基于單片機(jī)的水箱液位監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、1 / 32摘 要液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在很多的地方都會(huì)用到，例如在工廠的生產(chǎn)當(dāng)中，液位控制是否得當(dāng)就會(huì)影響生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和美觀，在生活當(dāng)中，我們離不開水的利用，常常需要對(duì)水箱或水塔水位的監(jiān)測(cè)，液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也與我們的生活息息相關(guān)，它關(guān)系著我們生活的品質(zhì)和效率，所以我們要對(duì)液位進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)和控制。本文的設(shè)計(jì)的是利用 AT89C51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位監(jiān)測(cè)，通過分析領(lǐng)域條件下，在其系統(tǒng)過液位變送器獲取信息（4-20mA） ，其采集電流太小而不容易測(cè)量，所以需要用放大電路對(duì)其放大，通過處理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換變換為二進(jìn)制數(shù)傳入單片機(jī)，它可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理。并在本文的軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中介紹了本次系統(tǒng)的電路原理圖和

2、軟件編寫時(shí)所需的流程圖，然后通過顯示電路把采集到的液位高度值顯示給我們。最后通過 Keil C51 軟件編寫出本次系統(tǒng)所需要的程序，同時(shí)在 Proteus 軟件里進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位監(jiān)測(cè)。通過該設(shè)計(jì)的運(yùn)用，滿足了間接測(cè)量，自動(dòng)的控制與其管理的目的。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；液位控制；Proteus 仿真2 / 32AbstractLiquid level monitoring system are used in many places, such as in the production of the factory, liquid level control properly will affec

3、t the production of products, the quality and appearance, in the life, we can use of water, often need to the water tank or water tower water level monitoring, liquid level monitoring system is closely related with our life, it relates to the quality and efficiency of our lives, so we have to contin

4、uously monitor and control the liquid level.The design is implemented by AT89C51 SCM of water level monitoring, through the analysis of field conditions and in the system through the liquid level transmitter (20mA) to obtain information, the current collection is too small and not easily measured, s

5、o it is necessary to amplifier circuit for amplifying the, through processing, by the modulus transform as a binary number of incoming MCU, it can real time of data processing. And in the design of software in this article introduced flow chart of the system circuit schematic diagram and software co

6、mpiling, and through the display circuit the collected liquid height values are shown to us.At last, the program of the system is written by C51 Keil, and the simulation is carried out in the Proteus software, and the liquid level monitoring is realized. Through the application of this design, it ca

7、n meet the indirect measurement, and the purpose of the control and management.Keywords：SCM;liquid level control; Proteussimulation3 / 32目 錄第一章緒論 11.1 課題研究目的與意義 11.2 國(guó)外研究與發(fā)展現(xiàn)狀 11.3 課題研究方案 2第二章液位檢測(cè)技術(shù)與工作原理 42.1 液位檢測(cè)技術(shù)的概述和傳感器種類 42.2 傳感器選型與其工作原理 5第三章系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 73.1 單片機(jī) 73.2 前置放大器電路 83.3 A/D 轉(zhuǎn)換器電路 93.4 晶振

8、 113.5 看門狗電路 123.6 鍵盤電路 133.7 顯示電路 14第四章軟件設(shè)計(jì) 164.1 軟件結(jié)構(gòu)流程圖 164.2 顯示計(jì)算 174.3 PROTEUS仿真與結(jié)果 174 / 32第五章總結(jié) 19參考文獻(xiàn) 20辭 270 / 32第一章 緒 論在現(xiàn)代化的生產(chǎn)中的每個(gè)生產(chǎn)細(xì)節(jié)中都會(huì)運(yùn)用到對(duì)水位高低的監(jiān)測(cè)，隨著技術(shù)的發(fā)展，我們對(duì)它的精度要求也越來越高了，而且還要適應(yīng)于不一樣的環(huán)境里面，例如高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等環(huán)境，其中它的精度也影響著工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量，所以液位監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)于我們工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中起著很大重要的作用，對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的研究也慢慢的得到我們重視。液位的監(jiān)測(cè)和控制是以物理學(xué)、控制理論、

9、電子技術(shù)、硬件所結(jié)合的一門自動(dòng)化技術(shù)，也是隨著適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)而運(yùn)應(yīng)而生的產(chǎn)物。自從計(jì)算機(jī)技術(shù)在二十世紀(jì)九十年代在我國(guó)得到很快的發(fā)展之后，性能不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)也廣泛的運(yùn)用于我國(guó)工廠的生產(chǎn)里面，使我們國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn)省出很多人力和生產(chǎn)出的產(chǎn)品更加優(yōu)質(zhì)，同時(shí)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些高精度的液位變送器也隨之出現(xiàn)，增強(qiáng)了我們對(duì)液體的測(cè)量水平。例如本文介紹的單片機(jī)技術(shù)在大規(guī)模集成電路的發(fā)展后，單片機(jī)技術(shù)變得更加的完美，它具有強(qiáng)大的應(yīng)用手段、低成本、體積小等特點(diǎn)，其強(qiáng)大的性價(jià)比和便宜的控制手段吸引著越來越多的客戶，計(jì)算機(jī)的發(fā)展也提供給我們更多的控制方式，同時(shí)也提高了控制的效率和精度。1.1 課題研究目的

