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全自动水塔控制监测系统设计毕业论文目录摘要IABSTRACTII1 前言11.1 选题背景及研究意义11.2.1 水位检测与控制的概念21.2.2 水位检测技术的研究现状21.3 课题主要设计内容及要求31.3.1 课题设计内容31.3.2 课题设计要求32 水位检测与控制系统相关原理42.1水塔工作原理分析42.1.1 水塔工作原理42.1.2 水塔的的水位检测与控制系统52.2 水位检测系统62.2.1 电容式水位传感器的原理62.2.2 CAV424电容式信号转换电压输出集成电路72.3 水位控制系统102.3.1 单片机控制原理102.3.2 电磁阀控制原理103 系统硬件设计123.2 系统电路组成及设计说明123.1 硬件设计工具简介123.3 各部分电路设计133.2.1 电源电路设计133.2.2 MCU主控电路设计143.2.3 显示单元电路设计153.2.4 ADC0832电路设计163.2.5 传感器信号转换电路设计183.2.6 电磁阀控制电路设计194 系统软件设计204.1 软件设计任务204.2 程序算法设计20-IV-4.3 软件设计工具简介204.3.1 Keil Vision4程序编译调试软件204.4 软件设计流程224.4.1 主程序流程图224.4.2 单片机程序流程图235 系统测试与结果分析24结论26参考文献27致谢28附录29-IV-1前言1.1 选题背景及研究意义水塔是在日常生活和工业应用中经常见到的蓄水装置，通过对其水位的控制对外供水以满足需要，其水位控制具有普遍性。水塔水位的单片机控制系统水塔水位控制在铁路、油田、化工等部门有着广泛的应用。水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，自动检测水位的检测系统能根据水位变化的情况自动调节。水塔供水的主要问题是塔内水位应始终保持在一定范围，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。在水塔中的水位到达水位下限时自动启动电机，给水塔供水；在水塔水位达到正常水位的时候自动关闭电机，停止供水。并能在供水系统出现异常的时候能够发出警报，以及时排除故障，随时保证水塔的对外的正常供水作用1。目前，控制水塔水位方法较多，其中较为常用的是由单片机控制实现自动运行，使水塔内水位保持恒定，以保证连续正常地供水。实际供水过程中要确保水位在允许的范围内浮动，应采用水位传感器测量水位变化，从而控制电动机，保证水位正常3。因此，这里给出以AT98C51单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统，该系统能实现水塔水位检测、LCD1602显示当前水位功能以及蜂鸣器鸣笛报警，实现过低警戒水位报警、过低警戒水位处理的系统要求2。随着近代科学技术的发展和新材料新器件的开发，采用传感器研制水位计近年来有较大发展。主要采用的传感器有超声波、光电、压力、接触式、浮于式等几种。超声波式水位计是将换能器向水面发射超声波，测量超声波传播时间，计算出水位。压力式水位计也是不需要水位测并，其基本原理是测量静水压力来实现水深的测量，已采用过波纹管和水银位移式压力传感器等方法。固态压力传感器由于其灵敏度高、体积小、寿命长、且有抗腐蚀性而受到重视，但由于半导体传感器受温度影响大等原因，使其实用受到限制。近年来固态传感器温度自动补偿问题有了进展，固态压阻式水位计已经得到应用3。接触式水位计使用机电的方法用探头跟踪井内水面高低变化测量水位，已在少数领域使用，浮子式水位计，利用水球（或其它浮子）作敏感器件，避免了温度、湿度等因素的影晌，性能稳定，工作可靠，因而得到长期使用和发展。单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。单片机的特点是体积小、集成度高、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。正因为单片机有如此多的优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。在我国，单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、智能化家用电器、航空航天系统和和国防军事、尖端武器等各个方面。