在永久磁铁两极之间的金属弦、振弦和电路部分所组成。金属弦承受着拉力，并且根据不同的拉力大小和弦的不同长度有着不同的固有振动频率。因此改变拉力的大小可以得到相应的振弦固有振动频率 [5]。在图2.1b中，它可以等效为一个并联的LC回路。由于振弦的高Q值，电路只有在振弦的固有振动频率上才能满足振荡条件。因此，电路的输出信号频率就严格的控制在振弦的固有振动频率，而与作用力的大小有关。这样，就可以通过测量输出信号的频率来测量力或者压力等。 图2.1b中的R1、R2和场效应管组成负反馈网络，起着控制起振条件和振荡幅度的作用，而R1、R5。V和C支路控制场效应管的栅极电压，作为稳定输出信号幅值之用。 SHAPE \* MERGEFORMAT （a）
图2.1 振弦式压力传感器 a）结构示意图 b)电原理图 振弦在电路中可以等效为一个并联的LC回路。如图2.1a，一根有效长度为 F=B l 振弦在磁场中运动相当于电路中电容的作用，m为弦的质量，其等效电容为[9] C= 振弦的弹簧作用相当于电路中的电感，k为弦的横向刚度系数。其等效电感为[9] L= 2.2 振弦式传感器的设计 2.2.1 振弦 振弦是传感器变换系统中的重要部件，它将被测的作用力变换成横向振动频率。设计中主要考虑以下几个问题：弦的材料的选择、弦的紧固方法和弦的几何尺寸。 (1)弦的材料：对于弦的材料的选择，一般有以下几点要求。 ①材料的弹性后效、密度和电阻率要小。为了获得好的动态性能，高的灵敏度和品质因素； ②高的强度极限值，以保证可靠的工作； ③材料的膨胀系数和弹性模量的温度系数要小，或者与传感器弹性元件的温度系相接近，以提高传感器的温度稳定性； (2)弦的紧固方式[5]：振弦是在拉紧状态下工作的，因此振弦的两端必须固定。一端与固定的基座连接，另一端与弹性元件或可运动部件相连接。对弦的紧固要求是：工作点有可靠的、机械牢固的和电气绝缘的连接。紧固件的材料特性应与弦的物理特性近似，以避免温度变化时引起不应有的伸长和缩短。紧固材料要有坚韧性，因为太软则可能在弦振动时发生滑脱现象，太硬则可能损伤弦。紧固的方式应使操作方便，振弦上受力均匀，并便于调节初始应力。 2.2.2 激振装置 振弦振动有强迫振动、自由振动和自激振动三种方式。作为频率式传感器，我们将只讨论自激振动方式。图2.2画出了振弦传感器在自激振动状态下的两种激励方式的原理图[5]。
图2.2 振弦式传感器自激振动方式的原理图 a) 采用磁电式变换器 b) 采用电磁式变换器 已如前述，振弦在电路中可以等效为一个并联的LC回路，其参数可由式（2-2）和式（2-3）求得。式中的 2.3 结论 利用扫频激振技术实现激振单线圈振弦式传感器的新方法用于水位测量监测，具有硬件电路简单、起振迅速、测值可靠、自动化程度高的突出优点。 3 硬件系统设计 3.1 硬件系统设计原理 SHAPE \* MERGEFORMAT 图3.1 基于89C8051的水位测量装置的硬件系统框图 本设计系统基于单片机8051和振弦式传感器测量水位，用单片机组成智能 监测电路，实现水位的智能监测。主要工作原理如下： 通过单片机和D/A转换芯片产生一锯齿波电压信号，放大后送入标准函数信号发生器ICL8038，使它产生相应的标准频率的扫频正弦波，用这个信号来激振振弦传感器，当送入的波频率和传感器的频率共振时，传感器便被激励出相应的感应信号，这个信号是个衰减的正弦波，该信号在经过过零比较器之后，将被整流成一个标准的方波，以这个方波的半个周期的两个上升或者下降沿为单片机P3.2输入，启动和停止计数器，计数器记下在这半个周期内的内部时钟的脉冲数，内部时钟一个脉冲的固定周期为 这是该设计的硬件系统框图，其硬件子模块讲解如下。 3.2 直流稳压电源
选用串联型直流稳压电源的电路连接方式，在里面采用了三端集成稳压器W7805,输入电压为10V，输出电压为5V 。也可以采用W7800系列其他元件，元件的封装是一样的，仅以此电路为例。 最初的串联型直流稳压电路包含了采样电路、放大电路、基准电路、调整管四个功能部分，这些都包含在三端集成稳压器的内部电路中，另外加上了保护电路和启动电路[2]。 在W7800系列三端集成稳压电路中，将三种保护电路集成在芯片内部，它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。当输出电压比较高时，在输入端和输出端之间跨接一个保护二极管VD，其作用是在输入端短路时，使输出端电容通过二极管放电，以便保护集成稳压器内部的调整管。 3.3 传感器的选择 采用电磁法激振，输入为模拟信号，其输出为频率信号，感应出电势U的频率就是振弦的固有频率。它具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好等优点。 振弦式频率传感器具有良好的测量特性，可做到小于0．1﹪的非线性特性、0．05％的灵敏度和小于0．1﹪的温度误差。此外，传感器的结构和测量电路都比较简单。目前它已被广泛用于精密的压力测量领域中。 3.4 单片机8051
图3.3 AT89C51引脚图 关于51系列单片机不再作更多的介绍，有兴趣需要知道更多内容请看参考文献[3] 用该芯片的I/O口实现对附加电路的控制、采集信号等功能[11]。用片内的计数器作为技术单元对传感器的信号进行计数处理，并计算频率和存储，同时还具有显示和通信功能。 四个串行通信口基本上都将使用。采用11.0592MHZ的晶振，它能准确的设计出符合系列值的波特率，并且非常准确。 3 . 5 电子开关 采用的是CD4052 双4选1模拟开关 。
图3.4 Cd4052引脚图 3.6 函数信号发生部分 函数信号发生部分核心是单片集成电路ICL8038波形发生器，它联结少量外部元件就能够产生高精度的正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波。选择不同的外部电阻或电容，可得到0．001Hz到300kHz内的任何频率（或重复率）的信号，占空比范围为2％到98％，ICL8038还可以产生调频信号，频率调制和扫描可由一个外接电压来完成。即由外加的电压来控制8038的输出频率。 ICL8038内部采用肖特基势垒二极管和薄膜电阻[12]，使用先进的单片集成技术制造，因此其输出信号可以在很大的温度范围和电源变化范围内保持稳定，其正弦波输出信号的失真率可低到1％,三角波输出信号的线性失真可低到0.1％。ICL8038的温度漂移可低于250ppm/℃(每度250百万分之一)。