10、與意義本課題來自于現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)當(dāng)中，液位是各個(gè)行業(yè)生產(chǎn)中很重要的被控參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，監(jiān)測(cè)與控制的精度直接關(guān)系著我們的生產(chǎn)水平、成本、經(jīng)濟(jì)收益和設(shè)備的安全系數(shù)。那么，對(duì)液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和開發(fā)在生產(chǎn)當(dāng)中就顯得非常的重要和關(guān)鍵。本課題是基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱里水的高度的控制，不僅對(duì)于工廠各種環(huán)境有著很好的適應(yīng)性，而且還能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，隨時(shí)對(duì)液位進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制，這樣很大程度上減小人工方法的失誤，同時(shí)也提高在工廠生產(chǎn)過程里的安全性和效率，而且也能對(duì)液位這個(gè)參數(shù)也能進(jìn)行了精確且智能的監(jiān)測(cè)。1.2 國(guó)外研究與發(fā)展現(xiàn)狀液位監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)在我國(guó)雖然起步比較晚，但是隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，1 / 32國(guó)家增加了

11、各個(gè)基礎(chǔ)行業(yè)的金錢投入，相應(yīng)的技術(shù)也得到了很大的發(fā)展。例如在星伸儀表生產(chǎn)的 UYB-2000 系列射頻電容物位計(jì)，不僅測(cè)量液體變化的精度達(dá)到，而且探頭的對(duì)溫度、壓力適應(yīng)圍也非常的大，同時(shí)其變送器在工作當(dāng)中能夠正常使用在電導(dǎo)率不低于 10-3s/m 的工作環(huán)境當(dāng)中，其功能非常的強(qiáng)大。另外在自動(dòng)化儀表五廠所生產(chǎn)的 UYZ-5002 電容式液位變送器、RF-9400 型物位計(jì)也相當(dāng)?shù)某錾砍叹饶軌蜻_(dá)到 0.30.5%，通過并達(dá)到國(guó)際測(cè)試的各項(xiàng)指標(biāo)，在國(guó)際上取得承認(rèn)。目前，我們國(guó)家的變送器的市場(chǎng)集中度較高，主要技術(shù)都聚集在北上廣等發(fā)達(dá)城市，但是在整個(gè)市場(chǎng)來說占主導(dǎo)地位的是以美國(guó)DREXELBROO

12、K 公司、日本松島等公司為代表的國(guó)外品牌產(chǎn)品，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界的工廠正在使 DREXELBROOK 公司的液位傳感器達(dá)到三萬多個(gè)。與這些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，他們起步早，資金雄厚，在早期積累了很多各個(gè)方面的經(jīng)驗(yàn)，例如在美國(guó)，在早期就投入大量的資金和人力，現(xiàn)在生產(chǎn)出的變送器不僅功能完善、性能可靠、自動(dòng)化程度高，而且相對(duì)國(guó)精度高上許多。在美國(guó)的 DREXEALBROOK 公司研發(fā) Universall 液位變送器精度達(dá)到 0.1%，量程達(dá)到 3000pF，并且能夠通過通信協(xié)議與其他的變送器儀表組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)整體的控制1。近些年來，經(jīng)過一些科研人員的不懈努力，技術(shù)得到不斷的提高和成本的下降，使我國(guó)的產(chǎn)品在國(guó)際

13、上市場(chǎng)的份額也越來越高，從 2005 年的 19%左右提高到 41%左右。同時(shí)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，刺激著工業(yè)自動(dòng)化的增長(zhǎng)，給變送器行業(yè)提供了更大的舞臺(tái)。液位檢測(cè)控制技術(shù)在未來的工業(yè)發(fā)展當(dāng)中一定會(huì)朝著高精度、集成化的發(fā)展，除了能消除粉塵、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境對(duì)檢測(cè)的影響外，還要能實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議更加齊全、穩(wěn)定性越來越高等。1.3 課題研究方案研究方案如圖 1-1 所示，在這個(gè)系統(tǒng)中用到的是以 AT89C51 單片機(jī)為控制基礎(chǔ)，其外圍有信號(hào)采集、處理、顯示等組件。其具體的研究方案為液位變送器在 0-10m 進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，并且要求測(cè)量精度達(dá)到0.5%。當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)，液位變送器可將液位的變化線性的轉(zhuǎn)成 4

14、-20mA 的直流信號(hào)送入前置運(yùn)算放大電路中，經(jīng)過前置運(yùn)算放大電路對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行處理，使 4-20mA 的電流線性的轉(zhuǎn)變?yōu)?0-5V 的電壓，然后通過 A/D 轉(zhuǎn)換器把液位變送器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)可識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)字。并在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)復(fù)位、晶振、鍵盤以與顯示等電路與單2 / 32片機(jī)相連接，其中復(fù)位電路是在運(yùn)行故障時(shí)進(jìn)行復(fù)位，使系統(tǒng)恢復(fù)正常的工作，在整個(gè)系統(tǒng)的工作當(dāng)中需要晶振提供工作時(shí)所需的脈沖信號(hào)。經(jīng)過一系列的計(jì)算之后，把變送器采集到的液位高度以數(shù)字的方式表現(xiàn)到 LED 顯示屏中，其中鍵盤電路可以在系統(tǒng)的運(yùn)行當(dāng)中設(shè)置參考液位值，并能夠?qū)崿F(xiàn)功能的切換和加減的操作，從而達(dá)到對(duì)水高度變化的連續(xù)監(jiān)測(cè)

