毕业设计（论文）-电容式液位计的设计.doc

本 科 毕 业 设 计 第 29 页 共 31 页1 引言在人类文明高度发达的今天，人们对信息的提取、处理、传输和综合利用越来越迫切，单片机作为现代电子技术，计算机技术的新兴领域，以单片机为代表的嵌入式系统的出现标志着现代电子系统时代的到来。目前，单片机有着价格低廉，集成度高，处理功能强，可靠性高，系统结构简单等优点，这使得单片机的应用更为广泛，因此就有可能比较普遍的应用微机来控制各种电路，使各种新颖的、高性能的各种潜在能力得到充分的发挥，使电路的性能更符合要求，还可以制造出各种便于控制的新型电路，使电子控制出现新局面。而液位是现代工业中常见的参数，有着直接观察、容易测量，过程时间常数小的优点，因此，液位控制也成为一般工业界所不可缺少的，如自来水厂蓄水槽、大坝的警戒水位检测、油箱油位的检测等都需要进行液位控制。而从价格、性能、稳定性等方面与电脑控制、PLC控制和其他类型的单片机控制比较，MCS-51单片机具有体积小，价格低廉，系统结构简单，处理功能强，易于控制等优点，因此选用MCS-51单片机为基础的液位控制系统，通过适当的组合，可以提供各种液位检测对象，如污水处理厂的污水槽、大坝的警戒水位、油箱油位等，针对该液位控制采用的硬件，利用单片机编程技术设计开发了液位控制系统的软件平台。但是，采用MCS-51单片机控制在远距离控制，近距离的抗电磁干扰方面受到一定的限制，因此，在研究此课题时要对部分电路加以强化，以确保其正常的工作。2 方案论证2.1 方案一为了完成液位检测设计的各种功能，将整个电路分为三个部分：液位检测部分、数控电路部分和直流供电电路部分。框架如下图所示。显示电路电容传感器A/D转换8031单片机485远传2.1.1 液位检测部分液位检测部分采用YK-YYC-C1型（适合常温常压下各种燃料油、液压油的测量，并可带 485 通讯）电容传感器来进行电容的测量。YK-YYC系列电容式液位传感器的传感部分是一个同轴的容器，当液体进入容器后引起传感器壳体和感应电极之间电容量的变化，这个变化量通过电路的转换并进行精确的线性和温度补偿，输出 4-20mA 标准信号。电容式液位传感器结构示意图2.1.2 数控电路部分此部分功能较多，选用了INTEL公司的8位单片机8031芯片和一片A/D0809芯片。将电容液位传感器检测的数据通过外加电阻和A/D0809转换成对应的电压输送到单片机进行液位高度处理，再输出对应的液位高度值由LED 显示。另外，为了适应数据远传的需要，连接一个RS-485。2.1.3 直流供电电路部分 交流220V电源首先经过滤波器滤波，再经过变压器、全波整流桥、开关稳压集成块LM2575T-5、以及附属的电容、电感、稳压管等器件，最后输出5V的直流电压，给电路系统供电。2.2 方案二该方案与方案一基本相同，不同的是采用PLC控制，PLC采用的是循环扫描的工作方式，通过自诊断，通信处理，扫描输入，刷新输出这五个工作过程来完成一个周期。但是，利用PLC控制价格比较昂贵，需要的其他硬件较多，给安装方面带来不便，且占用空间大。2.3 方案比较这两种方案均是可行的。方案一原理直观，价格低廉，集成度高，处理功能强，可靠性高，系统结构简单，便于操作且稳定性高和抗干扰能力强等优点。方案二的可靠性高，在功能上可进行开关逻辑控制、位置控制、数据采集及监测、多PLC分布式控制等功能，在编程手段上，直观、简单方便，易于各行业工程技术人员掌握。同时在改变控制要求时，只要改变程序梯形图就可以满足要求。但是利用了PLC控制价格昂贵，且需要的其他硬件较多，且在安装方面带来不便，占用空间大。综合以上方案比较，方案一具有明显的优势，因此采用方案一为本次液位控制的最佳方案。3 硬件设计方案系统原理图见附图一：3.1 液位检测及A/V转换部分YK-YYC-C1型电容传感器的输出为4-20mA模拟信号，首先要将测得的液位模拟信号转变为数字量。然后送入单片机进行相应的处理，模数转换部分采用ADC0809芯片。该芯片的输入量为0-5V的电压量。因此需先将液位变送器的输出电流信号转换为电压信号。即在芯片采集信号端加入一个250欧的转换电阻，将电流转换为1-5V的电压值，该电压值在ADC0809的输入范围内。其原理图如下：电容传感器（4-20mA电流）转换电阻（250欧）ADC08091-5V电压3.2 数控电路部分主要由数字电路构成，它要完成A/D转换输出、8031处理、LED显示控制、数据远传等功能，参见原理图。3.2.1 微处理器及功能扩展采用8031单片机，由于片内不带程序存储器ROM，使用时需外接程序存储器（2764）和一片逻辑芯片74LS373（连接方法见原理图）。引脚图如下：其中2764接线方法：A7A0：接373锁存器输出（低八位地址）；A12A8：接8031的P2口 P2.4P2.0（高五位地址）；D7D0：接8031的P0口 P0.7P0.0（数据线）；OE、PGM ：接CPU的PSEN端；CE、GND：接GND；VPP、VCC：共同联接到+5V电源端。