单片机的潜力越来越被人们所重视。特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强、能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。我们可以开发利用单片机系统以获得很高的经济效益。虽然单片机的引入使控制系统大大“软化”，但与其它计算机应用问题相比，单片机控制应用中的硬件内容仍然较多，所以说单片机控制应用有软硬件相结合的特点。为此，在单片机的应用设计中需要软、硬件统筹考虑，设计者不但要熟练掌握汇编语言等编程技术，而且还要具备较扎实的单片机硬件方面的理论和实践知识。更重要的意义是单片机的应用改变了控制系统传统的设计思想和方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现4。这种以软件结合硬件或取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控制技术。例如，本文所要论述的基于单片机的水塔水位控制系统。1.2 水位检测与控制相关介绍1.2.1 水位检测与控制的概念一般意义上来说，所谓的水位检测与控制系统就是采用能够测量水位的传感器来获得容器内水位数据，并且依据检测到的数据通过开关或阀门对容器内液位进行控制的一套系统。如今，液位测量技术已经广泛被工业生产各个领域用到，不仅对精度有较高的工业要求，而且需要适应特殊的工业环境需要。不同行业对精度，稳定性，数字化程度有着不同的标准。现如今，各种类型的水位检测手段层出不穷，功能更加完善，各项性能指标也不断提升到更高的水平，更加数字化、更加智能化、更加自动化的水位测量仪器投入使用到了工业生产过程中。1.2.2 水位检测技术的研究现状水位监测最近几年才兴起的，他结合了计算机控制，自动化以及硬件综合的一门科学技术。对于电容式水位测量技术的研究，国外的起步远早于国内在这方面的研究，一些著名的跨国公司如 E+H 公司、美国 Honeywell 公司、DREXELBROOK 公司等，在液位检测方面都有自己一定的研究成果。当前，国外电容式水位测量技术的特点是自动化水平高、测量精度高，使用 Honeywell 协议、HART 协议等智能通信协议，实现了从控制室到现场仪表的智能系统。现如今这些技术产品已应用于煤油、化工、电力、水利、食品、医药、造纸、采矿、汽车等各个行业。如，由美国DREXELBROOK 公司所研制的 DR7100-A1电容式液位计：输出达到+2uA，精确度达到0.05%，耐压，带有人机界面等。水位检测广泛应用于测量和控制领域，各种类型的水位检测装置也不少，根据其工作原理可以简单分为浮子式、超声波式、高差压式、电容式等，不同类型、结构的水位检测装置，精度和使用范围都各自有各自的特点，适用于不同的场合需要3。浮子式：采用浮力的原理，浮子受到压力大小变化与液体高度的变化保持同步。特点：针对压力容器液位精度较好，但是由于其使用机械结构，对材质和安装要求较高。若液面波动频繁，则会对传感器造成极大磨损，影响精度。超声波式：将一个超声波探头装置垂直安装在距容器底部一定距离的位置，它能将电信号转化成压力信号，以超声波的形式在空气中传播，当波入射到液面时会有大部分反射回来，被超声探头再次接受，利用超声波的传播速度、时间等信息，计算出测量点距液面的距离，进而得到液位值。特点:和待测液体不需要进行接触，可以测量粘度很高的液体如泥浆等，但对于压力型容器不能测量。液面上方的气体及粉尘还会对超声波回波的接收造成一定的影响。高差压式：通过测量液体底部和液面上方气体压力之差，此压力差值等于液柱的质量，由此计算液位。特点:普及程度较高，但是液位计量精度较低，受外界压力影响较大，而且对于腐蚀性或易燃易爆液体有极大的测量限制。电容式:通过一个放置于液体中的传感器进行测量，传感器本身的电容值会受到液位变化的影响，发生一定的改变，通过观察各种变化计算出液位的大小。特点：体积精巧紧凑，可安装于管路或者容器内，但不适于大量程及高精度测量。1.3 课题主要设计内容及要求1.3.1 课题设计内容（1）水位传感器的设计。根据水塔结构将一根杆状电容传感器垂直安装在水塔里，如果容器内水位达到事先设定的位置后，传感器电容大小就会有明显变化。（2）信号变换电路的设计。