水位监测系统[共23页]

课程设计说明书 题 目： 水位监测系统设计 姓 名： 马存祥 学 号： 1000407014 指 导 教 师： 段广云、俞学兰 专 业 年 级： 10级机电（1）班 所在学院和系： 机械工程学院 完 成 日 期： 2013年06月20日 课程 名 称： 机电一体化系统设计 目录1绪论21.1背景和意义21.2设计要求22系统总体方案设计32.1方案设计32.2方案论证32.2.1.处理器论证与选择32.2.2.传感器模块论证与选择42.2.3.模数转换模块论证与选择42.2.4.报警模块论证与选择42.2.5.显示模块论证与选择42.3芯片选择53系统硬件电路设计83.1单片机最小系统设计83.1.1.时钟电路83.1.2.复位电路83.1.3.单片机最小系统83.2传感检测电路设计93.3显示电路设计103.5模数转换电路设计113.6系统整体电路原理图设计124系统软件设计144.1系统主程序设计144.2显示子程序设计144.3报警子程序设计154.4系统仿真154.4.1. 仿真 （proteus仿真）155总结17附录18参考文献211绪论1.1背景和意义单片机应用发展迅速而广泛。在过程控制中，单片机既可作为主计算机，又可作为分布式计算机控制系统中的前端机，完成模拟量的采集和开关量的输入、处理和控制计算，然后输出控制信号。单片机广泛用于仪器仪表中，与不同类型的传感器相结合，实现诸如电压、功率、频率、湿度、流量、速度、厚度、压力、温度等物理量的测量；在家用电器设备中，单片机已广泛用于电视机、录音机、电冰箱、电饭锅、微波炉、洗衣、高级电子玩具、家用防盗报警等各种家电设备中。在计算机网络和通信、医用设备、工商、金融、科研、教育、国防、航空航天等领域都有着十分广泛的应用。随着科技的发展，液位测量技术趋于智能化、微型化、可视化。本设计思想是用单片机做下位机，PC机做上位机，单片机和PC机相结合对水箱液位进行测量和监控。该设计要求具有一定的智能化，可操作性和稳定性好在工农业生产中，常常需要测量液体液位。随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行液位控制的实验装置。1.2设计要求系统为水位监测报警,设计要求和任务如下:设计要求：监测范围：01m；测量精度：0.005m； 设有上、下限报警； 数码显示；设计任务：硬件设计（元器件选择、电路原理图与电路板图绘制等）、软件设计；2系统总体方案设计2.1方案设计系统方案设计传感器测得的电压信号,再通过模数转换器AT89C52把输出状态直接接到单片机的I/O接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接LED进行显示,实现水位的报警控制；如图1. 处理器 显示模块 模数转换 传感器 报警模块 图1由上图可观察到传感器输出模拟信号，再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过AT89C52单片机的运算控制，在通过LED进行显示,通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门的开启实现对水体的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机2.2方案论证 2.2.1.处理器论证与选择方案一：采用51单片机控制系统。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，能满足题目要求。方案二：采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心。由于FPGA具有强大的资源，使用方便灵活，易于进行功能扩展，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。但其成本偏高，引脚较多，硬件电路布线复杂。根据以上具体分析选择方案一。 2.2.2.传感器模块论证与选择水位测量是液位测量的一种，由于水位测量涵盖水利、气象、地址、环保等诸多领域。所以水位测量与一般液位测量相比又具有一定特殊性。方案一：静压投入式液位变送器（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。420mA、 05v、 010mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。方案二：超声波传感器测距是一种非接触测量，无需水位井，但是由于声波传在空气中的传播速度受温度、湿度、气压等因素的影响，水位参数漂移严重；电源功耗大；价格高。 根据以上具体分析选择方案一。 2.2.3.模数转换模块论证与选择 模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。根据题目要求测量范围（01m）和测量精度（0.005m）选择模数转换的位，2n=1/0.005=200,故取8位的模数转换即可达到。2.2.4.报警模块论证与选择 采用LED灯控制。本系统中可以通过LED灯的亮灭来显示是否超出上下限测量范围，操作简便，程序简单，易于实现控制。2.2.5.显示模块论证与选择数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。根据题目要求，采用四位七段数码，可以通过数码管的位选和段选将数码管的各段进行显示。显示管分别显示光水位的个、十分位、百分位、千分位。2.3芯片选择 (1)AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标 PDIP封装的AT89C52引脚图准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。P0 口P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 口P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表1。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。表.P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2，时钟输出P1.1T2EX（定时/计数器2）P2口P2口 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时，P2 口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号P3 口P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能P3 口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。(2) A/D转换器：采用8位的并行输出ADC0832芯片A/D转换模块是系统中较为重要的一部分，由于涉及到模拟部分，A/D转换器的结构较为复杂。