图3.5 8038的引脚图 引脚（1）和（12）为正弦波调整，引脚（2）为正弦波输出端，图3.5为8038的引脚图。引脚（3）为三角波输出端，引脚（4）和引脚（5）为占空比和频率调整端，引脚（6）为正电源输入端，引脚（7）为频率调整偏置电压的输出口，可输出一个与电源电压成比例的偏置信号，引脚（8）为频率调整信号的输入口，输入固定电压可得到某一单一频率，输入随时间变化的电压信号可在输出端得到调频信号，引脚（9）为方波脉冲波输出口，引脚（10）为定时电容的接入口，引脚（11）为负电源引入端，使用单电源时，此端接地。引脚（13）、（14）是空脚，不用做电气连接[12]。
图3.6 波形信号发生器 3 . 7 扫频部分 所谓扫频激振技术，就是用一个频率可以调节的信号去激励振弦传感器的激振线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦能迅速达到共振状态，可靠起振，振弦起振后，它在线圈中产生的感应电势的频率即是振弦的固有频率。由于激励信号的频率是容易用软件方便控制的，所以只要知道振弦固有频率的大致范围（一般来说，对一种已知的传感器其固有频率的大致范围是确定的），就用这个频率附近的激励信号去激发它，它就能使振弦很快起振，由图可看出，微机系统I/O口按照一定的频率（这个频率可以是传感器的固有频率初始值，也可以是上一次的测量值）产生激振信号（考虑一定的余度），通过光点隔离和基本功率放大电路放大后[13]，激振电流流过激振线圈，激振电流产生的交变磁场极力振弦振动，激振线圈通过的脉冲电流的频率由微机系统可以方便的调节[5.15]，也就是说，激振频率很有针对性。这种激振方法可控性好，特别是可以根据振弦固有频率的变化改变激振信号的频率，而改变激振频率是通过软件实现的，这是这种激振方法的突出优点，另外，所需硬件电路简单、功耗小、成本低。 SHAPE \* MERGEFORMAT 图3.7 扫频部分框图 3.7.1 信号采集 通过单片机计算和译码，将某一个固定频率的信号经过D/A转换，变成一个周期扫频信号，送入标准函数信号发生器ICL8038，使它产生一个标准频率的正弦波，用这个信号来激振振弦传感器，传感器激励出相应的感应信号，这个信号是个衰减的正弦波[12]，该信号在经过过零比较器之后，将被整流成一个标准的方波，以这个方波的半个周期的两个上升或者下降沿为单片机P3.2输入，启动和停止计数器，计数器记下在这半个周期内的内部时钟的脉冲数，然后得到传感器的输出信号的周期，从而得到相应的频率。 3.7.2 D/A转换器DAC0832 D/A转换器输入的是数字量，经转换后输出的是模拟量。有关D/A转换器的技术性能很多，如绝对精度、相对精度、线性度、输出电压范围、温度系数、输入数字代码种类（二进制或BCD码）等。对这些技术性能这里不详细说明，只介绍几个与接口有关的技术性能。 (1) 分辨率 分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。如果数字量的位数为n，则D/A转换器的分辨率为 (2) 建立时间 建立时间是描述D/A转换器速度快慢的一个参数，指从输入数字量被转换到输出达到终值误差 DAC0832是一个8位D/A转换器。单电源供电，从+5V～+15V均可正常工作。基准电压范围为±10V，电流建立时间为1 DAC0832转换器芯片为20引脚，双列直插式封装，其引脚排列如图3.8所示。
图3.8 DAC0832引脚图 (3) 0832的应用特性 0832是微处理器兼容性的D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制，故这种芯片有许多控制引脚，可以和微处理器的控制线相连，接受微处理器的控制，如ILE、 3.8 测频部分
图3.9 测频部分框图 放大整形电路由二级运算放大器，施密特触发器组成。 由传感器送来的衰减正弦波信号为mv级，且持续时间≤1s，因此，由二级运算放大器对其进行放大，放大后的信号经过施密特触发器，整形后得到一个标准方波信号，将该信号送至89C51的I/O口计数。 3.8.1 LCD显示电路 在本系统中，直接由单片机的串口控制LCD动态显示。用单片机的P1口作为段选输出，以P2口的P2.0～P2.3作为位选口，其中，P2.0口最右边的位选口，P2.3为最左边的位选口。在进入LCD显示器件之前，外接一个7406同相器作为输出缓冲单元，以期提高驱动能力。 LCD显示器件采用的是段位选则的动态扫描方式来逐位的显示的。由于所有4位段选线有一个I/O口控制，因此在每一瞬间，4位LCD会显示相同的字符。想要每位显示不同的字符，就必须采取扫描方法轮流点亮各位LCD[17]，即在每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制I/O口输出相应字符段选码（字型码），而位选择控制I/O口在该显示位送入选通电平，以保证该位显示相应字符[18]。如此轮流，使每位分时显示该位应显示字符。段位码、位选码每送入一次后延时1ms，因为人的视觉暂留时间为0.1s，所以每位
图3.10 LCD显示电路 显示的间隔不能超过20ms，并保持一段时间，已造成视觉暂留效果，给人看上去每个数码管总在亮。这种方式称为软件扫描。 3.9 系统抗干扰设计 系统的抗干扰性能是系统可靠性的重要指标，应用中的干扰一般都是以脉冲的形式进入微机，干扰窜入系统的渠道主要有三种，如图3.11所示，即空间干扰，通过电磁波辐射进入；过程通道干扰，通过与主机相连的通道进入；一般情况下，空间干扰在强度上远小于其他的两个渠道的干扰，而且可以用良好的屏蔽和正确的接地、高频滤波加以解决，故重点应该防止另外两种。这里重点讲一下供电系统干扰的预防。
图3.11 干扰来源 防止供电系统干扰，在转变直流电路之前接上交流稳压器，防止电源的过压和欠压。实际选用隔离变压器，在初级次级之间具有屏蔽层隔离，可以减少分布电容，抵抗共模干扰。采用分散独立的功能块供电，在系统功能模块上用三端稳压集成块7805组成稳压电源。每个功能模块单独对电压过载进行保护，不会因某块稳压电源故障而使整个系统破坏，减少了公共阻抗的互相耦合一级公共电源的耦合，提高了供电的可靠性，且有利于电源散热。 因为实际生产需要制成印刷电路板，去耦合抗干扰是很关键的一部分。对于我们的这个小系统，我选择了用去耦电容来抗干扰。这个在电路图中就是并联在+5V和GND之间的一排电容。
4 软件设计 4.1 总体设计 软件流程图如图4.1所示：
图4.1 软件系统流程图 先将程序初始化，这时候分为两个部分，分别完成激振和扫频两个部分的功能，由P1.0、P1.1控制模拟开关4052的工作状态。P1.0和P1.1都为零时，4052接通波形发生器和传感器，当D/A转换子程序执行结束之后，将P1.0、P1.1的输出改01，这时候，转换到传感器和运算放大器的连接，开始信号采集，利用前面的信号采集部分介绍的方法，我们将整流后的信号送入P3.2口，用高电平启动计数器开始计数，用低电平控制停止计数器计数[19]。完成一次计数之后，将计数的结果存在数据存储器中，然后执行计算子程序，计算子程序由双字节十六进制数和单字节十六进制数乘法程序和单字节二进制数和三字节十六进制数除法程序两部分组成，求得频率值[20]。将该值送显示，并且接受上位机的中断请求，发送给上位机作数据存储和处理。 然后返回，继续激振传感器，测量下一次频率，这样我们可以得到以本程序执行时间为间隔的各个时刻的水位值。 4.2 D/A转换子程序
