水质浊度测量系统的硬件电路设计系统基本组成和控制框图整个测量系统的控制是由一片80C31单片微机来实现的，外围电路由许多模块组成——信号放大，量程转换，A/D转换，数据存储，D/A转换，键盘，显示，指示报警，标准信号输出，RS232标准接口等组成。

整体通过对80C31进行编程来实现对所有模块的调度和管理。

基本的控制框图如下所示：图 2.1.1 总体控制框图系统的功能根据上述总体的控制框图，我们可以确定测量系统的功能如下：1) 量程自动切换功能：为了提高浊度测量的分辨率设置了量程自动切换功能,A/D 转换为三位半BCD码,量程切换为两档,分别为0～ 10NTU 及0～ 100N TU , 这样低浊度时测量的分辨率为0.05NTU , 高量程时为0.005NTU , 显示采用四位数显, 小数点可自动移位。

2) 软硬件结合实现软件死机自动复位功能，可以提高仪器的抗干扰能力；3) 系统参数保存：仪器的系统信息编程数据等均保持在EEPROM 中，在断电时信息不会丢失。

并在数据结构设计中采取了容错技术, 在EEPROM 中建立了数据镜象, 进一步提高了系统信息的安全性；4) 提供4～20mA 及0～1V，0～100mV，0～10mV标准信号输出；5) 提供RS232串行通讯接口，便于与其它标准接口的设备相连；6) 自动测试诊断功能提高了系统的智能化水平, 并使该仪器的日常维护变得简单。

系统的功能在很大程度上不仅取决于硬件电路的连接，还取决于软件与硬件的相互结合。

系统硬件电路设计下面分模块对系统的硬件电路设计进行一一介绍。

分几大块？A/D转换系统介绍首先，传感器所接收到的光信号在进行过光电转换后，变成了模拟电信号，这个电信号的强弱完全取决于光电传感器接收到的光信号的强若，因此我们需要对电信号进行信号放大，这就要用到模拟运算放大器，该系统所采用的运算放大器是LM358，一个LM358芯片中包含两个独立的运算放大器。

同时，考虑到测量精度的问题，我们将该测量系统的测量范围分成了两档，分别是0~10 NTU和0~100 NTU。

当测量值分别属于不同的测量范围时，就需要对信号放大不同的倍数，因此，我们选用了多个放大器，分别在其输入端和输出端之间设置不同阻值的电阻来达到此目的。

精度？其次，经过放大器后的信号仍然是模拟信号，而单片微机系统只能对数字信号进行处理，因此还需要一个模数转换的过程，即A/D（Analog to Digital）过程。

该系统中模数转换所采用的芯片是MC14433（三位半的BCD码A/D转换器，相当于11位二进制数），分辨率比我们通常所使用的ADC0809等8位的A/D转换芯片要高。

而且它在数据传输方面与ADC0809、AD574等也不同，后两者在数据传输上都是并行式的接口，而MC14433则是按数位轮流选通的，工作方式比较特殊。

之所以采用该芯片是因为：它的精度比较高；它可以直接生成压缩的BCD码，显示的时候比较方便，省去了不同进制数之间的转换过程。

仪器仪表多使用BCD码的A/D转换器，如我们常用的数字万用表。

A/D转换器MC14433的具体电路连接如图 2.3.1 所示：注：完成电路原理图请参见附录A。

图 2.3.1 MC14433电路连接其中，Vx端是模拟量的输入端，Q3~Q0是A/D转换BCD码的输出端，DS1~DS4是位选通的脉冲输出端；74LS244是个锁存器，用来控制选通读取A/D转换数据。

该系统中A/D转换采用的是中断的连接方式，每一次A/D转换完成后，都会向CPU 发出中断请求。

MC14433是双积分式、输出为三位半BCD码的A/D转换器，其分辨率相当于11位二进制数，这使得仪器的测量精度可达到0.001V。

该A/D转换器具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，芯片内置了时钟振荡电路，在对时钟要求不高的场合，选择一个电阻即可设定时钟频率；如果在对时钟频率稳定性有较高要求的场合，则需要外接晶振或LC电路其电路的区别如图 2.3.2 所示。

一次A/D转换的时间在100ms~250ms之间，可以通过外电路调节。

图 2.3.2 MC14433外部振荡电路连接方式图MC14433是采用字位动态扫描BCD码输出的工作方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0~Q3轮流输出，同时在DS1~DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。