模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。（3）采用LED显示(4) 采用MPX4115压力传感器3系统硬件电路设计3.1单片机最小系统设计3.1.1.时钟电路 图3.时钟电路时钟电路是为单片机提供精确定时的内置电路，主要用于计时、通讯时钟发生器、时间中断源等等。电路概是外部的电路，实际上就是提供一个符合单片机要求的脉冲宽度和电平范围的复位信号，以使单片机回到初始状态重新开始，在有些电路中也同时将外围电路复位。3.1.2.复位电路 图4.复位电路单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位3.1.3.单片机最小系统单片机最小系统由主控器AT89C52、时钟电路和复位电路三部分组成，如图5： 22 图5.单片机最小系统3.2传感检测电路设计传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或处理的电信号的装置，在现代科技领域中，传感器得到了广泛应用，各种信息的采集离不了各种传感器，传感器的基本功能在于能感受外界的各种“刺激”并作出迅速反映。本设计当中我们采用的静压传感器简单易做，经济实惠。其外形轮廓如下： 图6.传感器电路3.3显示电路设计图7.显示器电路LED显示屏（LED panel），是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有如下优点：1、耗电省、2、使用寿命长、3、成本低、4、亮度高、5、视角大、6、可视距离远、7、规格品种多。 LED又称为数码管，它主要由8段发光二极管组成的不同组合，可以显示ag为数字和字符显示段，h段为小数点显示，通过ag为7个发光段的不同组合，可以显示09和AF共16个数字和字母。LED可以分为共阴极和共阳极两种结构。本设计采用共阴极结构，即把8个发光二极管阴极连在一起。这种装入数码管中显示字形的数据称字形码，又称段选码。本设计用到的是LED显示器静态显示方式，其中段选端A、B、C、D、E、F、G、DP接AT89C52的P0口，位选端1、2、3、4分别接P2.0、P2.1、P2.2、P2.3，其电路如图7所示。3.4报警电路设计图8.报警电路发光二极管（LED）是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。发光二极管的发光原理同样可以用PN结的能带结构来解释。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。，而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg。本电路采用发光二极管亮灭，显示是否超出测量范围，本设计采用的发光二极管为共阳极接法，下限二极管接AT89C52的P3.0，上限二极管接AT89C52的P3.1，在超出测量范围时，输入变为低电平，此时上限或下限的二极管点亮，如图8.3.5模数转换电路设计本设计采用的A/D转换芯片为ADC0832，8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。如图9. 图9.转换器电路3.6系统整体电路原理图设计 综合以上电路设计，按照以上电路的连接将各个模块进行组合，设计出整体电路原理，如图10. 图10. 整体电路原理图4系统软件设计4.1系统主程序设计 首先初始化LED数码管参数和报警灯，通过数模转换子程序循环读取传感器的电压信号，并把电压信号转化为数字信号，然后传送给处理器，判断数据的范围来调用报警子程序或显示子程序，显示子程序将水位值在数码管上显示出来，报警子程序显示超出上限或下限。程序流程如图11所示。开始系统初始化 A/D转换器 报警子程序数据处理 显示子程序结束 图114.2显示子程序设计 首先初始化数码管，数码管不显示，判断处理后的数据，在测量范围内数码管正常显示；在超出上限时数码管显示四个1；在超出下限时数码管显示四个0。程序流程如图12所示。 初始化判断结果 1 1初始化上限LED亮下限LED 判断数据 H0 图134.4系统仿真 4.4.1. 仿真 （proteus仿真）Proteus是一个很强悍的仿真软件，可以仿真模拟电路，数字电路，单片机，8086和8088，ARM7,PLD/FPGA,以及电子管（不是晶体管）。双击AT89C52芯片，将编译生成的HEX文件加载到芯片中，点击全速运行按键可得到图14所示的结果，超出测量范围时报警电路会发出报警，在测量范围内时数码管正常显示并且报警二极管不亮。图14.仿真5总结作为一名机电的大三学生，通过做这次课程设计是很有意义的，而且也是必要的。在做这次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的实际资料是十分必要的，也是必不可少的在我们平时的学习期间，我们所学的知识都是书本上的一些不大灵活的东西,而且学习期间的这种考核是单科进行，主要是考查我们对本门学科所学知识的记忆程度和理解程度。但我认为这种实践性课程设计则不同，它不是单一地对我们进行某一学科已学知识的考核，而是着重考查我们运用所学知识对某一问题进行探讨和研究的能力。整个设计的过程，同时也是专业知识的学习过程，而且是更生动、更切实、更深入的专业知识的学习。首先，一个设计是结合科研课题，把学过的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。其次，在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以印证学过的书本知识，又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。此外，我们在这种自己动手的设计中，对所学专业的某一侧面和专题作了较为深入的分析。在此我感谢老师对我的帮助和鼓励！在这次的课程设计中，我真正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单片机更是如此，程序只有在经常写与读的过程中才能提高，这就是这次课程设计的最大收获。总之，这次的课程设计对我来说说是一个很好锻炼自己的机会！附录#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define acc P1sbit wr=P36;sbit rd=P37;sbit D1=P30;sbit D2=P31;uint temp,vary;float press,h;uchar code 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MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术M.北京:北京航空航天大学出版社6夏继强. 单片机实验与实践教程M. 北京：北京航空航天大学出版社.2001