图4.2 D/A转换子程序 先将P1.0、P1.1软件清零，然后找到P2.7口的入口地址，打通片选信号，选择0832，将00H值赋给寄存器R5，用MOVX @DPTR，A启动D/A转换，然后逐一增加R5值，比较R5和立即数FFH，不同则循环执行，输出不同电压幅值的电信号。直到R5的值达到FFH之后，激振完成[19]。也就是不同电压的信号进入波形发生器产生一段不同频率的信号送入了传感器，这其中某个频率正好和传感器的振弦频率相同，使振弦产生了激振[5.21]。振弦将震动一段时间，由于是阻尼振动，所以振弦产生的感生电动势是个衰减的正弦波。最后跳转执行下一个子程序。 4.3 计数子程序 首先需要把4052转换成信号输出的状态。这里做一下说明，芯片不用的时候，引脚没有接负载，处于悬空状态，这时候通常是高电平。所以当要求以低电平的状态来使用时，需要以软件来清零，否则就需要在硬件的设计中，下拉电位。初始化定时/计数器选择方式一，计数器清零，然后检测P3.2口，当有低电平时开定时器，P3.2变成高电平时，开始计数，P3.2变成低电平时，停止计数；关计数器。将TR0，TR1中的计数值送数据存储器保存，等计算子程序调用。
图 4.3 计数子程序 4.4 计算频率子程序 乘法子程序：在A中存放乘积的低八位，在B中存放乘积的高八位。最后将乘积的结果存放在50H、51H、52H三个存储单元中。得到的就是周期的值。因为一个单片机内部脉冲时间为2us，实际测量的为半个周期的脉冲个数[3]。为了得到一个周期的时间，就用脉冲数乘以2us，再乘以2，即是脉冲数乘以4。 MOV A, R1 ；取计数值低八位 MOV B, #04H ；将立即数放入B中 MUL AB ；执行乘法语句，A中存放乘积的低八位，B中存放乘积的高八位 MOV 51H, B ；高八位放在51H中，等待于后面的计算结果相加 MOV 50H, A ；低八位放在50H中 MOV A, R2 ；取计数值高八位 MOV B, #04H MUL AB ADD A, 51H ；高八位与4计算后的乘积的低八位放在A中，将它和51H中的值相加 MOV 51H, A ；然后再放入51H中，这时就是51H最后的值 ADDC A, #00H ；加上可能有的上一个加法运算中的进位 MOV 52H, B ； ADD A, 52H MOV 52H, A 考虑到单片机内部作除法比较复杂，我们直接将算得的周期时间显示在LCD上面。然后根据上位机的需要将周期值发送到上位机。在上位机中来完成水位和周期的曲线对应关系。 4.5 译码显示子程序 该子程序分为三个下一级别的子程序，分别是十六进制转换BCD码，拆送BCD码和最后的译码显示。 十六进制转换BCD码子程序：将十六进制转换BCD码，十六进制数存放在50H、51H、52H中四位值存放在50H,52H,54H,56H中。程序如下： HB2: CLR, A ；BCD码初始化 MOV 50H, A MOV 52H, A MOV 54H, A MOV 56H, A MOV R2, #10H ；十六进制转换十进制 HB3: MOV A, 52H ；最高端移出一位到CY中 RLC A MOV 52H, A MOV A, 51H RLC A MOV 51H, A MOV A,56H ；BCD码带进位自身相加 ADDC A，56H DA A ；十进制调整 MOV 56H, A MOV A, 54H ADDC A, 54H DA A MOV 54H, A MOV A, 52H ADDC A, 52H MOV 52H, A MOV A, 50H ADDC A, 50H MOV 50H, A DJNZ R2, HB3 RET 拆送子程序：我们为了将上一个的子程序里面的BCD码一个一个的分解出来，将50H里面的数取出来，放在累加器ACC中，并且用一个寄存器暂时保存。将A中与#0FH发生逻辑与运算，然后将得到的值存放在存储单元中，然后重新取出原来的数，将A取反。再与#0FH发生逻辑与运算，存放在另外一个存储单元中，这样，完成一次。然后将地址指针加一，如此反复，将所有的数都能提出来，可以等待以后的显示了[22.23]。 前面的BCD码存放在了50H、52H、54H、56H中，程序如下： CWORD: MOV DPTR, #0050H ；设数据地址指针 MOV R1, #00H ；设计数值 CWORD1: MOV A, @DPTR ；取50H中的值 MOV R2, A ；暂存在R2中 ANL A, #0FH ；逻辑与，取低八位 MOV @DPTR, A ；将低位存在50H中 MOV A, R2 ；再取出原来的值 SWAP A ；取反 ANL A, #0FH INC DPTR ；地址指针加一 MOV @DPTR, A ；将高位存在51H中 INC DPTR ；地址指针加一准备取下一个值 INC R1 ；循环一次 CJNZ R1, #04H, CWORD1 译码显示子程序：如图4.4先将数据转换的段选码首地址赋给指针。取拆解后的字符串的缓冲区首地址到R0，将首位位选字存在R1中。先将A置位，送P2口，LCD显示管将同时亮。把位选码送累加器，将为选码送P2口，将缓冲区的第一个字取出，取出相应的段选码。将段选码送P1口显示，调用延时子程序。显示完成后，取下一位，重新送一遍位选字，将位选字左移，从新送给R1，当显示完成则返回。
图 4.4 译码显示子程序 4.6 与上位机通讯子程序 选择定时串行口工作方式2，置允许接收，设数据块首地址，设置发送字节初值，启动定时器，开中断，将待发送数据送累加器，然后数据补偶，查程序状态字，将标志位送入C，然后送入TR8，因为是方式2，作为奇偶校验位，再送数据到发送缓冲区，等待外中断。
图 4.6 与上位机通讯子程序 检查接收中断标志位RI（SCON.0）,判断是否是接收口中断，高位则转接收应答信息，清接受中断标志，取出应答信息，若为正确，则转修改发送地址指针，修改字节数计数值。错误，则重新送数据然后重新补偶后发送。低位顺序执行，清发送中断标志位TI（SCON.1），因为是本机发送数据的中断请求。CPU响应后，再中断服务程序中应清中断标志。发送完当前数据跳至中断返回程序[3]。判别是否发送完8位数据，没有则跳至中断返回程序继续发送，全部发送完则关串行口中断，禁止发送。
