20單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程設(shè)計水庫水位監(jiān)測裝置設(shè)計副本

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)單片機(jī)原理及接口技術(shù) 課程設(shè)計（論文）題目： 水庫水位監(jiān)測裝置設(shè)計 院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 12030 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間：2015.06.22-2015.07.05課程設(shè)計（論文）報告的內(nèi)容及其文本格式1、課程設(shè)計（論文）報告要求用A4紙排版，單面打印，并裝訂成冊2、頁邊距：上2.5cm，下2.5cm，左3cm，右2.5cm，頁眉1.5cm，頁腳1.75cm，左側(cè)裝訂；3、字體：一級標(biāo)題，小二號字、黑體、居中；二級，黑體小三、居左；三級標(biāo)題，黑體四號；正文文字，小四號字、宋體；4、行距：20磅行距；5、頁碼：底部居中，五號、

2、黑體；6、對圖題和圖中文字要求：圖題是5號黑體，在圖的下方居中圖中文字是5號宋體，參照圖2.17、對表題和表中文字要求：表題是5號黑體，在表的上方居中表中文字是5號宋體，參照表2.1課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室： 學(xué) 號 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 課程設(shè)計（論文）題目水庫水位監(jiān)測裝置設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)該測量裝置用于水庫水位的檢測與預(yù)報，可實時顯示測量結(jié)果。連接1只液位傳感器，量程達(dá)5米，測量精度達(dá)1厘米，有上限報警和消音功能（閾值可自定設(shè)定）。 設(shè)計任務(wù)：1選擇液位傳感器及其接口電路設(shè)計2. CPU最小系統(tǒng)設(shè)計（包括CPU選擇，晶振電路，復(fù)位電路）3. 報警、顯示及

3、按鍵電路設(shè)計4. 程序流程圖設(shè)計及程序清單編寫技術(shù)參數(shù)：1連接1只液位傳感器，量程達(dá)5米，測量精度達(dá)1厘米，閾值可自定設(shè)定2工作電源220V設(shè)計要求：1、分析系統(tǒng)功能，選擇合適的單片機(jī)及傳感器，模擬量檢測電路設(shè)計等；2、應(yīng)用專業(yè)繪圖軟件繪制硬件電路圖和軟件流程圖；3、按規(guī)定格式，撰寫、打印設(shè)計說明書一份，其中程序開發(fā)要有詳細(xì)的軟件設(shè)計說明，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的工作過程，字?jǐn)?shù)應(yīng)在4000字以上。進(jìn)度計劃第1天 查閱收集資料第2天 總體設(shè)計方案的確定第3-4天 CPU最小系統(tǒng)設(shè)計第5天 選擇液位傳感器及其接口電路設(shè)計第6天報警、顯示及按鍵電路設(shè)計第7天 程序流程圖設(shè)計第8天 軟件編寫與調(diào)試第9天 設(shè)計說

4、明書完成第10天 答辯指導(dǎo)教師評語及成績 平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要目前國內(nèi)許多水文站監(jiān)測水位仍采用人工方法。該方法不但存在測量的人身安全問題，而且還存在數(shù)據(jù)測量不夠準(zhǔn)確、監(jiān)測實時性不強(qiáng)等問題。為了實時準(zhǔn)確的監(jiān)測水位，本文設(shè)計了單片機(jī)控制的水位監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由中央處理器、報警、顯示、按鍵電路組成，能夠?qū)崿F(xiàn)水位實時監(jiān)測顯示，并能對超過警戒線上的水位進(jìn)行報警。在對該方案進(jìn)行細(xì)化的過程中，對各功能模塊的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計作了具體的描述,它們包括CPU最小系統(tǒng)，液位傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器，輸入輸出

5、接口電路。在軟件方面給出了流程圖和程序清單。關(guān)鍵詞：51單片機(jī)；A/D轉(zhuǎn)換；水位傳感器；目 錄第1章 緒論11.1 水庫水位監(jiān)測裝置設(shè)計概況11.2 本文研究內(nèi)容1第2章 CPU最小系統(tǒng)設(shè)計22.1 水庫水位監(jiān)測裝置總體設(shè)計方案22.2 CPU的選擇22.3 數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展42.4 復(fù)位電路設(shè)計42.5 時鐘電路設(shè)計52.6 CPU最小系統(tǒng)圖6第3章 水庫水位監(jiān)測裝置輸入輸出接口電路設(shè)計63.1 液位傳感器的選擇63.2 水庫水位監(jiān)測裝置檢測接口電路設(shè)計73.1.1 A/D轉(zhuǎn)換器選擇73.1.2 模擬量檢測接口電路圖73.2 水庫水位監(jiān)測裝置輸出接口電路設(shè)計83.3 人機(jī)對話接口電路設(shè)計9第4

