基于单片机的水闸控制系统设计

2021年2月10日发(作者：tau)

摘

要

随着我国科技水平和综合国力的大 力提高，

水力资源在国民经济建设中体现出其

越来越重要的地位 ，

我国对水利工程建设上也加大了投资力度，

合理充分地利用水 力

资源显得越来越重要，

水闸作为水利资源调动中不可缺少的一 个重要部分，

水闸的自

动化改造的重要性就显得尤为突出。

基于单片机的闸门控制系统中

PC

机通过上位机控制

14

个闸门，每个闸门由一

个下位机控制，上位机和下位机通过

RS485

总线通信。下位机

AT89S52

单片机中选

择超声波水位传感器

T40

、

< br>R40

测量水位，闸位传感器

ROQ425

测量闸位，传感器芯

片

ADXL250

测量加速度，来判断闸门卡滞、飞车和下滑，检测信号进行处理后送入

下位机 ，

经下位机处理分析后存储显示并输出控制信号来控制电机正反转，

从而改变

水闸的开度以精确控制水闸。当出现异常现象时喇叭及

LED

灯发光二极管形成声光

报警，应用

< br>HD7279A

将键盘及显示电路连接在一起，时钟芯片采用

PCF8563

，存储

芯片采用

F M24C16

，电源电路设计保证了该监控终端既能由

AC22 0V

供电，亦可由

电池作为供电电源。上位机采用有两个通信口 的单片机

W77E58

，分别连接下位机和

PC

机，扬声器及

LED

灯组成上 位机声光报警电路。

中小水电站的闸门控制系统是应用先进技 术，

配置计算机监控装置，

来提升中、

小水电站现代化水平，确保水电站的效益和安全，提高水电站自动化程度和经济效

益，提 高对电网的响应速度和安全生产水平，增加其运行的可靠性与稳定性。

关键词：

单片机；数据采集；水闸控 制系统；数据通信

I

II

Abstract

Along with the science and technology level and improve the comprehensive national

strength, reflects its in the construction of hydropower resources in the national economy

more and more important position, also for water conservancy engineering construction in

our country increased investment, reasonable make full use of water resources is more and

more important, locks as water resource to mobilize an indispensable an important part, the

importance of the floodgate automation transformation is particularly outstanding.

Gate control system based on single chip microcomputer in 14 PC by PC control gate,

each gate is controlled by a lower place machine and superordination machine and lower

machine

through

the

RS485

bus

communication

under

a

AT89S52

single

chip

select

ultrasonic

water

level

sensor

T40

R40

measuring

water

level,

gate

position

transducer

ROQ425 measuring brake and acceleration sensor chip ADXL250 measurement, to judge

the

gate

binding

speed

and

decline,

after

the

detection

signal

processing

to

lower

place

machine

and

the

lower

machine

processing

analysis

after

the

store

display

and

output

control signal to control motor and reversing, and the change of gate opening to precisely

control

lock.

When

appear

abnormal

phenomenon

horn

and

LED

light

emitting

diode

formed

sound

and

light

alarm,

and

application

of

HD7279A

connect

the

keyboard

and

display circuit, clock chip PCF8563, memory chip adopts FM24C16, power circuit design

to ensure the monitoring terminal can not only by AC220V power supply, can also by a

battery

as

a

power

supply.

Upper

machine

adopts

two

communication

port

of

the

microcontroller W77E58, respectively connected to the lower machine and PC, the speaker

PC sound and light alarm circuit and LED lights.

Gate control system of small and medium-sized hydropower station is the application

of advanced technology, the configuration of computer monitoring device, to improve the

modernization

level,

small

hydropower

station,

ensure

security

and

the

benefit

of

the

hydropower

station,

improve

the

hydropower

plant

automation

degree

and

economic

benefit, improve the response speed and security of power grid production levels, increase

its operation reliability and stability.

Key words

：

Single chip microcomputer; Data acquisition; Sluice control system; Data

communication

III

目

录

第

1

章

绪

论

.

............................. .................................................. ................................

1

1.1

题目研究背景及意义

....... .................................................. .............................

1

1.2

研究现状及发展趋势

....... .................................................. .............................

2

1.3

论文主要内容

.......... .................................................. ......................................

3

第

2

章

方案论证

.

.................................................. .................................................. .....

4

2.1

控制方案的选择

......... .................................................. ...................................

4

2.2

系统总体方案设计

........ .................................................. ................................

5

第

3

章

硬件设计

.

.................................................. .................................................. .....

8

3.1

下位单片机设计

......... .................................................. ...................................

8

3.1.1

下位单片机选型

.

< br>............................................... ....................................

8

3.1.2

下位机扩展电路设计

.

............................................. ..............................

9

3.2

下位机水位测量模块设计

..... .................................................. .....................

1

0

3.2.1

超声波传感器

.

............................... .................................................. ....

1

0

3.2.2

超声波传感器发射电路

.

< p>
............................................ .........................

1

2

3.2.3

超声波传感器检测接收电路

.

.......................................... ...................

1

2

3.2.4

温度补偿设计

.

............................... .................................................. ....

1

3

3.3

下位机闸位检测模块设计

..... .................................................. .....................

1

5

3.3.1

闸位传感器

< p>
.

................................ .................................................. .......

1

5

3.3.2

闸位传感器数据采集电路设计

.

......................................... ................

1

7

3.4

下位机加速度测量模块设计

.... .................................................. ..................

1

7

3.4.1

加速度计设计

.

............................... .................................................. ....

1

8

3.4.2

加速度计标定电路设计

.

< p>
............................................ .........................

1

8

3.4.3

加速度计滤波电路设计

.

........................... ..........................................

1

9

3.4.4 A/D

转换电路设计

.

............................................. .................................

2

0

3.5

下位机时钟模块设计

....... .................................................. ...........................

2

2

3.6

下位机存储模块设计

....... .................................................. ...........................

2

3

3.7

下位机键盘显示模块设计

..... .................................................. .....................

2

4

3.7.1

状态显示

.

................................. .................................................. ..........

2

4

3.7.2

键盘、显示组合接口电路设计

.

......................................... ................

2

6

3.8

下位机报警模块设计

....... .................................................. ...........................

2

8

3.8.1

报警电路设计

.

................................................ .....................................

2

8

3.9

下位机电机控制模块设计

..... .................................................. .....................

2

9

3.10

下位机通信模块设计

....... .................................................. .........................

3

0

3.10.1

通信方式的选择

.

............................. ..................................................

3

0

III

3.10.2

通信电路设计

.

................................................ ...................................

3

0

3.11

上位机模块设计

.................... .................................................. ....................

3

1

3.11.1

上位单片机选型

.

............................. ..................................................

3

2

3.11.2

上位机存储电路设计

.

............................................. ..........................

3

3

3.11.3

上位机报警电路设计

.

............................................. ..........................

3

4

3.11.4

上位机通信电路

.

< br>............................................... ................................

3

4

3.12

电源电路设计

.......... .................................................. ..................................

3

5

3.12.1 5V

稳压电源模块设计

.

< p>
............................................ ..........................

3

5

3.12.2 15V

稳压电源模块设计

.

........................................... .........................

3

5

第

4

章

软件设计

.

.................................................. .................................................. ...

3

7

4.1

下位机主程序设计

........ .................................................. ..............................

3

7

4.1.1

下位机中断子程序

.

.............................................. ...............................

3

8

4.2

下位机计时显示子程序

...... .................................................. ........................

3

8

4.3

下位机显示状态子程序

...... .................................................. ........................

4

0

4.4

下位机水位检测子程序

...... .................................................. ........................

4

1

4.5

下位机闸位检测子程序

...... .................................................. ........................

4

1

4.6

下位机加速度检测子程序

..... .................................................. .....................

4

2

4.7

通信子程序

........... .................................................. .......................................

4

3

第

5

章

结

论

.

............................. .................................................. ..............................

4

5

参考文献

.

.................................................. .................................................. .................

4

6

致

谢

.

............................. .................................................. ............................................

4

8

附录

I

.< /p>

........................................ .................................................. ................................

4

9

附录

II

.

....................................... .................................................

错

误！未定义书签。

附录

III

.

...................................... .................................................. ..............................