传感电容的电容大小会随着水位变换而变化，然后由电容电压转换电路CAV424把转换生成的电压信号送入ADC0832处理。（3）单片机主控电路设计。依据转换后信号的变化，单片机能够判断水位高低并且控制进水量。（4）电磁阀控制电路设计。找到一种适配于水塔的电磁阀开关，设计出相应控制电路，能够对进水进行控制。（5）制作达到实用要求的实物样机。1.3.2 课题设计要求（1）水位传感器灵敏度要高，体积小，不会影响水塔的正常工作，而且不受温度，湿度的影响，耐受化学试剂腐蚀。（2）单片机主控电路要精确控制电磁阀的开断，而且还要可以用按键设置水位上下限。（3）编写高效可靠的控制代码，方便工作人员对其进行优化和改进。2水位检测与控制系统相关原理2.1水塔工作原理分析2.1.1水塔工作原理水塔是一种极其简单的设备。尽管水塔形状各异、大小不一，但它们的作用都是一样的：水塔只是一个架在高处的巨大储水池。水塔修建得如此之高是为了提供压力。高度每上升一米便可以使水压增加9.9千帕。普通市政供水系统的水压介于344到689千帕（大多数设备需要至少138到206千帕）之间。水塔必须足够高，才能提供足够的压力，以满足其覆盖地区的所有生活和商业用水需要。因此，人们通常将水塔建在高地上，并将其修建得足够高，以便提供需要的压力。在丘陵地区，有时甚至可以在该区域最高的山丘上建一个简单的储水池，以此来替代水塔。在大部分城镇，饮用水来源于地下水井、河流或水库（通常是当地的湖泊）。水处理厂会对这种水进行处理，以去除沉淀物（通过过滤和/或沉淀方法）并杀菌消毒（通常使用臭氧、紫外线和氯气）。从水处理厂出来的水就是干净、无菌的水了。一个高扬程抽水机会将水压送到供水系统的主送水管。如果抽水机抽出的水超过了供水系统的需要，剩余的水会自动流入储水池。如果社区需要的水量大于抽水机提供的水量，水就会从储水池流出以满足需要。在市区，高大的建筑经常需要解决它们自身的水压问题。因为这些建筑太高了，它们经常超过城市水压所能满足的高度。因此，高大的建筑将必须拥有自己的抽水机和水塔。按建筑材料分为钢筋混凝土水塔、钢水塔、砖石支筒与钢筋混凝土水柜组合的水塔。水柜也可用钢丝网水泥、玻璃钢和木材建造。过去欧洲曾建造过一些具有城堡式外形的水塔。法国有一座多功能的水塔，在最高处设置水柜，中部为办公用房，底层是商场。中国也有烟囱和水塔合建在一起的双功能构筑物。按水柜形式分为圆柱壳式和倒锥壳式。在中国这两种形式应用最多，此外还有球形、箱形、碗形和水珠形等多种。支筒一般用钢筋混凝土或砖石做成圆筒形。支架多数用钢筋混凝土刚架或钢构架。水塔基础有钢筋混凝土圆板基础、环板基础、单个锥壳与组合锥壳基础和桩基础。当水塔容量较小、高度不大时，也可用砖石材料砌筑的刚性基础。电机将地下水抽出到一般位置,然后净化处理.再将处理过的水又通过电机打到高位水塔,水塔中的水就靠与小区居民的水们落差产生压力流入千家万户.当然中间还有很多的环节,如阀门,多管道,备用电机,备用水池.备用水处理器等等 .如图2.1所示，图中展示了水塔的各个部分组成结构。支架储水水箱电磁阀门图2.1 水塔控制系统的组成结构简图2.1.2 水塔的的水位检测与控制系统水塔中水位检测与控制系统主要针对进水环节，既要考虑到容器中水位和循环进程，又要保证仪器的正常工作和精确测量。此系统大体上来说可以分为两大组成部分：水位检测系统和水位控制系统。其中水位检测系统由水位传感器和传感器信号转换电路构成，而水位控制系统则由单片机系统和电磁阀控制电路构成。除此之外，水位检测与控制系统还包含了诸如稳压电源供电模块电路、LCD液晶显示电路、信号转换电路等其它辅助电路。系统组成框图如图2.2所示。电源AT89C51CAV424LCDADC0832LCDAT89C51按键设置电磁泵水泵图2.2水位检测与控制系统结构图2.2 水位检测系统2.2.1 电容式水位传感器的原理电容式水位传感器测量位的原理可以概括如下：当液体介电常数视为常量时，那么极间电容与水位成正比5。该传感器采用同轴筒式结构，两极板是涂上绝缘漆的两个筒状金属薄片，如图2.3所示。图中d代表的是内电极的直径，D表示的是外电极的直径，H代表的是极板长度，h表示的是水位高度。图2.3 同轴筒式水位传感器依据同轴筒式电容器电容的推导公式：(2.1)公式中：0表示真空状态下的介电常数，表示介质的相对介电常数。当被测液体高度为h时： (2.2)该公式中，为无液体时的初始电容。由以上公式分析，若对某一个介电常数2为常量的液体，那么传感器的电容变化量C和液体高度h成正比，即由对电容的变化量测量可得到液体液位的变化量6。