基于单片机的地下水监测系统研究.doc

基于单片机的地下水监测系统研究.doc 河北农业大学 硕士学位论文 基于单片机的地下水监测系统研究 姓名:陈莉 申请学位级别:硕士 专业:农业机械化工程 指导教师:钱东平 20070527 摘要 水资源是人类社会的宝贵财富，在生活、工农业生产中是不可缺少的。随着世界人口的增长及工农业生产的发展，需水量也在日益增长(水已经变得比以往任何时候都要珍贵。但是，由于人类的生产和生活，导致水体的污染，水质恶化，使有限的水资源更加紧张。因此，为保护有限的水资源，进行地下水监测是必要的。 本文详细阐述了多参数地下水监测系统的研究、组成结构及其特点。整个采集系统完成对地下水的水位、水温、电导率等参数的测量，而且在需要时，可适当扩充被测量的地下水参数。系统使用相应的传感器，将地下水参数由物理量转换为电信号。这些电信号经过各自的前置放大电路进行一级放大，信号变为合适的幅度。然后经前置放大电路处理过的信号经过滤波电路以消除其它频率的干扰信号，并进行二级放大处理，送入A,D转换器进行A,D转换。转换后的数字信号被送入微处理器，微处理器采用AT89C52单片机，使系统智能化。特有的数据存储功能使仪器掉电后数据不丢失，并且可以查询历史数据。 铡量电路的一级放大采用AD623测量放大器，AD623是具有低温漂、低价格、低功耗、高精度的仪器仪表用放大器，尺寸小、功耗低特别适合于电池供电、便携式应用场合。使用多路模拟开关MAX308，使系统对前置放大后的多路信号进行分时处理。^,D转换器选用美国AD公司生产的Σ一?型高精度模拟数字转换器AD7705，它直接从二级放大器接收电平信号并输出串行数字信号。为记录测量的时间，需要实时时钟， 本系统采用DSl302芯片。 在单片机智能测控系统的设计中，断电数据保存功能、看门狗功能、上电掉电复位功能、电源电压监控功能等对系统是非常重要的(美国Xicro公司生产的X25045 芯片集上述功能于一身，这种组合大大简化了硬件设计。提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗。 本系统在AT89C52的控制下，进行报警、显示、打印等各种数据处理。下位机是在单片微型机控制下的智能仪器，具有省电、体积小、造价低、工作可靠的优点。本仪器是一套适合野外现场使用的、携带方便的地下水监铡系统。 关键字;地下水监测;多路数据采集;单片机;传感器 StudyOil the Groundwater Monitoring Based On the SCM Author(Chen Li Supervisor(Qi衄t，ollg-ping Major:(Agriculttwal Mechanization Abstract The water resources are human society’S precious wealth(It is essential in the life(the industry and agriculture produaion(With the world population growth and the industry and 删ture production development,the watlb贯demand is growing day by day(The water already changed Iilore preciously than any time(But humanity's production and life cal,kqe the poflufion of water body,the water quality to be worsen and c纠lJ?the limited water rcsourgcs tO be more lmxiol,B(So(for豫ving the limited water resour?)it is necessary to monitor me Groundwater( This article views the resolot;on of the mulfiparameter ground water monitoring system(configuration and chafacter(The whole collected system has finished the detection of water height、water temperature specific conductivity etc parameter of the ground water(And,ifnecessary。it啪be mangnified the anaounts ofthe parameter(The system liStS the different sensors刎changes the form of groundwater parameter from physical quantity into electrical$ingllals(Those electricO sin粤laJs a佗signified by former magnify cil池and it was turned into suitable amplitude(Then,through filter circuit the disturbing signal in the other frequency was erased after the electrical singnal mangnified by former magnify circuit,then it was taken analogue to di gi_tal collvc(1-(qcd after magnified by second magnify circuit(Changed digital smgnai was taken to microprocessor(11地microprocessor uses AT89C52 SCM which makes the system intelligentized(The data cannot lose since the unique data storage ftmction after the electrical is cut(飘k Can also inquire the historical data( AD623，a kind of instrumentation amplifier,which has the chal'sote巧about lOW temperature float、lOW power lOSS、hi【gh precision,was applied at the first(1ass measurement circuit，and adapt to the situation as battery power supply、portable due to small size、low power and loss particularly(Multi-way analog switch MAX308 was used，it causes the system deals with multi-way signaJ which afIer pre-amplification Multi(way signal(m transformer is AD7705 which is the type ofΣ?Amade in company AD in America。it is high precision one(It can directly receive electrical signal andoutput digital signal(For recording ma塔u坞time。real?time clock is needed(The system selects DSl302 chip。 In the design of SCM’S opfitude mcabml'e conlrol system,the function of the data cannot IOSC after the electrical is cut,the function ofwateMog(the fuacti?ofpower-on and power-fail，也e function ofpower supply voltage inspecting,it is allimportant to the system( m X25045 chip w?produced of USA Xico company has the function above(this assembled greatly predigest hardware design,improving dependability of the system,reducing the request of prmted board’S space，reducing cost and power consumption In the comrol of AT89C52，the system have the data processing of give all alarm、 display and put a seal Oil ere(The slave computer was the smart insu'ument under the conu'ol of microprocessor,it have the advantage of economy in electricity，the stight volume，low cost,the work reliable(This inslzument is the ground water monitor system which aset suits the opon counuy field use，oarrie8 convenience( Keywerds:goundwater monitoring;multipath data collect;SCM;sensor 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑些盔些盘茎或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意( 学位论文作者签名:j绦莉签字日期: ?7年‘月?日 学位论文版权使用 本学位论文作者完全了解塑些盔些盘鲎有关保留及使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门(机构)送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑韭壅些盘堂可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等加以保存或编成学位论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名: 陈前导师签名: 强杆 签字日期:矿t 7年6月珀签字日期:川年占月夕日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 基于单片机的地下水监测系统研究 1(1研究的目的与意义 1引言 地下水是水资源的重要组成部分。