其中373接线方法：D1-D8：接8031的P0口 P0.7P0.0（数据线）；Q1-Q8:接2764的A0-A7(地址线)；C:接8031的ALE端；OC:接地。3.2.2 A/D转换部分采用ADC0809,它是由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成的。三态输出锁存器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。另外，需外加一SUN7474芯片进行分频，供0809时钟。原理、实物图如下如所示：ADC809原理、实物图0809接线方法：IN0：数据输入端；D0-D8：接8031的P3.0-P3.7口;ST、EOC、OE、ALE：分别与8031的P3.4、P3.2、P3.3、P3.4连接；A、B、C、VREF（-）、GND：分别接GND；VCC、VREF（+）：均接+5V电源；CLK：接7474的CLK端。3.2.3 LED显示部分采用动态数码管显示，动态显示方式是把段选线的对应位连接到一起，接到一个八位输出I/O口线上，每一位的位选线接到一根单独的I/O口线上，这样N位显示器哦8+N根I/O口线（8根段选线，N根位选线）。显示时段选码由同一8位I/O口输出，具体哪一位显示由位选码决定。由于段选码并联在一起，因此同一时刻只能有一位LED显示字符，其它位不显示，即只能有一位位选线有效。为了能显示N位字符，必须N位LED数码管等时间间隔轮流发光显示，只要时间间隔比较短，利用人眼视觉的暂留特点可造成N位同时显示的效果。动态显示与静态显示相比有需要I/O口线少、功耗小等优点。用到的芯片是74HC164，74HCT164 是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（A 或 B）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。显示原理：采用动态显示，因此需进行“段控”与“位控”，其中“段控”决定显示模块所显示的内容，通过8031将数据传给164，再传给显示模块；“位控”则是决定哪一个显示模块进行显示，8031通过P1.1 、P1.2 、P1.3、P1.4端连接显示模块的L1、L2、L3、L4端，将位选信号传给显示模块（通过本设计采用的是共阳极，因此公共极接+5V电源）。 其中74HC164接线方式：A和B：数据输入端，接到一起，连8031的P1.0口；Q0-Q7：输出端，连接显示模块的输入端；CLK：时钟输入端，低电平到高电平边沿触发，接8031的ALE端；MR：中央复位输入，低电平有效，在这里接VCC。3.2.4 数据远传 采用RS-485接口，RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。 因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。3.3 直流供电电路的设计直流供电电路原理图 交流220V电源首先经过滤波器滤波，再经过变压器、全波整流桥、开关稳压集成块LM2575T-5、以及附属的电容、电感、稳压管等器件，最后输出5V的直流电压，给电路系统供电。3.3.1 滤波器采用电感式滤波器LPQ，并且与电阻、电容器一起组成谐振电路，主要是为了过滤掉交流信号中高频部分，使波形更加平滑，向变压器提供质量较高的交流信号。下图演示了滤波的效果：LPQ3.3.2 变压器 变压器有铁芯和线圈组成.变压器线圈分初级线圈和次级线圈.在初级线圈中通交流电时.变压器铁芯就产生了交变的磁场.次级线圈就感应出与初级频率相同的交流电.变压器线圈的圈数比等于电压比. 当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通1，它沿着铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2，同时1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。为了保持磁通1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。3.3.3 全波整流桥 整流桥原理图及波形变化在这种整流电路中，在半个周期内，电流流过一个整流器件（比如晶体二极管），而在另一外一个半周内，电流流经第二个整流器件，并且两个整流器件的连接能使流经它们的电流以同一方向流过负载。全波整流整流前后的波形与半波整流所不同的，是在全波整流中利用了交流的两个半波，这就提高了整流器的效率，并使已整电流易于平滑。因此在整流器中广泛地应用着全波整流。在应用半波整流器时其电源变压器必须有中心抽头。无论正半周或负半周，通过负载电阻R的电流方向总是相同的。全波整流使交流电的两半周期都得到了利用。