1、 摘 要在水资源利用方面，对流量、水质等参数的测量非常重要，但很多水库资源在高山地区，难以对其进行实时监测。无线通讯技术的迅速发展和普及，为远程监控系统的实现提供了理想的平台，因此越来越多的水文站把基于无线通讯技术的监控系统作为水利系统自动化管理的新手段。而随着水利自动化技术不断发展，水利系统的自动化水平逐步提高，各水库都能通过远程监控系统逐渐实现少人、无人监管的管理模式，以提高生产效益。本文主要探讨了基于无线通讯的模拟水库监测系统的设计问题。该系统要求对水库的水位，流量等参数进行远程实时监测，能控制阀门开/关，调节水位的高度，保证水库的安全。设计思路是在下位端利用单片机将传感器采集的水库信息
2、进行处理，将处理好的数据通过 CC1100 无线模块传送到上位机端，在上位机上可以清楚地观察水库的实时情况。上位机对信息进行监测分析，并将分析后的信息反馈回到下位端，通过单片机控制步进电机正反转，模拟阀门开/关，来控制水库水位和流量，保证水库的安全。近年来，本课题在国内外已受到非常多的关注与研究，并且不断地得到改进，在实际应用中也取到了较好的效果，具有非常好的应用推广价值。关键词：水库；CC1100；单片机；自动化AbstractIn water resources utilization, the measurement of parameters such as the rainfall,
3、 flow, water quality,etc. These are very important, but a lot of reservoir resources are in the alpine areas, it is difficult to monitor it in real time. Rapid development and popularization of wireless communication technology, which have offered the ideal platform for realization of the long-range
4、 monitoring system, so more and more hydrometric stations regard monitoring system based on wireless communication technology as the systematic automatic management new means of water conservancy. And as the automatic technology of water conservancy is being developed constantly, the automatic level
5、 of the water conservancy system is being improved progressively, every reservoir can realize the management mode that few people, nobody supervises gradually through the long-range monitoring system, in order to improve the productivity effect.This text has mainly probed into the design question ba
6、sed on simulation reservoir monitoring system of the wireless communication. This system requires the water level to the reservoir, the flow is monitored when the parameter is carried on long-range and really, can control valve turn on or off，height to regulate water level, security to guarantee res
7、ervoir. Mentality of designing to utilize one-chip computer go on, dealing with reservoir information that transducer gather in the next end, it is ones that handle well data until CC1100 convey to modules wireless for location machine, in location can situations real-time to observe reservoir clear
