基于单片机的土工布渗透率的智能控制系统硬件设计

王 芳

(河南广播电视大学，河南 郑州 450008)

1 方案论证

此次设计主要是对数字电路，模拟电路和单片机的综合运用。其过程是检测压力，模数转换，显示压力。检测压力时的信号是模拟量，需要转换为数字量才能用数码管来显示，其工艺流程如图所示。

下面是对此次设计方案的描述及论证：

第一部分检测压力：检测压力是由传感器感应并送入A/D转换器进行转换。压力传感器是检测气体，液体，固体等所有物质间作用能量的总称。

第二部分模数转换：由于模拟信号在时间和量值上是连续的无法用数码管显示。因此我们要把模拟量转换为数字量。这就需要用到转换器在选用转换器时根据需要，选用了逐渐逼近型模数转换器ADC0809。

第三部分显示：转换器通过单片机与数码管相联，单片机我选用了80C51。和8031相比，80C51在片内有4KB ROM存储器，当其不够时，还可以在扩展。

在实际运用过程中因为8051端口不够用，因此需要扩展端口。根据需要和实际情况在扩展端口。选用了一种连接十分简单，并不需要锁存器的有锁存功能的8155与单片机相连。

LED显示器的选择LED发光二极管显示器是一种当外加电压加在发光二极管上可产生可见光的器件，具有体积小、重量轻、工作电压低、稳定、寿命长、响应时间短(一般不超过0.1us)、发光均匀、清晰、亮度高等优点。在本设计中，选择3位共阳极LED显示器。至此本次设计的方案已介绍结束。

2 工作原理

2.1 测试原理

该仪器的测试原理是：在规定的水力梯度和接触材料条件下，改变法向压力，测量在土工布及其有关产品平面内的水流量仪器应满足国家标准规定的测试要求。基于单片机的土工布渗透率控制系统程序设计的设计任务是根据国家有关标准制定出基于单片机的土工布控制系统程序实现方法，包括仪器主体的设计和控制，按照平面内水流量的测定方法工艺要求，确定控制系统的电路硬件设计等。

2.2 仪器硬件的组成及主要技术特征

本仪器由两大部分组成透水仪主机部分和智能测试装置。透水仪主机包括进水槽、出水槽、试样框、集水器、加压部分和箱体等。智能测试装置以MCS—51系列单片机80C51为核心，配置有只读存储器、A/D转换器、8个功能键按钮、3位LED数字显示板等，可以对土工布的测试状态进行设定(梯度、试样数)，对压力、集水时间、试样厚度进行测定，具有数据采集与运算处理功能，并能对压力、厚度、集水时间、水力梯度有选择地进行数字显示，水满信号来时，能测试渗透率结果。土工布压力检测环节采用应变式压力传感器，厚度采用差动位移传感器。因信号微弱易受干扰，采集时进行了滤波、放大处理后送入A/D转换器。同时软件设计了抗干扰程序，减小了测量误差。由于测试时间较长，为避免因停电造成数据丢失，设计了掉电保护及锂电池供电电路。掉电时使测试状态数据保存在耗电极小的81C55内的RAM中，提高了测试的可靠性。由于采用微机系统完成数据采集和计时，不需要人为干预，能自动地测试，从根本上避免了人为因素的影响，实现了智能化。

3 系统硬件设计

3.1 80C51系列单片机简介与特点

单片机的概念：据有运算，控制，存储数据等功能并用智能化产品的芯片简称为单片机，又称为微处理器。

(1)运算器。运算器以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器ACC、暂存寄存器TMP和程序状态字寄存器PSW等所组成

(2)控制器。控制器包括程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。

(3)存储器。外部程序存储器扩展一般采用EPROM、EEPROM芯片。数据存储器扩展通常使用的典型器件有半导体静态存储器SRAM、EEPROM和Flash ROM存储器芯片。

3.2 量的输入输出

量的输入输出：被控对象的一些开关状态可以经过开关两输入输入到单片机系统，如电磁铁的吸和断开，电器的启动于停止，但这些开关控制量一般都不能直接接入单片机。单片机测试系统的设计过程中，被测试对象信号的隔离对整个系统的正常工作具有重要作用。

3.3 A/D转换部分

本部分采用的是8位A/D转换器ADC0809芯片。ADC0809是一种典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器。8路模拟量开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，地址锁存与译码电路完成对ADDA、ADDB和ADDC三个地址位的锁存和译码，译码输出用于8路模拟通道的选择，三态输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。

3.4 I/O扩展

扩展I/O端口的方法主要有3种：一种用数据缓冲器或数据锁存器构成简单的并行I/O接口;另一种是利用专用芯片如8255或8155扩展I/O接口;第三种是使用串行口同步移位寄存器方式扩展I/O接口。本次是利用8155扩展I/O接口。

3.5 LED显示器接口

LED显示器结构上有两种不同形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器;另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。本次采共阴极LED显示器

4 结束语

至此，基于单片机的土工布渗透率控制系统的硬件电路已设计完成。此次设计，器件的选择与比较，控制系统制作以及电路的设计与连接等，都是经过参阅资料和多次实验连接完成。系统最终实现了对土工布平面水流量压力指标和时间的测试。此次设计存在很多不足，有待进行改正。

［1］徐惠民，安德宁。单片机微型计算机原理，接口应用。［M］北京：北京邮电大学出版社，2003年