基于单片机的水箱液位监测控制系统设计.doc

摘 要 液位监测系统在很多的地方都会用到 例如在工厂的生产当中 液位控制 是否得当就会影响生产产品的质量和美观 在生活当中 我们离不开水的利用 常常需要对水箱或水塔水位的监测 液位监测系统也与我们的生活息息相关 它关系着我们生活的品质和效率 所以我们要对液位进行连续的监测和控制 本文的设计的是利用 AT89C51 单片机实现对水箱液位监测 通过分析领域 条件下 在其系统中通过液位变送器获取信息 4 20mA 其采集电流太小而 不容易测量 所以需要用放大电路对其放大 通过处理后 由模数转换变换为 二进制数传入单片机 它可以对数据进行实时的处理 并在本文的软件设计当 中介绍了本次系统的电路原理图和软件编写时所需的流程图 然后通过显示电 路把采集到的液位高度值显示给我们 最后通过 Keil C51 软件编写出本次系统所需要的程序 同时在 Proteus 软件 里进行仿真 实现了对液位监测 通过该设计的运用 满足了间接测量 自动 的控制及其管理的目的 关键词 单片机 液位控制 Proteus 仿真 Abstract Liquid level monitoring system are used in many places such as in the production of the factory liquid level control properly will affect 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 continuously 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 so 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 compiling 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 can meet the indirect measurement and the purpose of the control and management Keywords SCM liquid level control Proteus simulation 目 录 第一章 绪 论 1 1 1 课题研究目的及意义 1 1 2 国内外研究及发展现状 1 1 3 课题研究方案 2 第二章 液位检测技术及工作原理 4 2 1 液位检测技术的概述和传感器种类 4 2 2 传感器选型及其工作原理 5 第三章 系统的硬件电路设计 7 3 1 单片机 7 3 2 前置放大器电路 8 3 3 A D 转换器电路 9 3 4 晶 振 11 3 5 看门狗电路 12 3 6 键盘电路 13 3 7 显示电路 14 第四章 软件设计 16 4 1 软件结构流程图 16 4 2 显示计算 17 4 3 PROTEUS仿真及结果 17 第五章 总 结 19 参考文献 20 谢 辞 27 0 第一章 绪 论 在现代化的生产中的每个生产细节中都会运用到对水位高低的监测 随着 技术的发展 我们对它的精度要求也越来越高了 而且还要适应于不一样的环 境里面 例如高温 高压 强腐蚀等环境 其中它的精度也影响着工业生产的 质量 所以液位监测控制系统对于我们工业生产当中起着很大重要的作用 对 这个系统的研究也慢慢的得到我们重视 液位的监测和控制是以物理学 控制 理论 电子技术 硬件所结合的一门自动化技术 也是随着适应现代工业生产 而运应而生的产物 自从计算机技术在二十世纪九十年代在我国得到很快的发展之后 性能不 断提高 计算机技术也广泛的运用于我国工厂的生产里面 使我们国家的工业 生产省出很多人力和生产出的产品更加优质 同时随着科学技术的发展 一些 高精度的液位变送器也随之出现 增强了我们对液体的测量水平 例如本文介绍的单片机技术在大规模集成电路的发展后 单片机技术变得 更加的完美 它具有强大的应用手段 低成本 体积小等特点 其强大的性价 