8、ly. Go location plane go on, monitor, analyzed to information and information feedback analyze, got back to the next end, control, and walk into electrical machinery to be positive and negative to look around through one-chip computer, simulation valve turn on or off, controlling reservoir water lev
9、el and flow, guarantee the security of the reservoir. In recent years, subject this pay close attention to the fact and study a very many one already at home and abroad, and is being improved constantly, fetch in practical application to better result, having very good application value to populariz
10、e.Key word: Reservoir; CC1100; Monolithic integrated circuit; Automation目 录引言 .11 绪论 .11.1 本课题的发展现状11.2 本课题的发展趋势21.3 本课题的研究意义和目的31.4 本课题的主要研究工作和各章节内容安排32 相关技术和基本理论介绍 .32.1 CC1100 无线模块的相关特性.42.1.1 CC1100 无线模块接口电路 .42.1.2 CC1100 无线模块的特性与应用 .52.2 串口通讯应用62.3 传感器应用82.3.1 水流量传感器的应用 82.3.2 超声波传感器的应用 102.4
11、步进电机的控制原理122.5 主要器件和应用132.5.1 AT89S52 单片机 132.5.2 TLC549 A/D 转换器 .152.5.3 MAX232 芯片.172.5.4 七段数码管 182.5.5 LM298 芯片 183 系统设计 .193.1 系统要求193.2 系统总体方案204 硬件原理与设计 .214.1 步进电机的控制电路214.2 单片机工作电路224.3 数码管显示电路224.4 电源模块设计234.5 CC1100 无线模块及串口通讯电路.245 软件设计 .245.1 程序流程图245.2 CC1100 模块发送和接收部分程序分析.266 误差与干扰分析 .2
12、76.1 干扰因素及解决方法276.2 硬件系统设计的抗干扰技术287 系统调试 .307.1 软件调试307.2 硬件调试317.3 整体调试328 结论与展望 .32谢 辞 .34参考文献 .35附 录 .36引言水库是我国防洪和蓄水广泛采用的工程措施之一。随着计算机及无线通信技术的发展，水库自动监测的信息采集、处理及发布已完成手工方式向自动方式的转变。通过建设水文站实时监控系统，利用先进的无线通讯监控手段对水库信息实施监测。采用CC1100 无线网络实时网上传输水文数据，能实现对水库及其附属建筑物及管理区进行全面视频监控。长期以来，水文工作者都是，靠手测、目测收集水文信息。直接影响到测报
13、的精度和成果质量。利用无线监控系统采集数据，不但可提高精确度，还可以使水文工作者告别传统的工作方式。在通常情况下，由于水文站点在地理位置上分布较广或位置较偏僻。并且与监控中心的距离较远，利用传统的有线连接方式，线路铺设成本高昂，而且施工周期长，同时，因为物理因素如河流山脉等障碍而难以架设线缆。而且水文信息安全防范要求高，采用有线通讯在遇到刮风、暴雨、决口等灾害时，线路一断，水文信息就无法及时传递上去，因此有线传输的抗灾性比较差，难以适应高可靠性要求，加之流域地形复杂、偏僻，铺设光纤成本也比较高。相比之下，无线通信布线简单、方便，抗灾性比较好，成本也比较低，可大量节省投资。 本文中提到的 CC1
14、100 水文数据无线监控解决方案可很好地解决上述问题。用户采用无线水库监测系统，无需铺设网络电缆，可迅速方便地采集各种需要的实时数据资料，建立新的无线监控系统或对现有的无线监控系统进行扩展，具有很强的灵活性和可扩充性。可实现真正意义的实时水文信息的采集和监控、统一管理。本课题所研究的水库监测系统采用了自动控制、计算机网络和无线通讯新技术，具有实时信息自动采集、传输、视频监控、远程数据和图像传输、信息、查询等功能。系统应用了单片机，传感器，CC1100 无线模块，步进电机等元器件。可实时监控管理区水库的实时参数。该监控系统采用无线传送，传递速度快，系统结构简单。被监控点实时采集的数据文件通过无线