6

1

IV

第

1

章

绪

论

1.1

题目研究背景及意义

中国是一个水利 资源蕴藏十分丰富的国家。河流众多，水系庞大而复杂，

众多水系构成中国水力资源蛛网 密布的格局。

三级梯形地形造成中国众多河流

具有水电开发的潜 力。不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，中

国在世界各国中均居第一位。

新中国成立

50

年来，我国水电建设事 业取得了

飞速发展，

特别是实行改革开放以来，随着广蓄、天生 桥（高坝）、小浪底、

二滩、三峡等一批世界级水电

站的建设， 中国已逐步进入世界水电建设前列。

我国水电资源十分丰富，而发展水电对于环境保护、 经济持续发展具有重要意

义。我国水电站自动控制系统应用已经逐渐成熟。随着水电的发 展，开发经济

实用的中小型水电自动控制系统很

有必要。

但是近年来随着我国经济的迅速发展，

对水 的需求量也大幅度增长，

如今中

国北方很多省份已经出现了缺水 现象，

专家们己经做了估计，

按照现在中国经济

发展的速度，如果不采取合理回收、

利用水资源的有效手段，

< br>不提高广大民众珍

惜水的观念，

那么到

< br>2010

年中国将成为下个严重缺水的国家，

水短缺将会 制约我

国国民经济的进一步发展，

严重影响我国民众的日常生活 。

要合理的利用水资源，

则离不开对水资源的有效调度，

在我国某些大型水库已经建立了一套有效的水资

源调度系统，但还有很 多中小型水库却并未建立，因此，

建立中小型水库水资源

调度系 统，进一步完善大型水库水资源调度系统，对于我国水资源的合理利用，

解决我国将来的 水资源短缺问题将具有重要的战略意义。

兴建水闸设施是由于 水是人类生产和生活必不可少的宝贵资源，

但其自然存

在的状态 并不完全符合人类的需要。水闸是修建在河道、渠道或湖、海口，利用

闸门控制流量和调 节水位的水工建筑物。

水闸在水利工程中的应用十分广泛，

多< /p>

建于河道、

渠系、水库、湖泊及滨海地 区。修建水闸可以控制水流，防止洪涝

灾害，并进行水量的调节和分配，

以满足人民生活和生产对水资源的需要。

水闸

按其所承 担的主要任务，可分为：节制闸、进水闸、冲沙闸、分洪闸、挡潮闸、

排水闸等。按闸室 的结构形式，可分为：开敞式、胸墙式和涵洞式。关闭闸门，

可以拦洪、

挡潮、

蓄水抬高上游水位，

以满足上游取水或通航的需 要。

开启闸门，

可以泄洪、排涝、冲沙、取水或根据下游用水的 需要调节流量。在水闸工程中，

闸门是主体部分，常占挡水面积的大部。

闸门又分为平板闸门和弧形闸门。

闸门

1

是装于溢流坝、岸边溢洪道、泄水 孔、水工隧洞和水闸等建筑物的空口上，用以

调节流量，控制上、下游水位、宣泄洪水、 排除泥沙或漂浮物等，是水工建筑物

的重要组成部分。

中小水电站的闸门控制系统是应用先进技术，配置计算机监控装置，来提

升中、小水电站现代化水平，确保水电站的效益和安全，提高水电站自动化程

度和经济 效益，提高对电网的响应速度和安全生产水平，增加其运行的可靠性

与稳定性。中小水电 站的闸门控制系统作为水力发电机组的后备保护设备，要

求其动作可靠、迅速。因此其监 控系统需要良好的监控功能、控制算法、灵敏

的感应元件以及通讯功能。

1.2

研究现状及发展趋势

现有的水闸监控系统一般采取分布式控制系统（

DES

）结构，在一定程度

上提高了系统的自动化程度和设备的可靠性，

但是由于水闸所处的工作环境普遍

比较恶劣，其液压系统、传感设备装置等元器件老 化较快，经常出现误动、拒动

现象，并且部分元器件只能在现地操作时观测，

< p>
信息一般没有数字化，

更没有进

行存储，

因此，

集控系统平台上缺乏设备及系统健康状态信息，

< br>更无法对系统的

健康状态做出预测、评价，

也不能够发现 影响系统安全的潜在危险，

使设备带病

运行，最终可能导致设备 损坏，这在很大程度上影响了系统的安全可靠性。

从设备的检修维护方面看，

现有的水闸监控系统基本上还是采取事后维修 ，

或者定期检修这样较为传统的检修维护策略，

而在技术管理领 域基本上还处于空

白阶段，没有进行系统的设计、规划、实施，因此，将控制、维护和技 术管理集

成系统应用于水利自动化系统，

形成水利枢纽集成自动 化系统，

可以在很大程度

上提高系统的可靠性和稳定性，

保证控制命令的正确执行。

闸门控制系统可以实

时跟踪、监控闸门开度、水位数据，为合理调度水资源提供第一手数据资料。根

据闸门 上、下游水位以及闸门的当前开度，

再根据水资源调度的具体需求，

从而

确定出当前闸门的具体控制方案。

上游水位高，

而此时上游的用水量也呈现增长

趋势，那么此时不要急于提升闸门，< /p>

而要等到上游用水量需求趋减，

而下游需求

呈现增加趋势时，

则可以考虑提升闸门，

当关闭闸门时，

情况与上述相反。

其次，

闸门监控系统在泄 洪抗灾、水利发电等方面具有不可替代的作用。在江河、

湖泊

发 生洪水时，水位数据变化大，

变化很迅速，

此时靠人工的手段很 难跟踪这些数

据变化的。

而且此时也要求快速准确的对闸门实现 精确控制，

这也是手工操作所

做不到的。在水利发电中，为了保 证水利发电的可靠性，提高发电的质量，更离

不开对闸门的实时监控。最后，采用闸门监 控系统可以为我们节省大量的人力、

物力、财力。过去在水资源调度中，手工操作既费时 ，又费力，而且达不到良好

2

的控制效果，使用闸门监控系统后，我们可以在远离现场的控制室里，对闸门、

水位的各项数据进行实时记录，以及实现对闸门的实时控制。

为了提高水利工程效益和管理水平，

精简管理人员，

适应现代化水利的要求，

必须利用先进的计算机技术、通信网络技术及自动化监控技术形 成水利闸门控

制、维护和技术管理综合集成自动化系统。这有利于对闸门、泵站等工程准 确、

可靠地进行监测和控制，继而将水情、

闸门工况和运行状态 等信息共享，

建立实

时和历史数据库供流域机构及有关部门监督 和分析统计。

为防汛抗旱、

水资源管

理 、水工程应用等提供各类信息，规范险情、灾情信息的上报流程和制度，实现

及时、准确 、可靠的信息采集、管理和传输。通过对水利枢纽闸门系统的运行状

态和健康状态实施实 时监控，

可以提高调度运行响应速度和能力，

实现在线优化

调度，充分发挥水利枢纽工程信息在国民经济建设和社会发展中的作用。

因此，

功能综合化、互联网络化、开放性和标准性即将成 为新一代闸门综合

集成自动化系统特征。

从单一的现地监控、< /p>

集中监控到分层分布式监控将成为水

利枢纽控制结构的发展趋势。

1.3

论文主要内容

本设计是基于单片机的 水闸控制系统设计。

由闸门开度模块及水位检测模块

进行数据采 集并处理，同时根据加速度检测模块判定闸门卡滞、飞车和下滑，

经

处理的信号给到单片机，

单片机对数据进行处理后存储显示并输出控制信号控制

电机，并将结果与设定值比较，当出现故障或事故情况，进行报警。

论文首先对课题的背景和意义进行阐述，

并概述了论文结构。< /p>

第

2

章针对本

文 采用的设计方案进行了可行性的论证，

提出了总体方案，

且描述 了各个模块的

功能，并得出了系统结构框图。

第

3

章介绍了设计中需要用到的主要器件，

从整

体硬件设计出发，

对各部分电路进行了详细说明。

其中下位机通过超声波测距仪

测量水位、

闸门开度仪传感器< /p>

ROQ425

和加速度传感器芯片

ADX L250

对信号进

行检测，

再经信号调 理电路进行处理后送入下位单片机，

经下位机处理分析后输

出控 制信号来控制电机正反转，

从而改变水闸的开度以精确控制水闸。

上位机和

下位机通过

RS485

总线 通信。第

4

章给出了软件设计的整体流程图，并且对关

键部分软件设计做了进一步的解释。

闸位检测子程序设计主要检测闸前水 位，

闸

后水位，加速度检测子程序设计，根据加速度检测闸门变 化，判定闸门卡滞、飞

车和下滑，通信子程序设计，在通讯模块中，下位机将采集到的数 据通过

RS485

传送到上位机，上位机对其进行分析和处理后 ，上传

PC

机，

PC

< br>机分析处理后

再通过上位机将命令传送回下位机，

达到控 制下位机工作的目的。

第

5

章对本设< /p>

计进行总结。

3

第

2

章

方案论证

2.1

控制方案的选择

方案一：以

PLC

为控制核心

PLC

（

Programmable

Logic

Controller

）

，可编程逻辑控制器，一种数字运算

操作的电子系统，专为在工 业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，

用于其内部存储程序，执行逻辑运算 ，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向

用户的指令，并通过数字或模拟式输入

/

输出控制各种类型的机械或生产过程。

是工 业控制的核心部分。

基于

PLC

的水闸控制系统采用分层分布式结构，一个较标准的

PLC

闸群控

制系统的总体结构图，其可分为三层式结构

:

现地控制层、集中控制层和远程监

控层。系统整体框图如图

2.1

所示。

位

检

测

键

现地控制层的每孔闸门配置一个现地

PLC

，

收集闸位、

水位和各种现场开关

量、 模拟量信息并上传至集控层

PLC

，同时接受集控

PLC

的命令并通过接口执

行。集控层

PLC

主要目的是作为上位机和现地

PLC

交互信息的硬件中转站，有

盘

显

示

电

机

控

制

异

常

报

警

现地

PLC

工业

现场总线

人机

交互

闸

水

位

检

测

加

速

度

检

测

集控

PLC

组态软件

图

2.1

基于

PLC

的系统整体框图

4

着速度 快、

功能强大和稳定性高等特点。

集控层上位机的人机交互系统 一般由相

应的组态软件构成，

在监控闸群系统的同时，

肩负着与远程监控层交互信息的功

能，因此远地监控层也可通过公众网络 或专用网络实时监测闸群控制的状况。

方案二：以单片机为控制核心

单片机 是一种集成电路芯片，

是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理

能力的中央处理器

CPU

随机存储器

RAM

、只读存储器

ROM

、多种< /p>

I/O

口和中

断系统、定时器

< p>
/

计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模

< p>
拟多路转换器、

A/D

转换器等电路）

< p>
集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微

型计算机系统，

在工业控制领域的广泛应用。从上世纪

80

年代，

由当时的

4

位、

8

位单片机，发展到现在的

32

位

300M

的高速单片机。

< br>以单片机为控制核心的水闸控制系统分为上位机、下位机和

PC

< br>机，通过下

位机操作键能够实现对闸门的现地手动操作，

下位机将信号传给上位机，

上位机

存储后，

再将信号传输到

PC

机，

集中控制 部分

人机联系功能包括信息显示功能、

以及信息输入功能，

操作人员通过

PC

机来获取闸门的工作状态 信息，并可以通

过

PC

机界面，采用键 盘或鼠标输入的方式实现对各个闸门的控制。采用多机通

信的方法在上位机和下位机之间 传输数据。

综上所述，在实现系统功能设计方面，

PLC

和单片机都可以完成本次

设计的要求。但考虑到经济方 面，

PLC

比单片机贵得多。所以，在兼顾功能

和经济两个方面的情况下，本次设计选用单片机作为本次设计的核心处理

器。< /p>

2.2

系统总体方案设计

基于单片机的闸门 控制系统是由闸位检测模块及水位检测模块进行数据采

集并处理，同时根据加速度检测模 块判定闸门卡滞、飞车和下滑，

经处理的信号

给到下位机，有< /p>

14

个下位机，每个下位机分别对数据进行处理后存储显示并输< /p>

出控制信号控制电机，并将结果与设定值比较，

当出现故障或事故 情况，

进行报

警。下位机的输出信号通过

RS485

总线，把相关的数据发送到上位机，存储数

据并报 警。上位机将信号传给

PC

机存储显示，根据键盘的选择能够实 现现地手

动对闸门的控制。本设计的系统整体框图如图

2.2< /p>

所示。下位机用来实时显示现

地控制单元采集的数据，如水位曲线 ，

闸门位置及各个异常状态显示等，

下位机

单片机输出的信号经

RS485

总线输入上位机，上位机做 历史记录，同时将信号

传输给

PC

机。 操作人员通过

PC

机界面获取现场的状态信息，通过键盘或鼠标

输入的方式实现对现场各个闸门的控制。

同时上位机还具有备份 数据的功能。

下

面介绍各模块功能。

5

机

PC

RS485

总线

RS232

接口

转换电路

RS485

接口

RS485

接口

上位机模块

水

模

块

位

检

测

时

钟

模

块

水

模

位

块

检

测

闸

< br>模

位

块

检

测

时

钟

模

块

存

储

模

块

RS485

接口

RS485

接口

闸

模

块

位

检

测

存

储

模

块

加

测

速

量

度

模

块

键

模

盘

块

显

示

下

< br>位

机

……

电

模

机

块

控

制

报

警

模< /p>

块

加

测

速

量

度

模

块

< p>
键

模

盘

块

显

示

下

位

机

电

模

机

块

控

制

报

警

模

块

水位测量模块：

主要用于对工作闸门闸前、闸后水位的测量，本设计 选用的

水位仪是超声波传感器，具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流< /p>

程清晰等优点。

闸位检测模块：

主要检测闸门的开度，本设计选用绝对型光电编码器。它以

高精度计量 圆光栅为检测元件，

通过光电转换将输入轴的角位移信息转换为相应

数字代码。因其结构简单、计量精度高、寿命长等优点。

加速度测量模块：

加速度测量模块根据加速度检测闸门变化，

判 定闸门卡滞、

飞车和下滑，

当提门工作时，

发生闸门意外卡滞情况，

表现为闸门上升速度停止。

此时检 测加速度为

0

，同时速度为

0

。当落门工作时，

闸门因意外情况失去控制，

自 由落体向下落，称为飞车，表现为闸位计读数变化加快此时检测加速度为

g

。

当闸门静止在某一闸位上时，

闸门控制系统应不间 断监视闸门位置。

此时若检测

加速度介于

0~g

之间时，并且速度也不为

0

， 则闸门下滑。

图

2.2

系统整体框图

6

电机控制模块：

由驱动器和晶闸管组 成的开关和电机控制电路组成

2

部分组

成。由于电机为交流强电，本身会有电波干扰，需要光电耦合，而选择的驱动器

中含有关 电耦合功能，故无需关电耦合电路。它的作用是通过控制电机的转速，

来达到控制闸门开 度的目的。

时钟模块：时钟模块用于产生单片机工作所需要的时钟信号。

存储模块：存储模块用于存储单片机工作时的读写数据。

键盘显示模块：

在本次设计中的按键分别用来控制闸门的上升、

下降和停止

以及控制显示当前水位、闸位、

时间和历史记录等数据。

显示电路用来显示水位

高度和闸门位移 量，

用来采集水位信息和观察闸门运动状态。

将按键控制电路和

显示电路连接在现地控制单元实现对闸门的现场手动操作。

< /p>

报警模块：

为了保证闸门动作的可靠性，设置了异常报警通道，当 闸门出现

卡带、飞车及下滑等不正常现象时，

会制动启动报警电 路，

提醒工作人员闸门出

现了异常现象。

7

第

3

章

硬件设计

3.1

下位单片机设计

3.1.1

下位单片机选型

本设计选用

AT89S52

作为下位机控制核心，

AT89 S52

是一种低功耗、高性

能

CMOS 8

位微控制器，具有

8K

在系统可编程

Flash

存储器，

128 bytes

的随机< /p>

存取数据存储器。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

< p>
8

位

CPU

和在系统 可编程

Flash

，

使得

AT89S52

在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。单片机外围电路 如

图

3.1

所示。

1

U

1

1

2

3

4< /p>

5

6

7

8

D

1

3

1

< p>
2

1

5

1

4

C

2

V

CC

3

1

3

0

p

F

Y

1

C

3

1

9

1

8

9

1

7

1

6

2

3

0

p

F

< br>V

CC

P1

0

/T

P1

1

/T

P 1

2

P1

3

P1

4

P1

5

P1

6

P1

7

IN T

1

INT

0

T1

T0

EA

/VP

X

1

X

2

R

ESE

T

R

D

W

R

P0

0

P0

1

P0

2

P0

3

P0

4

P0

5

P0

6

P0

7

P2

0

P2

1

P2

2

P2

3

P2

4

P2

5

P2

6

P2

7

3

9

3

8

3

7

3

6

< br>3

5

3

4

3

3

3

2

2

1

2

2

2

3

2

4

2

5

2

6

2

7

2

8

R

< br>XD

TX

D

A

< br>LE/P

PS

EN

1

< p>
0

1

1

3

0

2

9

A

T8

9

S5

2

S1

SW

-P

B

< br>C

C

1

1

0

u

F

R

1

1

0

K

图

3.1

下位单片机外围电路

8

晶振电 路采用石英晶体振荡器，

用来产生时间标准信号。

在内部方式时 钟电

路中，必须在

XTAL1

和

XTAL2

引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容

构成振荡电路，通常

C2

和

C3

一般取

30pF

，晶振的频率取值 在

1.2MHz~12MHz

之间。本设计通过外接

< p>
12MHz

石英振荡器产生稳定性极高的时钟信号。

手动按钮复位需要人为在复位输入端

RST

上加入高电平。一般采用的办法

是在

RST

< p>
端和正电源

VCC

之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，

则

VCC

的

+5V

电平就会直接加到

RST< /p>

端。

由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，

所以，完全能够满足复位的时间要求。

3.1.2

下位机扩展电路设计

本系统需用较多 模拟量和开关量通道来指示系统的各种状态，

AT89S52

共 有

4

个

8

位并

I/O

口，

AT89S52

< p>
的

I/O

口不够用，因此本设计采用

PCF8574

接口芯

片进行

I/O

口扩展。

PCF8574

各引 脚说明如表

3.1

所示。

表

3.1 PCF8574

各引脚说明

引脚名称

A0~A2

P0~P7

功能

三位数字引脚地址

八位准双向

I/ O

口线

中断线

(

低电平有效

)

I

2

C

时钟线

I

2

C

数据线

电源地

电源端

INT

SCL

SDA

VSS

VCC

PCF8574

是

< br>PHILIPS

公司推出的一款带

I

2

C

总线，具有

CMOS

电路。可使大多

数

MCU

实现远程

I/O

口扩展。该器件包含一个

8

位准双向口和一个

I

2

C

总线接口。

PCF8574

< br>电流消耗很低且口输出锁存具有大电流驱动能力，

可直接驱动

LED

。

它

还带有一条中断线

INT

可与

MC U

的中断逻辑相连。通过

INT

发送中 断信号，远端

I/O

口不必经过

I

2

C

总线通信就可通知

MCU

是否有数据从端口输入。这意味着

PCF8574< /p>

可以作为一个单被控器，下面将主要技术指标总结如下：操作电压

2.5~6.0V

；低待机电流（

≤10uA

< br>）

；

I

2

C

总线扩展并行口；开漏中断输出；

I

2

C

总线

实现

8

位远程

I/O

口；

与大多数

MCU

兼容；

口输出 锁存具有大电流驱动能力可直接

驱动

LED

；通过

3

个硬件地址引脚可寻址

8

个器件。

PCF8574

与下位机连接 图如图

3.2

所示。

9

B

P2

.1

P2

.2

INT

0

P2

.3

P2

.4

P2

.5

5.

1

K

*

2

V

CC

VC

C

SD

A

SC

L

INT

A

0

A

1

A

2

V

SS

P C

F8

5

7

4

P7

P6

P5

P4

P3

P2

P1

P0

A

0

A

1

A

2

A

3

A

4

A

5

A

6

A

7

图

3.2 PCF8574

与下位机连接图

3.2

下位机水位测量模块设计

水位检测模 块主要用于对工作闸门闸前、闸后水位的测量，

目前水电站多

采 用浮子式液位计或投入式液位计来进行水位测量。

其缺点

为：测 量精度低，

不可靠，

经常出现浮子卡死不动和传感器堵塞导致测 不准；

测量需要修静水井，

安装、调试不便；由于浮子式水位计 具有机械传动部件，在水电站现场环境中

长期使用容易锈蚀破坏，因而维护工作量大；采 集到的仅是模拟信号，不能直

接进入电厂计算机监控系统，对无人值班电厂不实用。超声 波传感器则克服了

了上述缺点。它测量精度高，直接输出数字信号，安装简单；与水面无 接触，

不受水流泥沙含量的影响；并且可以配用有线、无线遥测设备。

< br>

所以本设计

由基于单片机控制的超声波测距仪实现。模 块由超声波发射器

发出超声波脉冲，

传到液面经反射后返回超声 波接收器，

测出超声波脉冲从发射

1

到 接收到所需的时间，

根据媒质中的声速，

就能得到从传感器到液 面之间的距离，

从而确定液面。模块用四位

LED

数码管切换显示水位。各信号经下位机综合分析

处理，实现超声波测距仪的功 能。此水位检测模块具有易控制、工作可靠、测距

准确度高、可读性强和流程清晰等优点 。

2

A

3. 2.1

超声波传感器

超声波是指频率高于

20kHz

的机械波。超声波是 利用反射的原理测量距离

的，被测距离一端为超声波传感器，

另 一端必须有能反射超声波的物体。

测量距

离时，将超声波传感器 对准反射物发射超声波，

并开始计时，

超声波在空气中传

播到达障碍物后被反射回来，

传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，

然后根据

10

超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。测量距 离

D

为

1< /p>

D

?

ct

（

3-1

）

2

式中

c

——< /p>

超声波的传播速度；

1

t

——

超声波发射到接收所需时间的一半，

< p>
也就是单程传播时间。

2

超声波在恒定环境条件下的传播速度不变。水闸控制系统的水位测量主要

用于对工作闸 门闸前、

闸后水位的测量，

故本次设计需要选用

2

个超声波传感器。

超声波传感器主要材料有压电晶体

（电致伸缩）

及镍铁铝合金

（磁致伸缩 ）

两类。

电致伸缩的材料有锆钛酸铅（

PZT

）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可

逆传感器， 它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波

时，也能转变成电能， 所以它可以分成接收器和发送器。超声波传感器由两个

压电晶片和一个共振板组成，当压 电晶片的两极加上频率等于其固有谐振频率

的脉冲信号时，压电晶片产生共振，并带动共 振板产生振动，同时带动压电晶

片也一起振动，将机械能转换为电能，称为超声波接收器 。超声波传感器利用

压电效应进行电能和超声波机械能的相互转换，也称为超声波换能器 。超声波

发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志，但< /p>

外观基本一致。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。

考虑到超声波频率对距离测量的分辨率的影响，对于不同测距，采用不同

频率的超声波。

经实验表明，测距在

5m

< br>以内，适宜采用

60~80KHz

的超

< br>声波，分辨率可达到

0.3cm

；测距在

5~15m

以内，适宜采用

40KHz

的超

声波，分辨率可达到

0.5cm

< br>；测距在

15~30m

以内，适宜采用

< br>20KHz

的超

声波。由于本设计要求

< br>水位测量不大于

2cm

，并且考虑中小型水闸闸门高度，

采用

40KHz

的超声波符合要求。本 设计采用的就是发送超声波传感器

T40

及接

< br>收超声波传感器

R40,

其外观如图

3.3

。

图

3.3 T40

、

R40

外观

本系统采用的超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传

播， 工作频率一般为

23~25KHZ

及

4 0~45KHZ

。这类传感器适用于测距、遥控、

11

防盗等用途。该种有

T/R-40-16

，

T/R-40-12

等

（其中

T

表示发送，

R

表示接收，

40

表示频率为

40KHZ

，

16

及

12

表示其外径尺寸，以毫米计）。

3.2.2

超声波传感器发射电路

超声波发射电 路原理图如图

3.4

示。发射电路主要由反相器

74LS04

和超声

波发射换能器

T40

构成，单片机

P1.0

端口 输出的

40kHz

的方波信号一路经一级

反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换

能器的另 一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可

以提高超声波的发射 强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。

上位电阻

R2

、

R3

一方面可以提高反向器< /p>

74LS04

输出高电平的驱动能力，另一

方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。

2

3

U

1

A

P1

.0

1

7

4

LS0

4

2

1

1

U

4

A

1

7

4

LS0

4

2

1

7

4

LS0

4

U

3

A

7

4

LS0

4

U

5

A

U

2

A

7

4

LS0

4

V

CC

2

R

2

1

< p>
K

R

5

1

K

R

4

1

K

T4

0

2

P1

.1

7

2

8

3

R

6

2

R

3

1

K

1

K

C

7

1

u

F

C

6

3.

