基于壓力傳感器的水位報(bào)警器

1、2016年測(cè)控專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐第二屆自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院儀器儀表設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè) 計(jì) 報(bào) 告設(shè)計(jì)題目：基于壓力傳感器的水位控制報(bào)警器隊(duì)伍編號(hào)：323隊(duì)員姓名：陳昊、吳天劍、張赟、董嘉儀年 月 日摘要控制器單片機(jī)，液位控制高度，報(bào)警、高度顯示等功能，主要元器件時(shí)應(yīng)變片，使其附著在容器外壁，使其具有與液面不接觸的特點(diǎn)，可用于有毒、腐蝕性液體液位的控制，具有較高的研究?jī)r(jià)值。該控制器不僅可用于學(xué)校進(jìn)行教學(xué)研究，還可用于生產(chǎn)實(shí)際，是目前比較缺少的一種產(chǎn)品。由物理學(xué)原理可知，液體的壓力是與液體的高度有關(guān)系的，當(dāng)液體的高度越高，底部所受的壓力也就越大，即P=hg，所以我們可以通過底部所受的壓力來獲取液面的高度，因此我

2、們可以添加一個(gè)壓力傳感器，也就是常用的應(yīng)變片，獲取與液體地面所受的壓力，由于應(yīng)變片輸出的電壓量非常小，所以我們必須加放大器來將電壓量變大，來提高他的靈敏度，由于單片機(jī)只能讀取數(shù)字信號(hào)，而我們應(yīng)變片輸出的是模擬信號(hào)，所以得添加一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取，而后通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器和led報(bào)警燈的控制，實(shí)現(xiàn)液位報(bào)警，后期還可以在單片機(jī)的其他引腳添加點(diǎn)擊可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的控制水位的高度，因?yàn)槟芰蜁r(shí)間有限，這里只做到報(bào)警，所以該作品還能繼續(xù)改進(jìn)，功能還能拓展。關(guān)鍵詞：傳感器；AD轉(zhuǎn)換；控制器；外圍硬件電路目錄1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1 1.1 課題分析1 1.1.1 設(shè)計(jì)目的 1 1.1.2 液位

3、的獲取1 1.2總體方案設(shè)計(jì)1 1.2.1系統(tǒng)框圖 1 1.2.1總體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)12. 硬件設(shè)計(jì)2 2.1主要元器件原理 2 2.1.1AT89C51 2 2.1.2應(yīng)變片 3 2.1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片HX7115 2.1.4顯示屏LCD160273.軟件設(shè)計(jì) 8 3.1主程序流程圖 8 3.2子程序流程圖 9 3.3仿真電路圖114.實(shí)驗(yàn)結(jié)果125.設(shè)計(jì)心得14參考文獻(xiàn)15附錄A 16附錄B17附錄C181系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.1 課題分析1.1.1 設(shè)計(jì)目的運(yùn)用目前所學(xué)的知識(shí)，設(shè)計(jì)一款可以實(shí)現(xiàn)無人監(jiān)督的，液位報(bào)警器，利用51單片機(jī)，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，儀用放大器等元器件，運(yùn)用自己所學(xué)的單片機(jī)技術(shù)，與模電技

4、術(shù)等知識(shí)來實(shí)現(xiàn)目的，利用這次活動(dòng)來是自己的所學(xué)的知識(shí)得到運(yùn)用，加深所學(xué)的知識(shí)在腦海里的印象，并且可以通過實(shí)現(xiàn)來檢驗(yàn)自己在課上所學(xué)的知識(shí)，對(duì)自己也是很大的鍛煉。1.1.2液位的獲取方案一：采用浮子獲取液位，通過杠桿和浮子的鏈接可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變阻器的控制，來獲取不同的電壓值，后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。方案二：通過對(duì)液體的壓力會(huì)隨高度的改變而改變，故可以在底部添加應(yīng)變片來獲取壓力來獲取液面的高度。由于方案一會(huì)對(duì)場(chǎng)地要求比較大所以不方便選擇，于是選擇方案二同時(shí)液位的顯示也可以采用1602或者數(shù)碼管，兩者都可以做到，但都有利弊，可酌情選擇。1.2總體方案設(shè)計(jì)1.2.1系統(tǒng)框圖應(yīng)變片模數(shù)轉(zhuǎn)換器AT89C51單片機(jī)蜂鳴器

5、顯示屏圖1 系統(tǒng)框圖1.2.2總體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 將水箱放到應(yīng)變片上，隨著水位上升，總體重量也隨之上升。通過其按壓應(yīng)變片產(chǎn)生的微小變化，來測(cè)定重量。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并送到單片機(jī)中處理，然后根據(jù)其體積與高度的關(guān)系，進(jìn)而來測(cè)定水位高度，顯示在顯示屏上，到一定高度通過蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警。2硬件設(shè)計(jì)2.1主要元器件原理2.1.1 AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器俗稱單片機(jī)。AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié) Fl

6、ash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。如圖2所示。 圖2 AT89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3 AT89C51實(shí)物圖2.1.2應(yīng)變片一般的應(yīng)變片是在稱為基底的塑料薄膜（15-16m）上貼上由薄金屬箔材料制成的敏感柵（3-6m），然后再覆蓋上一