15、网络通信线路及时地传输给监控中心，实时动态地报告被监测点的情，及时发现问题并进行处理，既方便又简捷。并可确保系统在各种恶劣天气情况下，都能正常运行，满足系统各种信号相互传输的准确性。可全面实现水文信息采集自动化、数字化和网络化。大大提高了水库了安全系数和水资源利用率。1 绪论1.1 本课题的发展现状当前，我国水资源的短缺已严重影响了经济的可持续发展，可以说已经成为社会经济稳定增长的瓶颈。水资源时空分布严重不均，人口众多和传统工业经济发展速度较快等因素加剧了缺水问题；严重的水污染又使缺水问题日益突出，随着流域内经济的快速增长和人口的增加，水资源的供需矛盾将越发急剧。因此，充分利用水资源，防治水污
16、染已成当务之急！在大力加强节水、保护水质，实现水资源的可持续利用的前提下，如何提高现有水资源的管理水平就显得尤为重要，是一直困扰我们的难题。在很多偏远山区或河流的峡道口，都建立了各型的水库，它们的作用毋庸置疑。通过水库的作用，可以充分合理地利用水资源。有了水库的蓄水功能，我们就可以充分地将水能转化为所需的能源，对社会经济的发展有着很深远的影响。但福兮祸所依，水库同时存在很严重的隐患。如若控制不当，其结果必导致巨大的灾难。因此，在大力加强节水、保护水质，实现水资源的可持续利用的前提下，如何提高现有水库的管理水平就显得尤为重要。长期以来，水文工作者都是靠手测、目测收集水文信息。直接影响到测报的精度
17、和成果质量。利用无线监控系统采集数据，不但可提高精确度，还可以使水文工作者告别传统的工作方式。在通常情况下，由于水文站点在地理位置上分布较广或位置较偏僻。并且与监控中心的距离较远，利用传统的有线连接方式，线路铺设成本高昂，而且施工周期长，同时，因为物理因素如河流山脉等障碍而难以架设线缆。而且水文信息安全防范要求高，采用有线通讯在遇到刮风、暴雨、决口等灾害时，线路一断，水文信息就无法及时传递上去，因此有线传输的抗灾性比较差，难以适应高可靠性要求，加之流域地形复杂、偏僻，铺设光纤成本也比较高。 1.2 本课题的发展趋势CC1100 模块的无线通讯性能非常好，可以高效稳定地完成信息传输任务，而且操作
18、简单，能克服复杂的环境，传送的数据不容易受到外界的干扰，使得上位机能接收到水库完整的信息，以对其进行准确地监测分析。随着我国社会经济的快速发展，对水资源的需求越来越大，换言之，水库的重要性越来越显著，对水库的管理力度必须加大。我国山区多，极易发生自然灾害，合理地控制水库的参数，可以减少很多损失。本课题所研究的模拟水库监测系统采用的是无线远程监测，它的实用性非常强，能有效地监测建在偏远山区人力难至的水库的实时参数，而且在原设备老化的情况下，能够轻松地进行更新和扩展，省却了大量的人力物力，工作效率也大大提高。在要求全球自动一体化的现代社会，它是相当有研究价值的。因此，该系统有着很大的发展潜力，基于
19、无线通讯的水库监测系统定会得到非常广泛的应用。1.3 本课题的研究意义和目的在通常情况下，由于水库在地理位置上分布较高或位置较偏僻。并且与监控中心的距离较远，利用传统的有线连接方式，线路铺设成本高昂，而且施工周期长，同时，因为物理因素如河流山脉等障碍而难以架设线缆。长期以来，水文工作者都是靠手测、目测收集水库水文信息，直接影响到测报的精度和成果质量。利用模拟水库无线监控测系统采集数据，不但可提高精确度，还可以使水文工作者告别传统的工作方式。而且水文信息安全防范要求高，采用有线通讯在遇到刮风、暴雨、决口等灾害时，线路一断，水文信息就无法及时传递上去，因此有线传输的抗灾性比较差，难以适应高可靠性要
20、求，加之水库区域地形复杂、偏僻，铺设光纤成本也比较高。相比之下，无线通信布线简单、方便，抗灾性比较好，成本也比较低，可大量节省投资。 用户采用无线监控解决方案，可迅速方便地在采集水库各种需要的实时数据，而且可以对现有的无线监控系统进行扩展升级，具有很强的灵活性和可扩充性。可实现真正意义的实时水文信息的采集和监控、统一管理。 本课题中，利用自动控制、计算机网络和无线通讯新技术来构成无线监测系统，采用 CC1100 无线模块来进行无线传送，具有实时信息自动采集、传输、无线监控、远程数据和图像传输、信息、查询等功能，可实时监控管理区水库的情况。该系统信息传递速度快，结构简单，全面实现了水文监测自动化