3

u

F

图

3.4

超声波传感器发射电路

压电式超声波 换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。

它有两个压电晶体和

一 个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，

其频率等于压电晶片的固 有振荡频率时，

压电晶片将会发生共振，

并带动共振板振动产生 超声波，

这时它就是一个超声波

发生器；反之，如果两电极间未 外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压

电晶片作振动，

将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。超

声波换能器与接收换能器 其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

3.2.3

超声波传感器检测接收电路

集成电路

CX20106A

是一款红外线检波接收的专用芯片。

考虑到红外遥控常

用的载波频率

38kHz

与测距的超声波频率

40kHz

较为接近， 可以利用它制作超

声波检测接收电路如图

3.5

示。发射电路发出信号时，

CX20106A

的接收端 内部

会产生震荡，

使内部磁铁产生微弱的电流。

实验证明用

CX20106A

接收超声波

（无

12

4

信号时输出高电平）

，

具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。

适当更改 电容

C4

的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。< /p>

3

V

CC

2

R

2

1

K

R

5

1

K

R

4

1

< br>K

U

2

A

7

4

LS0

4

5

1

4

V

1

R

4

0

C

4

0.

< p>
0

5

6

u

F

U

3

A

2

7

4

LS0

4

U

5

A

2

7

4

LS0

4

T4

0

R

3

1

K

P1

.1

7

2

8

3

4

6

C

X2

0

1

< p>
0

6

A

C

5

3

3

0

p

F

R

6

1

K

C

7

1< /p>

u

F

C

6

3.

3

u

F

图

3.5

超声波传感器检测接收电路

< p>

3.2.4

温度补偿设计

超声波测距的测量精度 主要取决于计时精度和传播速度两方面。

计时精度由

单片机定时 器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用

12MHz

的

晶振，使机器周期为精确的

1?

s,

不会产生累积误差，使定时间达到

1?

s

。超声波

的传播速度

c

并不是固定不变的，

传播速度受空气密度、

温度 和气体分子成分的

影响，关系式为

c

?

?

RT

M

?

c

0

1

?

T

< p>

（

3-2

）

273

K

式中

γ——

气体定压热容与定容热容的比 值，空气为

1.40

。

R

——< /p>

气体普适常数，为

8.314J/mol*K

。

T

——

气体热力学温度，与摄氏温度的关系是

T=273K+t

。< /p>

M

——

气体相 对分子质量，空气为

28.8g/mol

。

c

0

——

0

℃时的声波速度，为

331.4m/s

。

由上式可见，

超声波在空气中 传播时，受温度影响最大，由表达式可计算出

超声波传播速度与温度的关系，如表

3.2

所示。

温度 越高，传播速度越快，而且不同温度下传播速度差别非常大，例如

0

℃

时的速度为

332m/s

，

30

℃时的速度为

350m/s

< p>
，

相差

18m/s

。因此 ，考虑到环境温

度对超声波传播速度的影响，

通过温度补偿的方 法对传播速度予以校正，

以提高

测量精度。

13

表

3.2

超声波传播速度与温度关系表

项目

温度

（℃）

声速

/

(m*s)

313

319

325

332

338

344

350

356

361

367

388

-30

-20

-10

0

10

数值

20

30

40

50

60

100

常用的测温补偿方法有：热敏电阻，铂电阻，热电偶以及

IC

温度传感器补

偿。使用传统的温度传感器，硬件电路复杂，而且 输出为电压或是电流值，需要

进行

A/D

转换。

DS18B20

是

DALLAS

< br>公司推出的数字式单总线温度传感器，

硬件接口电路简单，分辨率可达到

0.062 5

℃，能很好地补偿超声波在 不同温度

时的传播速度，从而保证了液位测量的精度。

本设计采用的是美国

Dallas

半 导体公司的不锈钢封装的

DS18B20

数字温度

传感器。

DS18B20

是采用专门设计的不锈钢外 壳，仅有

0.2mm

的壁厚，具有很

小 的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的

温

< p>
度

延

迟

。

DS18B20

支

持

“

一

线

总

线

< p>
”

接

口

（

1-Wire

）

，

测

量

温

度

范

围

为

-55°

< p>
C~+125°

C

，在

- 10~+85°

C

范围内

,

< p>
精度为

±

0.5°

C

。现场温度直接以

“

一线总

线

”

的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。< /p>

DS18B20

数字化温度传感器

的主要 性能如下：适用电压为

3V~5V

；

9 ~12

位分辨率可调，对应的可编程温度

分别为

0.5

℃、

0.25

℃、

0.125

℃、

0.0625

℃；

TO-92

、

SOIC

及

CSP

封装可选；测

温范围：

-55

℃

~125< /p>

℃；精度：

-10

℃

~85

℃范围内

±

0.5

℃；无需外部元件，独特的

一线接口，电源和信号复合在一起；每个芯片 唯一编码，支持联网寻址，零功耗

等待。

DS18B20

采用

3

脚

PR-35

封装，如图

3.6

所示。

图

3.6 DS18B20

封装图

< p>
下面说明其操作方法，

基于

DS18B20

的温度补偿工作方式有两种，

分别是寄

14

生电源工作方式和外接电源工作方 式。

就两种方式相比较而言，

寄生电源工作方

< br>式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量是

DS 18B20

的典型接线方式，这种方式速度较快，工作可靠，所以本设计选择外

接电源工作方式。外接电源工作方式的温度补偿电路如图

3.7

所示。

图

3.7

温度补偿电路

V

CC

P1

.5

4.

7

K

V

CC

< br>D

S1

8

B2

< br>0

3.3

下位机闸位检测模块设计

闸位检测模 块检测闸门的开度。

当前，有无数的水闸在全国各地运行，而

对 闸门开度的检测还采用比较落后的方式。要实现对闸门的实时监控，就必须

2

< p>
3

采用灵敏可靠的传感器来测量闸门开度。现在，在闸门开度测量中应用较 为方

便，精度也比较高的传感器是光电编码器。

光电编码器是一种测量轴角位置的传感器。它具有很高的分辨率、精度和

可靠 性。光电编码器有两种类型：绝对型编码器和增量型编码器。增量型编码

器需要一个计数 系统，旋转的码盘通过敏感元件给出一系列脉冲，在计数器中

对某个基数进行加减，从而 记录了旋转的角位移量。

绝对型光电编码器以高精

度计量圆光栅 为检测元件，

通过光电转换将输入轴的角位移信息转换为相应数字

代码。

绝对型编码器不需要基数，它在任意位置给出一个固定的与位置对应的

数字码输出。由于绝对型编码器是在码盘停止旋转后直接输出所在位置值，计

数不会产生累积误差，高速旋转时也不必考虑

。读取系统和电路的响应时间，

同时也不会受到中断干扰的影响，具有结构简单、计量精度高、寿命长等优点。

因而，对于闸门开度测量，采用绝对型光电编码器比较好。

3.3.1

闸位传感器

闸门开度模块以

AT89C52

单片机为核心，针对海德汉公司的

POQ425(SSI)

绝对式光电编码器进行接口装置的设计，

以实现对传感器数据的采集、

显示及传

15

输。

< /p>

该传感器是绝对式增量光电编码器，

共有

4096

（

12

位）

< br>圈，

每圈有

8192

（

13

位）个位置值，其电气参数为工作电压：

1 0~30VDC

；输出码：格雷码，轴向顺

时针增加；最大电器 转数：

6000

转

/

< br>分；信号输入：

TTL

时钟信号；信号输出：

< p>
同步串行信号（

SSI

）。

ROQ425

的电缆引出如表

3.3

。该传感器使用的是欧洲标

准的

SSI

接口，其时序如

3.8

示。

表

3.3 ROQ425

电缆引出

棕绿

10V-30V

白绿

0V

紫

CLOCK+

黄

CLOCK-

粉红

DATA-

灰

DATA+

图

3.8 ROQ425

时序图

绝对的位置值由时钟信号触发，

从高位

（

< p>
MSB

）

开始输出与时钟信号同步的

串行信号，

SSI

标准的信号为

25

位（

12

位圈数

+13

位单圈值数）串行。当不传

送信号时，时钟和 数据位均是高位，

在时钟信号的第一个下降沿，

当前值开始储< /p>

存，从时钟信号上升沿开始，数据信号开始传送。

t

3

为复位和恢复信号。

ROQ425

特点：

1.

性价比高。

2.

精度和分辨率高。

该编码器共有

4096

圈

（

12

位）

，

每 圈

8192

个

（

13

位）

位置值，可测量的信号数

4 096×

8192

个（

13

< p>
位）位置值，只要传动装置

足够精密，就可得到很高的精度。

3.

抗干扰能力强，< /p>

时钟信号的输入和数据信号的输出采用的是差分形式的

422

通信方式，能有效的抑制共模干扰。内部有光电隔离器件，能抗击

一 部分强电冲击。

4.

节约系统的硬件资源。该编码器用到的电缆引出线只有

6

根：

2

根电源

线、

2

根时钟信号线、

2

根数据信 号线。

16

5.

