1 引言

水位監控儀廣泛應用于水利、石油、化工、冶金、電力等領域的自動檢測和控制系統中。目前有些水位監控儀在運行過程中存在著一些問題，如:系統不穩定、抗干擾能力差、精度低、輸出控制或顯示信號不滿足要求、現場更改程序或程序升級麻煩及通信能力差等。本文設計的智能水位監控儀是吸收了國內外最新智能化儀表的設計經驗，采用工業控制單片機，集水位采集、存儲、顯示及遠程聯網于一體，適用于各種液位測量及閘門開度的測量。

2 系統硬件總體設計

本系統硬件部分主要考慮的功能有:模擬量的變換;模擬量的采集;高精度16位模數轉換器AD7705在系統中的應用;精確時鐘芯片DS1302的應用;四路繼電器報警，繼電器驅動芯片采用ULN2003;4~20mA電流環輸出數模轉換器AD421的應用以提供系統檢測信號;用于與上位微機通訊的接口實現。系統框圖如圖1。

在本系統中，我們選用的主控芯片是高集成度MCU芯片C8051F021。C8051F單片機是完全集成的混合信號系統級芯片(SOC).具有與8051兼容的高速CIP-51內核和與MCS-51完全兼容的指令集;片內集成了數據采集和控制系統中常用的模擬、數字外設及其他功能部件;內置FLASH程序存儲器、內部RAM;大部分器件內部還有位于外部數據存儲器空間的RAM,即XRAM;C8051F單片機具有片內調試電路，通過4腳的JTAG接口可以進行非侵入式、全速的在線系統調試。

2.1 SPI 通訊接口設計

在系統設計中，有兩個外部芯片應用了SPI接口方式:AD7705和AD421，單片機和這兩個外圍芯片構成了一個SPI總線系統。其中單片機的NSS端懸空并被片內上拉電阻置為高電平連接，因為AD421是一個4~20mA輸出的數模轉換器芯片，所以它與單片機的數據線連接只有主設備輸出從設備輸入，即 MOSI。水位監控儀中SPT系統的連接如圖2所示。

2.2 模數轉換設計

在本次設計中，我們選用了兩種模數轉換電路，第一種是利用單片機片內的12位ADC，在可變電阻器通道中用的是該電路:另外一種是片外的高精度模數轉換芯片 AD7705，該芯片的精度達16位，應用于壓力傳感器通道的數據采集中，下面計算得出具體應用中能達到的精度。在水位監控儀的設計中，我們忽略模擬電路的前端誤差，那么可精確到的毫米數可由式1計算得出:

計算可得，當測量量程a=10m時，如果采用12位的ADC，測量精度為2.44mm;如采用16位ADC,測量精度可達0.153mm。

我們的設計要求為精確到2mm，所以如采用16位的ADC完全能符合我們的設計要求。在設計中由于可變電阻器法本身測量精度較低所以使其采用了單片機片內的 12位ADC，為盡量提高測量精度，減小測量誤差，我們還用單片機的另一通道對可變電阻器的供電電源電壓進行了采集，在軟件中兩者進行了適當融合處理，在此不再詳述。壓力傳感器通道我們選用了片外的ADC轉換芯片AD7705, AD7705芯片正好有兩路模擬通道，供我們的兩路壓力傳感器通道使用，在軟件中進行通道的切換。