21、。1.4 本课题的主要研究工作和各章节内容安排本课题主要研究如何设计模拟水库监测系统的问题。由于关键在于数据的无线通讯传输上，所以必须对 CC1100 模块等硬件特性要有一定的研究，要设计好功能实现的过程，实际上，整个课题的难点就在于调试上。各章内容安排：第一二章两章主要是基础理论知识的介绍。主要有本课题的研究意义、模拟水库监测系统的相关理论知识以及简要的分析了一下所用到芯片相关理论及应用；第三章主要从总体方面分析系统的设计思路以及用到的相关原理；第四章是本次系统设计的硬件电路设计部分，详细分析了每一模块的原理、功能、相关原理图以及元件和参数的选择；第五章阐述了系统的软件部分，介绍了各模块软件
22、的编译流程图，并对部分程序进行了分析；第六章和第七章主要讲述了系统的干扰和调试情况；最后是主要是总结和参考的文献及附录，在附录中介绍采集部分程序，CC1100 无线模块通讯代码, 步进电机控制程序,串口通讯程序及上位机的 VC 监测界面的编译程序。2 相关技术和基本理论介绍2.1 CC1100 无线模块的相关特性图 2.1 CC1100 无线模块轮廓图2.1.1 CC1100 无线模块接口电路图 2.2 CC1100 无线模块的接口电路图CC1100 单片无线收发器工作在433/868/915MHZ 的ISM 频段由一个完全集成的频率调制器一个带解调器的接收器一个功率放大器一个晶体震荡器和一个
23、调节器组成。工作特点是自动产生前导码 和 CRC 可以很容易通过SPI 接口进行编程配置，电流消耗低。 表2.1 CC1100接口电路的引脚特性引脚编号 引脚名 引脚类型 描述 1,2 VCC 电源输入 1.9V-3.6V之间 3 SI 数字输入 连续配置接口，数据输入 4 SCLK 数字输入 连续配置接口，时钟输入 5 SO(GD01) 数字输出 连续配置接口，数据输出 当CSn为高时为可选的一般输出脚 6 GDO2 数字输出 一般用途的数字输出脚：测试信号，FIFO状态信号，时钟输出，从XOSC向下分割连续输入TX数据 7 CSn 数字输入 连续配置接口，芯片选择 8 GDO0 一般用途的
24、数字输出脚： 测试信号 FIFO状态信号 时钟输出，从OSC向下分割 连续输入TX数据9,10 GND 地(模拟) 模拟接地 2.1.2 CC1100 无线模块的特性与应用(1) CC1100 无线模块的特性 VCC脚接电压范围为 1.9V-3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块。推荐电压3.3V左右。 除电源VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连，无需电平转换。当然对3V左右的单片机更加适用了。 硬件上面没有SPI的单片机也可以控制本模块，用普通单片机IO口模拟SPI不需要单片机真正的串口介入，只需要普通的单片机IO口就可以了，当然用串口也可以了
25、。 9脚，10脚为接地脚,需要和母板的逻辑地连接起来 排针间距为100mil,标准DIP插针，如果需要其他封装接口，比如密脚插针，或者其他形式的接口，可以联系我们定做。 与52系列单片机P0口连接时候，需要加10K的上拉电阻,与其余口连接不需要.其他系列的单片机，如果是5V的，请参考该系列单片机IO口；输出电流大小，如果超过10mA，需要串联电阻分压，否则容易烧毁模块! 如果是3.3V的，可以直接和CC1100模块的IO口线连接。(2) CC1100模块的应用 在本系统中，采用的 CC1100 无线模块的工作电压是 3.3V,频率波段为 300-348 MHz、400-464 MHz 和 80
26、0-928 MHz，有很高的灵敏度（1.2kbps，1数据包误差率） ，可编程控制的数据传输率可达 500kbps，有较低的电流消耗（RX 中15.6mA，2.4kbps，433MHz） ，有可编程控制的输出功率，其所有的支持频率可达+10dBm，有优秀的接收器选择性和模块化性能。 CC1100 无线模块中有极少的外部元件：芯片内频率合成器，不需要外部滤波器或RF 转换，可编程控制的基带调制解调器；有理想的多路操作特性，有可控的数据包处理硬件，可快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统，有可选的带交错的前向误差校正，有单独的 64 字节 RX 和 TX 数据 FIFO 高效的 SPI 接口：
27、所有的寄存器能用一个“突发”转换器控制，有数字 RSSI 输出与遵照 EN 300 220(欧洲)和 FCC CFR47 Part 15 标准的系统相配，还有自动低功率 RX 拉电路的电磁波激活功能，并拥有许多强大的数字特征，使得使用廉价的微控制器就能得到高性能的 RF 系统。 CC1100 无线模块还包含集成模拟温度传感器，及能自由引导的绿色数据包，能对数据包导向系统的灵活支持：对同步词汇侦测的芯片支持，地址检查，灵活的数据包长度及自动 CRC 处理。还有可编程信道滤波带宽 OOK 和灵活的 ASK 整型支持 2-FSK，GFSK和 MSK 支持自动频率补偿，可用来调整频率合成器到接收中间频