比和便宜的控制手段吸引着越来越多的客户 计算机的发展也提供给我们更多 的控制方式 同时也提高了控制的效率和精度 1 1 课题研究目的及意义 本课题来自于现实的生产当中 液位是各个行业生产中很重要的被控参数 在实际生产中 监测与控制的精度直接关系着我们的生产水平 成本 经济收 益和设备的安全系数 那么 对液位监测系统的研究和开发在生产当中就显得 非常的重要和关键 本课题是基于单片机实现对水箱里水的高度的控制 不仅 对于工厂各种环境有着很好的适应性 而且还能进行远距离传输 随时对液位 进行计算机控制 这样很大程度上减小人工方法的失误 同时也提高在工厂生 产过程里的安全性和效率 而且也能对液位这个参数也能进行了精确且智能的 监测 1 2 国内外研究及发展现状 液位监测控制系统在我国虽然起步比较晚 但是随着我国经济的快速发展 1 国家增加了各个基础行业的金钱投入 相应的技术也得到了很大的发展 例如 在上海星伸仪表有限公司生产的 UYB 2000 系列射频电容物位计 不仅测量液体 变化的精度达到 而且探头的对温度 压力适应范围也非常的大 同时 其变送器在工作当中能够正常使用在电导率不低于 10 3s m 的工作环境当中 其功能非常的强大 另外在上海自动化仪表五厂所生产的 UYZ 5002 电容式液位 变送器 RF 9400 型物位计也相当的出色 量程精度能够达到 0 3 0 5 通过 并达到国际测试的各项指标 在国际上取得承认 目前 我们国家的变送器的 市场集中度较高 主要技术都聚集在北上广等发达城市 但是在整个市场来说 占主导地位的是以美国 DREXELBROOK 公司 日本松岛等公司为代表的国外品牌 产品 据统计 全世界的工厂正在使 DREXELBROOK 公司的液位传感器达到三万 多个 与这些发达国家相比 他们起步早 资金雄厚 在早期积累了很多各个 方面的经验 例如在美国 在早期就投入大量的资金和人力 现在生产出的变 送器不仅功能完善 性能可靠 自动化程度高 而且相对国内精度高上许多 在美国的 DREXEALBROOK 公司研发 Universall 液位变送器精度达到 0 1 量程 达到 3000pF 并且能够通过通信协议与其他的变送器仪表组成网络 实现整体 的控制 1 近些年来 经过一些科研人员的不懈努力 技术得到不断的提高和成本的 下降 使我国的产品在国际上市场的份额也越来越高 从 2005 年的 19 左右提 高到 41 左右 同时我国经济的飞速发展 刺激着工业自动化的增长 给变送 器行业提供了更大的舞台 液位检测控制技术在未来的工业发展当中一定会朝 着高精度 集成化的发展 除了能消除粉尘 强腐蚀等恶劣环境对检测的影响 外 还要能实现通讯协议更加齐全 稳定性越来越高等 1 3 课题研究方案 研究方案如图 1 1 所示 在这个系统中用到的是以 AT89C51 单片机为控制 基础 其外围有信号采集 处理 显示等组件 其具体的研究方案为液位变送 器在 0 10m 内进行连续测量 并且要求测量精度达到 0 5 当液位发生变化 时 液位变送器可将液位的变化线性的转成 4 20mA 的直流信号送入前置运算 放大电路中 经过前置运算放大电路对直流信号进行处理 使 4 20mA 的电流 线性的转变为 0 5V 的电压 然后通过 A D 转换器把液位变送器采集到的数据转 2 化成系统可识别的二进制数字 并在系统中设计复位 晶振 键盘以及显示等 电路与单片机相连接 其中复位电路是在运行故障时进行复位 使系统恢复正 常的工作 在整个系统的工作当中需要晶振提供工作时所需的脉冲信号 经过 一系列的计算之后 把变送器采集到的液位高度以数字的方式表现到 LED 显示 屏中 其中键盘电路可以在系统的运行当中设置参考液位值 并能够实现功能 的切换和加减的操作 从而达到对水高度变化的连续监测 并把监测到的高度 数值显示到显示数码管上 图 1 1 系统结构框图 3 第二章 液位检测技术及工作原理 2 1 液位检测技术的概述和传感器种类 液位检测是对被测液体的变化量进行监测 它应用于各个行业当中 其液 位都是不可或缺的参数 液位高度及变化要被记录下来 以保证生产当中的安 