在我国北方地区及许多城市，地下水是重要的供水水源( 对当地的经济社会发展起着十分重要的作用。地下水监测是地下水规划管理、合理开发利用和水 资源优化配置调度的重要基础工作，地下水监测信息对于工业生产、农田灌溉、城市供水及生态 环境保护等都具有重要作用，直接关系到人民生活(工农业生产的布局，关系到我国国民经济的 建设与发展。自60年代以来，水利部门开始监测地下水水位、水质、开采量和水温等要素a多 年来，这些地下水监测信息为水资源管理和合理开发利用做出了很大贡献。但目前地下水监测仍 然存在许多问题(整体工作还很薄弱。如在重要水源地和大型漏斗区都缺少地下水j|每测井，地下 水监测手段落后，信息传输时效性差等，满足不了水资源管理的需要。 与地下水类似的监测系统，如水利、气象、地震等都进入了卫星时代，这些部门都能及时地 为国家及地区提供正确的实时的资料。科学的发展，尤其是应用科学的发展，首先要看它是否有 显著的经济效益和社会效益，如果你的监测结果不能及时地提供给有关部门，也就得不到国家和 各级政府的支持。也就是说，科学技术必须形成生产力才是科学技术发展的必由之路。 为了合理的开发和利用地下水资源，遏制地下水环境进一步恶化，防止新的地下水环境问题 出现，在加强勘查研究的基础上，必须对地下动态变化进行监测。地下水动态是指地下水的数量 和质量的变化状况。对地下水动态实施监测，从而可了解地下水在时空上的分布情况和动态变化 规律，以适时地制定相应的对策，达到地下水资源的可持续开发利用的目的。 地下水监测是为保障社会经济可持续发展而开展的一项重要的基础性、公益性工作。加强地 下水动态监测，一方面是为制定开发利用和保护方案提供基础资料，另一方面，也是检验水资源 开发利用是否合理，地质环境保护措施是否得当的直接手段，通过长期监测资料的分析，找出开 发利用中存在的问题，提出改进方向和进一步的保护措施。因此，地下水监测既是国民经济和社 会发展的基础性支撑条件，又是实现可持续发展的保障措施。 为了提高水资源利用效率，合理开发利用地下水，实现从传统水利向现代水利，可持续发展 水利转变，实现水资源的可持续利用，保障经济社会的可持续发展，必须改变地下水监测的落后 现状，加强地下水监测工作。 1(2国内外地下水监测研究的现状 目前全国共有:1个中国地质环境监测院，31个省级地质环境监测总站，217个地市级监测 分站，3000多人从事地下水监测工作，其中专业人员占70,以上。在全国23847个地下水监测 点中，4764个监测点可供修复利用，28个均衡试验场中2个可供修复利用。大部分监测点仍以 传统的人工测量方法(电表、铡钟、测绳等)为主，监测精度无法控制，监测效率较低，监测数 据无法满足科研和生产实际应用的需要。部分监测孔只能进行水位或水质单项监测:水质监测， 分析项目较少。缺乏专门针对与地下水有关的生态环境问题和地质灾害的地下水监测。 我国政府对地下水监测工作十分重视。从五十年代中后期就开始进行地下水的监测研究，形 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 成了以国家级地下水监测网为龙头，省、地级监测网为主体的监测网络，积累了大量的第一手监 测资料，为地下水资源评价和开发利用奠定了扎实的基础，为水资源可持续利用和管理提供了可 靠依据。到2001年底全国共建立地下水环境监测点20738个(其中。国家级点1422个)， 监测工作的主要内容以地下水的水位、水温、水质为主，监测方式采用人工监测为主。 经过广大地质环境T作者的努力，如今，全国地质环境监测总站向国十资源部有关部门提交 的‘全国地下水情通报》、‘全国地下水情预报》、‘地下水动态5年研究报告》等成果资料 已运用到监测工作中，这些成果在我国环境保护领域产生了重大的影响;此外，为了使地质环境 监测成果化，全国地质环境监测总站还相继制定了‘国家级地下水监测技术要求》等规程， 为地质环境监测成果奠定了基础( 在地下水环境监测仪器方面，自20世纪70年代初开始，经过30多年的发展，目前国内 已研制生产了不少产品。 在水质监测方面，目前国内有通用的实验室分析仪器以及COD测定仪、BoD测定仪溶解氧测 定仪等专用监测仪器，但高质量的分析仪器、专用监测仪器和自动监测系统多是国外引进的，国 内仍然是采用现场水样的采取、保存和送到化验室进行分析测定。 国外一些发达国家在地下水监测方面都有几十年乃至上百年的历史，其监测设备水平各异。 其中美国、荷兰的产品在技术性能上代表着当今世界的先进水平。近年来，水质现原位测试技术 在国外一些发达国家已经开始发展，如美国、日本等国家已相继研制出水质自动监测设备，并开 始走进国内市场(以水利系统为主)(表l为国外地下水环境监测仪器对比表( 寰1国外地下水环境监测仪器 Tablel FompmonitorinstrumentofundcTwatercrlvironmctlt 2 基于单片机的地下水监测系统研究 2(1系统总体硬件设计 2硬件设计 该系统设计是多参数实时监测系统设计(能够对一定区域的地下水的多种参数进行实时监 测(并通过RS-232总线，把相关的数据发送到主控机房，集中分析。本系统能够对地下水的水 位、水温、电导率、酸度和溶解氧进行监测，并且在需要时可以添加其它传感器对其它相应的参 数进行监测。 整个设计框图如图l，各项参数通过传感器和测量电路变成单片机所能接受的模拟电压。这 些电压分别送入^,D转换通道。转换成数字量，然后送给单片机。此时单片机可以根据实际需要 进行各种处理(如数据记录、显示、报警等功能。 2(2传感器选择 图1总设计框图 Fig(1 The丘am oftotal design 传感器技术在当代科技领域中占有十分重要的地位。随着计算机技术的不断发展，信息处理 技术也在不断发展完善。但作为提供信息的传感器(它的发展相对于计算机的信息处理功能来说 就落后了。这使得自动监测技术受到影响，也直接影响到多种技术的进一步发展。基于上述原因( 越来越多的科技工作者对传感器技术予以了高度的重视，促使传感器技术加速发展，以适应信息 处理技术的发展。对于地下水监测，传感器是地下水监测的关键，以下是系统中应用到的几种 传感器。 2(2(1水位传感器 由于大量使用地下水资源，造成地下水的过量开采，使水资源十分缺乏(应对地下水的水位 进行监测，以警惕地下水的枯竭( 随着各种传感器的研制和开发。有大量新型的传感器不断问世并被应用于水文自动测报系统 3 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 中(目前在水位测量仪器中除了应用较为广泛的浮子式编码水位传感器以外，压力式水位传感器 有价格合理、简化土建施工、安装便利等优点，所以，本系统选川压力式水位传感器来监测地F 水的水位( 压力式水位传感器选用北京市三强电子厂的ST301 I型液位变送传感器，它可以朋来测量 开口容器及河渠、湖泊，水井中的液位。具有结构简单、测量精确、安装方便等优点(ST3011 型液位变送传感器由不锈钢探头，导气电缆和电气盒组成。探头与电气盒之间由专用电缆连接， 电缆中间有一导气管使传感器的背腔与大气相通，电缆与探头和电气盒之间为密封连接。当把传 感器投入到水中某一位置时，测点的静水压力为: 尸一Hy 其中: P——测点的静水压力，g^锄2: ( H——(测点水深，即测点至水面距离，cm; ，，一水体容重; 推测得测点水深: H=P|Y 测点水位:H。=He+PIT 式中: 月。———捌点的绝对高度; H，——测点对应的水位( 2(2(2水温传感器 在水质的温度传感器中使用最多的是热电偶、集成温度传感器和铂电阻。随着技术的发展， 石英晶体温度传感器和红外温度传感器也已经实现了商品化。由于热电偶的检测灵敏度较低，现 在在许多需要精确测定水温的场合已不使用(集成温度传感器是伴随着大规模集成电路技术发展 起来的半导体温传感器，这其中具有代表性的是美国AD公司生产的AD590。由于它是一种电流 型元件，信号可以远距离传输且不易受到外界电磁场的干扰，在许多需要对水质温度进行自动检 测控制的场合中被大量采用。 AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器( AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590 的后级以I、J、K、L’M表示。AD590L、AD590M一般用于精密温度测量电路。其电路外形如 图2所示(它采用金属壳3脚封装，其中l脚为电源正端V+;2脚为电流输出端工D;3脚为管壳， 一般不用(集成温度传感器的电路符号如图3。 4 j。，鼻 田2^晒?的外形电路图 Fifr3 Outsidecircuit&awingofAD590 图3集成温度传辱器电路符号 Fifr4 Integrated cirutti‘temperature O'ansduce 基于单片机的地下水监测系统研究 AD590的主特性参数如下: 工作电压:4~30V: 工作温度:(55~+150e; 保存温度:-65---+175e; 正向电压:-t44V; 反向电压:(20V; 焊接温度(10秒):300e; 灵敏度:1【A?。 在被测温度一定时。AD590相当于一个恒流源。把它和5,--30V的直流电源相连，并在输出 端串接一个Ik8的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将 会有lm?K的电压信号。 2(2(3电导率传感器 电导率是物质传送电流的能力，是电阻率的例数。在液体中常以电阻的倒数一电导来衡量 其导电能力的大小。水的电导是衡量水质的一个很重要的指标。它能反映出水中存在的电解质的 程度。根据水溶液中电解质的浓度不同(则溶液导电的程度也不同。水中可溶性盐类大多以水合 离子状态存在，在外加电场的作用下，水溶液传导电流的能力用电导率来表示。它与水中溶解性 盐类有密切的关系，在一定温度下，水中的电导率越低，表示水的纯度越高。因此广泛用于监测 水的质量。 本系统选用电感式电导率传感器。感应式电导率传感器的测量原理是定频率的交流电源加在 初级线圈上，在初级线圈圆局截面上感应到一个定频率的交流感应电动势Uc。在Uc的作用下周 围的流体形成一个电流回路，其交流电流为:Il=U,,次级线圈感应到ldm(m为次级线圈匝数) 的交流电流，通过对Rt进行取压可以得到一个与流体电导率相关的电流电压信号。 2(2(4 PH值传感器 地下水参数除电导率外，pH值也是水文地球化学环境的重要指标，它们能灵敏地反映出地 下水化学环境的变化。 本系统采用pH值光纤传感来测pH值。采用05发光二极管作光源，硅光电二极管作检测器， 大芯径、大数值孔径的Y型分叉光纤束作传感介质。 光纤pH传感探头结构及检测原理; (1)直接固定式光纤pH探头: 将苯酚红试剂配成O(001molfL的苯酚红溶液。使用时用水稀释至适当浓度。采用高性能均相 强碱性阴离子交换膜(华东理工大学制作)作固定苯酚红的载体(在使用之前，先将膜放在去离子 蒸馏水中浸饱24小时以上，使其达到必要的溶胀平衡。将浸泡好的阴离子交换膜剪成2cmX2cm 的方块，放入苯酚红溶液中，晃动烧杯，交换一定时间后取出。用清水冲洗干净，即可用于pH测 试。改变交换时间可以控制膜上固定试剂的量。苯酚红敏感膜在水中浸泡一个月以上，没有发现 5 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 掉色现象。将制成的敏感膜剪成与光纤末端同样大小的圆形，放在光纤末端(黑色PVC外套管I 与光纤端部通过螺纹配合，将敏感膜压在光纤末端。敏感膜下面置一反射镜，探头结构如幽 4所示。 