5 总 结 这个振弦式压力传感器测量水位装置主要是对传感器的激振和数据采集，再通过上位机显示，利用单片机技术实现设备的智能化。在整个设计过程中，主要研究了如何把非电物理量转换为电压量，如何选择合适的D/A转换器，如何实现对键盘和显示LCD的控制，如何利用转换芯片实现与上位机的通讯，如何通过程序实现数据的转换等。 本设计采用单片机和传感器进行水位测量，充分利用单片机的控制功能和内部硬件功能，大大减少了外围电路的设计，而且测试精度、可靠性、稳定性大大提高，能方便的实现对整个采集过程及控制过程的自动化处理。 该设计通过振弦式压力传感器测量水位，用单片机组成智能测量装置，实现水位的智能监测，并将采集的数据汇总、处理，提供查询、报表输出，完成包括数据采集，数据处理，数据转换及显示、打印等软件功能，实现与其它计算机的通讯。这是过去普通数字电路较难实现的功能。采用单片机技术，较好的完成了这一功能，提高了信号的采集精度，利用单片机控制端口实现各种硬件控制的功能。采用LCD液晶显示，功耗小。 参考文献 [1] 余孟尝.数字电子技术基础简明教程（第二版）[M].北京：高等教育出版社,1999: [2] 杨素行.模拟电子技术基础简明教程（第二版）[M].北京：高等教育出版社, 1999 [3] 李朝青.单片机原理及接口技术（第三版）[M].北京：航空航天大学出版社,2005：133 [4] 白驹洐、雷小平。单片计算机及其应用[M].成都：成都电子科技大学出版社，1997：195~198 [5] 徐律、刘华.振弦式传感器信号采集及数据处理[J].工业安全与防尘,2000,1，52~58 [6] 赵淑青.English In Electronic Information And Communication 哈尔滨工业大学出版社.2003，3：236~237 [7] 李久胜.Academic English OF Electrical Automation.辽宁：哈尔滨工业大学出版社，2000，5:204~209 [8] 何立民.MCS51系列单片机应用系统设计[M].北京：航空航天大学出版社, 1990，6：41 [9] 金发庆.传感器技术与应用[M].北京：机械工业出版社,2003，5，139~146 [10]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用[M].北京：国防工业出版社,1999，183~190 [11] 何克忠.计算机控制系统分析与设计[M].北京：清华大学出版社，1988：289 [12]周云波.ICL8038扫频信号发生器[M].现代电子技术,2003，78~79 [13] 公茂法.单片机人机接口实例集[M].北京：航空航天大学出版社，1997，201~202 [14] 何立民.单片机应用技术选编[M].北京：航空航天大学出版社，1999： [15] 徐君毅.单片微型计算机原理及运用[M]. 上海：上海科学技术出版社,1988：254 [16] 李华.MCS51单片机实用接口技术[M].北京：航空航天大学出版社，1993：101 [17] 崔晓燕、张晓东.如何解决LCD应用中的一些难题[J].电子技术应用, 1999，9：56 [18]张敏瑞. 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The output signal has the different forms like the voltage, the electric current, the frequency, the pulse and so on, which can satisfy the signal transmission, processing, recording, demonstration and control demands. So it is the automatic detection system and in the automatic control industry. If automatic Technology is used wider, then sensor is more important. In information age, the information industry includs information gathering, transmission, process three parts, namely sensor technology, communication, computer technology. Because of ultra large scale integrated circuit’s rapid development after having been developed ,Modern computer technology and communication, not only requests sensor precision, reliability, speed of response and gain information content request more and more high, but also requests its cost to be inexpensive. The obvious traditional sensor is eliminated gradually because of the function, the characteristic, the volume, the cost and so on. As world develop many countries are speeding up to the sensor new technology’s research and the development, and all has obtained the enormous breakthrough. Now the sensor new technology development, mainly has following several aspects: Firstly, discovering and using. Using the physical phenomenon, the chemical reaction, the biological effect as the sensor principle therefore the researches which discovered the new phenomenon and the new effect are the sensor technological improving ways .it is importantstudies