全和产品的质量 所以在企业当中 需要对液位的监测及控制 目前 为了适用于各种环境和需求的精度 国内外研究出很多方法和产品 大致有以下的几种方法 1 压力式液位传感器 压力式液位传感器是采用静压测量的原理 它的测量方法可以分为差压法 和压力法 差压法是适用于在密闭的容器中 因为在密闭的容器中或多或少都 会保留住气体 那么这些被保留在容器里的气体的压力会随着液位的变化发生 改变 然而在敞口的容器中 大多都是采用压力法 不同的液位会给传感器正 面不同的压力 受到的压力会被导气不锈钢管传入正压室 其中大气压被传入 负压室 以此来背面受到的压力就会被消除 压力式传感器被使用的时候 其 被测介质的密度必须要保持均匀 否则会很大的影响测量的精度 其中压力式 传感器的功能特点是经济耐用 安装简便 寿命长等特点 在使用时稳定性好 安装的时候接反后它也不会被损害 因为它可以自动的把电流控制在一定范围 之内 2 超声波液位传感器 超声波普遍运用于工业中的贮存容器 如玻璃钢罐 污水储罐等腐蚀性强 的被测介质当中 它是利用超声波反射的原理来对介质进行测量的 当发射出 去的超声波遇到介质反射回来后通过计算往返是时间来得出被测介质的高度 它的工作性能指标与工作的实际环境有关系 当一些温度不一样时 需要对其 进行一些温度补偿 并且在一些高温 高压等的场合中 超声波也不能很好的 4 进行检测 所以超声波检测出来的测量信号可靠性不是很好 但是由于超声波 在液体和固体的穿透力很大 这种类型的传感器还在是在军事 医疗等行业中 被普遍的运用 3 雷达式液位传感器 该类型传感器与上述的传感器有很多类似地方 它是运用发射出的电磁波 来测量物位的高度 可以用在有毒的环境当中 在测量时无需在容器上开孔 但是雷达式液位传感器信号处理非常复杂 造价也非常昂贵 所以限制了雷达 传感器的发展 4 电容式液位传感器 这种传感器是根据电容感应原理 它是使用金属棒插入被测介质当中去 金属棒和容器壁作为两个级 当液体高度产生改变的时候就会促使两个级之间 电容的改变 它主要由液位传感器 发射机和隔离电路构成 实现物理输入转 变为相应的电信号输出 实现非电转换 该类型传感器在使用时需要被测介质 保持电介质相同 在温度变化的环境中需要对其进行温度补偿 它在一些具有 腐蚀性介质 高压等环境中能够正常使用 并且其造价低 安装简单 2 2 2 传感器选型及其工作原理 在本次设计里面采用上海星伸仪表有限公司生产的 UYB 2000P 型电容液位 变送器 该变送器不仅精度很高 干扰对其影响小以及功能牢靠等优点外 而 且与传统的变送器相比它的线性度好 温度漂移小等优点 其测量原理是运用 电容量的变化来测量液体的具体位置 电极和容器的金属壁构成一个电容 如 果所测量介质的容器壁为塑料等材料或 容器壁为不规则时需要采用辅助电极来 测量 变送器在工作的时候的原理是运 用一定的频率电压进行激发 如果被测物的介质导电常数一致的时候 所流过 的电流会随着液体高度的变化而发生改变 4 20mA 其结构原理图如图 2 1 所 示 5 图 2 1 结构原理图 其测量原理是 2 01 0 0 ln 2 RR L C 1 2 0101 0 ln 2 ln 2 RR H RR HL CH 2 2 01 0 0 ln H 2 RR CCC H 3 其中是测量水位高度是 H 0 时的电容量 为检测的时候水的具体高 0 C H C 度位置的电容量 是测量液体高度变化后的电容值 是容器里空气的介C 0 质常数 为被测液体的介质常数 单位为 为导线和容器壁之间的半 径 为导线的半径 由公式 2 1 2 2 2 3 可知 是恒定 不变的参数 那么电容的变化量是随着 H 的变化而发生变化 是呈线性的关 系 由此在这次的设计系统的工作中 只要得出电容值的变化便能测量出液位 的具体高度 3 6 第三章 系统的硬件电路设计 3 1 单片机 在本次的系统中采用 AT89C51 单片机 它是一种用在低压情况下性能十分 强大的八位的微型计算机 由美国公司所制造出来 它和工业标准的指令集及 管脚相兼容 它可以灵活运用于各个需要控制的地方当中 在本次的设计中它 