基于單片機的土工布滲透率的智能控制系統硬件設計

王 芳

(河南廣播電視大學，河南 鄭州 450008)

1 方案論證

此次設計主要是對數字電路，模擬電路和單片機的綜合運用。其過程是檢測壓力，模數轉換，顯示壓力。檢測壓力時的信號是模擬量，需要轉換為數字量才能用數碼管來顯示，其工藝流程如圖所示。

下面是對此次設計方案的描述及論證：

第一部分檢測壓力：檢測壓力是由傳感器感應并送入A/D轉換器進行轉換。壓力傳感器是檢測氣體，液體，固體等所有物質間作用能量的總稱。

第二部分模數轉換：由于模擬信號在時間和量值上是連續的無法用數碼管顯示。因此我們要把模擬量轉換為數字量。這就需要用到轉換器在選用轉換器時根據需要，選用了逐漸逼近型模數轉換器ADC0809。

第三部分顯示：轉換器通過單片機與數碼管相聯，單片機我選用了80C51。和8031相比，80C51在片內有4KB ROM存儲器，當其不夠時，還可以在擴展。

在實際運用過程中因為8051端口不夠用，因此需要擴展端口。根據需要和實際情況在擴展端口。選用了一種連接十分簡單，并不需要鎖存器的有鎖存功能的8155與單片機相連。

LED顯示器的選擇LED發光二極管顯示器是一種當外加電壓加在發光二極管上可產生可見光的器件，具有體積小、重量輕、工作電壓低、穩定、壽命長、響應時間短(一般不超過0.1us)、發光均勻、清晰、亮度高等優點。在本設計中，選擇3位共陽極LED顯示器。至此本次設計的方案已介紹結束。

2 工作原理

2.1 測試原理

該儀器的測試原理是：在規定的水力梯度和接觸材料條件下，改變法向壓力，測量在土工布及其有關產品平面內的水流量儀器應滿足國家標準規定的測試要求。基于單片機的土工布滲透率控制系統程序設計的設計任務是根據國家有關標準制定出基于單片機的土工布控制系統程序實現方法，包括儀器主體的設計和控制，按照平面內水流量的測定方法工藝要求，確定控制系統的電路硬件設計等。

2.2 儀器硬件的組成及主要技術特征

本儀器由兩大部分組成透水儀主機部分和智能測試裝置。透水儀主機包括進水槽、出水槽、試樣框、集水器、加壓部分和箱體等。智能測試裝置以MCS—51系列單片機80C51為核心，配置有只讀存儲器、A/D轉換器、8個功能鍵按鈕、3位LED數字顯示板等，可以對土工布的測試狀態進行設定(梯度、試樣數)，對壓力、集水時間、試樣厚度進行測定，具有數據采集與運算處理功能，并能對壓力、厚度、集水時間、水力梯度有選擇地進行數字顯示，水滿信號來時，能測試滲透率結果。土工布壓力檢測環節采用應變式壓力傳感器，厚度采用差動位移傳感器。因信號微弱易受干擾，采集時進行了濾波、放大處理后送入A/D轉換器。同時軟件設計了抗干擾程序，減小了測量誤差。由于測試時間較長，為避免因停電造成數據丟失，設計了掉電保護及鋰電池供電電路。掉電時使測試狀態數據保存在耗電極小的81C55內的RAM中，提高了測試的可靠性。由于采用微機系統完成數據采集和計時，不需要人為干預，能自動地測試，從根本上避免了人為因素的影響，實現了智能化。

3 系統硬件設計

3.1 80C51系列單片機簡介與特點

單片機的概念：據有運算，控制，存儲數據等功能并用智能化產品的芯片簡稱為單片機，又稱為微處理器。

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

(2)控制器。控制器包括程序計數器PC、指令寄存器、指令譯碼器、數據指針DPTR、堆棧指針SP、緩沖器以及定時與控制電路等。

(3)存儲器。外部程序存儲器擴展一般采用EPROM、EEPROM芯片。數據存儲器擴展通常使用的典型器件有半導體靜態存儲器SRAM、EEPROM和Flash ROM存儲器芯片。

3.2 量的輸入輸出

量的輸入輸出：被控對象的一些開關狀態可以經過開關兩輸入輸入到單片機系統，如電磁鐵的吸和斷開，電器的啟動于停止，但這些開關控制量一般都不能直接接入單片機。單片機測試系統的設計過程中，被測試對象信號的隔離對整個系統的正常工作具有重要作用。

3.3 A/D轉換部分

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

3.4 I/O擴展

擴展I/O端口的方法主要有3種：一種用數據緩沖器或數據鎖存器構成簡單的并行I/O接口;另一種是利用專用芯片如8255或8155擴展I/O接口;第三種是使用串行口同步移位寄存器方式擴展I/O接口。本次是利用8155擴展I/O接口。

3.5 LED顯示器接口

LED顯示器結構上有兩種不同形式：一種是8個發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個發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 結束語

至此，基于單片機的土工布滲透率控制系統的硬件電路已設計完成。此次設計，器件的選擇與比較，控制系統制作以及電路的設計與連接等，都是經過參閱資料和多次實驗連接完成。系統最終實現了對土工布平面水流量壓力指標和時間的測試。此次設計存在很多不足，有待進行改正。

［1］徐惠民，安德寧。單片機微型計算機原理，接口應用。［M］北京：北京郵電大學出版社，2003年