to develope new sensor’s the foundation. Japanese Sharp Corporation uses the superconductivity technology to develop successfully the high temperature superconductivity magnetic sensor and get the sensor technology significant breakthrough. Its sensitivity is so high and only inferior in the superconductivity quantum interference component. Its manufacture craft is far simpler than the superconductivity quantum interference component. May use in magnetism image formation technology.So it has the widespread promoted value. Using the immune body and the antigen meets one another compound when the electrode surface.It can cause the electrode potential change and use this phenomenon to be possible to generate the immunity sensor. The immunity sensor makes with this kind of immune body may to some organism in whether has this kind of anti- original work inspection. Like may inspect somebody with the hepatitis virus immune body whether contracts the hepatitis, plays to is fast, the accurate role. The US UC sixth branch has developped this kind of sensor. Secondly, using the new material. The sensor material is the important foundation for sensor technology, because the materials science is progressive and the people may make each kind of new sensor. For example making the temperature sensor with the high polymer thin film; The optical fiber can make the pressure, the current capacity, the temperature, the displacement and so on the many kinds of sensors; Making the pressure transmitter with the ceramics. The high polymer can become the proportion adsorption and the release hydrone along with the environment relative humidity size. The high polymer electricity lies between the constant to be small, the hydrone can enhance the polymer the coefficient of dielectrical loss. Making the capacitor the high polymer dielectric medium, determines the electric capacity capacity the change, then obtains the relative humidity. Making the plasma using this principle to gather the legitimate polystyrene film temperature sensor below, it has the characteristic: Measured the wet scope is wide; The temperature range is wide, may reach -400 ℃ ~ +1,500 ℃; The speed of response is quick, is smaller than 1S; The size is small, may use in the small space measuring wet; The temperature coefficient is small. The ceramic electric capacity type pressure transmitter is one kind does not have the intermediary fluid the dry type pressure transmitter. Uses the advanced ceramic technology, the heavy film electronic technology, its technical performance is stable, the year drifting quantity is smaller than 0.1%F.S, warm floats is smaller than ±0.15%/10K, anti- overloads strongly, may reach the measuring range several hundred times. The survey scope may from 0 to 60mpa. German E+H Corporation and the American Kavlio Corporation product is at the leading position. The