2.2.2 CAV424电容式信号转换电压输出集成电路多谐振CAV424可以测量单一电容传感器或差分电容传感器的电容转换成电压信号输出。输出电压是与电源电压成正比例的输出关系。他是模拟电路，所以有较高的品相。测量的精度只与信噪比有关。他只需要外接一些电阻调准输出电压的放大和零点偏置，可以作为单片机的前置模拟信号处理，通过单片机进行数字校准；也可以直接用于电容信号的处理电路7。图2.4是CAV424的内部电路结构图。图2.4 CAV424内部结构图它的各个引脚功能如下：宽的电容检测范围：5 pF 至 40 nF 单一电容传感器或差分电容传感器的测量 高的检测灵敏度 比例电压输出 输出放大级电压可调 高的频响 内置温度传感器 工作电压：5V 5% 校准简单 (Excel 软件) 提供SO16 贴片或裸片 相关电路参数Tamb = 25C, VCC = 5V, IOSC = 20A, ICR = ICM = 2.5A表2.1 CAV424的功能表参数符号条件最小值典型值最大值单位温度范围Tamb-40105oC电压范围Vcc4.755.005.25V静态电流IccTamb = 25C, G = 11.3mATamb = -40 . 105C, ICR = ICM = 25 A1.7测量电容CM540000pF参考电容CR510000pF输出电压VOUT1.04.0V差分电压VDIFFVDIFF = VOUT - VREF-1.51.5V温度特性TCVOUTdVOUT/(dTVSPAN) Tamb = -40.85C+200Ppm/o电容信号输入频率fsij.max fOSC = 230 kHz, CF1 = CF2 = 2 nF3.5kHz最小响应时间TRES.MIN fOSC = 230 kHz, CF1 = CF2 = 2 nF0.4ms在图2.5所示电路中，将CAV424的4、5脚合在一起作为信号输出端，Rcm为传感电容，RCR为参考电容图2.5 CAV424转换电路振荡器电容COSC从开始的低谷电压VOSC,LOW 通过电流IOSC充电达到峰值电压VOSC,HIGH ，然后开始放电，电压又下降到低谷电压VOSC,LOW：图2.6多谐振荡器电压周期波形图这样在电容Cosc上产生的三角波的频率为Fosc(其中VOSC=2，1V和VREF2，5V)（2.3)测量和参考积分器是测量过程中的重要部分。通过二个积分器电路，电容被转换成电压信号。二个积分器被同样的振荡器信号触发同时对连接的电容进行恒流充电放电。在半个周期内8，用电流ICM对测量电容CM和用电流ICR对参考电容CR进行充电（图 4）。电流ICM和ICR有下式给出： (2.4)(2.5)RCM和RCR是测量积分器的充电电流可调电阻和参考积分器的充电电流可调电阻。电容CM充电最大值为VCM，它们可由下式计算得出： (2.6) (2.7)其中VCLAMP = 1,2 V, 两个积分器的电压被分配在一个内置的固定电压VCLAMP = 1,2 V 上在1/2T 到3/4T 周期中，CM和CR的电流是充电时的二倍（2ICM和2ICR），一直到VCLAMP。然后再最后的1/4T 周期中电压保持VCLAMP.2.3 水位控制系统2.3.1 单片机控制原理本设计主要以单片机（Single Chip Micyoco，简称SCM）控制电路为核心，采用了目前较为常用的AT89C51系列单片机。该系列单片机是INTEML有限公司生产的一款抗干扰、高速、小功耗的8位单片机，其使用了51内核，与早期的8051单片机完全兼容。AT89C51引脚图如图2.7所示。图2.7 AT89C51引脚图2.3.2 电磁阀控制原理电磁阀依靠电磁力驱动供电线圈，然后带动活动铁芯开启与关闭阀门，类似于电磁铁原理。尚未接通电源的时候，阀门处于一种默认的状态，一直是开启或关闭的状态；接通电源以后，有了电磁作用力，状态改变，阀门关闭或开启。电磁阀开断响应迅速，结构一点也不复杂、使用也不麻烦。它主要的作用就是使用电力自动打开或者关闭流体的流通管道，控制流体的流动。因为电磁力同活动铁芯的动作行程是非常小的，使得阀门不会占用过大的体积。电磁阀有很多种不同结构，但一般意义上可以简单的划分为有填料型电磁阀和无填料型电磁阀两种类型。对填料型电磁阀，流体不与铁芯与锅接触，可用于低温，高温和腐蚀性液体，其缺点是占用体积大，需要填料和摩擦增大。