采用多單片機(jī)的液位監(jiān)控儀

    摘要：介紹把多個(gè)單片機(jī)用于一個(gè)多路液位監(jiān)控系統(tǒng)的方法。說(shuō)明用多個(gè)單片機(jī)的原因及用單片機(jī)取代I/O接口的理由，并對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)、調(diào)試也做了說(shuō)明。

    關(guān)鍵詞：多單片機(jī) 液位 監(jiān)控

采用單片機(jī)設(shè)計(jì)液位監(jiān)控儀是很通用的做法。如果要測(cè)量的液位有很多路（16路以上），每路要求能滾動(dòng)顯示1年內(nèi)每班、每日、每月的輸入輸出總量（1日3班），正?；蛞馔馔ｋ姅?shù)據(jù)不丟失，人機(jī)交互能力要強(qiáng)（要設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的按鍵及采用LCD顯示），并且每路液位要求對(duì)應(yīng)2路控制輸出信號(hào)（液罐液體輸入控制和輸出控制），配置微型打印機(jī)端口，設(shè)置聲音報(bào)警，所有這些無(wú)疑需要很多的I/O端口來(lái)支持，單憑一個(gè)單片機(jī)是辦不到的，需要擴(kuò)展I/O端口。在此設(shè)計(jì)中，筆者認(rèn)為采用專用I/O擴(kuò)展芯片有較多的弊端，權(quán)衡利弊，選擇了用單片機(jī)來(lái)代替專用I/O接口芯片的方法。

1 專用 I/O芯片與單片機(jī)用作I/O芯片的對(duì)比

①專用I/O接口芯片的I/O口數(shù)量不比單片機(jī)多（筆者采用單片機(jī)型號(hào)為89C52）；

②專用I/O接口芯片使用不靈活，幾種使用方式已被芯片設(shè)計(jì)者設(shè)定，不能超出此范圍變化，而單片機(jī)則受限制較小，使用起來(lái)較靈活；

③專用I/O接口芯片獨(dú)立性差、智能性差，無(wú)論是接收輸入信號(hào)還是輸出控制信號(hào)，I/O專用芯片對(duì)信號(hào)的輸入輸出增色不能做出決定，必須要由單片機(jī)來(lái)做決定，僅起接力或過(guò)渡信號(hào)作用，沒(méi)有監(jiān)控能力，不能獨(dú)立處理問(wèn)題，而單片機(jī)則不然，可采用多種方式靈活處理問(wèn)題；

④使用I/O擴(kuò)展專用芯片就必須要熟悉它，工程技術(shù)人員一般對(duì)單片機(jī)的熟悉程度要比對(duì)它強(qiáng)很多，相比之下，使用它要浪費(fèi)時(shí)間，再一個(gè)I/O擴(kuò)展專用芯片的價(jià)格均要比單片機(jī)高，從成本核算上考慮不經(jīng)濟(jì)；

⑤專用I/O芯片實(shí)時(shí)性差，由于I/O擴(kuò)展專用芯片僅起收發(fā)信號(hào)的作用，本身沒(méi)有加工處理信號(hào)的能力，這樣信號(hào)經(jīng)過(guò)它來(lái)回的傳遞勢(shì)必造成延遲，因而會(huì)出現(xiàn)實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題；

⑥使用單片機(jī)作I/O接口，便于軟硬件設(shè)計(jì)模塊化，分工清晰，給設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)帶來(lái)極大方便；

⑦使用單片機(jī)作I/O接口加強(qiáng)了對(duì)接口的監(jiān)管力度，減輕了主單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。

2 硬件結(jié)構(gòu)及分工

硬件設(shè)計(jì)共分如下幾部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)；A/D轉(zhuǎn)換部分；控制信號(hào)輸出部分；非易失性存儲(chǔ)器（作RAM擴(kuò)展）；按鍵部分；顯示部分；打印I/O端口部分；模擬開關(guān)部分。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

硬件設(shè)計(jì)中：

①單片機(jī)選用89C52，其特點(diǎn)是片內(nèi)含有8KB ROM，不需片外擴(kuò)展ROM；

②A/D轉(zhuǎn)換器選用MC14433，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，每秒可轉(zhuǎn)換20次左右，因?yàn)橐何蛔兓皇呛芸?，所以可滿足監(jiān)測(cè)液位變化的需要；

③控制信號(hào)輸出采用單片機(jī)控制74LS373鎖存器的方式，這樣可通過(guò)增減鎖存器個(gè)數(shù)的方式來(lái)增減控制輸出端口數(shù)量；

④因每路要求能滾動(dòng)顯示1年內(nèi)每班、每日、每月的輸入輸出量總量（1日3班），正常或意外停電數(shù)據(jù)不丟失，所以采用了AT29LV040A（512KB）的閃速存儲(chǔ)器（也可采用FRAM），因89C52最多可外擴(kuò)展64KB的RAM，為了保證有足夠的存儲(chǔ)空間可將AT29LV040A的A16、A17和A18地址線與1#單片機(jī)的某個(gè)端口連接，這樣通過(guò)控制這3個(gè)地址線的變化就可達(dá)到使用AT29LV040A的512KB空間的目的。

⑤按鍵部分采用常規(guī)的非編碼鍵盤方式即可；

⑥為了提高人機(jī)的交互能力，顯示部分采用了GXM12864SL大屏幕LCD，這樣屏幕上可顯示自編的漢字、數(shù)字、等式及簡(jiǎn)單的圖案；

⑦打印I/O端口，可根據(jù)要求進(jìn)行相應(yīng)的連接配置即可；

⑧模擬開關(guān)選用多片CD4051，它們與單片機(jī)配合，用于選擇多路液位模擬量中的1路液位的模擬量，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