optical fiber application is send the material significant breakthrough, its uses in most early the optical communication techniques. In the optical communication use discovered works as environmental condition change and so on the temperature, pressure, electric field, magnetic field, causes the fiber optic transmission light wave intensity, the phase, the frequency, change and so on the polarization condition, the survey light wave quantity change, may know causes these light wave physical quantity the and so on quantitative change temperature, pressure, electric field, magnetic field size, uses these principles to be possible to develop the optical fiber sensor. The optical fiber sensor and the traditional sensor compare has many characteristics: Sensitivity high, the structure simple, the volume small, anti-corrosive, the electric insulation good, the path of rays may be curving, be advantageous for the realization telemetering and so on. Optical fiber sensor Japan is in the advanced level. Like Idec Izumi Corporation and Sunx Corporation. The optical fiber send receiver and the integrated path of rays technology unify, accelerates the optical fiber sensor technology development. Will integrate the path of rays component to replace the original optics part and the passive light component, enable the optical fiber sensor to have the high band width, the low signal processing voltage, the reliability high, the cost will be low. Third, micro machine-finishing technology In semiconductor technology processing method oxygenation, the photoetching, the proliferation, the deposition, the plane electron craft, various guides corrosion and steams plates, the sputtering thin film and so on, these have all introduced to the sensor manufacture. Thus has produced each kind of new sensor, like makes the silicon micro sensor using the semiconductor technology, makes the fast response using the thin film craft the gas to be sensitive, the wet sensitive sensor, the use sputtering thin film craft system pressure transmitter and so on. The Japanese horizontal river company uses various guides corrosion technology to carry on the high accuracy three dimensional processing, the system helps the silicon resonance type pressure transmitter. The core partially presses two resonant Liang by the feeling which above the silicon diaphragm and the silicon diaphragm manufactures to form, two resonant Liang's frequency difference correspondence different pressure, measures the pressure with the frequency difference method, may eliminate the error which factor and so on ambient temperature brings. When ambient temperature change, two resonant Liang frequency and the amplitude variation are same, after two frequency differences, its same change quantity can counterbalance mutually. Its survey most high accuracy may reach 0.01%FS. American Silicon Microstructure Inc.