15、，并把監(jiān)測(cè)到的高度數(shù)值顯示到顯示數(shù)碼管上。圖 1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3 / 32第二章 液位檢測(cè)技術(shù)與工作原理2.1 液位檢測(cè)技術(shù)的概述和傳感器種類液位檢測(cè)是對(duì)被測(cè)液體的變化量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，它應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)當(dāng)中，其液位都是不可或缺的參數(shù)，液位高度與變化要被記錄下來，以保證生產(chǎn)當(dāng)中的安全和產(chǎn)品的質(zhì)量，所以在企業(yè)當(dāng)中，需要對(duì)液位的監(jiān)測(cè)與控制。目前，為了適用于各種環(huán)境和需求的精度，國(guó)外研究出很多方法和產(chǎn)品，大致有以下的幾種方法：（1） 壓力式液位傳感器壓力式液位傳感器是采用靜壓測(cè)量的原理，它的測(cè)量方法可以分為差壓法和壓力法，差壓法是適用于在密閉的容器中，因?yàn)樵诿荛]的容器中或多或少都會(huì)保留住氣體，那么這些被

16、保留在容器里的氣體的壓力會(huì)隨著液位的變化發(fā)生改變，然而在敞口的容器中，大多都是采用壓力法，不同的液位會(huì)給傳感器正面不同的壓力，受到的壓力會(huì)被導(dǎo)氣不銹鋼管傳入正壓室，其氣壓被傳入負(fù)壓室，以此來背面受到的壓力就會(huì)被消除。壓力式傳感器被使用的時(shí)候，其被測(cè)介質(zhì)的密度必須要保持均勻，否則會(huì)很大的影響測(cè)量的精度，其中壓力式傳感器的功能特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)耐用、安裝簡(jiǎn)便、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在使用時(shí)穩(wěn)定性好，安裝的時(shí)候接反后它也不會(huì)被損害，因?yàn)樗梢宰詣?dòng)的把電流控制在一定圍之。（2） 超聲波液位傳感器超聲波普遍運(yùn)用于工業(yè)中的貯存容器，如玻璃鋼罐、污水儲(chǔ)罐等腐蝕性強(qiáng)的被測(cè)介質(zhì)當(dāng)中，它是利用超聲波反射的原理來對(duì)介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的，

17、當(dāng)發(fā)射出去的超聲波遇到介質(zhì)反射回來后通過計(jì)算往返是時(shí)間來得出被測(cè)介質(zhì)的高度。它的工作性能指標(biāo)與工作的實(shí)際環(huán)境有關(guān)系，當(dāng)一些溫度不一樣時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行一些溫度補(bǔ)償，并且在一些高溫、高壓等的場(chǎng)合中，超聲波也不能很好的進(jìn)行檢測(cè)，所以超聲波檢測(cè)出來的測(cè)量信號(hào)可靠性不是很好，但是由于超聲波在液體和固體的穿透力很大，這種類型的傳感器還在是在軍事、醫(yī)療等行業(yè)中被普遍的運(yùn)用。4 / 32（3） 雷達(dá)式液位傳感器該類型傳感器與上述的傳感器有很多類似地方，它是運(yùn)用發(fā)射出的電磁波來測(cè)量物位的高度，可以用在有毒的環(huán)境當(dāng)中，在測(cè)量時(shí)無需在容器上開孔，但是雷達(dá)式液位傳感器信號(hào)處理非常復(fù)雜，造價(jià)也非常昂貴，所以限制了雷達(dá)傳

18、感器的發(fā)展。（4） 電容式液位傳感器這種傳感器是根據(jù)電容感應(yīng)原理，它是使用金屬棒插入被測(cè)介質(zhì)當(dāng)中去，金屬棒和容器壁作為兩個(gè)級(jí)，當(dāng)液體高度產(chǎn)生改變的時(shí)候就會(huì)促使兩個(gè)級(jí)之間電容的改變。它主要由液位傳感器、發(fā)射機(jī)和隔離電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)物理輸入轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)非電轉(zhuǎn)換，該類型傳感器在使用時(shí)需要被測(cè)介質(zhì)保持電介質(zhì)一樣，在溫度變化的環(huán)境中需要對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償，它在一些具有腐蝕性介質(zhì)、高壓等環(huán)境中能夠正常使用，并且其造價(jià)低、安裝簡(jiǎn)單 2。2.2 傳感器選型與其工作原理在本次設(shè)計(jì)里面采用星伸儀表生產(chǎn)的 UYB-2000P 型電容液位變送器，該變送器不僅精度很高、干擾對(duì)其影響小以與功能牢靠等優(yōu)點(diǎn)外，而

19、且與傳統(tǒng)的變送器相比它的線性度好，溫度漂移小等優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)量原理是運(yùn)用電容量的變化來測(cè)量液體的具體位置，電極和容器的金屬壁構(gòu)成一個(gè)電容，如果所測(cè)量介質(zhì)的容器壁為塑料等材料或容器壁為不規(guī)則時(shí)需要采用輔助電極來測(cè)量。變送器在工作的時(shí)候的原理是運(yùn)用一定的頻率電壓進(jìn)行激發(fā)，如果被測(cè)物的介質(zhì)導(dǎo)電常數(shù)一致的時(shí)候，所流過的電流會(huì)隨著液體高度的變化而發(fā)生改變（4-20mA） 。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 2-1 所示。圖 2-1 結(jié)構(gòu)原理圖5 / 32其測(cè)量原理是： （2-）（0100/ln2RRLC1） （2-）（）（01010ln2ln)(2RRHRRHLCH2） （2-）（0100/ln)H-(2 RRCCCH3）

20、其中是測(cè)量水位高度是 H=0 時(shí)的電容量，為檢測(cè)的時(shí)候水的具體高0CHC度位置的電容量，是測(cè)量液體高度變化后的電容值。是容器里空氣的介C 0質(zhì)常數(shù)，為被測(cè)液體的介質(zhì)常數(shù)，單位為。為導(dǎo)線和容器壁之間的半徑，為導(dǎo)線的半徑。由公式（2-1） 、 （2-2） 、 （2-3）可知、 、 、是恒定不變的參數(shù)，那么電容的變化量是隨著 H 的變化而發(fā)生變化，是呈線性的關(guān)系。由此在這次的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作中，只要得出電容值的變化便能測(cè)量出液位的具體高度3。6 / 32第三章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)在本次的系統(tǒng)中采用 AT89C51 單片機(jī)，它是一種用在低壓情況下性能十分強(qiáng)大的八位的微型計(jì)算機(jī)，由美國(guó)公司所