1 2 3 ‘ 5 噶L 0 驿一 1 且I r LI ———— -j 、li ?l一(竹 1探头件I 2探头件II 3光纤末端4苯酚红敏感膜5反射镜6定位螺钉 7，8螺纹配合9通水孔 田4 I接固定式光纤pI(撮头结构 Fig 4The dc把c6盯曲仙:帆,,fd抽alysmtionm'ytypeo面c酊行b百pH (2)光纤pH传感器的检测原理 固定在载体上的染料指示剂仍保持其酸碱变色的指示特性，当与待测溶液接触时，与溶液中 的 If"、OH-建立起化学平衡; HIn营H++0H一 妇=?剁m 式中4H+为待测溶液的氢离子活度，[HIn]、【h11分别为固定化染料的共轭酸式、共轭碱式浓度。 对一特定的传感器，固定化染料的总浓度Ch为常数，即 CIn=陆卜西一J (2) 将式(2)代入(1)，可导出【In一】=羔(3) 根据pH的定义，pH=-lga* (4) pKa的定义，mCF-lgK3 (5) 对苯酚红，pKa=7，9。 将式(4)和式(5)代入式(3)，得到染料共轭碱式浓度与溶液pH值的关系; ?品=南? 苯酚红的共轭碱式光密度较共轭酸式高，即当pH值发生变化时，共轭碱式具有更高的光灵敏 度(因此(选择只被染料共轭碱式吸收的波长为565nm的光作检测光( 基于单片机的地下水监测系统研究 在图9所示的探头结构中，入射光透过试剂层(敏感膜)后，被试剂层F面的反射镜反射(二次 穿过试剂层。假设敏感膜上直接反射的光强与二次透过光强度相比可以忽略(根据明伯(比尔定律， 有 lg孕:吐:c: 』2 (7) 式中，102为没有染料存在时的光强; 12为光线二次穿过染科敏感膜时的光强: k为光线两次穿过染料敏感膜的有效光强; c2为敏感膜上染料共轭碱式的浓度 将染料的共轭碱式浓度，式(6)代入，从而得出基于吸收原理的光纤pH传感器的响应方程: It ( (8) 19了o=屯c如雨—1丽觚己说明，我们设计觥纤p—H传感器是以涨刖圆巳现明，氓制琨不州尢计传悬需悬H敬长 分别为655nm的红光、565nm的绿光作参比光和信号光，两束光进入探头后，只有绿光被染料试 剂层吸收，检测红光与绿!Q d 光的输出光强之比，即 而，一 培若“g(芒?矧砘告地告? 式中，k为红色参比光强，染料对其不吸收: k一为没有染料存在时的绿色信号光强; I一为绿色信号光被染料吸收后的光强; 当实验条件固定时， 为;丝一常数，记为Kl，将式(8玳入式(9)，有 』，m 芒一班J+脚“南“? 对于—特定的传感器，K1、E、L、Cln均为常数，因此，输出光强仅与溶液的pH值有关。 当溶液pH值改变时，接收到的光信号强度将随pH值增加而减少，而吸光度则增加( 2(2(5溶解氧传感器 溶解氧是指溶解于水或液相中的分子态氧，常以Do表示(对水中溶解氧浓度的测定在医 疗、临床医学、工业处理、环境监测等领域都具有重要意义，特别在水质监测和水处理中(溶 解氧是一项重要的控制指标，同时也是水环境保护、水产养殖业及海洋科学中最重要的调查参 数与最常规的研究项目。 为了准确测量溶氧浓度，前人做了大量工作，开发了多种溶解氧探测装置。主要包括 -inkler滴定分析法”“、Clark溶氧电极.1、以及荧光猝灭技术””。Win2kler滴定分析法虽是 7 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 一种国际公认的标准化分析方法，但由于费时费力且只能离线操作，无法对过程中的溶解氧浓 度变化作出及时的响应，所以仅限于实验室采用。Clark溶氧电极虽然能够在线检测溶氧浓度， 但由于它的透气膜易老化，而且它是依靠电极本身在氧的作用下所发生的氧化还原反应测定氧 的浓度(测定过程需消耗氧(且需定期更换电解液)，所以测量精度和响应时间都受到扩散因素 的严重约束.1( (1)工作原理及结构 光纤溶解氧传感器采用荧光猝灭原理(氧对一些荧光物质的荧光具有猝灭作用(从而导致 其荧光强度的降低和荧光维持寿命的缩短(荧光的强度或寿命与氧气浓度的关系可用 Stern2Volmoer方程来描述: ， r 一一二生=二生=l+足I口I ， f 一。 ’ 式中，I o(T o分别为有氧条件下的荧光强度和寿命I，S分别为无氧条件下的荧光强度和寿命; [Q]为溶解氧的浓度;K为$tern2Volmoer常数，对于特定的指示剂其值是固定的。通过测定I。’I 或T o，r可测定溶解氧的浓度。光纤溶解氧传感器由光源、探测器、传输光纤、Y型光纤分路 器和传感头等组成，如图5所示，光源采用蓝色半导体发光二极管(LED)，以获得较高的光子能 量去激发荧光。激发光经Y型光纤分路器传输到光纤端头的传感头，传感头是光纤的端面上包 覆一层作为指示剂的荧光材料膜，被激发的荧光沿光纤原路返回，经Y型光纤分路器被探测器 接收。 l磁力搅拌器i 2恒温水夹套;3搅拌子; 7发光二极管;8光电倍增管; 口 4溶氧调节池:5精密温度计:6高精度稳压电源 9斩波滤波光片:10光纤;11荧光薄片 田5溶解氧监测?蕾田 Fig(5Theflumeofdissolvedoxygenmonistor (2)关键技术 由于过渡金属有机化合物大多具有很长的激发态寿命，在可见光范围内具有很强的吸收光 谱，对氧敏感而又不消耗氧，对光和热以及强酸强碱或有机溶剂等都非常稳定，成为理想的氧 检测材料(因此以氯化钉、邻菲咯啉等为原料，合成了Ru()的邻菲咯啉配合物作为指示剂。 光纤:光纤是传导信号的介质，为避免信号损失，光纤的传播模式和数值孔径极其重要。笔者 研制了大数值孔径、弯曲性能好和高效传输可见光的多模分叉型石英光纤，并且具有标准SgA终 端(为了提高传感器的稳定性(敏感头是把光纤尖端在指示剂溶液中浸涂、干燥而制成的。 遮光膜:传感器采用硫化硅酮为遮光膜涂敷在指示剂外层来提高抗化学干扰，捧斥周围光和 消除反射系数影响。电路:由于光纤很细，在传感头上包覆的荧光材料很少，所以，能够接收到 8 基于单片机的地下水监测系统研究‘ 的荧光非常微弱，一般只有p_至n-量级的强度。因此，采用光电倍增管为检测器。受元器件本 身噪声的影响:一般接收电路难以分辨，故采刖锁相放大电路来实现。 补偿:DO扩散通过遮光膜的速率，随着温度的变化而变化，荧光强度也相应变化。因此，要 采用补偿的方法，保证测量的准确度( 标定:由于{窬解氧的浓度极低，标定的精度应严格保证。纯氧和纯氮由国家标准物质中心研 制的标准气体稀释装置，配制成不同浓度的氧气，通入水中。被测水与探头接触时，应保持一定 的流速，以防接触的瞬间水中溶解氧被耗尽;标定容器应能密封以隔绝空气并带有搅拌器。 2(3测量电路设计 电路主要包括多路模拟开关、放大器、滤波器。传感器输出的信号经过多路模拟开关选择， 然后通过放大器放大，再进行滤波，经A,D转换，最后传到单片机进行数据处理。如图6。 多 传 前路低A, 堇 穆(((^ 置日模—』遁岛级司D (((^ 片—叫放拟 ‘叫 滤放转 —? 机 器大开被大换 关 2(3(1前置放大电路设计 固6信号处理流程 Fig(6 The flow offlle signal pI?? 在数据采集系统中，被检测的物理量经过传感器变换成模拟信号，往往是微伏级的微弱信号， 需要用放大器加以放大。现在市场上可以采购到的各种放大器(如通用运算放大器、测量放大器) 中。由于通用放大器一般都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温漂(因此，通用运算放大器 不能直接用于放大微弱信号，而测量放大罂则能较好的完成此功能。 现在市场销售的集成测量放大器有多种型号，其中美国Analog?州c?公司提供的AD623 型测量放大器满足设计要求。 AD623是一种带有精密差动电压增益的器件，由于它具有高输人阻坑、低输出阻抗、强抗共 模干扰能力，低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，使其在检测微弱信号的系统中被广泛用 作前置放大器。本系统在模拟开关前也没置了五个测量放大器。对输入的不同参数的模拟信号进 行放大。 AD620的基本特性:AD623是一个集成单电源仪表放大器。它能在单电源(+3V,+12v)下 提供满电源幅度的输出(AD623允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到良好的用户灵 活性。在无外接电阻的条件下(AD623被设置为单位增益:外接电阻后。AD623可编程设置增 益，其增益晟高可达1000倍。 AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比(ACCMRR)而保持最小的误差。 9 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达200H z时仍保持恒定而受到抑制。虽然A D623在单 电源方式进行优化设计(但当它(1:作于双电源(?2(5,?6V)时，仍能提供优良的性能。低功耗(3 V时i(5mW)，宽电源电压范围、满电源幅度输出(使AD623成为电池供电应用的理想选择。 AD623测量放大器的电路原理如图7所示(由图7可见(测量放大器是由三个运算放大器构 成，并分为二级:第一级是两个同相放大器Al和A2，因此输人阻抗高;第二级是普通的差动放 大署，把双端输入变为对地的单端输出。下面以图7所示的AD623的前置放大电路，讨论AD623 测量放大器的工作原理。 A,D623测量放大器的增益可用以下公式确定: 盖=U，(U—O矾:=而(一U矾3-:)U(|4)，U—o面 C厅=C在一血融 【，3=叻I+尼尺I ( Un一曲】 Pc( 【，3一U? Ro+Rt+矗2 U,,一u2 RG A,D623输出电压为 Uo=U4[l熹?R+[足-‘+L钏R，JJm鲁矗3 AD623采用对称结构，可以很大程度上的抑制温漂，即取RIn92;R3=R4;R3=R6。联 立解式并整理得 x=淼=卜2船R,，、lRsI 功一功2 L 船， R3 所以，通过调节外接电阻鼬的大小可以很方便地改变AD623的增益( 10 U12 U12 田7前I放大电路 ms(7 Formermagnify circuit 基于单片机的地下水监测系统研究 2(3(2多路模拟开关 在多路被测信号共用一路数据采集系统中，模拟多路开关(简称多路开关)通常用来将多路被 测信号分别传送到A,D转换器(能对多路被测信号进行处理。A,D转换器进行转换，使计算机能 够对多路被测信号处理。 在此数据采集系统中，使用了电子式多路开关。本系统采用MAX IM公司的集成模拟开关芯 片MA)(308。 MAX 308是MAX IM公司生产的8路集成模拟开关芯片，可单电源和双电源供电，在单电 源形式下，电压范围是4(SV-30V，图8是MAX308的引脚图和内部框图。 田 (,, M越QM J蚴? 围8 M(“308的引脚固和内部框图 Fig(8 Thepin缸mandinnersketchmap 袭2卧x3?的引脚功能说明 Table2Pinfuaction showofnlcMAX308 14 引脚名称功能 MAX308的导通电阻为60Q，漏电流0(02nA，通过计算漏电流引起的误差电压小于量化单位: 开关切换时问t为40m，满足系统设计要求。 图9为MAX308的应用电路，是一路模拟开关的电路连接，Nil和N12与其中的八路输入信 号相连，LEN和LAO、L^l由单片机的P2口控制，作为选通和通道选择控制信号，输出信号作 为后级放大电路的输人信号。 舡 m ? 计 |主| |量 聊 姗 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 LEN 2 EN v+ LA0 l Ao LAl 16 Al L址15 A2 1硒而、! N1 i N2 o【不 IN3 S 6 Do 司，，7 Dj4 同1i1 环丁5 墨一; 矾6 0ND IN7 珊8> 。