(SMI) the company develops a series of low ends, linear in 0.1% to 0.In 65% scope silicon micro pressure transmitter, the lowest full measuring range is 0.15psi (1KPa), it makes take the silicon as the material, has the unique three dimensional structure, the light slight machine-finishing, makes the wheatstone bridge many times with the etching on the silicon diaphragm, when above silicon chip stress, it has the distortion, the resistance produces presses the anti- effect but to lose the bridge balance, the output and the pressure becomes the proportion the electrical signal Such silicon micro sensor is the front technology which now the sensor develops,Its essential feature is the sensitive unit volume is a micron magnitude,Is the traditional sensor several dozens, several 1%. In aspect and so on industry control, aerospace domain, biomedicine has the vital role, like on the airplane the use may reduce the airplane weight, reduces the energy. Another characteristic is can be sensitive is small surveyed, may make the blood pressure pressure transmitter. The Chinese aviation main corporation Beijing observation and control technical research institute, the development CYJ series splashes thanks the membrane pressure transmitter is uses the ion sputtering craft to process the metal strain gauge, it has overcome the nonmetallic strain gauge easily the temperature influence insufficiency, has the high stability, is suitable in each kind of situation, is measured the medium scope widely, but also overcame the tradition lowly to glue the precision which the type brought, sluggish big, shortcoming and so on slow change, had the precision high, the reliability is high, the volume small characteristic, widely used in domain and so on aviation, petroleum, chemical industry, medical service. Fourth, integrates the sensor Integrates the sensor the superiority is the traditional sensor is unable to achieve, it is a simple sensor not merely, it in at the same time the auxiliary circuit part and send the part will integrate on together the chip, will cause it to have the calibration, to compensate, from the diagnosis and the network correspondence function, it might reduce the cost, the gain in yield, this kind of blood pressure sensor which American LUCAS, NOVASENSOR Corporation will develop, each week will be able to produce 10,000. Fifth, intellectualized sensor The intellectualized sensor is one kind of belt microprocessor sensor, is achievement which the microcomputer and the sensor unifies, it has at the same time the examination, the judgment and the information processing function, compares with the traditional sensor has very many characteristics: Has the judgment and the information processing function, can carry on the revision, the error to the observed value compensates, thus enhancement measuring accuracy; May realize the