由于選用了3個(gè)單片機(jī)，有效地解決了I/O端口不夠用的問(wèn)題，也使得在設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)化了許多，只要按照常規(guī)的連接芯片方式即可，省去了很多的過(guò)渡芯片，如74LS244、74LS245、74LS73等，也使得軟件設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單容易。因硬件連接變得簡(jiǎn)單而且均為常規(guī)連接，所以本文沒(méi)有提供詳細(xì)的線路連接圖。3個(gè)單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換采用了串行口通信方式，如圖1所示。本設(shè)計(jì)中，3個(gè)單片機(jī)采用同時(shí)復(fù)位，當(dāng)然也可采用分開復(fù)位方式，但按鍵要增加，此種情況視要求而定。

3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于3個(gè)單片機(jī)同時(shí)復(fù)位，所以復(fù)位后3個(gè)單片機(jī)是處于并行工作狀態(tài)的。1#單片機(jī)的主要工作是將所有路液位模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量保存起來(lái)。它可根據(jù)鍵盤命令或系統(tǒng)默認(rèn)格式將采集加工后的結(jié)果傳送給2#單片機(jī)顯示及3#單片機(jī)輸出控制，也可根據(jù)命令只監(jiān)測(cè)指定的某1路或某幾路的液位變化。2#單片機(jī)的主要工作是讀入鍵盤命令，加工處理后，向1#和3#發(fā)布命令，然后根據(jù)反饋結(jié)果在LCD上顯示出來(lái)。也可根據(jù)1#單片要同采集到的數(shù)據(jù)，不斷更新其顯示內(nèi)容。LCD顯示方式可多種多樣，可循環(huán)顯示指定的某幾路液位，或固定顯示某1路液位，或循環(huán)顯示某1個(gè)月的每天或某天的每班輸入輸出量等。每1路液體的比重、計(jì)算修正值、液位上下限高度設(shè)定等都可通過(guò)鍵盤輸入并保存起來(lái)。也可通過(guò)鍵盤設(shè)定密碼，防止別人或誤操作破壞設(shè)定內(nèi)容，鍵入方式應(yīng)設(shè)計(jì)成無(wú)須看說(shuō)明書，只要按照LCD顯示上的提示進(jìn)行選擇即可。3#單片機(jī)的主要工作是根據(jù)鍵盤命令或1#單片機(jī)及時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，發(fā)出控制信號(hào)或打印輸出結(jié)果，打印輸出格式可根據(jù)鍵盤命令進(jìn)行選擇。3個(gè)單片機(jī)的工作流程框圖分別如圖2、圖3和圖4所示。

3個(gè)單片機(jī)之間通過(guò)串行口，除傳送正常的數(shù)據(jù)、命令外，3者之間還要進(jìn)行互相監(jiān)督（這是I/O擴(kuò)展芯片很難做到的）。

①相互之間傳送信息后一定要進(jìn)行印證，也就是發(fā)送者要及時(shí)收到接收者的回執(zhí)；

②3者之間定時(shí)互訪，確保相安無(wú)事；

③每次上電復(fù)位除自檢外，還要互檢。

互相監(jiān)督的目的是為提高整個(gè)系統(tǒng)的性能，為系統(tǒng)維護(hù)提供方便。1#和3#單片機(jī)上都配有2個(gè)發(fā)送二極管，用于監(jiān)測(cè)指示另外兩個(gè)單片機(jī)工作是否正常。2#單片機(jī)本身有LCD顯示，無(wú)需發(fā)光二極管。串行通信中斷服務(wù)程序、發(fā)送程序流程圖及定時(shí)互訪程序流程圖等因比較簡(jiǎn)單沒(méi)有給出。

4 調(diào)試

在一個(gè)系統(tǒng)中，使用多個(gè)單片機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試確實(shí)會(huì)帶來(lái)一些不便。系統(tǒng)中有多少個(gè)單片機(jī)最好就有多少個(gè)單片機(jī)開發(fā)裝置，這對(duì)調(diào)試是有極大幫助的，因?yàn)樵谡{(diào)試中可隨時(shí)查看每個(gè)單片機(jī)的狀態(tài)，但實(shí)際當(dāng)中往往不會(huì)有多個(gè)，只有1個(gè)。

    每個(gè)單片機(jī)的程序基本上是由兩部分組成的，一部分是與其它單片機(jī)沒(méi)有任何聯(lián)系的獨(dú)立部分，另一部分是單片機(jī)之間相互通信聯(lián)系的部分（這部分程序量較小）。調(diào)試時(shí)先把單片機(jī)各自獨(dú)立部分調(diào)試出來(lái)，這部分對(duì)單片機(jī)應(yīng)用人員來(lái)說(shuō)不會(huì)有問(wèn)題。然后調(diào)試單片機(jī)相互之間的串行通信程序，先把相互之間的簡(jiǎn)單通信建立起來(lái)，相互之間能識(shí)別傳遞數(shù)據(jù)后，再逐步把完整的程序一步一步添加進(jìn)去。在設(shè)計(jì)、編制程序時(shí)要想到如何調(diào)試，這樣在編制程序時(shí)就會(huì)有意識(shí)地程序分成有效的塊，調(diào)試時(shí)就可以一塊一塊地調(diào)試。多單片機(jī)調(diào)試方法較多，此是一孔之見(jiàn)。

結(jié)語(yǔ)

在一個(gè)液位監(jiān)控系統(tǒng)中采用多個(gè)單片機(jī)是一種嘗試，但它確實(shí)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，便于分工和多人投入?yún)f(xié)作，也便于產(chǎn)品改進(jìn)更新。其最顯著的效果是縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、調(diào)試和生產(chǎn)的周期。