基于单片机的高精度水位监控仪的设计.pdf

基于单片机的高精度水位监控仪的设计
张翼翔
(1.山西机电职业技术学院山西长治046011
2.太原理工大学山西太原030024)
摘要:本文研究并设计了一种基于单片机的高精度水位监控仪，从硬件设计、软件设计与系
统抗干扰设计三个方面详细描述了整个系统。系统选用了高集成度的混合信号系统级芯片
C8051F021，实现了信号的采集和处理，并且完成了AD421与单片机的SPI接口任务，协
调了它与AD7705芯片和单片机共同构成的SPI总线系统的关系。系统解决了以往的水位监
控仪中存在的问题，达到了高精度水位测量仪器的各项标准。
关键字:水位监控；单片机；模数转换；
DesignofWater-levelMeasuringSystemwithHighAccuracybasedonSoC
ZHANGYixiang
(1.ShanxiMechanicalElectricalProfessionTechnologyCollege046011
2.TaiyuanUniversityofTechnologyShanxiTaiyuan030024)
Abstract:Anewintelligentwater-levelsystemisdevelopedinthispaper.Itdescribedthesystem
accordingtothehardwaredesign,softwaredesignandanti-jammingdesign.Wechoosean
advancedintegratedSOC(SystemonChip)microchipC8051F021asthemaincontroller;
Realizationofsignalsampling,processinganditsconversionintheMCU;Additionally,a
4~20mAcurrentoutputchanneltoprovidesystemcheck-upusingAD421.Inthesystem,AD421，
AD7705andthemicrochipcomposeSPIbus.Thiswater-levelmeterhassatisfiedalltherequest
ofsystem,settledmanyproblemseverexistedinthepreviousonesandattainedhighpreciseness
asagoodmeter.
Keywords:Water-level;SoC;A/DConvert
中图分类号：TP274文献标识码：A
1引言
水位监控仪广泛应用于水利、石油、化工、冶金、电力等领域的自动检测和控制系统中。
目前有些水位监控仪在运行过程中存在着一些问题，如:系统不稳定、抗干扰能力差、精度
低、输出控制或显示信号不满足要求、现场更改程序或程序升级麻烦及通信能力差等。本文
设计的智能水位监控仪是吸收了国内外最新智能化仪表的设计经验，采用工业控制单片机，
集水位采集、存储、显示及远程联网于一体，适用于各种液位测量及闸门开度的测量。
2系统硬件总体设计

本系统硬件部分主要考虑的功能有:模拟量的变换；模拟量的采集;高精度16位模数转
换器AD7705在系统中的应用;精确时钟芯片DS1302的应用;四路继电器报警，继电器驱动
芯片采用ULN2003；4~20mA电流环输出数模转换器AD421的应用以提供系统检测信号;
用于与上位微机通讯的接口实现。系统框图如图1。

图1系统硬件原理图
在本系统中，我们选用的主控芯片是高集成度MCU芯片C8051F021。C8051F单片机
是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC).具有与8051兼容的高速CIP-51内核和与MCS-51
完全兼容的指令集;片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部
件;内置FLASH程序存储器、内部RAM;大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的
RAM,即XRAM；C8051F单片机具有片内调试电路，通过4脚的JTAG接口可以进行非侵
入式、全速的在线系统调试。
2.1SPI通讯接口设计
在系统设计中，有两个外部芯片应用了SPI接口方式:AD7705和AD421，单片机和这
两个外围芯片构成了一个SPI总线系统。其中单片机的NSS端悬空并被片内上拉电阻置为
高电平连接，因为AD421是一个4~20mA输出的数模转换器芯片，所以它与单片机的数据
线连接只有主设备输出从设备输入，即MOSI。水位监控仪中SPT系统的连接如图2所示。

SCLK
SCKAD7705
MCLKIN
C8051F021
MCLK0UT
M0ST
/CS
MIS0

NSS6N136CL0CK
光电AD421
P1.1DATA
隔离