21、制造出來，它和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的指令集與管腳相兼容，它可以靈活運(yùn)用于各個(gè)需要控制的地方當(dāng)中。在本次的設(shè)計(jì)中它的工作是對(duì)數(shù)字量進(jìn)行處理，并通過與它外接的顯示電路把檢測(cè)到的液位顯示出來。另外，它還外接晶振電路、復(fù)位電路、鍵盤電路構(gòu)成的最小系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)它的 P0 口與顯示電路相接，由于 P0 口它的電流過小，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要接一個(gè)上拉電阻。其引腳功能與電路圖如圖 3-1。7 / 32圖 3-1 AT89C51 引腳與電路圖如上圖所示，它具有三十二個(gè)可編程的輸入輸出接口、一個(gè)全雙工串行口、兩個(gè)十六位字時(shí)/計(jì)數(shù)器、五個(gè)中斷源，并具有控制能力較強(qiáng)的處理器。它的尋址圍是 64K，它的工作特性是壽命長(zhǎng)，1000 寫

22、/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)可保留 10 年，全靜態(tài)工作是 0Hz-24MHz，在工作時(shí)需要提供+5V 的電壓，擁有三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器，其具體的端口功能說明如表 3-1 所示。表 3-1 引腳功能P0 口它是具有八位的 IN/OUT 接口，是雙向的，在輸送數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要寫“1”，并且是高阻抗輸入，它輸出的每一位都可以帶動(dòng)八個(gè)邏輯門電路。P1 口具有八位兩個(gè)方向的 IN/OUT 接口，它里面有一個(gè)上拉電阻器，在用作輸入時(shí)候，需要寫“1”，那么它里面的那個(gè)上拉電阻器就會(huì)把端口拉到高并會(huì)在某一個(gè)腳的外面的信號(hào)變低后輸出，如果它在用作輸出的時(shí)候它吸取電流可以帶動(dòng) 4 個(gè)門電路。P2 口具有八位兩個(gè)方向的 IN/O

23、UT 接口，它里面有一個(gè)上拉電阻器，在用作輸入時(shí)候，需要寫“1”，那么它里面的那個(gè)上拉電阻器就會(huì)把端口拉到高并會(huì)在某一個(gè)腳的外面的信號(hào)變低后輸出，如果它在用作輸出的時(shí)候它吸取電流可以帶動(dòng) 4 個(gè)門電路。P3 口具有八位兩個(gè)方向的 IN/OUT 接口，它里面有一個(gè)上拉電阻器，在用作輸入時(shí)候，需要寫“1”，那么它里面的那個(gè)上拉電阻器就會(huì)把端口拉到高并會(huì)在某一個(gè)腳的外面的信號(hào)變低后輸出，如果它在用作輸出的時(shí)候它吸取電流可以帶動(dòng) 4 個(gè)門電路。RST它是一個(gè)復(fù)位端口。ALE/PROG外部程序或數(shù)據(jù)被訪問的時(shí)候 ALE 會(huì)輸出一個(gè)脈沖存住地址的低八位 bit 并跳過一個(gè)信號(hào)，就算在不訪問外部?jī)?chǔ)存器的情況

24、下 ALE 這個(gè)端口也能輸出一個(gè)以 1/6頻率的脈沖。/PSEN它在輸出兩個(gè)脈沖時(shí)有效，其是對(duì)外部的程序讀取指令時(shí)的一個(gè)信號(hào)，當(dāng)是外部數(shù)據(jù)被訪問的時(shí)候，信號(hào)不會(huì)被產(chǎn)生出來。EA/VPP當(dāng)要被訪問時(shí)必須要經(jīng)過它的允許，例如在一般情況下會(huì)把 EA 與地相接，因?yàn)樵贓A 端保持低電位時(shí) CPU 就可以訪問的地址為 0000HFFFFH。XTAT1晶振輸入端。XTAT2晶振輸出端。在 AT89C51 單片機(jī)中，P3 口除了作為一個(gè)可編程的輸入輸出接口外還有另外一個(gè)非常重要的作用，其 P3 口另外一個(gè)作用如表 3-2 所示。表 3-2 P3 口第二功能P3.0串行輸入口P3.4定時(shí)計(jì)數(shù)器 0P3.1串行

25、輸出口P3.5定時(shí)計(jì)數(shù)器 1P3.2中斷 0P3.6寫數(shù)據(jù)選通8 / 32P3.3中斷 1P3.7讀數(shù)據(jù)寫通3.2 前置放大器電路在本次設(shè)計(jì)中采用的是 LM358 運(yùn)算放大器，它在傳感器放大、工業(yè)控制等場(chǎng)合中是我們常常用到的雙運(yùn)放放大器，在雙電源或單電源時(shí)都能夠?qū)λ５倪m用。其引腳功能圖如 3-2 所示。它具有 2 個(gè)輸出、4 個(gè)輸入、1 個(gè)電源、1個(gè)接地 8 個(gè)引腳。圖 3-2 LM358 引腳功能圖LM358 它的參數(shù)由表 3-3 所示。表 3-2 LM358 參數(shù)基極直流45nA輸入電壓1.5V失調(diào)電流50nA共模抑制比80d失調(diào)電壓2.9mA電源抑制比100dB在本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中由

