采用多单片机的液位监控仪设计与实现

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