无填料式电磁阀无填料密封，不仅适用于一般流体，也适用于氦，氨，氟利昂和其他贵重或有毒的液体。电磁阀结构如图2.8所示。图2.8 电磁阀内部结构示意图34- -3系统硬件设计3.2 系统电路组成及设计说明如图3.1所示，系统是以单片机作为控制核心，加上时钟电路和复位电路构成的最小单片机系统作为MCU 主控电路单元； LCD字符型液晶显示器及其周边外部电路构成显示单元；ADC0832加上CAV424构成原始信号检测和转换单元；还有电磁继电器及周边电路构成的电磁阀控制单元。以上所有电路单元组合在一起可以使系统实现水位数据采集及处理、容器内液为高度控制以及显示等多项功能，完全满足本设计的要求。图3.1 系统整体电路图3.1 硬件设计工具简介硬件电路设计需要根据系统功能实际需要，挑选合适的电路元件，设计出满足要求的电路，如果使用电路设计软件，就可以辅助设计出合理实用规范的电路图。本设计使用proteus7.8软件作为这次系统设计的电路设计辅助工具。Proteus7.8目前是一中低端仿真软件，据说国外已经抛弃不用他了但是他在中国向来以功能丰富而著称，如今已成为了一款全方位的电路设计工具，任然受到众多电路设计爱好者的追捧。Proteus7.8软件功能十分强大，元件库众多，可以很好地满足本次设计的目的，设计出符合要求的系统电路。这里主要用它来设计出电路原理图，可以方便电气特性检查，避免出现不必要的错误。Proteus7.8软件的电路原理图绘制界面如图3.2所示。图3.2 proteus7.8软件电路设计界面图3.3 各部分电路设计3.2.1 电源电路设计因为本检测与控制系统只需5V直流电源驱动，因此通常所使用的220V交流市电是不能直接使用的，需要设计将交流电网电压转换为所需要的直流电压的电源电路。单相交流电一般情况下需要经过电源变压电路、整流电路、滤波电路和稳压电路这四部分才能转换成为实用的稳定的直流电压。如图3.3所示，电源电路各部分电路方框图及输出电压波形如下。图3.3 电源电路各部分框图及输出电压波形示意图各部分作用分别为：变压：220伏特的电压太高，它必须首先被降到一个可使用的电压范围，电源变压器就可以达到这一目的，根据后面的电路决定次级电压，不能太高也不能太低。整流：降压后得到的仍然是交流电，不能满足需求，通过整流电路，可以将交流电压转变成只向单一方向流动的脉冲电压。从图3.3中可看出，电压波形中交流分量占有很大比例，如果不将其消除，则负载电路无法正常工作。滤波：含有较大交流分量的脉冲电压明显是不适用的，可以通过低通滤波器将那些交流成分滤除，从而输出较为平滑的直流电压。稳压：一般都需要通过专门的稳压电路。这种电路一般由稳压芯片和建波电路组成13。实际电源电路如图3.4所示。图3.4 直流稳压电源电路原理图3.2.2 MCU主控电路设计图3.5所示是单片机控制电路的原理图。单片机负责的工作为：将液位传感器转换电路输出的电压值换算为水位值，然后在LCD上显示出来，并在LCD上显示当前的水位值和用户设定的水位决定是否启闭电磁阀。时钟电路的作用是：由晶振和电容组成的时钟电路为单片机提供系统时钟基准，其决定了单片机执行指令的速度。复位电路的作用是：能使中央处理单元及系统各个组成部件恢复到初始设定，然后再从初始状态开始工作。另外，单片机的P0口为OD门（漏极开路输出门）电路，作为输出口时应该附加上拉电阻以使其能够驱动负载电路9。图3.5 单片机主控电路原理图3.2.3 显示单元电路设计液晶显示器（Liquid Crystal Display，简称LCD）是一种常用的可以显示数字和字母的显示器，它最大的优点便是其功率损耗非常小，每平方厘米的功耗在1W以下，因此在小型仪器仪表等方面应用十分广泛。本系统中采用的是1602字符型液晶显示器，可以简单称为“LCD”。如图3.6所示。图3.6 1602LCD正面图LCD属于点阵图形式液晶显示器，其显示的基本原理是：首先屏幕被分成两行，每行又划分为128列，每1列相当于对应1个字节的8位中的1位，即每8列对应1个字节的8个位，也就是说每行可以最大显示16个字节，每一行一共有168=128个点组成10。LCD采用标准的16脚接口，其各引脚功能如表3.1。表3.1 LCD引脚功能引脚号符号状态功能1VSS电源地2Vdd+5V逻辑电源3VO液晶显示偏压信号4RS输入寄存器选择5R/W输入读、写操作选择6E输入使能信号7DB0三态数据总线（LSB）8DB1三态数据总线9DB2三态数据总线10DB3三态数据总线11DB4三态数据总线12DB5三态数据总线13DB6三态数据总线14DB7三态数据总线15BLA背光源正极16BLK背光源负极将LCD液晶显示屏及相应外部电路接到单片机上的电路原理图，如图3.7所示。