在该测量系统中，MC14433 A/D转换器的具体工作方式如下：Vref：基准输入电压，2V或者200mV，该系统设计中采用的是2V；R1，R1/C1，C1：外接积分阻容元件，并与适当的基准输入电压相匹配；典型值如下：1）当量程为2V时：C1=0.1uF，R1=470K；2）当量程为200mV时：C1=0.1uF，R1=270k；EOC：A/D转换结束输出端，高电平有效，可用来做CPU的中断信号，但是单片机的中断是低电平有效，因此需外接一个非门；DU：更新转换结果输出控制端，DU与EOC接在一起，每次转换结果的输出都被更新，该系统设计就是采用这种连接方式，然后再经过一个非门连接到单片机的中断1——INT1脚上的；DS1~DS4：多路选通脉冲输出端，高电平有效，DS1~DS4分别为千位、百位、十位和个位，这个脉冲信号是由MC14433芯片产生的并发送至单片机的，因此单片机只需读取该信号便可知当前传送的是哪一位的BCD码了；Q0~Q3：BCD码数据输出线，Q0为最低位，Q3为最高位；三位半的BCD码的低三位可以显示0到9十个数字，而最高位只能表示0或1，所以当DS2，DS3，DS4分别选通期间，Q0~Q3输出完整的BCD码，但DS1选通期间比较特殊，特殊情况如下：1）Q3表示千位输出，Q3=0，则“千位”=1；Q3=1，则“千位”=0；2）Q2表示转换值的极性，Q2=1为正极性，Vx>0；Q2=0为负极性，Vx<0；3）Q0表示超出量程范围，Q0=0表示量程范围适合输入Vx的大小；例如：Q0=1，Q3=0表示过量程，（量程为2V时，Vx>1.999V）Q0=1，Q3=1表示欠量程，（量程为2V时，Vx<0.179V）MC14433芯片硬件接口注意：1）由于MC14433的A/D转换结果是动分时轮流输出BCD码，而且Q0~Q3，DS1~DS4都不是总线结构，因此不能直接与单片机的数据总线P0口连接（Q0~Q3作为数据传输口，可接P0口，而DS1~DS4只能接P1口，或采用其它方式连接），可接P1口或扩展8155、8255等。

2）MC14433可不必控制A/D转换的开始，这也是该A/D转换器的一个特点，而将EOC和DU两因脚直接相连接，以选择连续A/D转换方式，每次转换完毕都送至内部输出锁存器中，由于EOC是A/D转换结束输出标志信号，因此CPU可定时查询EOC引脚，或采用中断方式。

表 2.3.1 MC14433 当DS1选通时BCD码分别表示的含义注：当DS1=1时，Q1的输出无任何意义选用该芯片时我查阅了很多相关的参考实例，发现很多系统在采用该芯片时都是直接将P1口的8根口线连接到MC14433的Q0~Q3和DS1~DS4。

这种接法虽然正确，但却将P1口的8根口线全部占用了。

考虑到系统还要外接LED指示灯等电路，我对这种接法进行了改进：将DS1~DS4接P1口高4位的4根线，而将Q0~Q3改接到P0口的低4位的4根线。

这样不仅没有影响系统功能的实现，还节省了P1口的4根口线，可以用来扩展实现其它功能。

D/A转换系统介绍很多测量设备都可以接记录仪等记录设备，以便随时记录测量系统的测量结果。

记录仪等记录设备大都需要标准信号，比如：4～20mA及0～1V，0～100mV，0～10mV等模拟标准信号，而单片微机能处理的和处理后的的信号都是离散的数字信号，这就需要一个数模转换的过程，即D/A（Digital to Analog）过程。

该系统中数模转换器所采用的芯片是DAC1208（12位二进制的D/A转换器），其功能和管脚图与我们常用的DAC1210（12位二进制的D/A转换器）等相类似。

选用该芯片主要是因为它的分辨率比较高。

但是在使用12位的数模转换器时要注意一个问题，那就是，我们所使用的单片微机都是8位的，因此12位的模拟量不能一次性输入数模转换器的锁存器中，必须分两次输入，然后再进行转换，这就是多位（超过8位）数模转换器工作的大致原理。

为什么精度？DAC1208具体的电路连接如下图所示：图 2.3.3 DAC1208电路连接D/A转换器输出模拟量的形式有电流型和电压型两种，对于电流型输出D/A转换器，可外接运算放大器，将输出电流转换成电压提高带载能力。

DAC1208是12位二进制的D/A转换器，分辨率和精度都比较高，数据总线D0~D11用来传送被转换的数据，高8位D4~D11对应高8位输入寄存器，低4位D0~D3对应低4位输入寄存器。

电流输出Iout1与Iout2之和为常数。

当寄存器中所有的数字位均为1时，Iout1为最大；全为0时，Iout1为零；但是无论待转换的数字量是多少，转换后的结果都不能超过参考电压的值，即Vref管脚的电压值。

芯片中有一个B1/B2脚，该管脚是用作字节顺序控制信号。

此控制端为高电平时，高8位输入寄存器及低4位输入寄存器均被允许；此控制端为低电平时，仅低4位输入寄存器被允许，这个管脚的功能就是将12位的待转换数据分两次输入到寄存器中。

D/A转换器的工作过程分为三步：1）取高8位待转换数据，送入8位输入锁存器中；2）取低4位待转换数据，送入4位输入锁存器中；3）将12位待转换数据送入12位D/A转换寄存器中，准备进行转换。

另外，DAC1208还有一个片选信号CS，即只有当片选信号有效时，我们所有对该芯片的读写操作才能得以实现。

对于DAC1208芯片还有一点需要注意，那就是这个芯片的工作电压问题，和一般普通的芯片不同，它的工作电压是+15V，因此在具体电路设计的时候要特别注意。

键盘显示模块一个人性化的系统必须具备完善的人机界面设计，其实这就像我们人与人的交流靠语言和文字一样，使用者和设备之间的交流就是靠键盘和显示。

使用者通过键盘将信息传递给设备，而设备又通过显示屏将信息反馈给使用者。

键盘和显示就充当了人机信息交流媒介的角色。

在前文提到过，浊度测量值是一个相对量，因此，测量系统本身必须含有一套标准，这个标准必须由人为输入到系统中去，这个过程就是标定，输入必然要用到键盘。

而且，测量结果要输出至数码管显示，就需要有显示电路的支持。

针对键盘和显示，我们集中采用8279芯片来控制，这是一个专用的键盘、显示芯片，它集成了很多功能，因此其外围电路就比较简单了。