26、LM358 所構(gòu)成的前置運(yùn)算放大電路是把電容式變送器所采集到的液位信息（4-20mA）經(jīng)過 260 的電阻轉(zhuǎn)變?yōu)?0-5V 的電壓。其電路圖如圖 3-3 所示。LM358 里的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換的 ANALOPG IN 相連接。9 / 32圖 3-3 前置放大器電路3.3 A/D 轉(zhuǎn)換器電路A/D 轉(zhuǎn)換器又叫模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在這里它是實(shí)現(xiàn)把電壓值變?yōu)閱纹瑱C(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制信號(hào)。隨著技術(shù)的發(fā)展，大量功能各異的模數(shù)轉(zhuǎn)換器也相應(yīng)的被研發(fā)出來，根據(jù)它的工作特性可將其為直接型和間接型。在本次系統(tǒng)中采用的是 10位串行輸出、逐次比較型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 TLC1549。它具有兩個(gè)數(shù)字輸入端，一個(gè)片選（/CS） 、1 個(gè)

27、 I/O CLOCK 端口、1 個(gè) DATA OUT 輸出口，其最大誤差僅為4.8mV。在工作時(shí)具有 6 個(gè)工作模式，其中四個(gè)快速模式和兩個(gè)慢速模式，其中模式一是最常用的工作模式，它是 10 個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換并且片選為高。其具體的引腳功能圖如圖 3-4 所示。圖 3-4 TLC1549TLC1549 在工作當(dāng)中有四種工作模式，在本次設(shè)計(jì)中，TLC1549 采用模式一，模式一為快速工作模式，在這個(gè)工作方式當(dāng)中片選變?yōu)楦唠娖剑谶B續(xù)一段時(shí)間里每次傳輸?shù)目偸鞘畟€(gè)時(shí)鐘脈沖。DATA OUT 會(huì)隨著片選的開始和結(jié)束脫離或恢復(fù)到高阻態(tài)，在 DATA OUT 恢復(fù)到高阻態(tài)時(shí)是在固定的時(shí)間。其中，在片選上升沿禁

28、止 I/O CLOCK 端需要一個(gè)啟動(dòng)時(shí)間和兩個(gè)部系統(tǒng)時(shí)鐘周期4。其時(shí)序圖如圖 3-5 所示。10 / 32圖 3-5 TLC1549 模式一時(shí)序圖在這個(gè)模塊電路設(shè)計(jì)如圖 3-6，其中 TLC1549 中片選（/CS）端連接到 P1.0口上，在數(shù)據(jù)輸出時(shí)片選（/CS）為高電位，當(dāng)片選(/CS)從高電位變?yōu)榈碗娢粫r(shí)，器件回到初始的狀態(tài)，但是在輸出寄存器中仍然保存得有上次的結(jié)果。I/O CLOCK 端口連接單片機(jī) P1.1 端口上，在軟件編程時(shí)會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)據(jù)輸出段（DATA OUT）連接在 P1.2 口上，經(jīng)過前置運(yùn)算放大器處理后的 0-5V 電壓與 ANALOG IN 端相連接。

29、圖 3-6 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖上圖中運(yùn)用 LM336-5 與 TLC1549 相連接。其 LM336 功能引腳圖如圖 3-7 所示，LM336-5 部是一個(gè)恒壓源電路，它與 TLC1549A/D 轉(zhuǎn)換器的 REF+引腳和REF-引腳并連，它為 TLC1549 提供一個(gè) 5V 的基準(zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓其功能是為11 / 32A/D 轉(zhuǎn)換提供了一個(gè)絕對(duì)電壓，和輸入的值相比較以確定適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號(hào)輸送。圖 3-7 LM336-53.4 晶 振其設(shè)計(jì)的電路如 3-8 圖所示，與單片機(jī)的晶振輸入端和輸出端相連接，它是由兩個(gè)電容和一個(gè)振蕩器構(gòu)成，其工作原理是在把交變電壓施加到晶片上時(shí)，晶片會(huì)因?yàn)闄C(jī)械變形而震動(dòng)，

30、而晶片的震動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生交變的電壓，在這種變化在物理中我們稱作是壓電效應(yīng)。單片機(jī)工作時(shí)必須要有它所提供的脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)決定系統(tǒng)工作的速度，在本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)符合 AT89C51單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的晶振頻率 12MHz。圖 3-8 晶振3.5 看門狗電路在使用單片機(jī)工作過程中，往往受到一些條件的干擾而發(fā)生程序讀取錯(cuò)誤出現(xiàn)死循環(huán)等死機(jī)的情況，這種情況出現(xiàn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無常工作或者更加嚴(yán)重的后果。那么，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)就需要一個(gè)“看門狗”來使系統(tǒng)出現(xiàn)不正常工作時(shí)進(jìn)行重置。 “看門狗”工作原理是系統(tǒng)正常工作的時(shí)候會(huì)向它輸送一個(gè)脈沖，當(dāng)單片機(jī)死機(jī)時(shí)，則不會(huì)向它輸送脈沖，那么“看門狗”就會(huì)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，讓工作