玳8 ( MAX308 田9 It舣306的应用电路 Fig(9 application circuitofMAX308 图lO为AT89C52对MAX308的控制连接，P2(5口决定MAX308是否被选中，P0(0、P0(1、 P0(2决定选择哪一路输入端。 2(3(3滤波电路设计 ,t(T89052 I^】c308 P2(5 翻 u-0 P0(0 加 m P0(1 ^l 也断130(2 比 重10 Itt(X306接口连接 FigA0 The interface cir训t ofM X308 滤波器的设计原则是频带内的频率要以相同的比例通过，而信号频带外的干扰要能有效地抑 制(因此，要求该滤波器频带内响应要尽可能平坦。上下界衰减要尽量陡峭。Q值是带通滤波器 好坏的一个重要指标，一般0值越高，带宽越窄，陡度系数越高，滤波性能越好。普通有源滤波 器由运算放大器和电阻、电容组成，通过一个低通滤波器与一个高通滤波器的级联易于实现(但 参数调整困难，而且应用在频率较高的场合，由于元件周围的分布电容将严重影响滤波器的特性， 使其偏离预定的工作状态。普通有源滤波器还因为稳定性较差(较难实现窄带宽的设计，不易获 得高的O值，难满足系统的要求( MAX275是MAXIM公司推出的一款连续时间模拟集成有源滤波器，片内硬件由4个运算 放 大器及若干电阻电容组成。每2个运算放大器构成一个二阶点(每个二阶点的中心频率Fo、转折 频率、品质因数Q、带宽增益H?P都由4个外部电阻确定。不需要外接电容。通过外接电阻的 12 基于单片机的地下水监测系统研究 不同组合形式可以实现巴特沃思，切比雪夫，贝塞尔型的低通、带通滤波器。滤波器的中心频率 可以为:100 l-lz,300 kHz;增益带宽积为16 M Hz，即对于40 HIz的信号可放火I,400倍: MAX275还可根据设计者的要求实现高至100的品质因数Q(与普通的有源滤波嚣相比(MAX275 组成的滤波器具有外接元件少(结构简单，参数调整方便和不受运算放大器本身频率特性影响等 优点i由于没有外接电容，而且是单片结构，因而高频场合时璺分布电容的影响小，稳定性较好。 图1 l为应用MAx275设计的四阶带通滤波器。 田”滤波电路 Fig(1 I Filtering circuit 各电阻的计算可按以下步骤进行: R2=2X 109,F0 R4=R2(5k R3=2QX 109×Rx,Fo X RY Rl=R3,HOBP 文中设计取Fo=500Hz，取Q=21(2，滤波器FC接-sv，则Rx,R,,--0(04。设计时带通增益选 择过高会导致信号失真，过低引起信号衰减，降低滤波性能。则考虑对带通信号进行了适当的放 大，取3 dB。经过以上参数选择和计算，并经调整，设计的带通滤波器各电阻值如表3所示: 寰3电阻参数值MD Table4 P,esinmcc耻m冉日 2(3(4二级放大 信号的第二级放大采用高精度、低温漂运算放大器01)07，实现同相电压放大。0P07有较宽 的电源工作范围?3v,4-18V，设计中采用+SV电源。OP07具有较大的输入阻抗Mo级，易于与 各种信号源相匹配，满足本设计输出信号约为O,5V的要求(它的主要特征参数如表4所示: 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 寰4 O阳7特征参数 Table4 cIl目m耐slicp目m?峨FofOP07 特征参数 输入失调电压:?0(06mV 输入失调电流:S 0(8n,4 开环带宽:?0(6月2 最大共模输入电压:士22V 共模抑止比:?110dB 转换速率:0(17V,,zs 输入偏置电流:S 2，“ 最大差模输入电压:?30V 噪声电压:0(25nV,Hz 霁套嚣慧+1 3V 慧鬈翥豁21042V扭失调电压温度系敷(n7,JV,104dB 。c 开环增益: 2 电源电压抑止比:104扭。’’‘一,.一。 设计中0107实现同相放大，采朋精密电阻实现。可用一个可调电阻和反馈电阻串联进行 微调。电阻首先保证精确(再J{j标准信号测量校正(考虑AD623前置放大与滤波器，应保证AD 的输入电压为O,5v。故 2(4单片机系统设计 2(4(1总体设计 ,t":I+R2I?。50 ,K21o 单片机系统总体结构主要由单片机AT89C52、A,D转换器、时钟电路、看门狗电路、液晶显 示器、打印机、串行通信接口电路、键盘几大部分组成(为了记录测量时间，需要实时时钟(DSl302 是高性能、低功耗的时钟芯片，为系统提供秒、分、时、日、周、月、年等信息。系统采用X25045 芯片实现看门狗、电压监视、存储电路。为提高人机交互能力，采用汉字点阵液晶显示器。配合 三个功能按键，实现多级菜单。同时配备了微型打印，可将测量结果打印备份，并设有报警系统， 如图12所示 14 田12簟片机系统结构框田 Fig(12 Theframeofthe SEM 基于单片机的地下水监测系统研究 2(4(2单片机选型 单片机(Single----Chip Microcomput,r)是将中央处理器cPU、程序存储器ROM、数据存储 嚣RAM、I,O接口电路、定时器,计数器、串行通信接口、中断控制器及其它控制部件集成在一 个芯片中的微型计算机。单片机具有结构简单、FO资源丰富、控制功能强、可靠性高、体积小、 价格低廉等特点，在家用电器、智能化仪器、工业控制以及火箭导航尖端技术领域都发挥着重要 作用( 近年来推出的一些高档单片机还包括许多特殊功能单元，如A,D，D,A转换器、比较器、可 编程定时器，计数器阵列(PCA)、PWM输出、通信控制器、调制解调器、锁相环等(因此只要 外加一些扩展电路及必要的通道接口就可以构成各种单片机应用系统，如工业控制系统、数据采 集系统、自动测试系统、智能仪表、智能接口、功能模块等。 在整个系统中，单片机主要完成信号的采样、数据处理、浓度的计算、测量结果的显示和打 印、与PC机串行通信、为步进电机驱动器提供步进脉冲等任务，选用ATMEL公司的AT89C52 单片机。 AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS B位单片机，片内含8k bytes的 可反复擦写的只读程序存储器(EEPROM)和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MC$--51指令系统及8052产品引脚兼 容，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机适合于许 多较为复杂控制应用场合。其主要功能特性如下:【，，J ?与MCS--51产品指令和引脚完全兼容 ?8k字节的可重擦写的Hash闪速存储器 -256X8字节内部RAM数据存储器 -32个可编程FO口线 ?3个16位定时，计数器 ?1个全双工串行通信口 -4个中断优先级，6个中断源 ?采用CMOS工艺，低功耗，宽工作电压，工作频率可达33MHz -支持两种软件可选的节电工作模式:空闲模式和掉电模式 2(4(3 A,D转换电路设计 (1)AD7705功能介绍p” A,D转换器选用美国AD公司生产的E(?型高精度模拟数字转换器AD7705。它直接从传感 器接受低电平信号并输出串行数字信号。AD7705是AD公司推出的16位,(?(电荷平衡 式)A,D 转换器。它包括由缓冲器和增益可编程放大器{PGA)组成的前端模拟调节电路、Σ(?调制器及可 编程数字滤波罂等，能直接将来自传感器的不同摆幅范围内的信号放大到接近A，D转换器的满 标度电压附近再进行?D转换，实现0(003,非线性的16位无误码数据输出，其增益和数据输 出更新速率均可编程设定，还可选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式。此外它还具 有高分辨率(宽动态范围、校准、低功耗及优良的抗噪声性能，因此非常适用于仪表测量和工业 15 河北农业大学硕+学位(毕业)论文 控制等领域。 AD7705具有以。F功能特点:[SSl I)双通道全差分模拟输入，可接受直接来自传感器的低电平的输入信号; 2)用Σ(?转换技术实现了16位无丢失代码性能，0(003,的非线性度; 3)可编程增益，增益:l,128; 4)可配置成三线串行接口; 5)信号极性以及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配置: 6)该器件包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误差: 7)主时钟频率为IMnz(2MI-Iz)或2(4576MHz(4(9152M14z)，数据输山更新频率有20Hz，25I-Iz( 100Hz。200Hz，50Hz(60Hz'250Hz，500Hz八种选择: 8)CMOS结构确保器件具有极低功耗，3V电压时，最大功耗为lmW; AD7705采用16脚DIP、sOIC和TSSOP封装，其引脚功能说明如下表5。 寰5(?7706引脚说明 Table5 Pin showofthe^D叩7晒 (2)AD7705内部寄存器 AD7705共有8个片内寄存器(它们是通信寄存器、设置寄存嚣、时钟寄存器(数据寄存嚣 以及几个测试和校准寄存器。这些寄存器的任何操作都必须先写通信寄存器(然后才能对其他寄 存器进行操作( 1)通信寄存器 通信寄存嚣是可以读,写的8位寄存器(其具体的格式如下: 16 基于单片机的地下水监测系统研究 其中—DRD—Y位状态与葫厨引脚状态相同;RS2，RSl、RSO:寄存器选择位:RIW谢写操作 选择;STBY为高电平则处于等待或掉电模式:CHl、CH 0:通道选择( 2)设置寄存器 设置寄存器是一个8位读，写寄存器。其中MDl，MDO为工作模式选择位，MDlMDo=o001( 10(11分别对应正常工作模式、自校准、零标度系统校准以及满标度系统校准。G2(，G1、GO 为增益选择位，G2GIG0=000,111分别对应1(2(4(8(16(32(614(128八种增益(Blu为双,单极性 输入选择位，为。0“时是双极性输入。为”l“时是单极性输入。 3)时钟寄存器 时钟寄存器是一个8位读,写寄存器。其中CLK为时钟位，如果器件的主时钟频率为2(4576 MHz(CLKDIV=O)或4 9152 MI'Iz(CLKDIV=1)。该位置“l。;如果主时钟频率为1MHz(CLKDIV= O)或2 MHz(CLKDIV=1)，该位置“0”。此外CLK还与FSi和FSO共同选择器件的输出更新率。 钔数据寄存器 数据寄存器是一个16位只读寄存器，它用来存放AD7705的最新转换结果。 5)测试寄存器 该寄存器主要用于测试，建议用户小要随便对其进行更改。 6)零标度校准寄存器 AD7705包含几组独立的零标度寄存器，每个零标度寄存器负责一个输入通道。它们都是24 位读,写寄存器。 7)满标度校准寄存器 AD7705包含几组独立的满标度寄存器，每个满标度寄存器负责一个输入通道。它们都是24 位读,写寄存器。 (3)AD7705与单片机的接口电路口91 为AD7705与单片机的接口电路，AD7705对前级信号调理电路输出的两路直流电压信号进 行模数转换，由精密基准源TL43l为AD7705提供2(5V参考电压，为了能用软件有效地控制 AD7705的复位，把R聊与AT89C51的P1(3相连，这样可以保证AD7705能可靠的复位。