3.3.4 开关稳压集成电路LM2575T-5LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚。是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。该系列分为LM1575、LM2575及LM2575HV三个系列，其中LM1575为军品级产品，LM2575为标准电压产品，LM2575HV为高电压输入产品。每一种产品系列均提供3.3V、5V、12V、15V及可调（ADJ）等多个电压档次产品。除军品级产品外，其余两个系列均提供TO-200直脚、TO-220弯脚、塑封DIP-16脚、表面安装DIP-24脚、表面安装T）-263-5脚等多种封装形式，并分别用后缀T、Flow LB3、N、M、S表示。对于5V输出的LM2575产品，不同的封装形式，其完整表示分别为LM2575T-5.0、LM2575T-5.0 Flow LB03、LM2575N-5.0、LM2575M-5.0、LM2575S-5.0。其引脚功能如下：VIN：未稳压电压输入端；OUTPUT：开关电压输出，接电感及快恢复二极管；GND：公共端；FEEDBACK：反馈输入端；ON/OFF：控制输入端，接公共端时，稳压电路工作；接高电平时，稳压电路停止。LM2575主要参数：LM2575T系列开关稳压集成电路芯片的主要参数如下：最大输出电流：1A；最大输入电压：LM1575/LM2575为45V；LM2575HV为63V；输出电压：3.3V、5V、12V、ADJ（可调）；振荡频率：54kHz；最大稳压误差：4%；转换效率：75%88%（不同的电压输出的效率不同）；工作温度范围：LM1575为-55+150；军用级LM2575/LM2575HV为-40+125。在利用LM2575T-5.0设计电路时，应注意以下几点： （1）电感的选择根据输出的电压档次、最大输入电压Vin(MAX)、最大负载电流Iload（MAX）等参数选择电感时可参照相应的电感曲线图来查找所需采用的电感值。（2）输入输出电容的选择输入电容应大于47F，并要求尽量靠近电路。而输出电容推荐使用的电容量为100F470F，其耐压值应大于额定输出的1.52倍。对于5V电压输出，推荐使用耐压值为16V的电容。（3）二极管的选择二极管的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，但考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2575的最大电流限制；另外二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍。3.4 电路板的制作3.4.1 基本要求印刷电路板（简称PCB）,它是以一定的尺寸的绝缘板为基材，以铜箔为导线，经过特定工艺加工，用一层或若干层导电图形以及布置好的孔来实现元件间的电气连接，它就像在纸上印刷上去似的，故得名印刷电路板或印刷线路板。一般电源、地线一般可取1mm宽度，使电源、地线宽度尽量大些。在绘制过程中要注意以下布线要求： 当铜箔厚度为0.05mm、宽度为1-1.5mm时，通过2A的电流，温度不会高于3，因此导线宽度为1.5mm可满足要求。尤其是数值电路，通常悬0.02-0.3mm导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距至5-8mm。 印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能，此外，尽量避免使用大面积的铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状，这样有利于排出铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。 焊盘：焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于（d+1.2）mm，其中d为引线孔径。对于高密度的数字电路，焊盘最小直径可取（d+1.0）mm。3.4.2 元件清单器材/元件数量器材/元件数量8031芯片1片极性电容2200UF/25V1个ADC08091片电感100uH2个74LS3731片变压器1个27641片电阻1K4个74HC1641片电阻20K4个SUN74741片电阻250K1个AMBERCC4个电阻14K4711个74HC1641片电容0.1U/X21个RS-4851片电容1042个滤波器LPQ1个极性电容470Uf/163个开关稳压集成块LM2575T-51片三极管85504个二极管2W08M4个二极管1N58191个二极管P6KE241个二极管P6KE5CA1个3.5 抗干扰、远程控制方面的措施 在做电路时尽量使铜箔线的拐弯处应为圆角或斜角（因为高频时直角或者尖角的拐弯会影响电气性能），双面板两面的导线应相互垂直、斜交或者弯曲走线，尽量避免平行走线以减小寄生耦合。 