图3.7 单片机与LCD连接电路3.2.4 ADC0832电路设计ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高8。 ADC0832具有以下特点：u 8位分辨率；u 双通道A/D转换；u 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；u 5V电源供电时输入电压在05V之间；u 工作频率为250KHZ，转换时间为32S；u 一般功耗仅为15mW；u 8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装；u 商用级芯片温宽为0C to +70C，工业级芯片温宽为40C to +85C；图3.8 ADC0832接口示意图芯片接口说明：u CS_ 片选使能，低电平芯片使能。u CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。u CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。u GND 芯片参考0电位（地）。u DI 数据信号输入，选择通道控制。u DO 数据信号输出，转换数据输出。u CLK 芯片时钟输入。u Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。图3.9 ADC0832与单片机的接口电路ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用11。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。3.2.5 传感器信号转换电路设计该电的作用是将传感器的电容大小转变为单片机能测量的脉冲信号值。其工作原理为通过CAV424电容电压转换电路集成电路测量电容，CAV424 是一个完整的电容信号转换电压信号的集成电路。只需要外接一些电阻调准输出电压的放大和零点偏置，那么就可以计算出电容。CAV424 是一个电容信号转换电压输出的集成电路。可以测量单一电容传感器或差分电容传感器的电容转换成差分电压信号输出。输出电压与测量电容的关系是倒数关系。输出电压是与电源电压成比12。例输出关系由CAV424转换电路原理实现的传感器信号变换电路，如图3.10所示。图3.10 传感器信号变换电路原理图3.2.6 电磁阀控制电路设计在有些系统控制电路中，难免会遇到低压控制电路对高压电器电路的操作问题，这个时候既要保证两单路之间的电气隔离，又要安全有效地实现控制功能。单片机实现对电磁阀的控制电路就属于这类情况，单片机依靠低压直流供电，而电磁阀需要在市电供电下工作。电磁式继电器能够很好解决这种连接问题。电磁继电器工作的方式是，当他的线圈中有电流通过时，电磁体就具有了磁性，然后会把衔铁吸上去，这是工作电路就会导通而工作。这个原理与电磁继电器有个共同用途，就是一般用于高压电路的通段13。电磁继电器的驱动电路如图3.11所示。图3.11 电磁继电器驱动电路原理图4系统软件设计4.1 软件设计任务软件设计主要针对硬件设计里面的单片机中心控制部分，即单片机程序编程。C语言既具有一般高级语言的特点，又能直接针对硬件进行操作，运算和表达能力都较强，许多以前只能用汇编语言来解决的问题现在都可以改用C语言来解决。由于C语言具有设计简单和紧凑、使用灵活方便、操作运算符和数据类型极为丰富、程序设计自由灵活、可移植性高等众多优点，与汇编语言相比，较为简单，因此本设计采用C程序设计语言作为软件设计语言。根据硬件电路的设计要求，单片机软件程序需要完成的任务有初始化程序设计、按键控制程序设计、ADC0832驱动程序设计、LCD显示程序设计、声光报警程序设计以及电磁阀控制程序设计等。4.2 程序算法设计整个程序设计过程中核心部分是如何把电容的变化转换成电压的变化，并根据测量到的电压大小计算出水位高低。