的工作是对数字量进行处理 并通过与它外接的显示电路把检测到的液位显示 出来 另外 它还外接晶振电路 复位电路 键盘电路构成的最小系统 在设 计时它的 P0 口与显示电路相接 由于 P0 口它的电流过小 所以在设计时需要 接一个上拉电阻 其引脚功能及电路图如图 3 1 7 图 3 1 AT89C51 引脚及电路图 如上图所示 它具有三十二个可编程的输入输出接口 一个全双工串行口 两个十六位字时 计数器 五个中断源 并具有控制能力较强的处理器 它的寻 址范围是 64K 它的工作特性是寿命长 1000 写 擦循环 数据可保留 10 年 全静态工作是 0Hz 24MHz 在工作时需要提供 5V 的电压 拥有三级加密程序 存储器 其具体的端口功能说明如表 3 1 所示 表 3 1 引脚功能 P0 口它是具有八位的 IN OUT 接口 是双向的 在输送数据的时候 需要写 1 并 且是高阻抗输入 它输出的每一位都可以带动八个逻辑门电路 P1 口具有八位两个方向的 IN OUT 接口 它里面有一个上拉电阻器 在用作输入时候 需要写 1 那么它里面的那个上拉电阻器就会把端口拉到高并会在某一个脚的 外面的信号变低后输出 如果它在用作输出的时候它吸取电流可以带动 4 个门 电路 P2 口具有八位两个方向的 IN OUT 接口 它里面有一个上拉电阻器 在用作输入时候 需要写 1 那么它里面的那个上拉电阻器就会把端口拉到高并会在某一个脚的 外面的信号变低后输出 如果它在用作输出的时候它吸取电流可以带动 4 个门 电路 P3 口具有八位两个方向的 IN OUT 接口 它里面有一个上拉电阻器 在用作输入时候 需要写 1 那么它里面的那个上拉电阻器就会把端口拉到高并会在某一个脚的 8 外面的信号变低后输出 如果它在用作输出的时候它吸取电流可以带动 4 个门 电路 RST 它是一个复位端口 ALE PROG 外部程序或数据被访问的时候 ALE 会输出一个脉冲存住地址的低八位 bit 并跳过 一个信号 就算在不访问外部储存器的情况下 ALE 这个端口也能输出一个以 1 6 频率的脉冲 PSEN 它在输出两个脉冲时有效 其是对外部的程序读取指令时的一个信号 当是外部 数据被访问的时候 信号不会被产生出来 EA VPP 当要被访问时必须要经过它的允许 例如在一般情况下会把 EA 与地相接 因为在 EA 端保持低电位时 CPU 就可以访问的地址为 0000H FFFFH XTAT1 晶振输入端 XTAT2 晶振输出端 在 AT89C51 单片机中 P3 口除了作为一个可编程的输入输出接口外还有另 外一个非常重要的作用 其 P3 口另外一个作用如表 3 2 所示 表 3 2 P3 口第二功能 P3 0 串行输入口 P3 4 定时 计数器 0 P3 1 串行输出口 P3 5 定时 计数器 1 P3 2 中断 0 P3 6 写数据选通 P3 3 中断 1 P3 7 读数据写通 3 2 前置放大器电路 在本次设计中采用的是 LM358 运算放大器 它在传感器放大 工业控制等 场合中是我们常常用到的双运放放大器 在双电源或单电源时都能够对它正常 的适用 其引脚功能图如 3 2 所示 它具有 2 个输出 4 个输入 1 个电源 1 个接地 8 个引脚 图 3 2 LM358 引脚功能图 LM358 它的参数由表 3 3 所示 表 3 2 LM358 参数 基极直流 45nA 输入电压 1 5V 9 失调电流 50nA 共模抑制比 80d 失调电压 2 9mA 电源抑制比 100dB 在本次系统的设计中由 LM358 所构成的前置运算放大电路是把电容式变送 器所采集到的液位信息 4 20mA 经过 260 的电阻转变为 0 5V 的电压 其 电路图如图 3 3 所示 LM358 里的输出端与模数转换的 ANALOPG IN 相连接 图 3 3 前置放大器电路 3 3 A D 转换器电路 A D 转换器又叫模数转换器 在这里它是实现把电压值变为单片机能识别 的二进制信号 随着技术的发展 大量功能各异的模数转换器也相应的被研发 出来 根据它的工作特性可将其为直接型和间接型 