28、率对数据的可选自动白化处理；对现存通信协议的向后兼容的异步透明接收/传输模式的支持可编程的载波感应指示器 ，可编程前导质量指示器及在随机噪声下改进的针对同步词汇侦测的保护，支持传输前自动清理信道访问（CCA） ，即载波侦听系统 ，支持每个数据包连接质量指示。 CC1100 无线模块是一种低成本真正单片的 UHF 收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在 315、433、868 和 915MHz 的 ISM 和 SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为 300-348 MHz、400-464 MHz 和 800-928 MHz 的其他频率。RF 收发器集成了一个高度可配置的调制解
29、调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达 500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。 CC1100 无线模块为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。CC1100 的主要操作参数和 64 位传输/接收FIFO（先进先出堆栈）可通过 SPI 接口控制。本课题通过实验验证，系统中使用的 CC1100 无线模块的功效距离大约 1.2 公里，只要再对其进行一些技术上的改进，可以确定地说，在以后对水库无线远程监控的应用中，它会起到非常大的作用。2.2 串口通讯应用串行通信是指数据的各位是一位一位得
30、按顺序传送的通讯方式。它的突出优点是只需要一根传输线，甚至可以利用电话线作为传输线，这样就大大降低了传输成本，特别使用于远距离通讯。其缺点是传送速度较低。假如并行传送 N 位数据所需要的时间为 T，那么串行传送的时间至少为 NT，而实际上总是大于 NT。(1) 串行通讯的两种基本方式围绕着当两个设备进行串行通讯时，如何才能保证接受机接受到正确的字符这个问题，通常采用通讯双方都认可的两种传送方式（即通信方式） 。 异步传送方式在异步传送方式中，字符是按帧格式进行发送的。在帧格式中，先是一个起始位“0”，然后是 5 至 8 位数据。异步传送方式规定低位在前，高位在后；接下来是奇偶校验位（可略） ；
31、最后一位是停止位“1” 。异步通信的帧格式如图 2.3 所示。n-1 第 N 个字符（一串行帧） n+1起始位 数 据 位 校验位 停止位图 2.3 异步通信的帧格式这种传送方式利用每一顿的起、止信号来建立发送与接收之间的同步。其特点是：每一帧内部各位均采用固定的时间间隔，但帧与帧之间的时间间隔是随机的。接收机完全靠每一个帧的起始位与停止位来识别字符传送是正在进行还是已经结束，或是一个新的字符。这也就是“异步”的涵义所在。必须指出，在异步传送时，同步时钟脉冲并不传送到接收方，即双方各用自己的时钟源来控制发送和接收。本系统中所用到的串口通讯程序，就是采用了异步传送方式。 同步传送方式同步传送方式
32、是一种连续传送的方式，它不必像异步传送方式那样要在每个字符都加上起止位，而是在要传送的数据块前加上同步字符 SYN，而且数据没有间隙，如图2.4 所示，使用同步传送方式，可以实现高速度，大容量的数据传送。开始 终止同步字符 同步字符 数据段 CRC 字符1 CRC 字符2图 2.4 串行通讯的同步传送方式在同步传送中，为了保证接收正确无误，发送方除了传送数据外，还要将时钟信号同时传送。在串行通讯中有一个重要的指标叫做波特率。它定义为每秒钟传送的二进制数码的位数，以位/秒作为单位。波特率反映了串行通讯的速率，也反映了对传输通道的要求，波特率越高，要求传输通道的频带就越宽。在异步通讯中，波特率为每
33、秒传送的字符数和每个字符位数的乘积。(2) 串行口的工作方式串行口控制寄存器 SCON 格式如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0SCON图 2.5 串行口控制寄存器 SCON 格式SM0，SM1 为串行口工作方式选择位。可选择四种工作方式，如表 2.2 所示。表中 f 为单片机时钟频率。 表 2.2 串行口工作方式选择SM0 SM1 方 式 功 能 波特率P 1 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P 1 0 D0SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI0 0 0 同步移位寄存器 f/120 1 1 10 位异步收发 可变1 0 2 11 位异