6、章 水庫水位監(jiān)測裝置軟件設(shè)計104.1 軟件實現(xiàn)功能綜述104.2 流程圖設(shè)計104.2.1 主程序流程圖設(shè)計104.2.2 模擬量檢測流程圖設(shè)計114.3 程序清單12第5章 系統(tǒng)設(shè)計與分析145.1 系統(tǒng)原理圖145.2 系統(tǒng)原理綜述145.3 硬件仿真圖155.4 軟件調(diào)試結(jié)果15第6章 課程設(shè)計總結(jié)16參考文獻(xiàn)17第1章 緒論1.1 水庫水位監(jiān)測裝置設(shè)計概況 在水利工程中，水庫水位測量一直是水文、水利部門的重點。如果沒有提前進(jìn)行有效的水位監(jiān)測，則在遇到洪水、臺風(fēng)等異常天氣狀況下，因水位達(dá)到警戒線而造成江堤決口，大水沖毀堤壩等惡性事故時有發(fā)生，由此給國家和人民生命財產(chǎn)帶來巨大的損失，因此

7、需要設(shè)計一種自動監(jiān)測儀器。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,我國的監(jiān)測儀器已具有了一定的研究、開發(fā)和生產(chǎn)力,從行業(yè)生產(chǎn)水平和專業(yè)化等方面來看，于發(fā)達(dá)國家相比還存在一定的差距，國產(chǎn)水位監(jiān)測儀器主要有浮筒式水位儀、壓力傳感器式水位儀、超聲波式水位儀等，但這些儀器設(shè)備昂貴，操作步驟復(fù)雜，質(zhì)控程序繁瑣，基于此情況本設(shè)計設(shè)計了一套相對簡單的實時自動檢測水庫水位的裝置，該裝置能實時監(jiān)測水庫的水位并通過LED顯示屏顯示出來，對超過警戒的水位情況進(jìn)行報警，給運行維護(hù)人員提供管理依據(jù)，提高水庫的安全性。1.2 本文研究內(nèi)容本論文主要研究水庫水位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，對5米以內(nèi)的水庫水位要實現(xiàn)水位報警和水位實時顯示功能，設(shè)計主

8、要是通過液位傳感器將檢測來的液位高度轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換把電壓變成數(shù)字量傳入單片機(jī)，單片機(jī)將傳來的數(shù)據(jù)通過顯示電路進(jìn)行顯示輸出，顯示精度要達(dá)到1厘米。通過鍵盤管理人員可以自由設(shè)定報警閥值，超過閥值的情況要通過報警電路進(jìn)行有報警，同時報警電路還具有消音功能。第2章 CPU最小系統(tǒng)設(shè)計2.1 水庫水位監(jiān)測裝置總體設(shè)計方案 本設(shè)計方案的過程原理圖如圖2.1，通過液位傳感器完成水位的測量，再通過放大器將液位傳感器檢測來的低壓信號進(jìn)行放大，A/D轉(zhuǎn)換器將模檢測的模擬量電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)將檢測來的數(shù)字信號進(jìn)行分析處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，分別通過信號控制LED對水庫水位實時顯示，報警系統(tǒng)

9、對超出警戒水位的情況進(jìn)行報警，提醒運行人員。 報警系統(tǒng) LED顯示 單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器液位傳感器 圖2.1過程原理圖2.2 CPU的選擇 本設(shè)計選擇的單片機(jī)型號為89C51,89C51片內(nèi)有4KB的FlashROM程序存儲器，128B的數(shù)據(jù)存儲器，可擴(kuò)展的外部數(shù)據(jù)和程序存儲均為64KB，基本結(jié)構(gòu)由八部件組成即中央處理器，輸入/輸出接口，可編程串行口，定時/計數(shù)器，中斷系統(tǒng)，特殊功能寄存器。下面按引腳功能分四個部分進(jìn)行介紹。 芯片共有40個引腳。 1、主電源引腳（2根） VCC(Pin40)：電源輸入，接5V電源。 VSS(Pin20)：接地線。 2、外接晶振引腳（2根） XTAL1(Pin19

10、)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端。 XTAL2(Pin18)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端。 3、控制引腳（4根）RST(Pin9)：復(fù)位引腳引腳上出現(xiàn)2個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號。 PSEN(Pin29)外部存儲器讀選通信號。 EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。4、可編程輸入/輸出引腳（32根） AT89S51單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。每一根引腳都可以編程， PO口（Pin39Pin32）