在本次系统中采用的是 10 位串行输出 逐次比较型的模数转换器 TLC1549 它具有两个数字输入端 一 个片选 CS 1 个 I O CLOCK 端口 1 个 DATA OUT 输出口 其最大误差仅为 4 8mV 在工作时具有 6 个工作模式 其中四个快速模式和两个慢速模式 其 中模式一是最常用的工作模式 它是 10 个时钟周期转换并且片选为高 其具体 的引脚功能图如图 3 4 所示 图 3 4 TLC1549 10 TLC1549 在工作当中有四种工作模式 在本次设计中 TLC1549 采用模式一 模式一为快速工作模式 在这个工作方式当中片选变为高电平 在连续一段时 间里每次传输的总是十个时钟脉冲 DATA OUT 会随着片选的开始和结束脱离或 恢复到高阻态 在 DATA OUT 恢复到高阻态时是在固定的时间内 其中 在片 选上升沿禁止 I O CLOCK 端需要一个启动时间和两个内部系统时钟周期 4 其时 序图如图 3 5 所示 图 3 5 TLC1549 模式一时序图 在这个模块电路设计如图 3 6 其中 TLC1549 中片选 CS 端连接到 P1 0 口上 在数据输出时片选 CS 为高电位 当片选 CS 从高电位变为低电位时 器件回到初始的状态 但是在输出寄存器中仍然保存得有上次的结果 I O CLOCK 端口连接单片机 P1 1 端口上 在软件编程时会使系统产生一个时钟信号 数据输出段 DATA OUT 连接在 P1 2 口上 经过前置运算放大器处理后的 0 5V 电压与 ANALOG IN 端相连接 11 图 3 6 A D 转换电路图 上图中运用 LM336 5 与 TLC1549 相连接 其 LM336 功能引脚图如图 3 7 所 示 LM336 5 内部是一个恒压源电路 它与 TLC1549A D 转换器的 REF 引脚和 REF 引脚并连 它为 TLC1549 提供一个 5V 的基准电压 基准电压其功能是为 A D 转换提供了一个绝对电压 和输入的值相比较以确定适当的数字信号输送 图 3 7 LM336 5 3 4 晶 振 其设计的电路如 3 8 图所示 与单片机的晶振输入端和输出端相连接 它 是由两个电容和一个振荡器构成 其工作原理是在把交变电压施加到晶片上时 晶片会因为机械变形而震动 而晶片的震动也会产生交变的电压 在这种变化 在物理中我们称作是压电效应 单片机工作时必须要有它所提供的脉冲信号 这个信号决定系统工作的速度 在本次设计的系统中设计了一个符合 AT89C51 单片机标准的晶振频率 12MHz 12 图 3 8 晶振 3 5 看门狗电路 在使用单片机工作过程中 往往受到一些条件的干扰而发生程序读取错误 出现死循环等死机的情况 这种情况出现时会导致系统无法正常工作或者更加 严重的后果 那么 在系统运行时就需要一个 看门狗 来使系统出现不正常 工作时进行重置 看门狗 工作原理是系统正常工作的时候会向它输送一个脉 冲 当单片机死机时 则不会向它输送脉冲 那么 看门狗 就会发送一个信 号 让工作恢复正常 在本次设计中的 看门狗 是以 IMP813 芯片为核心 IMP813 芯片在电路中起着计数器重定的工作 假如在 1600ms 内 看门狗 定时器没有被触发 那么 IMP813 引脚 WDO 将会输出一个低电位 其具体设计 的复位电路可以分为 1 上电复位 上电复位的信号是由触发器产生 在产生时 它会对这个 脉冲计时 当计时到达 0 14 秒后就会由复位发生器输送一个信号 这个信号就 会让复位信号无效 若当电压小于 4 63V 那么产生的这个脉冲则会使复位信号 发生作用 2 手动复位 IMP813 的 MR 引脚与地相连 这个引脚在与地相接不超 过时会就会有一个复位过程 3 自动复位 自动复位是 IMP813 芯片的 WDI 的端口在 1600ms 内没有 被触发 则 WDO 引脚就会从高电位变为低电位 时间持续到 140ms 以上时 系统就会收到一个由 IMP813 芯片产生的复位脉冲 在电路中 WDO 端口与 MR 端口相连接 IMP813 中 RST 端口与单片机中的复位端口相连接 