现场 安装方便，该编码器是绝对增量型的。这样无论现场条件适合安装

在闸门的左边还是右边 ，无需增加变向齿轮，只需稍微改变一下程序即

可。

3.3.2

闸位传感器数据采集电路设计

由于编 码器

ROQ425

的输出信号需将其转换成可以输入单片机的电 平，本设

计选用

MAX491

芯片完成 转换。

MAX491

是一种高速、低功耗、控制灵活的异步

通讯接口芯片。

MAX491

采用

+5V

电源供电，当供电电流仅有

500uA< /p>

时，传输速

率却能达到

2.5Mb/s< /p>

，传输时延为

28ns

。它的内部有一个 传输线驱动器和一个传

输线接收器，因此可以采用全双工方式工作。输出的差动电压符合

RS485

标准，

为±

2~

±

6V

。闸位传感器数据 采集电路如图

3.9

示。

V

CC

V< /p>

CC

V

CC< /p>

N.C.

R

XD

N.C.

R

XD

1

P2

.6

D

C

A

R

O

2

P2

.7

D

AT

A+

B

D

I

R

1

6< /p>

D

AT

A-< /p>

C

LO

CK

-< /p>

C

LO

CK

+< /p>

D

C

3

4

5

6

1

2

< p>
0

Z

Y

N.C.

MA

X4

9

1

TX

D

< p>
N.C.

G

ND

TX

D

图

3.9

闸位传感器数据采集电路

Titl

MAX491

有一个输入脚可以直接与 下位机的

TXD

脚项链，

一个输出脚与

CPU

的

RXD

脚相连，

当接收到来自下位机的信息时，

可立即通过传输线驱 动器将

TTL

逻辑电平转换成差动电压发送出去，同时，

当接收到差动电压信号时，

可立即转

3

Siz

B

换成逻辑电平传给下位机处理。

MAX491

内部的驱动器与接收器是三态的，这样

4

D

at

File

< p>
5

它可以受控进行发送与接收，发送与接收的两种控制信号是反向的，“< /p>

1

”电平

开始发送，“

< br>0

”电平停止发送；“

1

”电平 停止接收，“

0

”电平开始接收。

< /p>

MAX491

芯片

RO

< br>引脚连接下位机

P2.6

口，它是接收控制端，低电平有 效。

DI

引脚连接下位机

P2.7

口，它是发送控制端，高电平有效。

3.4

下位机加速度测量模块设计

加速度测 量模块设计根据加速度检测闸门变化，

判定闸门卡滞、

飞车和下 滑，

当提门工作时，发生闸门意外卡滞情况

(

< br>如被异物卡住，钢丝绳拉偏等

)

，表现为

闸门上升速度停止，此时检测加速度为

0

时，同时速度 为

0

。当落门工作时，闸

17

门因意外情况

(

如电机失电、

缺相、

钢丝绳脱落 等

)

，

失去控制，

自由落体向下落，

称为飞车，表现为闸位计读数变化加快，此时检测加速度为

g

。当闸门静止在某

一闸位上时，闸门控制系 统应不间断监视闸门位置，发现检测加速度介于

0~g

之间时， 并且速度也不为

0

，则闸门下滑。加速度模块利用加速度传感器 芯片

ADXL250

对信号进行检测，再经信号调理电路进行处 理后送入下位机，下位机

进行相应的数据处理，并判断闸门异常状态。

< br>

3.4.1

加速度计设计

本设计中的加速度测量 是基于

AD

公司的

ADXL250

进行的，它是一款单芯

二维表面微机械加速度传感器，

ADXL250

能获得系统所在位置的两个加速度，

即输出

X

、

Y

两个轴上加速度信号，其采用差动电容作为敏感元件，使用闭环反

馈力平衡技术和完整的 信号调理电路构成闭环随动式加速度计，

其输出电压与其

感受的 加速度成正比。其应用灵活，用户可选择从

±

5g~±

50g

< br>测量量程；输出

灵敏度也可从

38mV/g~400mV /g

中选择；

分辨率为

10mg

；

带宽为

1KHz

；

+ 5V

单

电源工作；不加电时可 以承受

2000g

的振动冲击而不致损坏；适用于静态和动< /p>

态的加速度测量。

ADXL250

由信号源、前置放大、解调器、缓冲放大等电路组成。信号源用

于驱 动传感器，并提供解调信号，其频率约为

100KHz

。前置放 大器对传感器输

出信号进行放大，

经过解调器解调后输出至缓冲 放大器。

缓冲放大器是二阶贝塞

尔滤波器，它是线性相位滤波器 ，具有最平坦的群延时特性，

-3dB

频率设为

1

KHz

。

系统的灵敏度和 直流输出均与电源电压成正比，

以便后续测量电路如转换

器在电 源电压变化的情况下能够跟随加速度，

因此，

输出电压是加速度 和电源电

压两者的函数，

如下式所示：

V

out=Vs/2-

灵敏度

xVs/ 5Vxa

其中

, a

为加速度

，

Vs

为电源电压。

3.4.2

加速度计标定电路设计

由于直接从

ADXL250

输出的加 速度测量信号存在着零位误差、

高频噪声信

号，

大大影响了测量精度。

为了使加速度传感器

ADXL2 50

满足惯性测量的要求，

需要设计相应的标定电路以及后置滤 波电路。

传感器的标定包括零位标定与刻度标定，

< p>
一种简单的标定方法是利用重力加

速度进行：当 传感器的敏感方向与水平面保持一致时，输出应为零，

这时调节电

位器标定零位；当传感器的敏感方向垂直向上时，输出应为

1g

；当敏感方向垂

直向下时，

输出应为

-1g

，

这时可通过调节电位器标定刻度。

< br>当芯片的调零端

（

2

、

8

）

、

外加偏置电压时 可以进行调零，

当调零端与输出端相连时可以使灵敏度提高

一倍 。

18

X

轴参数标定电路如图

3.10

< p>
所示，

即芯片的

8

脚和< /p>

10

脚，

此电路是对

X

轴

方向进行加速度测量参数标定的电路。

Y

轴方向加速度测量的参数标定电路与

X

轴方向的相同，只需要将参数标定电路连接到

ADXL250

的

2

脚和

3

< br>脚之间。本

设计无需

Y

轴标定。

4

1

2

3

4

5

6

7

N

C

V

ss

JER

O

g

< p>
A

DJY

V

ss

V

o

u

tY

< p>
N

C

N

C

N

C

TP

V

< br>o

u

tX

N

C

self-test

C

OM

JER

O

g

A

DJX

A

DX

L2

5

0

5

+5< /p>

V

6

C

1

2

0.

1

u

F

R

1

7

R

1

9

1

< br>M

C

f

2

0

0

K

0.

1

u

F

1

4< /p>

1

3

1

2

1

1

1

0

< p>
9

8

R

1

8

5

0

K

R

2

0

1

M

R

2

1

C< /p>

1

3

D

4

2

7

5

< p>
K

0.

1

u

F

U

1

1

< br>A

1

u

0

图

3.10

加速度标定电路

3

< br>LM3

5

8

< br>传感器的输出电压变化范围在

-0.02~0.02V

之 间，远远达不到单片机的测量

范围，

需要外接放大电路，

设计中采用

LM358

进行放大，

< p>
放大倍数由

R18

，

R2 0

，

R21

共同决定。电路需要放大电 压

100

倍左右，因此

R20

需要

1MΩ

，

R21< /p>

选用

75KΩ

，

R18

选用

50KΩ

的电位器，

R18

用为微调，

R17

为

200KΩ

的电位器，用

来调节 零位。当加速度传感器的敏感轴与水平面保持一致时，输出为

0g

，理论

上输出电压

2.5V

，调节相 应的电位器标定零值；当传感器的敏感轴与水平面垂

直时，输出

±

1g

。

自 测试端

9(ST)

用于芯片的检测。

当 输人

“1”

时，

内部电路向传感器的各 极板

电容施加静电力，

使输出达到负最大值。

< br>如果自测试时传感器承受外部的加速度，

则其输出为两者代数和。自测试电平一直 保持到

ST

去除为止。自测试信号不能

用于标定传感器的灵敏度。

B

C

3.4.3

加速度计滤波电路设计

由于从

ADXL250

加速度传感器传速出来的信号噪声主要是高频噪声

,

因此

选用低通

滤 波器

来消除高频噪声

,

简单的二阶滤波 器就能满足多种滤波要求

,

且

Butt erworth

滤波器可给出最平坦的通带特性。

因此本系统中 采用二阶

Butterworth

19

8

低通滤 波器来滤除外部随机噪声信号。根据其适用场合

,

可取不同的低 通截止频

率

,

此处取

< br>f-3dB=1KHz

。如图

3.11

< br>为二阶低通滤波器的原型。

u

0

R

2

4

1

K

C

1

4

0.

0

1

u

F

R

2

2

1

K

R

2

3

1

K< /p>

C

1

5

0.

0

1

u

F

2

1

3

V

in

(+

)

V

CC

4

U

1

2

A

R

2

1

1

K

LM3

5

8

图

3.11

低通滤波电路

LM358

是由两个独立的高增益运算放大器组成。可以是单电源工作，也可

以是双电源工作。

LM358

里面具有两个高 增益、独立的、内部频率补偿的双运

放，适用于电压范围很宽的单电源，

而且也适用于双电源工作方式，

它的应用范

围包括传感 放大器、

直流增益模块。

由于从传感器出来的信号噪声主要是高 频噪

声，因此选用低通滤波器来消除高频噪声。

通过如下方法计算各电容、电阻的值：

C14=2.12132

，

C15=0.41740

P0

.1

V

c

c

R

E

F

< p>
V

CC

C

1

7

8

2

0

< br>对于二阶低通

Butterworth

滤波器，其归一化 电容为：

1

0

u

F

P0

.0

1

8

7

lsb

D

B0

V

in

(-)

1

7

D

B1

P0

.2

1

6

6

D

B2

V

in

(+

)

假设

R22=R23=R24=R

，则：

P0

.3

1

5

D

B3

P0

.4

1

4

C

1

14=C14/Rω

0

C

1

15=C15/Rω

0

1

3

D

B4

8

（

3-5

）

P0

.5

D

B5

A

-G

N

D

P0

.6

1

2

D

B6< /p>

而

ω

0

=2π< /p>

，

f

设为

1KH z

P0

.7

1

1

msb

D

B7

9

V

ref/2

则得：

< p>

INT

1

5

< p>
INT

R

+2

.5

V

C14=51nF,C15=10Nf,R=6.65KΩ

R

2

5

Y

3

1

1

< br>9

C

S

C

LK

-R

R

D

2

1

0

K

R

D

取

C14=51.7nF,C15= 10Nf, R22=R23=R24=R=6.6KΩ

W< /p>

R

3

4

W

R

C

LK

-IN

C

1

6

1

5

0

p

F

则可将此滤波器的通带带宽设置约为

1KHz

。

A

DC

0

8

0

4

3.4.4< /p>

A/D

转换电路设计

A/D转换电路

由于加速度计输出的是模拟信号，需要经

A/D

转换再将信号传到单片机。

Title

本设计用

ADC0804

转换，

ADC0804

参数如表

3.4

所示 ，

管脚作用如表

3.5

所示。

Size

B

D

ate:

File:

5

20

N

u

mb

er

R

ev

isio

n

1

< br>8

-Ju

n

-2

0

1

3

Sh

< br>eet

o

f

C

:P ro

g

ram

FilesD

esig

n

Ex

p

lo

rer

9

9

SE< /p>

D

E

raw

x< /p>

amp

n

B< /p>

lesMy

y

:

D

esig

n.

d

d

b

6

表

3.4 ADC0804

参数

工作电压

模拟输入电压范围

分辨率

转换时间

转换误差

参考电压

表

3.5 ADC0804

管脚作用

引脚名称

DB0-DB7

功能

数字数据输出端

片选信号

读取结果

启动转换

片内时钟

模拟地、数字地

参考电压

正电源输入端

模拟信号输入端

负参考电压输入端

转换信号结束输出端

+5V

，即

VCC=+5V

0-+5V

，即

0≤Vin≤+5V

< p>

8

位，转换值介于

0- 255

之间

100us(Fck=6 40KHz

时

)

±

1LSB

2.5V

CS

RD

WR

CLKI

、

AGND

、

VREF/2

VCC

VIN(+)

VIN(-)

INTR

由于本设计的精度要求，可选择

8

位逐次逼近式

A/D

转换器，由于本设计

只有加速度传感器一路输入 信号需要进行

A/D

转换，

ADC08 04

有一路输入属于

连续渐进式（

Su ccessive

Approximation

Metho d

）的

A/D

转换器，这类型的

A/D

转换器除了转换速度快（几十至几百

u s

）

、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，

普遍被应用于微电脑的接口设计上。所以从性价比的等方面考虑选择

ADC0804

最佳。

ADC0804

数据输出线与

AT89S52

的数据总线直接相连，

AT89S52

的

RD

、

WR

和

I NT1

直接连到

ADC0804

。

当

AT89S52

向

ADC0804

发

WR (

启动

转换

)

、

RD (

< br>读取结果

)

信号时

，

< p>
只要虚拟一个系统不占用的数据存储器地址即可。

A/D

< br>转换电路如图

3.12

所示。

21

2

0

P0

.0

P0

.1

P0

.2

P0

.3

P0

.4

P0

.5

P0

.6

P0

.7

INT

1

P1

.4

R

D

W

R

1

8

1

7

1

< br>6

1

5

1

4

1

3

1

2

1

1

5

1

2

3

lsb

D

B0

D

B1

D

B2

D

B3

D

B4

D

B5

D

B6

msb

D

B7

INT

R

C

S

R

D

W

R

A

DC

0

8

0

4

V

CC

V

CC

B

V

c

c

R

E

F

V

in

(-)

V

in

(+

)

7

2

0

0

< p>
6

V

in

(+

< p>
)

A

-G

N

D

8

1

K

< br>V

ref/2

9

C

LK

-R

C

LK

< p>
-IN

1

9

4

< p>
1

0

K

2

0

0

1

5

0

u

F

A

Title

图

3.12 A/D

转换电路

Size

< p>
B

N

u

mb

er

R

ev

isio

n

3.5

下位机时钟模块设计

D

ate:

2

3

-Ju

n

-2

0

1

3

File:

Sh

ee t

o

f

C

:P ro

g

ram

FilesD

esig

n

Ex

p

lo

rer

9

9

SE< /p>

D

E

raw

x< /p>

amp

n

B< /p>

lesMy

y

:

D

esig

n.

d

d

b

5

6

PCF8563

是

PHILIPS

公司推出的一款工业级内含

I2C

总 线接口功能的具有

极低功耗的多功能时钟

/

日历芯片。

PCF8563

的多种报警功能、定时器功能 、时

钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，

甚至可为单片机提供

看门狗

功能

。是一

款

性价比

极高

的

时钟

芯

片

。

PCF8563

最大

总

线速度为

400kbits/s

，

每次读写数据后，

其内嵌的字地址寄存器器会自动产生增量。

引脚描

述如表

3.6

所示：其主要特 性有：

1.

宽电压范围

1.0~5.5V

，

复位电压标准值

Vlow=0.9V

。

2.

超低功耗：典型值为

0.25uA (VDD=3.0V

,Tamb=25

℃

)

。

3.

可编程时钟输出频率为：

32.768KHz

、

1024Hz

、

32Hz

、

1Hz

。

4.

四种报警功能和定时器功能。

5.

内含复位电路、振荡器电容和掉电检测电路。

6.

开漏中断输出。

7.

400kHz I2C

总线

(VDD=1.8~5.5V)

，其从地址 读

0A3H;

写

0A2H

。

22

表

3.6 PCF8563

引脚描述

引脚名称

OSCI

OSCO

/INT

VSS

SDA

SCL

CLKOUT

VDD

功能说明

振荡器输入

振荡器输出

中断输出（开漏：低电平有效）

地

串行数据

I/O

串行时钟输入

时钟输出（开漏）

正电源

P CF8563

有

16

个

8

位寄存器，其中包括：可自动增量的地址寄存器、内置

32.768kHz

的振荡器（带有一个内部集成电容）

、分 频器（用于给实时时钟

RTC

提供源时钟）

、可编程时钟输出、定时器、报警器、掉电检测器和

400kHz

< br>的

I2C

总线接口。所有

16< /p>

个寄存器设计成可寻址的

8

位并行寄存器 ，但不是所有位都

有用。当一个

RTC

寄存器被读时，所有计数器的内容将被锁存，因此，在传送

条件下，可以禁止对时钟

/

日历芯片的错读。时钟电路如图

3.13

所示。

C

1

9

C

1

8

V

CC

< p>
3

0

u

F

Y

2

1

2

3

4

O

SC

I

V

DD

O

SC

O

C

LK

OU

T

INT

SC

L

V

SS

SD

A

PC

F8

5

6

3

3

0

u

P

8

7

6< /p>

5

P2

.1

P2

.2

图

3.13

时钟电路

3.6

下位机存储模块设计

下位机每

5

分钟测量一次数据，一天

288

< p>
次，每次需占用空间约

10

字节，

10Byte×

288

≈

3K B,

所以下位机储存采用芯片

AT24C32

< br>进行扩展，储存芯片

AT24C32

是一种串行非易失存 储器，它的结构容量

4K

，具有非常出色的写操作

功能。

AT24C16

使用二线制串行总线及其传输 规约进行双向传输，这种方式占

用管脚少，占用线路板空间小。二线制协议即使总线上的 所有操作都是

SDA

和

SCL

两个脚位的状态来确定的，共有四个状态：开始，停止，数据以及应答。储

23

存电路 如图

3.14

所示：

1

2

3

4

A0

A1

A2

VSS< /p>

A

T2

4

C3< /p>

2

VDD

WP

S CL

SDA

V

CC

8

7

6

5

P2

.1

P2

.2

图

3.14

AT24C32

与单片机接口电路

3.7

下位机键盘显示模块设计

本设计采用 数码管显示，

数码管也称

LED

数码管 。

数码管按段数可分为七

段数码管和 八段数码管，

八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元

（ 多一

个小数点显示）

；本设计采用的是八段数码管。

< p>

按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码

管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极

(COM)

的数码管，

共阳数

码管在应用时应将公共极

COM

接到

< br>+5V

，当某一字段发光二极管的阴极为低电

平时，相应 字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴

数码管是指将所有发 光二极管的阴极接到一起形成公共阴极

(COM)

的数码管，< /p>

共

阴数码管在应用时应将公共极

COM< /p>

接到地线

GND

上，当某一字段发光二极 管

的阳极为高电平时，相应字段就点亮，

当某一字段的阳极为低 电平时，

相应字段

就不亮。

按键分独立式按键和矩阵式按键，

独立式按键指直接用

< br>I/O

口线构成的单个

按键电路。每个独立式按键单独占 有一根

I/O

口线，每根

I/O

口线上的按键工作

状态不会影响其他

I/O< /p>

口线的工作状态，独立式按键电路配置灵活，软件结构简

单，但每 个按键必须占用一个

I/O

口线，在按键数量较多时，

I/O

口线上浪费较

3

B

Titl

Size

D

at

File

5

大。在键盘中 按键数量较多时，为了减少

I/O

口的占用，通常将按键排列成 矩阵

形式，

如图

1

所示。

在矩阵式键盘中，

每条水平线和垂直线在交叉处不直 接连通，

而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口就可以构成

4*4=16

个按键，比之

直接将端口线用于键盘多出了一倍 ，而且线数越多，区别越明显，

比如再多加一

条线就可以构成< /p>

20

键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（

9

键）

。由此可

见，本设计需 要的键数比较多，采用矩阵法来做键盘是合理的。

4

3.7.1

状态显示

本设计状态显示及异常报警 功能设计模拟量输入

1

路，

开关量输入

4

路，

如

24

表

3.7

、表

3.8

。开关量输出

8

路，表

3.9

所示。

表

3.7

模拟量输入

序号

1

名称

闸门加速度

表

3.8

开关量输入

序号

1

2

3

闸前水位

4

闸后水位

名称

闸门动作越上限

闸门动作越下限动

表

3.9

开关量输出

序号

名称

1

卡滞

2

飞车

3

下滑

4

越上限

5

6

7

8

闸门停止

运行

越下限

闸门上升

闸门下降

根据加速度检测闸门变化，

判定闸门卡滞、飞车和下滑，通过限位开关判定

闸门越上限、越下限，当闸门出现以上异常情况时，

控制系统发出报警信号且 作

出紧急处理。异常现象如下：

（< /p>

1

）卡滞。当检测加速度为

0

< p>
，同时速度为

0

时，闸门为卡滞状态，当提

门工作时，发生闸门意外卡滞情况

(

如被异物 卡住，钢丝绳拉偏等

)

，表现为闸门

上 升速度停止。

闸门控制系统应关闭主回路电源，

抱闸刹车，

停止执行上升命令，

并向电厂监控系统发出卡滞报警信号。

（

2

）飞车。当检测 加速度为

g

时，闸门为飞车状态，当落门工作时，闸门

因意外情况

(

如电机失电、缺相、钢丝绳脱落等

)