11、：名稱為P0.0P0.7，8位雙向三態(tài)I/O口，當(dāng)不做外部擴(kuò)展時，8位準(zhǔn)雙向I/O口線，在訪問外部存儲器時，可分時用作低八位地址線和8位數(shù)據(jù)線。 P1口（Pin1Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0P2.7，在訪問外部存儲器時，它送出高八位地址。 P3口（Pin10Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0P3.7，這八個管腳都有自己的第二功能，構(gòu)成控制總線的一部分。89C51的引腳如圖2.2 圖2.2 51單片機(jī)的引腳分布圖2.3 數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展 89C51片內(nèi)有128B的RAM存儲器，在實際運

12、用中不夠，需要利用51單片機(jī)的擴(kuò)展功能進(jìn)行外部數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展，本擴(kuò)展采用的是6116數(shù)據(jù)存儲器，6116是2K*8位靜態(tài)隨機(jī)存儲器，采用COMS工藝制造，單一+5V電源供電，讀出時間最大為200ns，89C51的數(shù)據(jù)擴(kuò)展如圖2.3。圖2.3 數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展2.4 復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位操作可以使單片機(jī)初始化，也可以使死機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動，因此非常重要。本設(shè)計采用的是按鍵電平復(fù)位，在保證RESET引腳上提供10ms以上的高電平就能使單片機(jī)可靠復(fù)位，它還可以通過按鍵實現(xiàn)復(fù)位，按下按鍵后，通過R1和R2形成回路，使RESET端產(chǎn)生高電平。復(fù)位電路如圖2.4圖2.4 復(fù)位電路原理圖2.5 時鐘電路設(shè)

13、計 計算機(jī)工作時，是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一拍一拍地進(jìn)行的，這個脈沖就是由時鐘電路產(chǎn)生的，外接晶振，C1，C2值都是30pf，晶振頻率為024MHZ.時鐘電路原理圖2.5圖2.5 時鐘電路圖2.6 CPU最小系統(tǒng)圖CPU最小系統(tǒng)由CPU,74LS373鎖存器，6116組成，CPU最小系統(tǒng)如圖2.6 圖2.6 CPU最小系統(tǒng)圖第3章 水庫水位監(jiān)測裝置輸入輸出接口電路設(shè)計3.1 液位傳感器的選擇液位傳感器有壓力式液位傳感器，超聲波液位傳感器，溫度液位傳感器，但這些傳感器本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)計成本高，所以本設(shè)計采用筒式電容傳感器采集液位的高度。主要利用其兩電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化，從

14、而引起對應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測量。當(dāng)電容量發(fā)生變化時通過傳感器測量電路將輸出不同的電壓值，從而不同的液位高度將對應(yīng)不同的電壓值，實現(xiàn)了液位與電壓這個模擬量之間的聯(lián)系。液位傳感器的測量電路如圖3.1圖3.1 液位檢測電路3.2 水庫水位監(jiān)測裝置檢測接口電路設(shè)計3.1.1 A/D轉(zhuǎn)換器選擇 本設(shè)計采用的轉(zhuǎn)換器為ADC0809轉(zhuǎn)換器。ADC0809是8位逐次比較式CMOS A/D轉(zhuǎn)換器，它是目前最流行的中速廉價型產(chǎn)品之一。片內(nèi)有多路模擬開關(guān)及通道地址譯碼及鎖存電路，可對多路模擬信號進(jìn)行分時采集及轉(zhuǎn)換，片內(nèi)配置了三態(tài)輸出數(shù)據(jù)緩沖器，提供了與微處理器兼容接口，最大不可調(diào)誤差小于正負(fù)1LSB。3.1

15、.2 模擬量檢測接口電路圖 模擬量檢測接口電路如圖3.2，它由CPU，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器和液位檢測電路組成。 圖3.2 模擬量檢測接口電路3.2 水庫水位監(jiān)測裝置輸出接口電路設(shè)計 報警電路如圖3.3當(dāng)89C51的P2.0輸出高電平時，表示水位高出警戒值，此時蜂鳴器報警。圖3.3 報警電路3.3 人機(jī)對話接口電路設(shè)計人機(jī)對話接口電路是由鍵盤和顯示器組成，能實現(xiàn)水位的顯示和設(shè)定報警水位，鍵盤電路如圖3.4，顯示電路如圖3.5 圖3.4 鍵盤電路圖 圖3.5 顯示電路圖第4章 水庫水位監(jiān)測裝置軟件設(shè)計4.1 軟件實現(xiàn)功能綜述 本設(shè)計是通過水位傳感器以電壓模擬量來表示水位的高度，將電壓這個模擬量