在应 用时，把面i接到AT89C51的而;可以使AD7705在转换结束后使单片机产生中断以读取最 新的转换数据。单片机PI(0与SCLK相连，为AD7705提供数据读写时钟，PI(2与DIN、DOUT 相连，作为数据的输入输出线。如图13所示( 17 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 0l 1143 +Sq 田13 A07705与AT89(五2的接口隹接 Fig(13InterfacecircuitbcnM?nAD7705 endAT89C52 2(4(4实时时钟电路设计 (1)DSl302功能介绍 为记录测量的时间，需要实时时钟。本系统采用DSl302芯片。DSl302是美国Dallas公司 生产的高性能低功耗时钟芯片，包括实对对钟,日历和3l字节的静态RAM。可实时的对秒、分( 时、日、周、月以及闰年进行计数处理。内部有31个字节的高速RAM，可通过外部可充电电池 加电长期保存数据，并能慢速为电池充电。通过简单的3线串行方式接口，能在2(5,5(5V电源 下可靠工作，在2(5V时耗电小于300hA。在主电源关闭的情况下，能保持时钟的连续运行。DSl302 经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟，日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信 息。对于小于3l天的月，月末的日期自动进行调整。实时时钟，日历还包括了闰年矫正功能。时 钟的运行可以采用24小时或带AM,PM的12小时格式，使用同步串行通信。与时钟,RAM通信 仅需3根线:RST(复位)、vo(数据线)和SCLK(串行时钟)。数据可以每次以一个字节或多达3l 字节的多字节的形式传送至时钟,RAM或从其中送出。DSl302被设计成能在非常低的功耗下工 作，消耗小于luW的功率便能保存数据和时钟信息( DSl302采用DIP或SOIC 8脚封装，其引脚功能如下表6: 18 基于单片机的地下水监测系统研究 衰6 D$1302引脚功能 T曲lc 6 Pin function ofDSl302 (2)DSl302的控制字及寄存嚣 11控制字节 控制字节格式如下: 控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑l，如果它为0，则不能把数据写人到DSl302中; 位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据:位5至位l指示操作单元 的地址:最低有效位(位o)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最 低位开始输出。 2)DSl302的寄存器 DSl302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码 形式。其日历、时间寄存器及其控制字见表7。此外，DSl302还有控制寄存器、充电寄存器、时 钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。唧l时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外 的所有寄存器内容。DSl302与RAM相关的寄存器分为两类，一类是单个RAM单元，共31个， 每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为COH(F'DH，其中奇数为读操作，偶数为写操 作:另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命 令控制字为FEH(写)，FFH(读)。 19 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 裹7 9S1302的日历、时钟寄存磊及其控嗣字 Table7 c日d?d吒d?k黜gi灯?dcontrolwordoftheDSl302 当Vcc2高于VccI时，由Vcc供电，当Vcc2低于Vocl0(2V时，由备用电池供电。充电寄存 器控制着DSl302的涓流充电特性。寄存器的位4,7决定是否具备充电性能:仅在10lO编码的 条件下才具备充电性能，其它编码组合不允许充电(位2和3选择在Vcc2和Vccl之问是一个还 是二个二极管串入其中。如果编码是0l，选择一个二极管;如果编码是lO，选择二个;其它编 码将不允许充电。该寄存器的位0和l用于选择与二极管相串联的电阻值，其中编码01为2k， lO为4k。ll为8k，而00将不允许进行充电。 (3)DSl302接口电路 DSl302与单片机的接口电路如图14示，DSl302与单片机的连接仅需三条线，将RST、SCLK、 I,o分别与单片机的P1(4、P1(5、P1(6相连，用单片机的通用I,O口线模拟12C通信(此外，本系 统采用3(6V的可充电锂电池作为备用电源，工作的时候由Vcc2向备用电池涓流充电。 田14 DSl302与AT8船52的接口电路 Fig(14 Interfacecircuit betwetllDSl302 andAT89C52 基于单片机的地下水监测系统研究 2(4(5看门狗电路设计 (1)X25045功能介绍 在单片机智能测控系统的设计中，断电数据保存功能、看门狗功能、上电掉电复位功能、电 源电压监控功能等对系统是非常重要的。美国Xiero公司生产的X25045芯片集上述功能于一身， 这种组合大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了 成本和系统功耗。本系统采用x25045芯片实现看门狗、电压监视、存储电路。 看门狗定时器为单片机提供了独立的保护系统。当系统故障时，在可选的超时周期之后， X25045看门狗将以RFSET信号做出响应。用户可从三个预设置的值中选择此周期。一旦选定， 即使在电源周期变化之后，此周期也不改变。忡”利用X25045低Vee检测电路，可以保护系统使 之免受低电压状况的影响。当Vex降到最小Vee转换点以下时(系统复位，复位一直确保到Vce 返回且稳定为止。X25045的存储器部分是CMOS的4096位串行EEPROM，它在内部按512×8 来组织(X25045的特点是具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口(Sedal Perphcral Interface(SPrJ和软件协议。X25045采用8脚DIP和SIOC封装，其引脚功能如表8。 表8 x25045引脚功能 T曲lc B Pin function ofX25045 (2)指令和寄存器 1)指令对X25045的操作是通过执行6条指令(表9)实现的。指令码通过sI引脚送入X25045 的8位指令寄存器，指令码由SCK的上升沿锁存到指令寄存器，此时CS必须为“0”且wP为 。l”。指令码(地址，数据都以最高位在前的方式传送，读写指令的位3包含了高地址位A8。 2I 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 襄9 X2?45指令衰 Table9 RepemireofX25045 2)写使能锁存器旧J X25045包含一个写使能锁存器，在对状态寄存器、EEPROM写操作之前必须用w砒N指令 设置写使能锁存器，否则不允许写操作。WRDI指令能复位写使能锁存器。在上电情况下和写操 作完成之后，写使能锁存器也自动复位。另外，若WP变为“0”，写使能锁存器也被复位。一旦 写使能锁存器被复位，就禁止写操作。这些都是保护EEPI?M内数据的措施。 3)状态寄存器 X25045内部的状态寄存器格式如下: W口位表示x25045是否忙于向EEPRoM写数据。该位是只读位(W口为0表示没有写操 作在进行，可向EEPROM写数据;WIP为I时表示正在进行写操作，此时不能向EEPROM写数 据( WEL位表示。写使能”锁存器的状态。当设置为，”l”时，锁存器置位，当设置为。0”时， 锁存器复位。WEL位是只读的，它由WREN指令置位，由WRDI指令或成功地完成了写周期后 复位( WRSR指令可以对状态寄存器中非易失性位BLI，BL0，WDI，WD0进行设置。BLI和BL0 位确定EPROM的块保护地址范围(当位3位2为“oo”时，表示无块保护(可读可写):当位3 位2为“Ol”时，表示被保护的范围为180H,lFFH(可读不可写):当位3位2为“lO“时。表 示被保护的范围为100H,l硎;当位3位2为。11“时，表示被保护的范围为000H,IFFH(WDI 和WD0位是看门狗定时器超时选择的设定位。当位5位4为“ll”时，禁止看门狗工作;当位 5位4分别为“00”、“Ol“、。10”时，看门狗超时周期分别为IAs、600ms、200ms。 (3)X25045与单片机的接口电路【叫 X25045与单片机的硬件接口非常简单，X25045的信号线可与AT89C52的I,O口 直接相连，用软件控制读写及选通。图15是AT89C52单片机与X25045的接口电路。该电路为 AT89C52扩展了上电复位、手动复位、可编程看门狗定时，电源电压监控、串行E2PROM等功 能。 基_丁单片机的地。F水监测系统研究 +，7 2(4(6人机接口电路设计 田15 X25045接口电路 Fig 15 Circuit ofthe clock inta'fa? 2 为提高人机交互能力，采用汉字点阵液晶(配合三个功能按键，实现多级菜单。同时配备了 微型打印机，可将测量结果打印备份。 0)LCM液晶显示模块岬J , 点阵式LCD不仅可以显示字符、数字(还可以显示图形、曲线及汉字，并能够实现多种动画 显示效果。使人机界而更加友好使用操作也更加灵活、方便。 MGLS一12864是使用两片}m61202作为列驱动器，同时使用一片liD 61203作为行驱动器的 128"64点阵的液晶显示模块。两片HD 61202分别控制液晶的左右半屏，它可直接与8位微处理 器接口。HD61202是一种点阵式液晶显示系统的列驱动器，它与行驱动器HD61 203配合洪同驱 动LCD。HD61202内部有64*64=4096位显示RAM，对应液晶显示器的半屏，RAM中每位数 据对应相应LCD屏上一点的亮、灭状态:。1”表示亮(“0”表示灭。 MGLS-|2864液晶显示器分左半屏和右半屏。当,CSA有效时选中左半屏，当,CSB有效时选 中右半屏，E为读写使能信号，在E下降沿，数据被写入HD61202(在E为高电平期间，数据被 读出。R,W为读写选择信号，R,W=I为读选通，R,W=0为写选通。D,I为数据，指令选择，D,I( 1为数据揉作，D,l=0为写指令或读状态。D0,D7为数据总线。 M GLS(12864的控制器HD61202有一系列操作指令(通过指令可以实现对显示屏的控制。 指令系统见表lO( 河北农业大学硕十学位(毕业)论文 其中读状态指令用来查询HD61202的状态(各位含义如下: BUSY: 1一内部在工作0--正常状态 ON,oFFc I一显示关闭0一显示打开 REST( 1一复位状态O一正常状态 在BUSY和REST状态时，除读状态指令外，其它指令均不对皿61202产生作用(在对 HD61202操作之前要查询BUSY的状态，以确定是否可以对HD61202进行操作。 (2)微型打印机 TPup-16A微型打印机是一种超小型点阵针式打印机，使用EPSON M(150打印机机芯，自带 徽处理器及部分字库，可使用不同命令打印240个5x7点阵字符，并具备图形和曲线打印功能， 经过特殊设计，可方便地作为各类智能仪器设备的微型打印记录终端使用。