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采用多單片機的液位監控儀
摘要：介紹把多個單片機用于一個多路液位監控系統的方法。說明用多個單片機的原因及用單片機取代I/O接口的理由，并對系統的軟硬件設計、調試也做了說明。采用單片機設計液位監控儀是很通用的做法。如果要測量的液位有很多路（16路以上），每路要求能滾動顯示1年內每班、每日、每月的輸入輸出總量（1日3班），正常或意外停電數據不丟失，人機交互能力要強（要設置適當數量的按鍵及采用LCD顯示），并且每路液位要求對應2路控制輸出信號（液罐液體輸入控制和輸出控制），配置微型打印機端口，設置聲音報警，所有這些無疑需要很多的I/O端口來支持，單憑一個單片機是辦不到的，需要擴展I/O端口。在此設計中，筆者認為采用專用I/O擴展芯片有較多的弊端，權衡利弊，選擇了用單片機來代替專用I/O接口芯片的方法。
1 專用 I/O芯片與單片機用作I/O芯片的對比
①專用I/O接口芯片的I/O口數量不比單片機多（筆者采用單片機型號為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計者設定，不能超出此范圍變化，而單片機則受限制較小，使用起來較靈活；
③專用I/O接口芯片獨立性差、智能性差，無論是接收輸入信號還是輸出控制信號，I/O專用芯片對信號的輸入輸出增色不能做出決定，必須要由單片機來做決定，僅起接力或過渡信號作用，沒有監控能力，不能獨立處理問題，而單片機則不然，可采用多種方式靈活處理問題；
④使用I/O擴展專用芯片就必須要熟悉它，工程技術人員一般對單片機的熟悉程度要比對它強很多，相比之下，使用它要浪費時間，再一個I/O擴展專用芯片的價格均要比單片機高，從成本核算上考慮不經濟；
⑤專用I/O芯片實時性差，由于I/O擴展專用芯片僅起收發信號的作用，本身沒有加工處理信號的能力，這樣信號經過它來回的傳遞勢必造成延遲，因而會出現實時性差的問題；
⑥使用單片機作I/O接口，便于軟硬件設計模塊化，分工清晰，給設計、調試、維護帶來極大方便；
⑦使用單片機作I/O接口加強了對接口的監管力度，減輕了主單片機的負擔。
2 硬件結構及分工
硬件設計共分如下幾部分：單片機；A/D轉換部分；控制信號輸出部分；非易失性存儲器（作RAM擴展）；按鍵部分；顯示部分；打印I/O端口部分；模擬開關部分。硬件結構框圖如圖1所示。
硬件設計中：
①單片機選用89C52，其特點是片內含有8KB ROM，不需片外擴展ROM；
②A/D轉換器選用MC14433，其特點是轉換精度高，抗干擾能力強，每秒可轉換20次左右，因為液位變化不是很快，所以可滿足監測液位變化的需要；
③控制信號輸出采用單片機控制74LS373鎖存器的方式，這樣可通過增減鎖存器個數的方式來增減控制輸出端口數量；
④因每路要求能滾動顯示1年內每班、每日、每月的輸入輸出量總量（1日3班），正常或意外停電數據不丟失，所以采用了AT29LV040A（512KB）的閃速存儲器（也可采用FRAM），因89C52最多可外擴展64KB的RAM，為了保證有足夠的存儲空間可將AT29LV040A的A16、A17和A18地址線與1#單片機的某個端口連接，這樣通過控制這3個地址線的變化就可達到使用AT29LV040A的512KB空間的目的。
⑤按鍵部分采用常規的非編碼鍵盤方式即可；
⑥為了提高人機的交互能力，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、數字、等式及簡單的圖案；
⑦打印I/O端口，可根據要求進行相應的連接配置即可；
⑧模擬開關選用多片CD4051，它們與單片機配合，用于選擇多路液位模擬量中的1路液位的模擬量，然后進行A/D轉換。
由于選用了3個單片機，有效地解決了I/O端口不夠用的問題，也使得在設計上簡化了許多，只要按照常規的連接芯片方式即可，省去了很多的過渡芯片，如74LS244、74LS245、74LS73等，也使得軟件設計變得簡單容易。因硬件連接變得簡單而且均為常規連接，所以本文沒有提供詳細的線路連接圖。3個單片機之間的數據交換采用了串行口通信方式，如圖1所示。本設計中，3個單片機采用同時復位，當然也可采用分開復位方式，但按鍵要增加，此種情況視要求而定。
3 軟件結構設計
由于3個單片機同時復位，所以復位后3個單片機是處于并行工作狀態的。1#單片機的主要工作是將所有路液位模擬量轉換成數字量保存起來。它可根據鍵盤命令或系統默認格式將采集加工后的結果傳送給2#單片機顯示及3#單片機輸出控制，也可根據命令只監測指定的某1路或某幾路的液位變化。2#單片機的主要工作是讀入鍵盤命令，加工處理后，向1#和3#發布命令，然后根據反饋結果在LCD上顯示出來。也可根據1#單片要同采集到的數據，不斷更新其顯示內容。LCD顯示方式可多種多樣，可循環顯示指定的某幾路液位，或固定顯示某1路液位，或循環顯示某1個月的每天或某天的每班輸入輸出量等。每1路液體的比重、計算修正值、液位上下限高度設定等都可通過鍵盤輸入并保存起來。也可通過鍵盤設定密碼，防止別人或誤操作破壞設定內容，鍵入方式應設計成無須看說明書，只要按照LCD顯示上的提示進行選擇即可。3#單片機的主要工作是根據鍵盤命令或1#單片機及時采集到的數據，發出控制信號或打印輸出結果，打印輸出格式可根據鍵盤命令進行選擇。3個單片機的工作流程框圖分別如圖2、圖3和圖4所示。
3個單片機之間通過串行口，除傳送正常的數據、命令外，3者之間還要進行互相監督（這是I/O擴展芯片很難做到的）。
①相互之間傳送信息后一定要進行印證，也就是發送者要及時收到接收者的回執；
②3者之間定
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