WDI 端口与单 13 片机的端口相连接 系统在正常工作时端口会不断的输出脉冲 软件 中实现 如果发生单片机死机时 那么引脚 P2 7 就会没有脉冲输出 使 IMP813 的 WD 在 1 6s 产生低电平产生复位信号 5 具体复位电路由图 3 9 所示 图 3 9 IMP819 电路设计 3 6 键盘电路 如图 3 10 所示 在本系统中采用三个独立键盘实现功能的切换和上下限加 减的设置 其 SW1 SW2 SW3 分别于单片机 P2 2 P2 1 P2 0 相连接 图 3 10 键盘 键盘有两种类型 一种是编码的按键 另一种是非编码的按键 其中非编 码按键是通过指令编程来实现它的具体功能 在单片机的使用中 我们都是使 14 用的是非编码的键盘 键盘与单片机之间是为线与的关系 在软件编程过程中 需注意按键的消抖 以保证按键能正常的操作 3 7 显示电路 在单片机的显示电路中常常用到 LED 数码管显示 和 LCD 液晶显示 然而由于 LED 显示寿命长 结构简单 耗能小等特点而被广泛的运用在各个行 业之中 如图 3 11 所示 LED 数码管为 8 段码数码管 其 8 段为 a b c d e f g DP 在 8 段的数码管当中它具有 10 个端口 每个对其 显示段都与其端口相对应 除了控制显示段的 8 个端口外还有两个公共端 KK 或 AA 在我们用到的 LED 显示中 接线方式无非是共阳极就是共阴极 共阳 极是把正极连接在一起 用负极来控制其亮灭 其共阴极接法与共阳极接法相 反 图 3 11 LED 数码管 在本设计中采用共阴极接线方式 并实现动态显示 这种显示效果和电视 的显示原理相同 其是利用在短时间内快速的更换播放内容来以此实现 让人 们的视觉产生所以数码管都在变化错觉 它是用把 LED 的 8 个数码段都一起连 接 但是每个 LED 公共端口 COM 都是由 I O 线单独控制 在轮流控制各个 LED 的 COM 端口 让 LED 轮流的点亮 同时在设计显示电路时需要对电阻的计算 其计算方法为 3 1 其中 U 为驱动电压 单位为 为 LED 正常亮度时的压降 单位为 15 为 LED 正常点亮时的工作电流 10mA 15mA 单位为 由公式 3 1 可算得电阻为 57 5 式中 U 为 5 为 2 7 二极管 2 三极管 0 7 为 10mA 因 为采用 4 个数码管 所以为 40mA 了保证 LED 数码管在显示时不至于由于电流 过大而烧坏 在电路中采用 100 电阻 在三极管与单片机所连接时也需要电 阻 其电阻计算方法为 3 2 3 3 其中为 320 408 为 0 7 U 为 5 取为 100 那么 由公式 3 2 3 3 可算得电阻为 3 2mA 1343 75 在显示的设计当中 选取电阻为 1500 其设计电路如图 3 12 其数码管 接口与口相连接 分别与单片机 P2 3 P2 4 P2 5 P2 7 相连接 16 图 3 12 显示电路 第四章 软件设计 软件设计在单片机的运用中起着至关重要的作用 它是根据我们所需的目 标产品而编写的指令 在软件的设计中 不仅需要对单片机进行编程 而且与 单片机所连接的外围芯片也需要进行编程 所以说一个单片机的开发 如果要 正常的运行并实现某种功能都必须需要一个完善的程序去发送命令并执行 例 如在本系统当中 就需要运用 Keil uVision4 对系统主程序 数模转换 液位显 示等进行编程 其中主程序是本次设计系统的最关键的地方 4 1 软件结构流程图 软件流程图是在软件设计中开始的第一步 也在设计中的思路 它是包含 的有软件设计的功能 总体框架及其每个模块的设计等内容 在本次设计中 因为采用的是 TLC1549 串行 A D 输出 所以在编程过程中不允许在中断里打断 其中显示部分的中断时间为 5ms 实现 4 个 LED 灯的动态显示 其具体的软件 结构流程图如 4 1 图所示 17 图 4 1 软件流程图 4 2 显示计算 在本次设计的系统中 当液位 0 10m 的变化时 电容式变送器会输出一个 5mA 20mA 的直流 经过前置运放电路会把 