multi-sensor multi parameters survey; Has from the diagnosis and from the calibration function, enhances the reliability; The survey data may deposit and withdraw, easy to operate; Has the data communication interface dci, can and the microcomputer direct communication. The sensor, the signal adjustment electric circuit, the monolithic integrated circuit integration forms ultra large-scale integrated on a chip the senior intelligence sensor. American HONY WELL Corporation ST-3000 intelligence sensor, the chip size only then has 3×4×2mm3, uses the semiconductor craft, makes CPU, EPROM, the static pressure, the differential pressure, the temperature on the identical chip and so on three kind of sensitive units. The intellectualized sensor research and the development, US is at the leading position. American Space Agency when development spaceship called this kind of sensor for the clever sensor (Smart Sensor), on the spaceship this kind of sensor is extremely important. Our country in this aspect research and development also very backward, mainly is because our country semiconductor integrated circuit technological level is limited. The sensor’s development is changing day after day since specially the 80's humanities have entered into the high industrialization the information age, sensor technology to renewal, higher technological development. US, Japan and so on developed country sensor technological development quickest, our country because the foundation is weak, the sensor technology compares with these developed countries has the big disparity. Therefore, we should enlarge to the sensor engineering research, the development investment, causes our country sensor technology and the foreign disparity reduces, promotes our country instrument measuring appliance industry and from the technical development. 传感器新技术的发展 传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。输出信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满足信息传输、处理、记录、显示、控制要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。如果把计算机比作大脑，那么传感器则相当于五官，传感器能正确感受被测量并转换成相应输出量，对系统的质量起决定性作用。自动化程度越高，系统对传感器要求越高。在今天的信息时代里，信息产业包括信息采集、传输、处理三部分，即传感技术、通信技术、计算机技术。现代的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速发展，而已经充分发达后，不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信息量要求越来越高，还要求其成本低廉且使用方便。显然传统传感器因功能、特性、体积、成本等已难以满足而逐渐被淘汰。世界许多发达国家都在加快对传感器新技术的研究与开发，并且都已取得极大的突破。如今传感器新技术的发展，主要有以下几个方面： 变形,电阻产生压阻效应而失去电桥平衡,输出与压力成比例的电信号.象这样的硅微传 感器是当今传感器发展的前沿技术,其基本特点是敏感元件体积为微米量级,是传统传感器的几十、几百分之一。在工业控制、航空航天领域、生物医学等方面有重要的作用，如飞机上利用可减轻飞机重量，减少能源。另一特点是能敏感微小被测量，可制成血压压力传感器。 工艺加工成金属应变计，它克服了非金属式应变计易受温度影响的不足，具有高稳定性，适用于各种场合，被测介质范围宽，还克服了传统粘贴式带来的精度低、迟滞大、蠕变等缺点，具有精度高、可靠性高、体积小的特点，广泛用于航空、石油、化工、医疗等领域。 技术研究、开发的投入，使我国传感器技术与外国差距缩短，促进我国仪器仪表工业和自化化技术的发展。 |
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s，经过计算就可得到传感器的输出信号的周期，从而得到相应的频率。
的振弦在磁感应强度为B的磁场中振动时，振弦上有感应电动势e产生，和电流i流通。此时，振弦所感受的力为[9]
I （2-1）
（2-2）
(2-3)