34、步收发 F/64 或 f/321 1 3 11 位异步收发 可变由于本设计中只用到方式 1，故在此详细介绍工作方式 1。在方式 1 状态下，串行口为 8 位异步通信接口。一帧信息位 10 位：1 位起始位（0），八位数据位（低位在前）和 1 位停止位（1）。TXD 位发送端，RXD 为接收端，波特率可变。 发送 串行口以方式 1 发送时，数据由 TXD 端输出，CPU 执行一条写入 SBUF 的指令后，便启动串行口发送，发送完一帧信息时，将发送中断标志 TI 置 1。方式 1 发送时的定时信号，即发送移位脉冲，是由定时器 1 送来的溢出信号经过16 或 32 分频（取决于 SMOD 的值）而取
35、得的，因此其波特率是可变的。 接收 方式 1 接收是在 REN 位置 1 的前提下，从搜索到起始位而开始的，在无信号时，RXD 的线的状态为 1，当检测到存在由 1 到 0 的变化时，即认为收到个字符的起始位，接收过程随即开始，在接受移位脉冲的控制下，把接受到的数据一位一位地移入接收寄存器，直到 9 位数据（包括 1 位停止位）全部收齐。在 9 位数据收齐之后，还必须同时满足以下两个条件，这次接收才能被真正确认：RI=0；SM2=0 或接收到地停止位为 1。当满足这两个条件时，便将接收移位寄存器中的 8 位数据存入串行口数据缓存器SBUF，收到的停止位则进入 RB8,并使接收中断标志 RI 置
36、 1。若这两个条件不满足，则所接收的数据无效，串行口接着又开始寻找下一个起始位，准备接收下一帧数据。2.3 传感器应用2.3.1 水流量传感器的应用(1) 流量传感器的基本特性流量范围是 130L/MIN，工作电压范围是 3.524VDC，脉冲特性 F（8.5Q3）（Q=L/MIN）,误差为 5%，该水流量传感器与相关电路配合可监测实时流量或计算累计流量，输出信号为脉冲信号。图 2.6 流量传感器轮廓图该水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量。在霍尔元件的正极串入负载电阻，同时通上 5V 的直流电压并使电流方向与磁场方向正交。当水通过涡轮开关壳推动磁性转子转动时，产生不同磁极的旋
37、转磁场，切割磁感应线，产生高低脉冲电平。由于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比，转子的转速又与水流量成正比。其脉冲信号频率的经验公式见式 (1)。f=8.1q-3 (1)式中：f脉冲信号频率，H2;q水流量，Lmin由水流量传感器的反馈信号通过控制器判断水流量的值。(2) 水流量传感器的构造水流量传感器主要由铜阀体、水流转子组件、稳流组件和霍尔元件组成。它装在模拟水库中，用来测量水流量。当水流过转子组件时，磁性转子转动，并且转速随着流量成线性变化。霍尔元件输出相应的脉冲信号反馈给控制器，由控制器判断水流量的大小，调节控制比例阀的电流。水流量传感器从根本上解决了压差式水气联动阀启动
38、水压高以及翻板式水阀易误动作等缺点。它具有反映灵敏、安全可靠、连接方便利启动流量超低(1.5Lmin)等优点。水流转子组件主要由涡轮开关壳、磁性转子、制动环组成。使用水流开关方式时，其性能优于机械式压差盘结构，且尺寸明显缩小。当水流通过涡轮开关壳，推动磁性子旋转，不同磁极靠近霍尔元件时霍尔元件导通，离开时霍尔元件断开。(3) 水流量传感器的工作原理在本系统中，利用水流量传感器的特性，设计了一个小型的模拟水库。用一般用于给金鱼供氧的小型抽水换氧机作为抽水机，抽动水流运动，使水流通过水流量传感器的涡轮，水流量传感器开始采集数据.通过调整连接在抽水机与水流量传感器间的导水管的高度来调整水流量大小；下
39、位端数码管显示所测水流量值。测得的流量值相当好，可以精确到毫秒，误差几乎可以忽略不计。2.3.2 超声波传感器的应用图 2.7 超声波传感器本系统设计中，使用了一对超声波传感器，配置相应的电路，来实现对模拟水库水位的测量。(1) 超声波传感器包括发送和接收两部分，电路图介绍如下：图 2.8 超声波发送电路由三个 NPN 三极管构成差动放大电路，其放大倍数由电阻 R7，R8 和 R9 等电阻决定，所采集的信号波从 J6 口输入，经由 NPN 管级数放大，在消除共模干扰后，从 J6口发送出去。图 2.9 超声波接收电路超声波换接收电路所接收到的从发送端传来的微弱信号，要经过 LM358 芯片进行放
40、大，使得所采集的信号足够大，然后通过 J2 口送到单片机上，信号经 AT89S52 单片机处理后，由数码管显示出来。 (2) 超声波的接收与处理接收头采用与发射头配对的 UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器放大后，作为中断请求信号，送至单片机处理。(3) 测试中所遇到的干扰信号超声波测量水位时，需要测的是开始发射到接收到信号的时间差，需要检测的有效信号为反射物反射的回波信号，故要尽量避免检测到余波信号，这就要求对接收头收到的波束进行处理，这也是超声波检测中存在最小测量盲区的主要原因。在软件中的处理方法就是，当反射头发出脉冲，计时器同时开始记时。我们在记时器开始记时后再开