，失去控制，自由落体向下落，

称为 飞车，表现为闸位计读数变化加快。

闸门控制系统应关闭主回路电源，

< br>抱闸

刹车，停止落门，并向电厂监控系统发出飞车报警信号。

（

3

）下滑。当闸门静止在某一 闸位上时，闸门控制系统应不间断监视闸门

位置。当检测加速度介于

0~g

之间时，此时速度也不为

0

，发现闸门下滑，系统

应自动将闸门提升到正常位置并报警。

（

4

）越限。越限分为越上限和越下限。当闸门到达最高点或最低点位置时，

闸门并未停止运动，此时闸门触碰限位开关，开关闭和，闸门越限，此时应当断

开主 回路电源，并向电厂监控系统发送越限报警信号。

25

3.7.2

键盘、显示组合接口电路设计

下位机 模块的键盘的按键分配图如表

3.10

所示。下位机模块的键盘 、显示

接口设计采用

4

个数码管，

16

位按键，

按键分配图如表

3.7

所示，

其中

0~9< /p>

字键

是用来输入设定值的，按确认键结束输入；

< br>上升、

下降和停止是用来控制闸门运

行状态的；按显示键 ，并且按下相应的数字代码，

可以显示当前闸位或水位的状

态。

1

表示工作闸门闸前水位，

2

表示工作闸门闸后水位。

3

代表闸位。

表

3.10

按键分配图

确认

上升

下降

停止

显示

1

4

7

取消

2

5

8

0

3

6

9

选用

HD7279A

将键盘、显示电路 连接在一起，节省

I/O

口资源。

HD 7279A

是一片具有串行接口的，

可同时驱动

8

位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，

该

< p>
芯片还可连接多达

64

键的键盘矩阵。

< p>
HD7279A

内部含有译码器，可直接接受

BC D

码或

16

进制码，同时具有

2

种译码方式，此外，它还具有多种控制指令，

如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。

HD7279A

具有片 选信号，可方便实现

多于

8

位的显示或 多于

64

键盘接口。

HD7279A< /p>

的各引脚功能如表

3.11

所示。

表

3.11 HD7279A

的各引脚功能说明

引脚名称

VDD

VSS

CS

CLK

DA

TA

KEY

SG-SA

DP

RC

RESET

正电源

接地

片选输入端，为低电平时，向

芯片发送指令及读取键盘数据

同步时钟输入端，向芯片发送指令及

读取键盘数据，上升沿表示数据有效

串行数据输入

/

输出

按键有效输出端，平时为高，当检测

到有键按下时，此引脚变为低电平

段

g-

段

a

驱动 输出

小数点驱动输出

RC

振荡器连接端

复位端

功能说明

NC

、

CLK0

无连接，需悬空

DIG0-DIG7

字位

0-7

驱动输出

< br>

26

HD7279A

采用串行方式与微处理器通讯，

串行数据从

DATA

引脚送入芯片，

并由

CLK

端同步。当片选信号变为低电平，

DATA

引脚上的数据在

CLK

引脚的

上升沿被写入

HD7379A

的缓冲寄存器。

键盘、

显示组合接口电路如图

< br>3.15

所示。

< p>
+5

V

R

2

6

1

0

K

< br>R

2

7

1

0

K

A

3

A

4

A

5

A

6

6

7

8

9

C

S

D

IG

7

C

LK

D

IG

6

D

AT

A

D

IG

5

K

EY

D

< br>IG

4

D

IG

< br>3

D

IG

2

D

IG

1

D

IG

0

2

5

2

4

2

3

2< /p>

2

2

1

2

0

1

9

1

< p>
8

D

P

+5

V

1

2

V

< br>DD

V

DD

SB

1

7

SA

1

< br>6

1

5

2

8

R

ESE

T

SC

1

4

R

2

8

1.

5

K

2

7

R

C

SD

1

3

SE

1

2

C

1

6

1

5

p

F

4

V

SS

H

D7

2

7

< br>9

A

SF

1

1

SG

1

0

1

0

0

K

*

4

LE

D*

8

1

0

K*

8

S2

S1

2

0

0

*

8

-P

B

SW

-P

B

SW

S5

S6

-P

B< /p>

SW

-P

B

< /p>

SW

S9

S1

0

SW

-P

B

SW

-P

B

S 1

3

S1

4

SW

-P

B

S W

-P

B

图

3.15

按键显示电路

S3

< br>SW

-P

B

S7

SW

-P

B

S1

1

SW

-P

B

S1

5

SW

-P

< p>
B

S4

SW

-P

B

S8

SW

-P

B

S1

2

SW

-P

B

S1

6

SW

-P

B

Titl e

Size

B

N

u

mb

er

R

ev

isio

n

2

< br>3

-Ju

n

-2

0

1

3

Sh

< br>eet

o

f

HD7279A

需要一外接的

RC

振荡电路以供系统工作，其典型值分 别为

C

:Pro

g

ram

FilesD

esig

n

Ex

p

lo

rer

9

9

SE

D

E

ra w

x

amp

n

B

lesMy

y

:

D

esig

n.

< br>d

d

D

ate:

File:

3

4

5

< p>
R28=1.5K

Ω

，

C 16=15pF

。如果芯片无法正常工作，就会先检查振荡电路。

6

HD7279A

的

RESET

复位端在一般应用情况下，

可以直接与电源连接，

< br>在需要较

高可靠性的情况下，可以连接一外部复位电路，

或直接由下位机控制。

在上电或

RESET

端由低电平变为高电平后，

HD7279A

大约需要经过< /p>

18~25MS

的时间才

会进入正常工作 状态。

HD7279A

连接共阴式数 码管。

应用中，

不用到的键盘和数码管可以不连接，

< p>
省去的数码管设置消隐属性均不会影响键盘的使用。电路图中

4

< p>
只下拉电阻和

4

只键盘连接位选线

DIG0-DIG7

的

4

只电 阻

（以下简称位选电阻）

，

应遵从一定 的

比例关系，下拉电阻的取值范围是

10K-100K

，位选电阻的取值范围是

1K-10K

。

在不影响显示的前提下，

下拉电阻应尽可能的取较小的值，

< p>
这样可以提高键盘部

分的抗干扰能力。本设计中下拉电阻阻值选择

100K,

位选电阻阻值选择

10K

< p>
。

27

3.8

下位机报警模块设计

为了保证闸门动 作可靠性，

设置了异常报警通道，当闸门出现卡带、飞车及

下滑 等不正常现象时，

会自动启动报警电路，

提醒工作人员闸门出现 了异常现象。

3.8.1

报警电路设计

为保证闸门动作的可靠 性，

设置了异常报警通道，当闸门出现卡滞、

飞车及

< p>
下滑等不正常现象时，

会制动启动报警电路，

提醒 工作人员闸门出现了异常现象。

当

A T89S52

的扩展芯片

PCF8574

输出端

P2.0

为

1

时，

三极管导通，

继电器

得电 吸合扬声器发声报警，同时灯泡发光，

形成声光报警提醒工人采取措施。电

路设计如图

3.16

所示。闸门越上限、越下限由限 位开关判断，当闸门到达最高

点或最低点位置时，闸门并未停止运动，此时闸门触碰限位 开关，开关闭和，闸

门越限，闸门越上限、越下限采用开关报警电路如图

3.17

。

+5

V

P1

.7

P1

.6

D

1

D

IO

D

E

J

S1

7< /p>

SW

S

PST

D

S1

2

2

0

V

~

1

2

3

+5

V

+5

V

D

0.

5

K

0.

5

K

2

0

0

U

1

6

A

P2

.0

1

7

4

< br>0

4

1

/6

2

R

2

9

1

5

0

O

PT O

ISO

1

R

3

0

1

K

Q< /p>

3

N

PN

1

R

3

1

1

K

LA

MP

放

音

设

备

闸

门

越

上

限

< br>3

4

图

3.16

报警电路

P1

.7

P1

.6

2

0

0

2

0

0

闸

门

越

上

限

闸

门

越

下

限

C

S1

7

SW

S

PST

D

S1

2

2

0

V

~

LA

MP

放

音

设

备

B

图

3.17

闸门越上限、越下限电路

28

1

2

3

3.9

下位机电机控制模块设计

D

电机控制模块由

MOC3061

系列驱动器和晶 闸管组成的开关和电机控制电路

组成

2

部分组成。由于电机为交流强电，本身会有电波干扰，需要光电耦合，而

选择的驱动器中 含有关电耦合功能，

故无需关电耦合电路。

本设计采用控制电机

正反转的方式来实现对水闸上升、下降、

停止的控制。

电机正反转电路设计如图

3.18

所示。

L3

R

4< /p>

7

1

K

K

S

C

2

2

< p>
0.

0

1

u

F

R

4

8

< br>1

K

6

5

R

4

6

1

K

4

+5

V

1< /p>

2

MO

C3

0< /p>

6

1

3

C

Q

S

FU

c

L2

L1

L2

L3

R

3

1

1

K

c

b

a

C

2

3

0.

0

1

u

F

K

S

R

4

5

1

K

6

5< /p>

R

3

2

1

K

4

1

2

< p>
MO

C3

0

6

< p>
1

3

b

FR

L1

R

3

4

1

K

M

B

K

S

C

2

4

0.

0

1

u

F

R

3

3

1

K

6

5

R

3

5

1

K

4

1

2

< br>MO

C3

0

6

< br>1

3

3

U

1

3

A

1

2

7

4

F0

8< /p>

Y

0

Y

1

3

~

a

< p>
L3

R

3

7

1

K

c

C

< br>2

5

0.

0

1

u

F

L2

R

4

0

1

K

b

A

C

2

6

0.

0

1

u

F

L1

R

4

3

1

K

1

a

C

2

< br>1

0.