31、恢復(fù)正常。在本次設(shè)計(jì)中的“看門狗”是以 IMP813 芯片為核心，IMP813芯片在電路中起著計(jì)數(shù)器重定的工作。假如在 1600ms “看門狗”定時(shí)器沒有被觸發(fā)，那么 IMP813 引腳 WDO 將會(huì)輸出一個(gè)低電位。其具體設(shè)計(jì)的復(fù)位電路可12 / 32以分為：（1）上電復(fù)位，上電復(fù)位的信號(hào)是由觸發(fā)器產(chǎn)生，在產(chǎn)生時(shí)，它會(huì)對(duì)這個(gè)脈沖計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到達(dá) 0.14 秒后就會(huì)由復(fù)位發(fā)生器輸送一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)就會(huì)讓復(fù)位信號(hào)無效，若當(dāng)電壓小于 4.63V，那么產(chǎn)生的這個(gè)脈沖則會(huì)使復(fù)位信號(hào)發(fā)生作用。（2）手動(dòng)復(fù)位，IMP813 的/MR 引腳與地相連，這個(gè)引腳在與地相接不超過時(shí)會(huì)就會(huì)有一個(gè)復(fù)位過程。（3）自動(dòng)

32、復(fù)位，自動(dòng)復(fù)位是 IMP813 芯片的 WDI 的端口在 1600ms 沒有被觸發(fā)，則 WDO 引腳就會(huì)從高電位變?yōu)榈碗娢?，時(shí)間持續(xù)到 140ms 以上時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)收到一個(gè)由 IMP813 芯片產(chǎn)生的復(fù)位脈沖。在電路中 WDO 端口與/MR 端口相連接，IMP813 中 RST 端口與單片機(jī)中的復(fù)位端口相連接，WDI 端口與單片機(jī)的端口相連接，系統(tǒng)在正常工作時(shí)端口會(huì)不斷的輸出脈沖（軟件中實(shí)現(xiàn)） ，如果發(fā)生單片機(jī)死機(jī)時(shí)，那么引腳 P2.7 就會(huì)沒有脈沖輸出，使 IMP813 的 WD 在 1.6s 產(chǎn)生低電平產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)5。具體復(fù)位電路由圖 3-9 所示。 圖 3-9 IMP819 電路設(shè)計(jì)3.

33、6 鍵盤電路如圖 3-10 所示，在本系統(tǒng)中采用三個(gè)獨(dú)立鍵盤實(shí)現(xiàn)功能的切換和上下限加減的設(shè)置。其 SW1、SW2、SW3 分別于單片機(jī) P2.2、P2.1、P2.0 相連接。13 / 32圖 3-10 鍵盤鍵盤有兩種類型，一種是編碼的按鍵，另一種是非編碼的按鍵，其中非編碼按鍵是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)它的具體功能。在單片機(jī)的使用中，我們都是使用的是非編碼的鍵盤，鍵盤與單片機(jī)之間是為線與的關(guān)系，在軟件編程過程中需注意按鍵的消抖，以保證按鍵能正常的操作。3.7 顯示電路在單片機(jī)的顯示電路中常常用到 LED（數(shù)碼管顯示）和 LCD（液晶顯示） ，然而由于 LED 顯示壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗能小等特點(diǎn)而被廣泛

34、的運(yùn)用在各個(gè)行業(yè)之中。如圖 3-11 所示，LED 數(shù)碼管為 8 段碼數(shù)碼管，其 8 段為a、b、c、d、e、f、g、DP，在 8 段的數(shù)碼管當(dāng)中它具有 10 個(gè)端口，每個(gè)對(duì)其顯示段都與其端口相對(duì)應(yīng)，除了控制顯示段的 8 個(gè)端口外還有兩個(gè)公共端（KK或 AA） 。在我們用到的 LED 顯示中，接線方式無非是共陽極就是共陰極，共陽極是把正極連接在一起，用負(fù)極來控制其亮滅，其共陰極接法與共陽極接法相反。14 / 32圖 3-11 LED 數(shù)碼管在本設(shè)計(jì)中采用共陰極接線方式，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，這種顯示效果和電視的顯示原理一樣，其是利用在短時(shí)間快速的更換播放容來以此實(shí)現(xiàn)，讓人們的視覺產(chǎn)生所以數(shù)碼管都在變

35、化錯(cuò)覺，它是用把 LED 的 8 個(gè)數(shù)碼段都一起連接，但是每個(gè) LED 公共端口 COM 都是由 I/O 線單獨(dú)控制，在輪流控制各個(gè) LED 的COM 端口，讓 LED 輪流的點(diǎn)亮。同時(shí)在設(shè)計(jì)顯示電路時(shí)需要對(duì)電阻的計(jì)算，其計(jì)算方法為： （3-1）其中 U 為驅(qū)動(dòng)電壓，單位為，為 LED 正常亮度時(shí)的壓降，單位為，為 LED正常點(diǎn)亮?xí)r的工作電流（10mA-15mA） ，單位為。由公式（3-1） ，可算得電阻為：=57.5式中 U 為 5，為 2.7（二極管 2、三極管 0.7） ，為 10mA，因?yàn)椴捎?4 個(gè)數(shù)碼管，所以為 40mA 了保證 LED 數(shù)碼管在顯示時(shí)不至于由于電流過大而燒壞，在電

36、路中采用 100 電阻。在三極管與單片機(jī)所連接時(shí)也需要電阻，其電阻計(jì)算方法為： （3-2） （3-3）其中為 320（408） ，為 0.7，U 為 5，取為 100，那么由公式（3-2） 、 （3-3）可算得電阻為：=3.2mA=1343.75在顯示的設(shè)計(jì)當(dāng)中，選取電阻為 1500，其設(shè)計(jì)電路如圖 3-12。其數(shù)碼管接口與口相連接， 、 、 、分別與單片機(jī) P2.3、P2.4、P2.5、P2.7 相連接。15 / 32圖 3-12 顯示電路第四章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)在單片機(jī)的運(yùn)用中起著至關(guān)重要的作用，它是根據(jù)我們所需的目標(biāo)產(chǎn)品而編寫的指令。在軟件的設(shè)計(jì)中，不僅需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，而且與單片機(jī)