16、通過模數(shù)轉(zhuǎn)換變成單片機(jī)能識別的數(shù)字量，單片機(jī)通過軟件對數(shù)字量進(jìn)行顯示從000500單位是厘米。但水位超過設(shè)定的警戒值時，由P2.0驅(qū)動報警電路進(jìn)行報警，從而實現(xiàn)水位的實時監(jiān)測和水位過量的報警輸出。4.2 流程圖設(shè)計4.2.1 主程序流程圖設(shè)計 主程序要完成對模擬信號的檢測計算，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，通過LED輸出電路對采集來的液位進(jìn)行實時的顯示，并判斷液位是否超出了警戒值，如果超出了警戒值，將產(chǎn)生信號驅(qū)動報警電路報警。如果有停止檢測信號產(chǎn)生，主程序?qū)⑼Ｖ构ぷ?。主程序流程圖如圖4.1 LED液位顯示 開始 LED初始化 液位計算液位.設(shè)定值？ 產(chǎn)生報警信號 結(jié)束停止檢測信號？圖4.1 主流程圖4.2.2

17、 模擬量檢測流程圖設(shè)計模擬量檢測，通過水位的不同使液位傳感器的電容值不同，從而模擬量檢測電路產(chǎn)生的電壓值不同，再通過A/D轉(zhuǎn)換器把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而實現(xiàn)不同液位對應(yīng)不同的數(shù)字量，模擬量檢測流程圖如圖4.2A/D轉(zhuǎn)換液位高度電壓信號89C51圖4.2 模擬量檢測流程圖4.3 程序清單A/D轉(zhuǎn)換程序清單：START: MOV R0，#30H MOV R6，#08H MOV R7, #08H CONV1: MOV DPTR, #7FF8H CONV2: MOVX DPTR, A MOV R5, #0AH DLX: DJNZ R5, DLX WAIT: JB P3.3， WAIT MOVX

18、A, DPTR MOV R0， A INC R0 INC DPTR DJNZ R6， CONV2 MOV R6， #08H DJNZ R7， CONV1 ACALL DATADSP LJMP START 初始化程序： MOV SP，#60H MOV P2，#11011011B MOV TIMER，#50 顯示程序：DIR： MOV R0, #7AH MOV R3, #01H MOV A, #00H MOV R1,#BITPORT MOV R1, A LDl： MOV A, R0 MOV DPTR, #DSEG MOVC A, A+DPTR MOV R1, #SEGPORT MOVX R1, A

19、 MOV R1, #BITPORT MOV A, R3 MOVX R1, A LCALL DELY s INC R0 JB A.3, LD2 RL A MOV R3, A SJMP LD1 LD2: RET報警程序：SND: SETB P2.0 MOV R7, #1EH DL: MOV R6, #0F9HDL1: DJNZ R6, DL1 DJNZ R7, DL CLR P0.0 RET第5章 系統(tǒng)設(shè)計與分析5.1 系統(tǒng)原理圖圖5.1 系統(tǒng)原理圖5.2 系統(tǒng)原理綜述根據(jù)具體的原理電路圖綜述本次設(shè)計所要完成功能的原理。 水庫水位自動監(jiān)測裝置要完成水庫水位的實時檢測并顯示輸出，并對超出警戒值得水位

20、進(jìn)行報警，對水位的檢測本設(shè)計采用的是電容式的液位傳感器，當(dāng)水位變化時電容值發(fā)生變化從而產(chǎn)生電壓的變化，再通過A/D轉(zhuǎn)換把電壓信號變成數(shù)字量送入單片機(jī)中，單片機(jī)將對數(shù)字量進(jìn)行計算和分析，將液位顯示在LED顯示屏中，通過報警電路對超過警戒值得水位進(jìn)行報警?？紤]到對水位進(jìn)行實時檢測產(chǎn)生的數(shù)字量比較大，本設(shè)計對89C51的數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行了擴(kuò)展。擴(kuò)展采用的芯片是6116，從而本設(shè)計功能更加完善了。5.3 硬件仿真圖根據(jù)具體的原理電路圖進(jìn)行仿真。5.4 軟件調(diào)試結(jié)果利用匯編軟件進(jìn)行調(diào)試匯編，并驗證結(jié)果。第6章 課程設(shè)計總結(jié)對所設(shè)計內(nèi)容、方法、取得的效果、問題的解決方案等方面作技術(shù)方面的總結(jié)。本文主要介紹了89C51單片機(jī)在水庫水位監(jiān)測中的應(yīng)運，通過液位傳感器把水位高度轉(zhuǎn)換成電壓，再通過A/D轉(zhuǎn)換器把電壓這一模擬量變換成單片機(jī)能識別的數(shù)字量，單片機(jī)通過軟件和硬件電路把液位給顯示出來，并把超過