5mA 20mA 的电流转变为 0 5V 的电 压并输入 10 位串行输出的 TLC1549 芯片中 因为变送器输送的电流是线性变化 的 那么将读取的数字量转换成液位值的标度变换是 4 1 4 2 4 3 其中 V 为传入 A D 转换的电压 单位为伏特 V 为运算放大电路中的 18 电阻 单位为欧姆 I 为电容式液位变送器采集液位信息后输出的电路 单位为毫安 mA 为 LM336 提供的稳压电压 单位为伏特 V H 为液 位的高度 单位为米 m 4 3 Proteus 仿真及结果 Proteus 由 Lab Center Electronics 开发的电子设计自动化软件 可以实现从 原理图布局 系统与外接电路的协同仿真 到目前为止它是唯一一个能实现单 片机仿真在电脑上实现的平台 在本次设计的 Proteus 仿真中 由于在 Proteus 软件库中没有 TLC1549A D 转换芯片 所以在仿真及编程时以 TLC2543A D 转换芯片代替 TLC2543 与 TLC1549 功能基本相似 唯一不同的是 TLC2543 它是一个 12 位串行输出的数模 转换器 为了在仿真图中接线的简便与更加能够智能的体现出液位的变化 在 运用 Proteus 仿真时在硬件设计的时候加上了 LCD1602 液晶显示 其 LCD1602 是一个 16 2 的工业字符型液晶显示 它只能显示数字 符号 字母 在运用 KIEL C51 软件对其编程时 需要根据 LCD1602 的时序图进行编程 在仿真时其实就是利用 Proteus 软件与 Keil uVision4 软件进行联合仿真 其 具体操作是首先在 Proteus 软件中的 ISIS 程序中把电路所需要的元件找出来并连 接起来 然后再通过 Keil uVision4 软件中新建工程并编程 所需要的程序编好 后点击 Keil uVision4 软件界面的运行会生成一个 XXX HEX 的文件 然后再进入 到 Proteus 界面里 在单片机界面里找到 Program File 一栏中找到刚才生成的 HEX 文件便可以进行仿真 在仿真中能对程序的时时调整 其元器件清单如表 4 1 所示 表 4 1 元器件清单 LM016L 液晶显示屏 AT89C51 单片机 BUTTON 按钮 CAP 电容 CAP ELEC 陶瓷电容 CRYSTAL 12 兆晶振 POT HG 滑动变阻器 TLC2543 A D 转换器 RES 电阻 RESPACK 8 排阻 74HC573锁存器7SEG MPX4 CC4 位数码管 运用 Proteus 软件进行仿真时 运用滑动变阻器来代替液位变化 其具体 19 的接线原理图如图 4 2 所示 图 4 2 Proteus 仿真图 经过 Keil C51 软件编程并进行仿真 在 Proteus 软件的环境下该系统能够正 常的进行操作 当滑动变阻器在的变化时 液晶显示屏能够随着滑动变阻器的 变化而变化 0 10m 其按键也能够实现功能的切换及其加减的控制 第五章 总 结 本文主要介绍了运用单片机控制在液位监测控制的运用 充分的体现出单 片机在工业控制中的强大功能 在本次设计中主要分为硬件和软件两个部分 在硬件中介绍了 AT89C51 单片机的基本用法以及各个引脚的功能 A D 转换的 工作原理 复位电路工作原理 前置运放电路的设计 显示电路及其按键电路 等外围电路的设计 在软件部分中 首先介绍了软件流程图在整个软件设计中 起到的关键作用 再根据各个软件的时序图和所需要实现的功能运用 keil C51 软件进行编程 使整个系统能够正常的工作和更好的能够实现人机对话 整个 软件编程可以分为三个部位 主程序 液晶显示 A D 转换 其中主程序是本 次设计系统的关键 在对主程序的编程中 实现对其的初始化和模拟量转变为 20 具体液位高度的计算以及按键功能的控制 并通过 Proteus 仿真软件中对其进 行具体的仿真和操作 通过这次毕业设计 不仅让我重新拾起以前遗忘的知识 而且把以前学习 的数电 模电 单片机等相关的知识加深并融会贯通 同时在查阅文献的过程 中 也让我开阔了视野 