37、所連接的外圍芯片也需要進(jìn)行編程。所以說一個(gè)單片機(jī)的開發(fā)，如果要正常的運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)某種功能都必須需要一個(gè)完善的程序去發(fā)送命令并執(zhí)行。例如在本系統(tǒng)當(dāng)中，就需要運(yùn)用 Keil uVision4 對(duì)系統(tǒng)主程序、數(shù)模轉(zhuǎn)換、液位顯示等進(jìn)行編程，其中主程序是本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最關(guān)鍵的地方。4.1 軟件結(jié)構(gòu)流程圖軟件流程圖是在軟件設(shè)計(jì)中開始的第一步，也在設(shè)計(jì)中的思路，它是包含的有軟件設(shè)計(jì)的功能、總體框架與其每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)等容。在本次設(shè)計(jì)中，因?yàn)椴捎玫氖?TLC1549 串行 A/D 輸出，所以在編程過程中不允許在中斷里打斷，其中顯示部分的中斷時(shí)間為 5ms，實(shí)現(xiàn) 4 個(gè) LED 燈的動(dòng)態(tài)顯示，其具體的軟件結(jié)構(gòu)流程圖

38、如 4-1 圖所示。16 / 32圖 4-1 軟件流程圖4.2 顯示計(jì)算在本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，當(dāng)液位(0-10m)的變化時(shí)，電容式變送器會(huì)輸出一個(gè)5mA-20mA 的直流，經(jīng)過前置運(yùn)放電路會(huì)把 5mA-20mA 的電流轉(zhuǎn)變?yōu)?0-5V 的電壓并輸入 10 位串行輸出的 TLC1549 芯片中。因?yàn)樽兯推鬏斔偷碾娏魇蔷€性變化的，那么將讀取的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成液位值的標(biāo)度變換是： （4-1） （4-2） （4-3）其中 V 為傳入 A/D 轉(zhuǎn)換的電壓，單位為伏特（V） ；為運(yùn)算放大電路中的電阻，單位為歐姆（） ；I 為電容式液位變送器采集液位信息后輸出的電路，單位為毫安（mA） ；為 LM336 提供的穩(wěn)

39、壓電壓，單位為伏特（V） ；H 為液位的高度，單位為米（m） 。4.3 Proteus 仿真與結(jié)果Proteus 由 Lab Center Electronics 開發(fā)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，可以實(shí)17 / 32現(xiàn)從原理圖布局、系統(tǒng)與外接電路的協(xié)同仿真，到目前為止它是唯一一個(gè)能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)仿真在電腦上實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)。在本次設(shè)計(jì)的 Proteus 仿真中，由于在 Proteus 軟件庫中沒有 TLC1549A/D轉(zhuǎn)換芯片，所以在仿真與編程時(shí)以 TLC2543A/D 轉(zhuǎn)換芯片代替，TLC2543 與TLC1549 功能基本相似，唯一不同的是 TLC2543 它是一個(gè) 12 位串行輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。為了在仿

40、真圖中接線的簡(jiǎn)便與更加能夠智能的體現(xiàn)出液位的變化，在運(yùn)用 Proteus 仿真時(shí)在硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候加上了 LCD1602 液晶顯示，其 LCD1602是一個(gè) 162 的工業(yè)字符型液晶顯示，它只能顯示數(shù)字、符號(hào)、字母。在運(yùn)用KIEL C51 軟件對(duì)其編程時(shí)，需要根據(jù) LCD1602 的時(shí)序圖進(jìn)行編程。在仿真時(shí)其實(shí)就是利用 Proteus 軟件與 Keil uVision4 軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，其具體操作是首先在 Proteus 軟件中的 ISIS 程序中把電路所需要的元件找出來并連接起來，然后再通過 Keil uVision4 軟件中新建工程并編程，所需要的程序編好后點(diǎn)擊 Keil uVision4

41、 軟件界面的運(yùn)行會(huì)生成一個(gè) XXX.HEX 的文件。然后再進(jìn)入到 Proteus 界面里，在單片機(jī)界面里找到 Program File 一欄中找到剛才生成的 HEX 文件便可以進(jìn)行仿真，在仿真中能對(duì)程序的時(shí)時(shí)調(diào)整。其元器件清單如表 4-1 所示。表 4-1 元器件清單LM016L液晶顯示屏AT89C51單片機(jī)BUTTON按鈕CAP電容CAP-ELEC瓷電容CRYSTAL12 兆晶振POT-HG滑動(dòng)變阻器TLC2543A/D 轉(zhuǎn)換器RES電阻RESPACK-8排阻74HC573鎖存器7SEG-MPX4-CC4 位數(shù)碼管運(yùn)用 Proteus 軟件進(jìn)行仿真時(shí)，運(yùn)用滑動(dòng)變阻器來代替液位變化，其具體的接

42、線原理圖如圖 4-2 所示。18 / 32圖 4-2 Proteus 仿真圖經(jīng)過 Keil C51 軟件編程并進(jìn)行仿真，在 Proteus 軟件的環(huán)境下該系統(tǒng)能夠正常的進(jìn)行操作，當(dāng)滑動(dòng)變阻器在的變化時(shí)，液晶顯示屏能夠隨著滑動(dòng)變阻器的變化而變化（0-10m） 。其按鍵也能夠?qū)崿F(xiàn)功能的切換與其加減的控制。第五章 總 結(jié)本文主要介紹了運(yùn)用單片機(jī)控制在液位監(jiān)測(cè)控制的運(yùn)用，充分的體現(xiàn)出單片機(jī)在工業(yè)控制中的強(qiáng)大功能。在本次設(shè)計(jì)中主要分為硬件和軟件兩個(gè)部分，在硬件中介紹了 AT89C51 單片機(jī)的基本用法以與各個(gè)引腳的功能、A/D 轉(zhuǎn)換的工作原理、復(fù)位電路工作原理、前置運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)、顯示電路與其按鍵電路等