0

1

u

F

1

K

6

K

S

5

MO

C3

0

6

1

4

R

3

8

1

K

R

3

9

1

K

6

K

S

5

MO

C3

0

6

1

4

R

4

1

1

K

R

4

2

1

K

6

K

S

5

MO

< p>
C3

0

6

1

4

R

4

< br>4

2

1

K

图

3.18

电机驱动电路

R

3

6

1

2

3

< br>Y

0

Y

1

Y

2

Y

3

Y

4

Y

5

Y

6

Y

7

1

5

1

4

1

3

1

2

1

< br>1

1

0

9

7

U

2

Y

0

Y

1

Y

2

Y

3

Y

4

Y

5

Y

6

Y

7

7

4

< br>HC

1

3

8

2

3

A

B

C

1

2

3

A< /p>

0

A

1

A

2

1

E1

E2

E3

4

5

6

+5

V

U

1

< p>
5

A

2

1

2

3

3

2

Y

1

7

4

F0

8

3

U

1

4

A

1

7

4

F0

4

1

Y

2

当

AT89S5 2

的扩展芯片

PCF8574

输出端< /p>

A0

、

A1

、< /p>

A2

为

1

时，可 将地址端

的二进制编码在

Y0

至

Y7

对应的输出端以低电平译出，

则

U13A

输出为

0

，< /p>

U14A

输出为

1

。

MOC3061

系列驱动器的电流输入等于或稍大于触发电 流。当三相对

称线电压

VL3L2

、< /p>

VL2L1

、

VL1L3

任一个（如

VL3L2

）过零时，这两组（

< p>
L3

、

29

L2

相）的光电驱动器导通，随后相 隔

60

0

角度时，另一线电压（

VL1L3

）过零，

第三相（

L1

相）驱动器导通，从而保证了负载的三个支路的零电压导通。此时，

电机正转。当

AT89S52

的扩展芯片

PCF8574

输出端

A0

、

A1

、

A2

输出为

1

，则

U13A

输出为

1

，

U14A

输出为

0

。

M OC3061

系列驱动器无触发电流，当三个线

电压中任一个使 线路电流降到

KS

保持电流以下时，

这 两相的驱动器关断并列引

起电流为

0

， 剩下一相双向晶闸管在同一时刻关断。此时电机能改变电机转向即

电机反转。

< p>

3.10

下位机通信模块设计

3.10.1

通信方式的选择

本设计中下位机的输 出信号通过

RS485

总线，把相关的数据发送到上位机，

存储数据。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用

RS-4 85

串行总线标

准。

RS-485< /p>

采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总

线收发器具有高灵敏度，能检测低至

200mV

的电压，故传输 信号能在千米以外

得到恢复。

市场上 一般

RS485

采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于

发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。

RS485

用于多点互连时非常

方便，可以省掉许多信号线。应用

RS485

可以联网构成分布式系统，其允许最

多并联

32

台驱动器和

32

台接收器。

RS485

芯片介绍如表

< p>
3.12

所示。

表

3.12 RS485

芯片介绍

引脚名称

RO

功能说明

接收数据的

TTL

电平输出

低电平有效的接受允许

高电平有效的发送允许

发送数据的< /p>

TTL

电平输入

差分信号的正向端

差分信号的反向端

接高电平

接地

RE

DE

DI

A

B

VCC

GND

3.10.2

通信电路设计

下位机用来实时检测现 地控制单元采集的数据，

如水位曲线，

闸门位置及各

< p>
个异常状态等，下位机输出的信号经

RS485

总 线输入上位机，上位机做历史记

录，还具有备份数据的功能和报警功能。

30

RS485

接口组成的半双工网络，一般是两线制（以前有四线制接 法，只能实

现点对点的通信方式，现很少采用）

，多采用屏蔽双 绞线传输。这种接线方式为

总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接

< br>32

个结点。在

RS485

通信 网络中一

般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接

RS-485

4

5

通信 链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的

“A”

、

“B”

端连接起来。电路

6

图如图

3.19

，图

3.20

所示。

R

5

2

5

6

0

A

R

5

3

1

2

< br>0

R

5

4

5

6

0

B

V

CC

G

ND

A

B

V

CC

MA

X4

8

5

D

I

D

E

< p>
R

O

R

E

R

XD

A

7

< br>TX

D

图

3.19 MAX485

与下位机连接电路

V

CC

R

XD

1

V

CC

R

4

9

5

6

< p>
0

P2

.0

< p>
TX

D

1

D

I

D

E

R

< br>O

R

E

G

ND

A

B

V

CC

A

R

5

2

MA

X4

8

5

R

5

1

5

6

0

1

2

0

B

图

3.20 MAX485

与上位机连接电路

3.11

上位机模块设计

下位机用来实时检测 现地控制单元采集的数据，

如水位曲线，

闸门位置及各

个异常状态等，下位机单片机输出的信号经

RS485

< br>总线输入上位机，上位机做

31

Title

历史记 录，同时将信号传输给

PC

机。上位机还具有备份数据的功能。 操作人员

通过

PC

机界面获取现场的状 态信息，并通过键盘或鼠标输入的方式实现对现场

各个闸门的控制。

3.11.1

上位单片机选型

在本设计中，由于上 位机需同时连接

PC

机和下位机，上位机相当于一个中

继器，所以需要选择有两个串口的单片机作为上位机。本设计选择

W77 E58

型号

单片机作为上位机

CPU< /p>

，

W77E58

是与标准

8051

相兼容的全新核心的微处理器。

由于去掉了多 余的存储器周期和运算周期，

它在相同周期里执行

8051

的指令比最

初的

8051

快得多。典型的指令周期

7 7E58

比

8051

快

1.5

到

3

倍。电源消耗也做 了

改进采用静态

COMS

设计。可以工 作于较低的时钟频率下。

32K

的

EE PROM

程序

D

段和

< br>1K

的外部

SRAM

。

并可以为使用者保留更多的引脚。

上位单片机外围电路如

1

2

3

图

3.21

所示。

B

R

1

1

0

K

S1

SW

-P

B

C

1

1

0

u

< p>
F

C

C

2

V

CC

3

1

< br>3

0

p

F

Y

1

C

3

1

9

1

8

9

1

7

1

6

1

2

R

XD

< p>
2

3

TX

D

1

4

5

6

< br>7

8

1

3

1

2

1

5

1

4

P1

0

/T

P1

1

/T

P 1

2

P1

3

P 1

4

P1

5

P 1

6

P1

7

I NT

1

INT

0

T1

T0

EA

/VP

X

1

X

2

R

ESE

T

R

D

W

R

W

7

7

E5

8

R

XD

TX

D

A

LE/P

PS

EN

1

0

1

1

3

0

2

9

V< /p>

CC

P0

0

P0

1

P0

2

P0

3

P0

4

P0

5

P0

6

P0

7

P2

0

P2

1

P2

2

P2

3

P2

4

P2

5

P2

6

P2

7

3

9

3

8

3

7

3

6

3

5

3

4

3

3

3

< br>2

2

1

2

2

2

3

2

4

2

5

2

6

2

7

2

8

3

0

p

F

V

CC

图

3.21

上位机外围电路

< br>晶振电路采用石英晶体振荡器，

用来产生时间标准信号。

在内部方式时钟电

路中，必须在

XTAL1

和

XTAL2

引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容

构成振荡电路，通常

C2

和

< p>
C3

一般取

30pF

，晶 振的频率取值在

1.2MHz~12MHz

32

A

之间。 本设计通过外接

12MHz

石英振荡器产生稳定性极高的时钟信 号。

手动按钮复位需要人为在复位输入端

RST

上加入高电平。一般采用的办法

3

< br>是在

RST

端和正电源

VCC< /p>

之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，

则

VCC

的

+5V

电平就会直接加到

RST

端。

由于人 的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，

所以，完全能够满足复位的时间要求。

W77E58

特点如下：

1.

8

位处理器

2.

最高

4 0M

时钟，

4

机器周期的指令执行速度

3.

与标 准

8051

兼容的管脚。

4.

与

80 51

兼容的指令

5.

4

个< /p>

8

位

I/O

口

6.

扩展的

4

位

I/O

和等待信号线。

7.

三个

1 6

位计数

/

时器

8.

12

级中断

9.

片上时钟源

10.

两个增强的双工窜口

11.

1K

的片上外部存储器

12.

可编程看门狗

13.

两个全速

16

位数据指针

DPTR

14.

外部数据访问周期可编程

4

5

3.11.2

上位机存储电路设计

上位机储存采用 芯片

FM24C16

进行扩展，

FM24C16

是

Ramtron

公司提供

的

16KB

串 行

FRAM

。

FM24C16

通过

I

2

C

< p>
总线接口进行读

/

写操作，且通过对第

< p>
7

脚（

WP

）电平控制， 可实现写保护功能。当该引脚为低电平时，正常写操作；

为高电平时，对

FRAM

部分存储区域提供硬件写保护功能，即对被保护区域只

能读，不能写。

FM24C16

与单片机接口电路如图

3.22

所示。

1

2

3

4

V

CC

8

7

< p>
6

5

A0

A1

< p>
A2

VSS

FM2

4

C

1

6

VDD

WP

SCL

SDA

P2

.1

P2

.2

图

3.22

FM24C16

与单片机接口电路

33

3.11.3

上位机报警电路设计

为了保证闸门动 作的可靠性，上位机报警采用

LED

灯及扬声器。电路设计

1

如图

3.23

所 示。

2

3

V

CC

D

?

D

LE

D

?

D

LE

D

< p>
?

D

LE

D

?

D

LE

D

?

D

LE

D

< br>?

D

LE

D

?

D

LE

D

?

D

LE

3

3

0

*

8

1< /p>

2

3

4

5

6

7

8

1

< p>
3

1

2

1

5

1

4

3

1

1

9

1

8

9

1

7

1< /p>

6

P1

0

/T< /p>

P1

1

/T

P1

2

P1

3

P1

4

P1

5

P1

6

P1

7

IN T

1

INT

0

T1

T0

EA

/VP

< br>X

1

X

2

R

ESE

T

R

D

W

R

W

7

7

E5

8

P0

0

P0

1

P0

2

P0

3

P0

4

P0

5

P0

6

P0

7

P2

0

P2

1

P2

2

P2

3

P2

4

P2

5

P2

6

P2

7

3< /p>

9

3

8

3

7

3

6

3

< p>
5

3

4

3

3

3

2

2

1

2

2

2

3

2

4

2

5< /p>

2

6

2

7

2

8

+5

V

R

6

0

2

5

0

B

< br>UZ

ZER

PN

P

R

XD

TX

D

A

LE/P

PS

EN

1

0

1

1

< p>
3

0

2

9

图

3.23

上位机报警电路

< br>P0.0~P0.7

分别为低电平时，对应的发光二极管分别发光，分别提示闸门 卡

滞、飞车、下滑、工作闸门闸前水位超标、闸后水位超标、闸门动作越上限、越

下限。同时当

P2.7

为高电平时，扬声器发 声，形成声光报警提醒工人采取措施。

3.11.4

上位机通信电路

RS485

接口连接器采用

DB-9

的

9

芯插头座，与智能终端

RS485

接口采用

DB-9

（孔）

，与键盘连 接的键盘接口

RS485

采用

DB-9

（针）

。

由 于上位机与

PC

机通信时，

PC

机默认的只带有

RS232

接口，有方法可以

得到

PC

机的

RS485

电路，

可以通过

RS232 /RS485

转换电路将

PC

机串口< /p>

RS232

信号转换成

RS485

信号。同时选用

MAX485

作为

< p>
RS485

的接口芯片。通信电路

如图

< p>
3.24

所示。

34