41、启检测回波信号，可以消除余波信号的干扰，等待的时间可以为 1MS 左右，更精确的等待时间可以大大地减少最小测量盲区。2.4 步进电机的控制原理(1) 步进电机的概念步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。(2) 步进
42、电机的一些特点： 一般步进电机的精度为步进角的 3-5%,且不累积; 步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 (3) 步进电机控制原理 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机
43、就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称 VR） 、永磁式步进电机（简称 PM）和混合式步进电机（简称 HB） 。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下： 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为 A-B-CD,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A,B,C，D 相的通断。 控制步进电机的转向。如果给定工作方式正序换相通电，步进电机
44、正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。但脉冲形式的电机控制，使控制端容易受到干扰，所以必须在电机驱动电路中加入光耦电路来减少干扰。电机的正反转是由单片机来控制的。当单片机的一个口发出 1 或者 0 的时候来决定正反转，也可以两个口来决定。电机的启动我们选择用 LM298。本文中，主要应用到步进电机的换相功能，通过单片机控制步进电机正反转动，来模拟实现阀门的开/关。2.5 主要器件和应用2.5.1 AT89S52
45、 单片机图 2.10 AT89S52 单片机AT89S52 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52 具有如下特点：40 个引脚，8k Bytes Flash 片内程序存
46、储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个中断优先级2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S52 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口和外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序
47、存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。表 2.3 主要功能特性 兼容 MCS-51 指令系统 8k 可反复擦写(1000 次）ISP Flash ROM 32 个双向 I/O 口 4.5-5.5V 工作电压 3 个 16 位可编程定时/计数器 时钟频率 0-33MHz 全双工 UART 串行中断口线 256x8bit 内部 RAM 2 个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3 级加密位 看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活
48、的 ISP 字节和分页编程 双数据寄存器指针AT89S52 具有以下标准功能：8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作,允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作
49、为输出口，每位能驱动 8 个TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入.当访问外部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX） ，具体如下表所示。在 flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。引脚号第二