电源的干扰及抑制。直流电路与交流电路的电路不能再同一电路板上。 磁场干扰抑制。弱信号要短；区分强弱信号，且弱信号线要与其它线平行，若实在绕不开时，要在强弱信号线之间夹一地线。 热干扰抑制。敏感元件要远离热源（晶体管），易发热要注意散热。 在远程控制时，先要将单片机（接受终端）输出的模拟量转化为数字量来进行传输，然后再在接收终端（单片机）再将数字量转换成模拟量进行控制。这样可以有效地减少传输过程的干扰。4 软件设计部分 分析题意，确定算法或算法思想。算法是指解决问题的方法和步骤，比如现有的一些计算方法和日常生活中解决问题的逻辑思维推理方法等。 根据算法画出流程图。画出描述算法的流程图，可以先从图上检查算法的正确性，减少出错的可能性，使动手编写程序时的思路更加清晰。其流程图见附图二。分配存储空间和工作单元，合理的使用寄存器。分配存储空间和工作单元，是指存储空间的分段和数据定义。另外，由于寄存器的数量有限，编写程序时经常会感觉到寄存器不够用。因此，对于字节数据，要尽量使用8位寄存器。而采用适当的寻址方式，也会达到节省寄存器的目的。 根据流程图编写程序。这是编制汇编语言程序最为重要的一步。可以参考流程图按照一般的汇编步骤进行，即定义，程序开始，程序初始化，主程序，中断程序，子程序，程序结束等。其详细程序见附录一。 上机调试运行程序。通过汇编的源程序，只能说明它里面不存在语法错误。但是它是否能达到算法所要求的预期效果，还必须经过上机调试，软件的仿真，用一些实验数据来测试，才能够真正得出结论。结 论在这次的毕业设计中我收获了太多的东西。材料的收集，电路的制作，程序的编写，尤其是毕业论文的设计步骤等都是在这次电路的制作过程中所学习到的。其中还学习到了我们在课本上学习不到的内容，比如团队的合作，这次毕业设计论文的设计成功很大一部分基于团队的合作上才能完成的。电路材料的收集，电路的确定，论文的写作讨论等都是团队合作的缩影。这次毕业设计虽然在一定程度上完成了预定的设计任务，但相对而言，还并非十分完善，其中如电路的仿真及焊接，实验数据的获取及误差分析，从而进行调试，直到完全达到各个指标的要求等方面，都有待完善。另外，在电路的设计方面我们遇到过很多困难，比如在软件的设计，程序的调试反面都是这次设计的最大障碍，但是在老师、同学的共同帮助下，我们还是克服了这些困难，同时也为我们以后的继续学习打下了一定的基础。虽然毕业论文的写作完成了，但是工作的道路是漫长的，在今后的的工作学习中，我们还需要继续努力，不断挑战自我，完善自我。致 谢在辛苦了那么多日夜以后，我的论文终于得以完成，表面上看来这只是我在这几个月里努力的一个成果，其实这更像是经过大学四年细水长流的学识积累以及所有教过我的老师的悉心指导之下，我的一番自我总结。四年来知道过我的老师已经难以计量，其中对我有巨大帮助的优秀老师更加不胜枚举可是鉴于此处篇幅有限，此不一一列举。只是特别要感谢我的导师智兆华老师的悉心指导，以及在各个方面给予我们的帮助。无论是听他的课还是接受他的论文指导，都可以感受到一种实实在是的知识摄取。此外，这次毕业设计的成功还要感谢在我背后默默支持，鼓励我的寝室舍友们，是他们的鼓励换来了我这次毕业设计的初步成功。因此，让我再一次的对他们说声“谢谢”！参 考 文 献1 汪德彪. MCS-51单片机及接口技术.电子工业出版社,2007.82 李朝青.单片机原理与接口技术.北京航空航天大学出版社,19993 高吉祥.模拟电子技术（第二版）.电子工业出版社,2005.24 张培仁.MCS-51单片机原理与应用.清华大学出版社, 20035 高吉祥.数字电子技术.电子工业出版社, 20046 何桥.单片机原理及应用.中国铁道出版社,2005.97 李佰成.基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计.北京电子工业出版社,20078 王毅主编.过程装备控制技术及应用.北京.化学工业出版社,2001.79 厉玉鸣主编.化工仪表及自动化.第二版.北京.化学工业出版社,199710 赵刚,唐得刚.几种常用的液位在线检测方法的比较J,中国仪器仪表,2005 (5):36-3911 王富善,平东波,张建国,丁和奉.工业生产中物位测量的探讨与研究J，化工自动化及仪表,2001, 28 (3):50-5312 苏东波.