7、層薄膜做成迭層構(gòu)造。圖4 應(yīng)變片模型將應(yīng)變片貼在被測(cè)物上，使其隨著被測(cè)定物的應(yīng)變一起伸縮，這樣里面的金屬箔材就隨著應(yīng)變一起伸長(zhǎng)或縮短。很多金屬在機(jī)械性的伸長(zhǎng)或縮短時(shí)其電阻會(huì)隨之變化。應(yīng)變片就是應(yīng)用這個(gè)原理，通過測(cè)量電阻的變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定。一般應(yīng)變片的敏感柵使用的是銅鉻合金，其電阻變化率為常數(shù)，與應(yīng)變成正比例關(guān)系。即:其中，R：應(yīng)變片原電阻值 K：比例常數(shù)（應(yīng)變片常數(shù)） ：應(yīng)變不同的金屬材料有不同的比例常數(shù)K。銅鉻合金的K值約為2，這樣應(yīng)變的測(cè)量就通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為對(duì)電阻變化的測(cè)量。表1 應(yīng)變片的參數(shù)量程（kg）3,15綜合誤差（%F.S）0.05額定輸出溫度漂移（%F.S/10）=2000蠕

8、變（%F.S/3min）0.05推薦激勵(lì)電壓（v）5-10零點(diǎn)漂移（%F.S/1min）0.05工作溫度范圍（）-10+50零點(diǎn)溫度漂移（%F.S/10）0.2過載能力（%F.S）1502.1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片hx711hx711采用了海芯科技集成電路專利技術(shù)，是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其他芯片相比，改芯片與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。 特點(diǎn)：兩路可選擇差分輸入片內(nèi)低噪聲可編程放大器，可選增益為64和

9、128片內(nèi)穩(wěn)壓電路可直接向外部傳感器和芯片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器提供電源片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器無需任何外接器件，必要時(shí)也可使用外接晶振或時(shí)鐘上電自動(dòng)復(fù)位電路簡(jiǎn)單的數(shù)字控制和串口通訊：所有控制由管腳輸入，芯片內(nèi)寄存器無需編程可選擇10Hz或80Hz的輸出數(shù)據(jù)速率同步抑制50Hz和60Hz的電源干擾耗電量（含穩(wěn)壓電源電路）：典型工作電流：1.7mA,斷電電流： 0)Weight_Shiwu = (unsigned int)(float)Weight_Shiwu/GapValue); if(Weight_Shiwu*3 1500)Flag_ERROR = 1; BEEP=0;elseFlag_ERROR = 0;B

10、EEP=1;elseWeight_Shiwu = 0;void Get_Maopi()Weight_Maopi = HX711_Read(); void Delay_ms(unsigned int n)unsigned int i,j;for(i=0;in;i+)for(j=0;j123;j+);void delay_3us() ; ; void nack_24c16() sda_24c16=1; delay_3us(); delay_3us(); scl_24c16=1; delay_3us(); delay_3us(); scl_24c16=0; sda_24c16=0;void stop

11、_24c16() sda_24c16=0; scl_24c16=1; delay_3us(); delay_3us(); sda_24c16=1; delay_3us(); delay_3us(); scl_24c16=0; void star_24c16() sda_24c16=1; scl_24c16=1; delay_3us(); delay_3us(); sda_24c16=0; delay_3us(); delay_3us(); scl_24c16=0; /*/功能：判斷應(yīng)答或非應(yīng)答/說明：通訊出錯(cuò)時(shí)標(biāo)志為1，否則為0void cack_24c16() scl_24c16=0; sd

12、a_24c16=1; delay_3us(); scl_24c16=1; flag2=0;/清除錯(cuò)誤標(biāo)志 if(sda_24c16)flag2=1; scl_24c16=0; /*/功能：發(fā)送應(yīng)答信號(hào)void mack_24c16() sda_24c16=0; scl_24c16=1; delay_3us(); delay_3us(); scl_24c16=0; sda_24c16=1;/*/功能：向24C16寫入一字節(jié)的數(shù)據(jù)void w1byte_24c16(uchar byte1) uchar i=8; while(i-) delay_3us(); delay_3us(); delay_3

13、us(); if(byte1 & 0x80) sda_24c16=1; else sda_24c16=0; delay_3us(); delay_3us(); delay_3us(); scl_24c16=1; delay_3us(); delay_3us(); delay_3us(); scl_24c16=0; byte1=1; /*/功能：從24C16中讀出一字節(jié)的數(shù)據(jù)uchar rd1byte_24c16(void)/;讀字節(jié)子程序(通用）讀出的數(shù)據(jù)存放在30H中 uchar i; uchar ddata=0; sda_24c16=1;/置IO口為1，準(zhǔn)備讀入數(shù)據(jù) for(i=0;i8;i+) ddata=1500)GapValue=00; if(GapValue=00)GapValue=70;/*/寫入數(shù)據(jù)操作void write_24c16() uchar x1,x2;write1: x1=GapValue/100; x2=GapValue%100; star_24c16();/發(fā)送啟動(dòng)脈沖 w1byte_24c16(0xa0);/寫24C16的芯片地址，高四位固定為1010，選擇第一區(qū)，寫操作 cack_24c16();/ 讀取應(yīng)答或非應(yīng)答信號(hào) if(flag2)goto write