TI'u p-16A微型打印 机采用单+5V(t(SA)供电，打印纸为普通白纸。上要性能如下:16” (1)自带微处理器、2KB控制程序。具有标准的Ceammic 8位并行接口，可方便地与各类微 处理器连接。 (2)具有标准的ASCII字符库96个及128个非标准字符、圈符库，并有16个6×7点阵用户 自定义、自安装字符库，可打印8x96点阵的图形，代码字符和图形可在同一行中打印( TPu p-16A采用20芯扁平电缆及接插件与上级微处理器连接，全部标准rrL电平，最大通 信距离达5米。接口信号如表11所示。 基丁单片机的地‘卜水监测系统研究 囊1l lpu p-leA接插件引睁值号 TablelI Connectorpin signalofTPup-16A DB0(DB7为输入数据线(册为输入选通信号线，BUSY为打印机忙标志，』口为打印机输 出应答信号(有效时表示打印机已取走数据，剧龌为打印机输出出错信号，输出有效宽度30ms， 表示打印机出错。 (3)人机交互接口电路 人机接口电路如图i6所示:州 图中单片机P2(2口输出电平经74HC00反相后作为液晶显示模块MGLS(12864左右半屏的选 择信号。P3(6和P3(7的输出信号经74HC00反相后作为读写使能信号，单片机读写LCM就如同 访问片外数据存储器一样。P2(3和P2(4分别为打印机的选通信号和忙查询信号。液晶显示模块 和打印机共用8位并行数据输出口PO。系统配有三个功能按键和一个电源开关。三个功能按键接 在单片机的中断输入上，分别实现“确定”、“取消”、“选择”功能。 图16人机接口电路 Fig(16 Interfacecirceitofpe叩le删computer (4)声音报警电路 声音报警电路如图17所示，将采集到的数据与标准数据进行比较(当不符合标准时，P口 输出高电平，晶体管导通，蜂鸣器报警。表明地下水参数是不符合国家规定标准。需要重视，并 采取相应的保护措施。 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 2(4(7串行通信接口电路设计 田17报?电路 Fi孚17 Waraingcircuit 在计算机系统中(cPu和外部通信有两种方式:并行通信和串行通信。并行通信，即数据的 各位同时传送;串行通信，即数据一位一位按顺序传送。图18为这两种通信方式的示意图。鼯(鼯 (a)串行通信方式(b)并行通信方式 暖18两种通信方式示意团 Fig(1B Twoviewsofcommunication mode 串行通信能够节省传输线，特别是数据位数很多和远距离数据传送时，这一优点更为突出( 串行通信的主要缺点是传送速度比并行通信要慢。 串行通信分为同步通信和异步通信两种，本系统采用异步通信。 在异步通信中，数据通常是以字符为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端一帧一帧地发 送，每一帧数据均是低位在前，高位在后。通过传输线被接收端一帧一帧地接收。发送端和接收 端可以由各自独立的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不同步。 在异步通信中(接收端是依靠字符帧格式来判断发送端是何时开始发送，何时结束发送的。 字符帧格式是异步通信的一个重要指标( (1) 字符帧(c11aracter frame) ? 。 字符帧也叫数据帧(由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位4部分组成，如图所示( 基于单片机的地下水监测系统研究 起 曲 位 奇偶停 校验止 位 tb)有空闭为宇}q? 围19异步通信的字符帧格式 Fig,19 Cha?ner fl_tlne fmm ofasynchrenous communication 起始位:位于字符帧开头，只占一位，为逻辑0，低电平，用于向接收设备表示发送端开始 发送一帧信息。 数据位:紧跟起始位之后，用户根据情况可取5位、6位、7位，低位在高，高位在后。 奇偶校验位:位于数据位之后，仅占一位，用来表征串行通信中采用奇校验还是偶校验，用 户决定。 停止位:位于字符帧最后，为逻辑l，高电平。通常可取l位、1(5位或2位，用于向接收端 表示一帧字符信息已经发送完，也为下一帧发送做准备。 在串行通信中，两相邻字符帧之间可以没有空闲位，也可以有若干空闲位，这由用户来足决 定。图27(b)表示有3个空闲位的字符帧格式。 (2) 波特率(baud rate) 异步通信的另一个重要指标为波特率。。 波特率为每秒钟传送二进制数码的位数，也叫比特数，单位b,s，即位，秒。波特率用于袁征 数据传输的速度，波特率越高数据传输速度越快。但波特率和字符的实际传输速率不同，字符的 实际传输速率是每秒内所传字符帧的帧数，和字符帧格式有关。 通常，异步通信的波特率为50-9600 b,s。 异步通信的优点是不需要传送同步时钟，字符帧长度不受限制，敲设备简单。缺点是字符帧 中因包含起始位和停止位而降低了有效数据的传输速率。 为了方便数据的存储和处理，具有与PC机进行串行通信的功能，可将多次测量结果传送给 PC机。用专用软件对采集的数据进行处理、分析，并给出测量结论。 (1)通信接口电路【6刀 RS-232C是EIA(美国电子工业协会)公布的异步串行通信接口，采用单端驱动、单端接收 27 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 电路。其特点是:传送信号只用一根信号线，地线是公共的(传输距离最长为15m，传输速率最高 为20Kb,s(RS-232C采用负逻辑，逻辑。l”电平为-5V,(15V,i艺辑。0”的电平为+5V,+15V( 而单片机采用"ITL,CMOS电平逻辑，二者互不兼容，必须进行屯平变换。我们使用MAX232串 行通信芯片，它是单片集成双RS-232驱动，接收器，采坩单一+SV电源供电，外接四支电容便可构 成标准的RS(232通信接13，从而完成TTL,CMOS电平和EIA电平的相互转换(这样，二二者之问 就可以通过RS-232接口进行数字信号传送。图20是AT89C52单片机通过MAX232与PC机进 行通信的硬件接线图。 RS-232C接口规定为25芯，实际使用9芯连接就够了，与单片机的通信使Hj其中的3芯:2 脚(RXD。接收数据)、3脚(TXD，发送数据)、5脚(GND，信号地)。表12为RS-232C的引脚说明。 单片机与PC机的通信为全双工串行异步通信。RS-232C的2脚接MAX232的14脚(TIOUT)， MAX232的1l脚frIIN)接单片机的ll脚(TXD,P3(1)，该方向，PC机接收单片机发来的数据。 RS-232C的3脚接AX232的13脚(mn"0，MAX232的12脚限lOUT)接单片机的lO脚 (RXD,P3(o)，该方向PC机向单片机发送数据。 囊12?机1毽-(232c接口引脚说啊 Tablcl2 Interface piIIihowof RS-232C 田20串行通信硬件接线围 Fig(20Hardwarehookup chartofserial communication 基于单片机的地下水监测系统研究 (2)单片机串口设置 AT89C52内部有一个全双工增强型UART口，TXD(P3(1)为发送端(RXD0'3(o)为接收端。 它主要受两个特殊寄存器(SCOS和Pcor,o的控制，可用软件设置的四种工作方式(通信_1:作方 式中，方式l是标准的异步通信方式，此方式工作时，串行口为8位异步通信接口，每帧信息包括 lO位:1个起始位、8个数据位和1个停止位。波特率可变，由定时器Tl或T2的溢出率和SMOD 位的状态决定，在CPU的晶振为12MHz时，波特率采用9600t,ps。 选用定时器T2作为通信的波特率发生器。单片机的通信参数设置如下:置寄存器T2CON 为34H(定时器T2工作于波特率发生器方式);置寄存嚣TH2和RCAP2H为FFH，TL2和RCAP2L 为D9H(波特率9600b,s):置寄存器SCON为50n(,口工作方式l，允许接收)。 2(5电源电路设计 本系统采用12V铅酸蓄电池供电，采用LM2575开关稳压集成电路提供+5V电压，由于运放 TLC2274和滤波器MAX275需要双电源供电，采用MAX660生成(5v电压。【“70】 u位575开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的lA集成稳压电路，它内部集成了 一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积， 而在大多数情况下不需散热片:内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等:芯片可 提供外部控制引脚。是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。 LM 2575开关稳压集成电路芯片的主要参数如下: 1】最大输出电流:IA: 2)最大输入电压:45V; 3)输出电压:5V: 4)振荡频率:52l【}Iz; 5)最大稳压误差:4,; 6)转换效率:75,,88,(不同的电压输出的效率不同): 7)工作温度范围:为一40?,+125?。 MAX660是单片电压反向电荷泵，可以将+1(5V,+5(5V的电压转换成(1(5V,-5(5V。工作仅 消耗0(12mA电流，适用于手持设备(以及为运放供电。在本系统中通过MAX660将+5 V转换 为-5V为运放TLC2274和滤波器MAX275供电。p“ ( 电源电路如图2l所示: 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 UI r 田21电彝电路田 Fig(21 PMca'cuit 为了保证电源正常工作，减少干扰和噪声，应当适当选择电源外部元器件。 (1)电感的选择 根据输出的电压档次、最大输入电压?n(MA?、最大负载电流IkId(MA?等参数选择电感， 可参照相应的电感曲线图来查找所需采用的电感值。 (2)输入输出电容的选择 输入电容应大于47llF，并要求尽量靠近电路。而输出电容推荐使用的电容量为IOOuF, 470uF，其耐压值应大于额定输出的1(5,2倍。对于5V电压输出，推荐使用耐压值为16V的电 容。 (3)二极管的选择 选用快恢复二级管，二极管的额定电流值应大于最大负载电流的I(2倍，但考虑到负载短 路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2575的最大电流限制;另外二极管的反向电压应大于 最大输入电压的1(25倍( 基于单片机的地下水监测系统研究 3(1系统程序设计概述 3软件的设计 程序软件是系统的灵魂，系统依靠程序软件的运行实现地r水参数的自动测量，程序软件的 设计可以有效的发挥扩展系统硬件的功能，又可以完善抗干扰措施。程序设计应遵循以下原则: O)Nt采用结构化程序设计，功能程序实行模块化，便于调试、连接和移植修改。? (2)合理利用系统资源。 (3)提高软件的抗干扰能力。 运用汇编语言进行单片机软件的开发，能充分发挥硬件速度快、效率高的特长，便于实现实 时测量。 本软件程序由汇编语言来编写，软件程序主要实现系统的初始化、数据采集、数据处理、数 据显示和打印、数据通信等功能，主要包括主程序和实现各种功能的模块程序，系统框图如下图 23。 单片机程序主要实现数据采集、数据处理、数据显示打印、数据通信等功能。