43、外圍電路的設(shè)計(jì)。在軟件部分中，首先介紹了軟件流程圖在整個(gè)軟件設(shè)計(jì)中起到的關(guān)鍵作用，再根據(jù)各個(gè)軟件的時(shí)序圖和所需要實(shí)現(xiàn)的功能運(yùn)用 keil C51軟件進(jìn)行編程，使整個(gè)系統(tǒng)能夠正常的工作和更好的能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)對(duì)話。整個(gè)軟件編程可以分為三個(gè)部位（主程序、液晶顯示、A/D 轉(zhuǎn)換） ，其中主程序是本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵，在對(duì)主程序的編程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的初始化和模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w液位高度的計(jì)算以與按鍵功能的控制，并通過 Proteus 仿真軟件中對(duì)其進(jìn)19 / 32行具體的仿真和操作。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅讓我重新拾起以前遺忘的知識(shí)，而且把以前學(xué)習(xí)的數(shù)電、模電、單片機(jī)等相關(guān)的知識(shí)加深并融會(huì)貫通。同時(shí)在查閱文獻(xiàn)的過程

44、中，也讓我開闊了視野，認(rèn)識(shí)到在工業(yè)控制當(dāng)中遇到一個(gè)問題可以有很多中的解決方法，也讓我認(rèn)識(shí)到自己的不足和各個(gè)學(xué)科的重要性以與自然科學(xué)的博大精深。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中，雖然任務(wù)繁重與困難，但是給了我一個(gè)知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，在提高我知識(shí)的同時(shí)也挺高了我的動(dòng)手能力，學(xué)會(huì)了在單片機(jī)設(shè)計(jì)中運(yùn)用每個(gè)芯片的資料在 Altium designer 軟件中進(jìn)行原理的繪制和布局和根據(jù)不同芯片的時(shí)序圖進(jìn)行編程與其在 Proteus 的仿真。在這一個(gè)整個(gè)系列工作當(dāng)中，也讓我認(rèn)識(shí)到做每一個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)首先是需要我們理清思路，遇到困難時(shí)不放棄的品質(zhì)。在這次的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，軟件編程是我遇到的最大困難，從無從下手到仿真成功讓我

45、認(rèn)識(shí)到知識(shí)必須要通過實(shí)踐才能真正的體現(xiàn)出來。從這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中也讓我認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)是一個(gè)慢慢積累的過程，如同在以后的工作和生活中一樣，需要我們?nèi)ツ_踏實(shí)地的做事。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中由于時(shí)間倉促，由于設(shè)計(jì)者能力有限，難免介紹與設(shè)計(jì)會(huì)有一些不詳細(xì)，希望老師給予指點(diǎn)，我一定會(huì)加以改正。參考文獻(xiàn)1王鑫.電容式射頻導(dǎo)納物位變送器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D.華東理工大學(xué).2010.2唐正茂,慧. 新型電容式液位變送器的研制J.傳感器世界,2007,32(11)：18-20.3盛,振兵. 基于 AT89C51 單片機(jī)的水箱水位檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.科技廣場(chǎng),2010,14(9)：39-41.4王利軍. TLC1549 串口傳輸與單片

46、機(jī)的 A/D 設(shè)計(jì)J. 國(guó)外電子元器件,2007,17(10)：25-28.5白延敏. 51 單片機(jī)典型系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例精講.電子工業(yè)M.2011，196-200.6鋒,王巧芝,程麗平,清鵬. 51 單片機(jī)典型應(yīng)用開發(fā)例大全M.中國(guó)鐵道.2012,187-195.20 / 327德強(qiáng),武建潔,祥國(guó). 電容式液位變送器在水電廠集水井自動(dòng)控制中的應(yīng)用J. 東北水利水電,2007,25(11)：50-51.8霞,白小軍. 基于單片機(jī)的液位監(jiān)控系統(tǒng)J. 理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2007,29(3)：39-41.9Junhai Jiang, Zhiguo Xiao.A study on liqui

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48、n of capacitance sensor in liquid level measurement in the world J; sensor; 2011, 70-74.附 錄主程序：#include #include #include #defineucharunsigned char#define uintunsigned intsbit dula=P26;sbit wela=P27;uchar LCD_Buf116=W = 000.0m;uchar code tabledu=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,

49、0 x6f;void display(void);void Display_HT(void);21 / 32void T0_Init(void);void main()dula=0;wela=0;LCD_Init();T0_Init();while(1)display();Display_HT();void Display_HT(void)uint volt;volt=TLC2543(0)*50.0/4095*102.3/50;LCD_Buf14=volt/1000+0;LCD_Buf15=volt/100%10+0;LCD_Buf16=volt/10%10+0;LCD_Buf18=volt%10+0;LCD_Display_String(0,0,LCD_Buf1);void display(void)uint value=1234;uchar dat_qian,dat_bai,dat_shi,dat_ge;value=TLC2543(0)*50.0/4095*102.3/5;dat_qian=value/1000;dat_bai=value%1000/100;dat_shi=value%100/10;dat_ge=value%10;dula=1;P0=tabledudat_qian;dula=0;wela=1;P0=0 xfe;wela=0;Delay_AD(