基于多单片机的液位监控仪设计 - 全文

　　采用单片机设计液位监控仪是很通用的做法。如果要测量的液位有很多路（16路以上），每路要求能滚动显示1年内每班、每日、每月的输入输出总量（1日3班），正常或意外停电数据不丢失，人机交互能力要强（要设置适当数量的按键及采用LCD显示），并且每路液位要求对应2路控制输出信号（液罐液体输入控制和输出控制），配置微型打印机端口，设置声音报警，所有这些无疑需要很多的I/O端口来支持，单凭一个单片机是办不到的，需要扩展I/O端口。在此设计中，笔者认为采用专用I/O扩展芯片有较多的弊端，权衡利弊，选择了用单片机来代替专用I/O接口芯片的方法。

　　1 专用 I/O芯片与单片机用作I/O芯片的对比

　　①专用I/O接口芯片的I/O口数量不比单片机多（笔者采用单片机型号为89C52）；

　　②专用I/O接口芯片使用不灵活，几种使用方式已被芯片设计者设定，不能超出此范围变化，而单片机则受限制较小，使用起来较灵活；

　　③专用I/O接口芯片独立性差、智能性差，无论是接收输入信号还是输出控制信号，I/O专用芯片对信号的输入输出增色不能做出决定，必须要由单片机来做决定，仅起接力或过渡信号作用，没有监控能力，不能独立处理问题，而单片机则不然，可采用多种方式灵活处理问题；

　　④使用I/O扩展专用芯片就必须要熟悉它，工程技术人员一般对单片机的熟悉程度要比对它强很多，相比之下，使用它要浪费时间，再一个I/O扩展专用芯片的价格均要比单片机高，从成本核算上考虑不经济；

　　⑤专用I/O芯片实时性差，由于I/O扩展专用芯片仅起收发信号的作用，本身没有加工处理信号的能力，这样信号经过它来回的传递势必造成延迟，因而会出现实时性差的问题；

　　⑥使用单片机作I/O接口，便于软硬件设计模块化，分工清晰，给设计、调试、维护带来极大方便；

　　⑦使用单片机作I/O接口加强了对接口的监管力度，减轻了主单片机的负担。

　　2 硬件结构及分工

　　硬件设计共分如下几部分：单片机；A/D转换部分；控制信号输出部分；非易失性存储器（作RAM扩展）；按键部分；显示部分；打印I/O端口部分；模拟开关部分。硬件结构框图如图1所示。

 

　　硬件设计中：

　　①单片机选用89C52，其特点是片内含有8KB ROM，不需片外扩展ROM；

　　②A/D转换器选用MC14433，其特点是转换精度高，抗干扰能力强，每秒可转换20次左右，因为液位变化不是很快，所以可满足监测液位变化的需要；

　　③控制信号输出采用单片机控制74LS373锁存器的方式，这样可通过增减锁存器个数的方式来增减控制输出端口数量；

　　④因每路要求能滚动显示1年内每班、每日、每月的输入输出量总量（1日3班），正常或意外停电数据不丢失，所以采用了AT29LV040A（512KB）的闪速存储器（也可采用FRAM），因89C52最多可外扩展64KB的RAM，为了保证有足够的存储空间可将AT29LV040A的A16、A17和A18地址线与1#单片机的某个端口连接，这样通过控制这3个地址线的变化就可达到使用AT29LV040A的512KB空间的目的。

　　⑤按键部分采用常规的非编码键盘方式即可；

　　⑥为了提高人机的交互能力，显示部分采用了GXM12864SL大屏幕LCD，这样屏幕上可显示自编的汉字、数字、等式及简单的图案；

　　⑦打印I/O端口，可根据要求进行相应的连接配置即可；

　　⑧模拟开关选用多片CD4051，它们与单片机配合，用于选择多路液位模拟量中的1路液位的模拟量，然后进行A/D转换。

　　由于选用了3个单片机，有效地解决了I/O端口不够用的问题，也使得在设计上简化了许多，只要按照常规的连接芯片方式即可，省去了很多的过渡芯片，如74LS244、74LS245、74LS73等，也使得软件设计变得简单容易。因硬件连接变得简单而且均为常规连接，所以本文没有提供详细的线路连接图。3个单片机之间的数据交换采用了串行口通信方式，如图1所示。本设计中，3个单片机采用同时复位，当然也可采用分开复位方式，但按键要增加，此种情况视要求而定。

 　　3 软件结构设计

　　由于3个单片机同时复位，所以复位后3个单片机是处于并行工作状态的。1#单片机的主要工作是将所有路液位模拟量转换成数字量保存起来。它可根据键盘命令或系统默认格式将采集加工后的结果传送给2#单片机显示及3#单片机输出控制，也可根据命令只监测指定的某1路或某几路的液位变化。2#单片机的主要工作是读入键盘命令，加工处理后，向1#和3#发布命令，然后根据反馈结果在LCD上显示出来。也可根据1#单片要同采集到的数据，不断更新其显示内容。LCD显示方式可多种多样，可循环显示指定的某几路液位，或固定显示某1路液位，或循环显示某1个月的每天或某天的每班输入输出量等。每1路液体的比重、计算修正值、液位上下限高度设定等都可通过键盘输入并保存起来。也可通过键盘设定密码，防止别人或误操作破坏设定内容，键入方式应设计成无须看说明书，只要按照LCD显示上的提示进行选择即可。3#单片机的主要工作是根据键盘命令或1#单片机及时采集到的数据，发出控制信号或打印输出结果，打印输出格式可根据键盘命令进行选择。3个单片机的工作流程框图分别如图2、图3和图4所示。

 

 

　　3个单片机之间通过串行口，除传送正常的数据、命令外，3者之间还要进行互相监督（这是I/O扩展芯片很难做到的）。

　　①相互之间传送信息后一定要进行印证，也就是发送者要及时收到接收者的回执；

　　②3者之间定时互访，确保相安无事；

　　③每次上电复位除自检外，还要互检。

　　互相监督的目的是为提高整个系统的性能，为系统维护提供方便。1#和3#单片机上都配有2个发送二极管，用于监测指示另外两个单片机工作是否正常。2#单片机本身有LCD显示，无需发光二极管。串行通信中断服务程序、发送程序流程图及定时互访程序流程图等因比较简单没有给出。

　　4 调试

　　在一个系统中，使用多个单片机对整个系统调试确实会带来一些不便。系统中有多少个单片机最好就有多少个单片机开发装置，这对调试是有极大帮助的，因为在调试中可随时查看每个单片机的状态，但实际当中往往不会有多个，只有1个。

　　每个单片机的程序基本上是由两部分组成的，一部分是与其它单片机没有任何联系的独立部分，另一部分是单片机之间相互通信联系的部分（这部分程序量较小）。调试时先把单片机各自独立部分调试出来，这部分对单片机应用人员来说不会有问题。然后调试单片机相互之间的串行通信程序，先把相互之间的简单通信建立起来，相互之间能识别传递数据后，再逐步把完整的程序一步一步添加进去。在设计、编制程序时要想到如何调试，这样在编制程序时就会有意识地程序分成有效的块，调试时就可以一块一块地调试。多单片机调试方法较多，此是一孔之见。

　　结语

　　在一个液位监控系统中采用多个单片机是一种尝试，但它确实简化了系统设计，便于分工和多人投入协作，也便于产品改进更新。其最显著的效果是缩短了产品的设计、调试和生产的周期。