包括主程序、 数据采集子程序、时钟读取子程序、数据存储子程序、LCD显示子程序。打印控制子程序、按键 处理子程序等。 3(2主程序设计 田23系统框田 Fig(23 Sys?缸mc 主程序是是一个顺序执行的无限循环的程序。它负责调度系统的各应用程序模块，并与系统 的外部设备及时交换信息，实现系统软、硬件资源的整体管理( 3I 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 田H主程序澶程田 基于单片机的地下水监测系统研究 3(3子程序设计 3(3(1数据采集程序设计 数据采集是由AD7705进行两次A,D转换米完成的。将SCKL，见瞄甚丁、分别接单片机的 PI(0和P1(3。DIN和DOUT相连并接单片机的P1(2;直接将片选端c5接地，使片选始终有效: Z强Dlr接外部中断0即P3(2，当一次AD转换结束，自动产生一次中断，在中断中设置标志( 通知单片机取AD转换结果。ITSJ 单片机对AD7705寄存器进行操作必须严格遵循规定的时序，AD7705与单片机之间的数据 交换必须是倒序(8位)(只有在状态信号DRDY指示输出数据寄存器的数据准备就绪时，单片机才 可以读取转换结果。图25和图26分别给出了读写数据周期的时序图。数据采集流程图如图27。 嘲 DD町 田25读数据周期时序 Fi925 Reading data cycle time series 固2e写数据周期时序 Fig(26 Writing dam cycle time series 33 塑!!奎些盔堂堡主兰垡!兰些2丝奎 I开始I ‘ I串行口初始化( I I选中^D下705 圈27数据采奠漉程田 F嘻27Theflowdumofdmcollecu。d 下面是用AD7705进行数据转换的程序清单: scLK EQU Pi(0 DpdA EQU P1(2 ItESET EQU PI(3 :初始化AD7705 CLR RESET MOV R7(#15 D仆iz R7($ SETB RESET:保证AD7705能可靠地复位 NoP MOV九脚H ::选择时钟寄存器 LCAU。Writ,'7705 MOV A(#0C'H ;50Hz的转换频率 基于单片机的地下水监测系统研究 ICAI，L Wrim7705 MOV A，#10H ;选择设置寄存器 LC^LL Wrire7705 MOV A,#44H :自校准模式，增益为l LCAU，Wri研705 RET ;输出一个字节到7705 W蝴705: CUt sI:U( MOV R7(舸 W7705: MDV C(AOC(7 MoV DAI:九C RL A NOP Sl'TB SCLK NOP NOP CLR SCU【 DJNZ 11(7，W7705 MOV C(ACC(7 MOV DATA,C IlL A NOF SETB SCUK SE，IB DAl'A l迁『r ;读7705的转换结果 Read7705: PUSH PSW PUSH R7 MOV A，#38H;选择数据寄存器 LCAU，Writc7705 MOV R7，榴;读取高位字节 R7705 l: NoP NOF CLR ScLK MOV C，DATA RLc A DJNZ R7(R7705_1 MOV 30It，A ; MOV 117，榴: R7705 2: NOP NOP CLR SCLK NOP NoP Sm SCLK NOP MOV C，DATA RLc A DJNZ R7(R7705 2 MOV 31lL A POP lU P()P PSW l瑾T ;外部中断1的中断例程。 Ext仆rI-o: PUSH ACC ICAIL R翰‘”705 POP AOC 剐朗rI 3(3(2时钟读取程序设计 保存高位字节 读取低位字节 保存低位字节 当AD7705的AD转换结柬后便会发生中断。 单片机通过i2c总线与DSl302通信，图28、29分别为DSl302的读写时序( 基于单片机的地下水监测系统研究 围28咕1302的读时序 Fi928ReadingtimeseriesofDSl302 ?呻?In?t 读DSl302时先使,RsT置l，然后向I，0(P1(6)上送寄存器的地址，数据按从高位到低位的顺 序，在SCLK的上升沿被送入DSl302。第9个上升沿开始，传送该寄存器内的数据。最后瓜ST 清0表示结束。【76】 写DSl302时先使爪sT置1，然后向I,O(PI(6)1-送寄存器的地址，数据按从高位到低位的顺 序，在SCLK的上升沿被送入DSl302。紧接着地址的是将写入的内容。最后瓜sT清0表示结束。 田29 D81302的写时序 Fig(29 Wdting time s耐es ofDSl302 下面是读Dsl302的程序清单: l塔T EQU P1(4 SCLK EQU PI(5 FO EQU PI(6 ;DSl302初始化 lnitl302:CUt SCLK CLR RST NOP 河北农业大学硕十学位(毕业)论文 sETB RST l迁不 :写入一个字节 WHtel302:MOVRl(#08H U，ol:CUt SCU【 RRc A MOV I,O,C NOP Sm SCLK NOP DJNZ R1(LP0l REr :读出一个字节 Readl302:MOV LP02:CUt Nop MOV RRc SFrB NOP DJNZ 肛T :停止 R1(#08H SCLK C，I,O A SCLK R1(U?02 STOP:CLR R_ST NOP RET :调用部分 “’^LL Initl:302 MOV九#0BFI-I LCALL Writel302 MOV 112(栅71-1 MOV R0(#30H LP:ICAI(I，Readl302 MOV@R0，A 矾C肿 DJNZ勉(LP U:ALL gr0巾 ?’T 基于单片机的地下水监测系统研究 3(3(3数据存储程序设计 存储器为串行的EEPROM，这就决定了读写速度相对较慢，并且不能无限次的读写(读存储 器阵列数据，首先把CS拉至低电平选择芯片，发送8位READ指令，紧接是8位字节地址，然 后是所选定地址的存储器储存的数据移出到SO线上。继续提供SCK便读出下一地址储存的数据。 当字节地址到达最高地址($IFF)时，地址计数器自动翻至$000，a置高电平终止读操作。图30 为其时序图。 MSB 围30 X2?45读存储器时序 Fig(30 Reading storage 6me series ofX25045 圈31 X2?45写存储器时序 Fig(31 W确lIg storage time series ofX25045 首先发出WREN指令使写使能锁存器置位。CS首先被置低电平，发送8位指令，接着C5变 高允许继续进行写操作。把数据写入FFPROM存储器阵列时，CPU首先发WRITE指令，然后是 地址，接着是要写的数据。为了结束写操作，只能在第24，32，40和48个时钟之后将岱变高电平( 在其它时间变高都不能结束写操作。字节的写操作时序见图3l所示。【77】 AT 89C 52与X25045接口应用的软件，包括单字节写、单字节读、设置写使能寄存器、复 位写使能寄存器，写状态寄存器、读状态寄存器、读N字节、页写和复位看门狗等应用子程序( 下面给出各应用子程序清单: CS EQU PI(7 SCK EQU P3(4 SI EOU P2(6 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 so EQU P2(7 :单字节写 oLrmyTE:MOV聃(郴曝H 0Bl:CLR SCK IUC A MOVSl,C SE『rB SCK D仆Iz R0(oBl CUL SI l饪rr :单字节读 帅YrE:MOV肋(捍?H ml:SElm SCK CUt scK MoV C(So lUC A DJ『NZ R0(ml RET ;设置写使能寄存器 WREN:CLR SCK CLR CS MOV九饿)6H ICAIJ OUrBYIE CUL SCK S啪CS 肛T :复位写使能寄存器 矾哏DI:CLR SCK CUt CS MaV九煳蚶 I CAIl，OLrll3yIE CLR SCK SFIB CS l己ET ;读状态寄存器 IUDS艮CLR SCK CLR CS MoV A(加5H 柏 基于单片机的地下水监测系统研究 LCALL C吒rrBYTE LCALL 帅yIE CUt涨 SETB CS 肛T ;写状态寄存器 WRS,LCALL?哏EN CLR SCK CUt CS MOV九椰lH LCALL 0嘎rIByIE MOV^。R0 LCALL oI rrBYlE CUt SCK S舳CS WSl:LcALL RDsR JBAcC(0(WSl RET :复位看门狗 R s，rI)OG:CLR CS S啪CS l珏IT :读N字节 BYTN:CLR SCK CUL CS MOV九#03H MOV B(DPH MOV C，B(0 MoV AcC(3(C I(CAI I OLrrBYTE MOV A(DPL LCALL CH rIByIE BRl:LCAU。?BYTE MOV@RI，A INC Rl I)JNZ R7(BRl CLR SCK SFfB CS 41 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 REN ;页写子程序 PAGW:LcALL Wl逭N CLR SCK CUt CS MOV九#02H ,t0V B(DPH MOV C，B(0 MOV Acc(3(C LC札L OUnIYIE MoV A(DPL Lc札L OUrBYlE PWI:MOV A’@RI LcALL OUnIYIE ?qC Rl D扑Iz R(7(PWl CLR SCK (Sm CS PW2:LCALL RDSR JB Acc(0(PW2 RET 3(3(4显示和打印程序设计 (i)LCD显示程序设计 对LCD点阵图形和字符显示编程通常分为两种方式:m】 11直接写屏:将LL'D作为输出目标(直接输出需显示的内容 2涧接写屏:先建立LCD映象RAM，将需要输出的内容先写到RAM单元，然后更新整屏 LCD( 如果采用直接写屏方式(只要设置了页地址和列地址。就唯一确定了显示RAM中的一个单 元，CPU可以通过读、写指令对这些单元进行操作，读出该单元的内容或向该单几写进一个字节。 如果采用间接写屏方式，需先开辟一块RAM作为显示缓冲区，屏幕上点(X’Y)对应显示缓冲区 RAM中的一位，“I”表示亮。。0”表示灭( 无论采用哪种编程方式，只要根据显示器的指令系统，首先建立西文字符和中文字符库，然 后建立相应的图形显示和字符显示最基本的控制程序(如:状态查询、写指令、写数据、读数据、 清屏、座标变换、写字符、写字符串、汉字、画点、画水平线、垂直线等基本子程序)，最后在此 基础上编写显示字符、数字、汉字及复杂图形等程序( (2)打印控制程序设计 42 基于单片机的地下水监测系统研究 在编写打印机控制程序时，主要做两件工作: 11判断BUSY忙信号电平。 2l当输出数据在数据总线上时，产生一个低脉冲选通信号册。 在单片机系统中运行的数是二进制代码(而仪表的输出却是字符、汉字、曲线信息，因此， 软件中首先要做的J二作是将待打印的内容转换成字符的ASCII码、汉字的点阵代码以及曲线的点 座标位置等，并存放在存储器一连续区域。然后控制打印机读出数据并打印。 要打印的信息为报表(报表由5行组成，第1行为报表的开始，行中间的数字指明报表的序 号，第4行为报表的结束(第5行空出一行分隔各报表，中间各行为报表的具体内容。