新型液位传感器J,传感器技术,1995 (3) : 56-58附录Main.c#define GLOBALS_MAIN#include config.hint main(void) uint8 CurrentKey,RepOver;/,Maxt=0; init_devices(); ReadAllSet(); for(CurrentKey=0;CurrentKey4;CurrentKey+) TempErrCurrentKey=DS_RST_ERR2; while(1)CurrentKey=TempKey;TempKey=KEY_NOKEY;RepOver=TimerOver;TimerOver=0;/MaxTime=0;SEI();KeyManage(CurrentKey);if(RepOver)ReadAllTemp();/需要定时/TempSamp0=Maxt*16;if(!DispRepeatTimer-)DispRepeatTimer=DISPREPTIME;KeyManage(KEY_REP); return 0;Adc.c#include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ADC0809 XBYTE0x0B000 float sum=0,fjg; uint i,j,*q,*p,sd=5; void wait(uint n); void main(void) j=0; TMOD=0X01;/设置定时器0 TH0=0XFC;/定时时间设为1ms TL0=0X18; EA=0;/先关中断 EA=1;/开总中断 ET0=1; /TR0=1; for(; ;) if(j=20) dowhile(!TF0); q=0x30; for(i=0;isd) p1_0=1; j=0; void power(void) uchar x; for(;) ADC0809=0x01; wait(1000); x=ADC0809; P0=x; void wait(uint n) uint i,j; for(i=0;in;i+) for(j=0;j100;j+); timer0()interrupt 1 using 1 *p=ADC0809; p+; TH0=0XFC; TL0=0X18; TR0=1; j+; Config.htypedef unsigned char uint8;typedef signed char int8;typedef unsigned int uint16;typedef signed int int16;typedef unsigned long uint32;typedef signed long int32;typedef float fp32;typedef const uint8 PROGMEM /*const uint8*/ ROM;#define CLI() cli()#define SEI() sei()#define BIT(x) (13) PosiTemp=0; Posi=PosiTemp;/串行输出void SerDispOut(uint8 BuffPosi) uint8 Mask,DispCode; BuffPosi=DispBuffBuffPosi; DispCode=TabDispCodeBuffPosi&DISP_POINT; if(BuffPosi&DISP_POINT) DispCode&=POINT; for(Mask=0x80;Mask0;Mask=1) SERCLK_OUT1;/等待输出数据稳定if(DispCode&Mask) SERDAT_OUT1; else SERDAT_OUT0; SERCLK_OUT0; SERCLK_OUT1;Uart.c#define GLOBALS_UART#ifdef GLOBALS_UART#define UART_EXT #else#define UART_EXT extern#endifUART_EXT uint16 CRC16_1(uint8* pchMsg, uint8 wDataLen);UART_EXT uint16 CRC16_2(uint8 *pchMsg, uint8 wDataLen);UART_EXT void Uart_Trans(void);UART_EXT void Uart_Rec(void);UART_EXT void UartManage(void);UART_EXT uint8 TransBuff80,RecBuff40;UART_EXT uint8 RecStep,RecNumber,ComLedDispTimer;UART_EXT uint8 TransNumber,TransPosi,OverTime,Baud;#include config.h#define UART_START 0x40#define UART_STOP 0x0d#define STEP_RECEND 6#define INFO_A BIT(7)#define INFO_B BIT(6)#define INFO_WORD BIT(5)#define RXC0 7#define FE0 4#define DOR0 3#define MIN_WORD_ADDR 50#define MAX_WORD_ADDR 61#define MAX_WORD_SIZE (MAX_BYTE_ADDR-MIN_BYTE_ADDR+1)*2)#define MIN_BYTE_ADDR 0#define MAX_WBYTE_ADDR 8#define MAX_RBYTE_ADDR 9/