认识到在工业控制当中遇到一个问题可以有很多中的 解决方法 也让我认识到自己的不足和各个学科的重要性以及自然科学的博大 精深 在这次毕业设计当中 虽然任务繁重与困难 但是给了我一个知识和实 践相结合的学习机会 在提高我知识的同时也挺高了我的动手能力 学会了在 单片机设计中运用每个芯片的资料在 Altium designer 软件中进行原理的绘制和 布局和根据不同芯片的时序图进行编程及其在 Proteus 的仿真 在这一个整个 系列工作当中 也让我认识到做每一个设计时首先是需要我们理清思路 遇到 困难时不放弃的品质 在这次的设计过程当中 软件编程是我遇到的最大困难 从无从下手到仿真成功让我认识到知识必须要通过实践才能真正的体现出来 从这次的毕业设计当中也让我认识到学习是一个慢慢积累的过程 如同在以后 的工作和生活中一样 需要我们去脚踏实地的做事 在本设计当中由于时间仓促 由于设计者能力有限 难免介绍及设计会有 一些不详细 希望老师给予指点 我一定会加以改正 参考文献 1 王鑫 电容式射频导纳物位变送器设计与实现 D 华东理工大学 2010 2 唐正茂 潘慧 新型电容式液位变送器的研制 J 传感器世界 2007 32 11 18 20 3 张盛 姜振兵 基于 AT89C51 单片机的水箱水位检测控制系统设计 J 科技 广场 2010 14 9 39 41 4 王利军 TLC1549 串口传输与单片机的 A D 设计 J 国外电子元器件 2007 17 10 25 28 5 白延敏 51 单片机典型系统开发实例精讲 电子工业出版社 M 2011 196 200 21 6 郑锋 王巧芝 程丽平 张清鹏 51 单片机典型应用开发范例大全 M 中国铁 道出版社 2012 187 195 7 张德强 武建洁 尹祥国 电容式液位变送器在水电厂集水井自动控制中的应 用 J 东北水利水电 2007 25 11 50 51 8 陈霞 白小军 基于单片机的液位监控系统 J 武汉理工大学学报 信息与 管理工程版 2007 29 3 39 41 9 Junhai Jiang Zhiguo Xiao A study on liquid level measurement and control system based on single chip microcompute Dept of Computer Science and Technology hangchunniversit J 2014 11 10 Yan Hong king of Zhao Chunhua level selection design of automatic measurement system J modern instrument 2002 02 10 12 11 Yao Zhendong Zhu Yong application of capacitance sensor in liquid level measurement in the world J sensor 2011 70 74 附 录 主程序 include include include defineucharunsigned char define uintunsigned int sbit dula P2 6 sbit wela P2 7 uchar LCD Buf1 16 W 000 0m uchar code tabledu 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 22 void display void void Display HT void void 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 Buf1 4 volt 1000 0 LCD Buf1 5 volt 100 10 0 LCD Buf1 6 volt 10 10 0 LCD Buf1 8 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