由于报表 的格式是固定的，所以，以表格的形式放于程序中最后固化到ROM中，需要时可通过查表打印 相麻的报表，一种报表对应一种数据表格，表格中有固定参数和可变参数之分，固定参数是指打 印命令，打印常数及一些控制信息，可变参数是指进行具体填充的数据。图32所示报表中，打 “x”者即是可变参数，在数据表格中以00H作为其标志，报表中其它的打印字符即是数据表格 中的打印常数，此外数据表格中还应包括必要的打印命令和打印控制信息( 报表打印程序流程图如图33所示。数据表格偏移量初值保存于IU中，查表所得报表总行数 保存于R5中，各行打印所用代码个数(查表所得)保存于R6中。打印数据如为00H，表示应填充 数据。表格起始地址存于片内40H和41H两单元中，填充数据起始地址存于片内42H和43H单 元中，填充数据偏移量存于R4中。 田32报裹格式 Fig(32 Report form 河北农业大学硕十学位(毕业)论文 3(4上位机通信程序 围33打印程序流程图 Fig(33 The flow chart of。研nt program Visual Basic(简称VB)是设计W'mdows应用程序强有力的开发工具，它易学好用(具有丰富 的控件和功能强大的多任务处理功能。在W'mdows环境下可利用W'm32API接口函数和利用RAD 开发系统的AetiveX控件(如VB的MSComm控件)实现串行通信。前者的最大优点是可用多线程 编程以实现一个通信程序对多个串行通信口的通信。而后者可屏蔽通信过程中的底层操作，使用 方便( VB 6(0的MSComm通信控件提供了一系列标准通信命令的接口，它允许建立串口连接，可 以连接到其他通信设备(如Modem)、还可以发送命令、进行数据交换以及监视和响应在通信过程 中可能发生的各种错误和事件，从而可以用它创建全双工的、事件驱动的、高效实用的通信程序( (1)MSComm控件的主要属性及事件 ?CommPort设置并返回通信端口号(如:Mseomm I(Camnpo巾l表示指定使用COMI作 为通信端口。 ?Input返回并删除接收缓冲区中的数据?在设计时无效(运行时为只读。 甲 基于单片机的地下水监测系统研究 ?矗putLen确定被Input属性一次从接收缓冲区读取的字符数。 ?lnputMode设置菇返回被Input属性读取的数据类型，其中ComlnputModeTe_tt以文本的形式返回，而脚tModeSinary以二进制形式返回。 ?Output向输出缓冲区中写入数据，在设计时无效，运行时为只读(【剐 ?PortOpen设置并返回通信端I=l的状态，运行时有效( ?Settings设置并返回初始化参数，即波特率、奇偶校验、数据位和停止位。对于奇偶校验 位，N表示不校验，E表示偶校验，O表示奇校验，M表示符号校验，s表示空格校验。如 M1w(omml(Settings=”1200N，8，1”表示所使用的通信端口以每秒1200B的速度传输(不校验，8 个数据位，1个停止位。 ?OnComm事件当CommEvent属性的值变化时，就产生此事件，标志发生了一个通信事件 或错误。 ?CommEvalt返回通信事件或错误。只要有通信错误或事件发生都会产生OnComm事件， 该属性存有所发生的错误或事件的数值代码( ?RThreshold在MSComm控件设置CommEvent属性为CommEvReceive，并产生On-Comm 事件之前设置井返回要接收的字符数。 (2)用MSComm控件进行串口通信一般步骤 1)设置通信对象、通信端n号以及配置通信格式(如起始位个数、数据位长度、校验方式、停 止位个数等)和其它相关属性。 2)设定通信协议。 3)打开通信端口，进行数据的传送和读入。( 4)关闭通信端口，在完成串行通信操作后，将串行通信端口的资源归还给操作系统。 (3)MSComm控件通信方式的选择 MSComm控件有两种处理通信的方式，即事件驱动方式和查询方式。事件驱动方式是处理 端口通信的一种有效的方法，它可以利用OnComm事件捕获井处理通信中发生的事件或错误， 通过分gq对每个CommEv?t属性值编程即可完成对各个错误或事件的处理，实时性较强。而查 询方式是在程序通过查询CommEvent属性的值来判断通信过程中的事件或错误井做出相应的处 理，这种方式适合于应用程序较小、实时性要求不是很高的系统。 在本系统中采用事件驱动方式( 3(4(2通信协议 上、下位机之间以波特率为9600b,s的传输速率通信，无校验位、8位数据位和l位停止位。 数据帧格式定义如下: 下位机发送“S”表示请求传输数据，上位机收到请求后发送。H”表示准备好接收数据，下 位机收到应答后发送数据，上位机接收数据并进行校验，如果通过技验则发送。E。表示通信结 束，否则发送。H”请求重发数据( 河北农业人学硕十学位(毕业)论文 3(4(3通信程序 MSComm控件的初始化 在FonnLoad事件过程中，对串口进行初始化。设置串口为COMI(波特率为9600。单片机 传送给PC机的数据为二进制形式，敲InputMode的属性设置为ComlnpmModeBin。 Privaze Sub Form_LoadO lm?omm(Commpo忭l ’使用COMI作为通信端口 msc,omm(Settings=“9600，N，8，I” ’设定波特率、校验位、数据位、停止位 mscom,m(InputMode=ComlnlmtModeBin ’以二进制形式接收数据mf?omm(1nlm删’一 次从接收缓冲区中读取全部字符数 mIco?(RThreshold=l ’每收到1个字符就产生中断 EndSub 接收数据程序 Private Sub mscomm_OnComm0 If痂妒1(n”Then Buffer'。mscomm(input tmp—Buffer Iftrap=SThen firs仁Fal? llxqe(omm，output=”H” mscomm(R舭ld=31 EndIf EBluseff?Input For卸T029 alnorb(i)=Buffer(i) receiv?mceive+Bufret(i) Nexti Whne receive>=256 receive=receive-256 Wend If嗽ive=Bu伍一30)Then reeeive=0 丘髓仁Tnle ?堪蛐m(RThresholdeI m啪m(Output=“E“ ’表示未接收到下位机发送数据的请求 ’接收应答请求 收到下位机的请求 ’应答 ’每收到31个字符产生中断 接收数据 ’计算校验和 通过校验 ’对数据进行处理 基于单片机的地下水监测系统研究 Else n目:om，Output=’‘H” Endif Endif EndSub Private Sub cmdEnd Crick0 msco?礼黝州)p印=Fal瞻 End Sub ’未通过校验 ’请求重发数据 ’关闭串行口，结束通信 47 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 4结论 地下水监测是为保障社会经济可持续发展而开展的一项重要的基础性、公益性:T:作(加强地 下水动态监测，一方面是为制定开发利用和保护方案提供基础资料，另一方面，也是检验水资源 开发利用是否合理，地质环境保护措施是否得当的直接手段，通过长期监测资料的分析，找出开 发利用中存在的问题(提出改进方向和迸一步的保护措施。冈此(地下水监测既是国民经济和社 会发展的基础性支撑条件，又是实现可持续发展的保障措施。 为了提高水资源利用效率，合理开发利圳地下水，实现从传统水利向现代水利，可持续发展 水利转变，实现水资源的可持续利用(保障经济辛t会的可持续发展，必须改变地下水监测的落后 现状，加强地’F水监测工作( ， ’ 本系统是一种可供野外使用的便携式地下水监测仪，在研制过程中以实用，简单(可靠性和 低成本作为系统设计的原则。本系统研究的重点是: (1)系统中测量地下水参数采Hj目前相关领域中最有代表性的水位、水温、pH值等传 感器，具有精度和灵敏度高、抗干扰强等特点( (2)在多路数据被测信号共用一路数据采集系统中，使用了多路模拟开关MAX308，将 多路被澳4信号分别传送到^,D转换器中，节省了电路消耗。 (3)实时时钟芯片DSl302采用串行通讯方式，只需三条线即可与单片机通讯(同时体积仅 仅是其它同种时钟芯片的1,4，且片内均含R棚，可增加系统的R枷，它的时钟校准也较为容易， 采用专用晶振器，无需调整即可达到国家要求的时钟误差标准。 (4)系统采用X25045芯片实现看门狗、电压监视、数据存储功能。X25045将微机测控系统 中常用的功能:看门狗定时器、电源电压监控、上电复位、串行E2PROM集成在8只引脚的集成 芯片内。大大减少了对电路板的空间要求，简化了硬件设计，提高了系统的可靠性(降低了成本 和功耗。 (5)采用汉字点阵液晶显示器，配备微型打印机，打印输出。 (6)采用SPI和i2C串行总线，使其接口电路简单，便于用户操作。 (7)系统采用低功耗设计，使用的芯片均为c啪s集成电路，采用LM2575开关稳压集成电路 提供+5V电压，采用MA)(660提供一5V电压。系统功耗较低，由电池供电，可满足野外便携使用的 要求( 从本系统的实际应用情况来看，还需要在以下几个方面进一步加以改进完善: l进一步完善与各种传感器的接口电路，以适应不同的检测环境的监测。 2扩充监测参数数量，满足地下水监测的更高要求( 3软件程序有待于进一步改善，使用执行时间更短的一些算法，从而可以增加电路的采样数， 使得最后的测试结果更加接近于真值。 4后期数据处理规范化问题，需在软件上加以考虑，以适应不同用户，不同行业的需求( 48 基于单片机的地下水监测系统研究 参考文献 【1】杨华舒，楮福涛(单片计算机系统抗干扰的软件途径【J】(电子技术应用,2001(3):20--22( 【2】邹伯敏启动控制理论【?(机械工业出版社(2003(6 【3]Kazutent Tobim(The University of Electro-Communications)，Tatayeki Ohira(Sony Cofpotation)(A Rotary Encxxler based on Magneto-Optic;al Storage Method[EB,OL]( [4]l曲ared Physies，1976，V01(16 P(P(639-647( 【5]Inter(Conf(On Advanced Infrared DeteOm's and Systems，29-30 Oct(1981,p(p(24-29( 【6】“O曲cal Engineering"，V01(14,Nol,p(P(57-62,Jan(-Feb(1975( [7]W(LWolfe，HandbookofMilitaryInfraredTechnology,Chap(10,21，1965( [8]Appl(Opt(Julyl967V01(6No(7P(p(1189(--1193 【9]P(N(Slater,Remote Sensing:(optics and optical Systems，Addison-Wesley Publishing Company, 1980( 【10]P(H(Swain,s(M Davis，wds，Remote Sensing:The QuantitativeApproach，McGraw-Hill，Inc(1978( 【l 1]W(W(Coblantz,;“Investigadom oflnfrared Spectra”，Carnegie Institute，35( 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