CAV424的输出电压VOUT和传感电容CM的关系是: (4.1)其中：CM= 变化的测量电容CR= 参考电容COSC= 振荡器电容RCR= 测量积分器电流调准电阻RCR= 参考积分器电流调准电阻ROSC= 振荡器电流调准电阻VOSC= 振荡器电压振幅(固定值VOSC = 2.15 V VCC = 5 V)VREF= 参考电压 (VREF = 2.5 V VCC = 5 V) 4.3 软件设计工具简介4.3.1 Keil Vision4程序编译调试软件为方便编写软件程序及完成后续的程序编译、连接、调试工作，本设计采用了美国Keil 软件公司出品的Keil C51 Vision4软件。它界面友好，使用方便，函数库丰富，自动纠错功能强大，而且生成代码效率很高，已经成为51单片机编程不可或缺的软件之一14。Keil的程序代码编译界面如图4.1所示。图4.1Keil软件调试界面图在Keil软件中编写好程序后，经过编译调试后，直接输出生成hex文件，既可以放到Proteus软件中进行仿真分析，也可以直接下载到单片机中直接使用。另外，Keil软件与Proteus软件关联后可以实现在线联调，对于程序调试十分方便。4.4 软件设计流程4.4.1主程序流程图系统软件主程序流程图，如图4.2所示。开始读取相应控制信号初始化向执行机构发送控制信号水位采集完毕？N退出系统Y读取水位值图4.2 主程序流程图4.4.2单片机程序流程图单片机初始化工作完成后便开始测量工作，首先经过一秒定时，用连接在ADC0832上的电压表测出电压值，然后通过电压的变化判断水位是在上升还是下降，并根据数据的关系得到的公式计算出水位值，然后LCD显示出测量结果。单片机测量部分程序流程图，如图4.3所示。LCD显示发送数据上升公式下降公式判断电容的增减?检测电容的变化延时1秒，测量电容开始图4.3 单片机液位测量换算程序流程图5系统测试与结果分析本设计采用外筒直径D=15mm，内筒直径d=10mm，筒高H=100mm的同轴筒式液位传感器。室温下，针对水介质进行了重复性测量。由于水的介电常数比较大，使得电容变化范围较大，频率变化范围也较大，因此传感器在水中测量精度较高。传感器在无水情况即全部在空气中的初始电容为5pF这时经转换的输出电压信号为1V，当达到最高水位的时候电容为40nF时输出电压为4V。当容器内水位逐渐上升时，传感器两极板之间电容值逐渐增大，电压值增大，多次测量的数据见表5.1；这些数据竟然表明水位高度和电压呈现标准的线性关系。表5.1 水位数据统计表高度(H/dm)0102030405060708090100电压（VOUT1/v）0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.505.00电压（VOUT2/v）0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.505.00电压（VOUT3/V）0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.505.00根据统计可以得到电压和水位变化的关系公式（5.1）：(5.1)依据所得的推导公式可以计算出不同电压对应的水位高度值，从而得到较准确的水位高度数据。经过AT89C51单片机软件处理，送至LCD液晶显示器显示水位高度。对比测量结果可知，虽然环境因素对测量结果有一定的干扰，但总体变化趋势是准确的。由理论和实验分析可得到，通过优化电容极板结构，减少寄生电容和环境等因素的干扰，可以逐步达到实际效果，即实现与介质无关的目的，满足精确测量的要求。经过重复性实验的多次验证，以下因素对于液位测量的精度中影响较大：传感器电容极板结构对测量精度的影响很大。电容器极板属于敏感元件，需它本身就需要极其敏感的变化。电容器板本身结构，例如长度、大小等直接决定着测量精度的高低。采用增加初始电容值的方法，可以使寄生电容相对电容传感器的电容量较小。电容极板间距越大，寄生电容越大，准确性也越低；反之，板间距离越小，寄生电容就小，准确性也就越高。因此要根据实际情况，选择合适的筒式传感器电容极板。除此之外，传感器的材料、绝缘涂层以及导线的选用，也会对液位测量的精度造成一定的影响15。图5.1 电容水位传感器结构图（2）水位测量范围设定值（或称作初始设定值）对测量精度的影响也很大。设定值的大小判断要进行下次采样，估算计算液面位置，因此对测量精度的影响很大。如果设定值太小，容易产生误判断；设置值若设置过大，又会影响测量准确度。因此要根据实际情况，选择恰当的测量范围的设定值，根据CAV424的文献资料可以知道电容传感器的范围在5pF40nF之间才能达到最理想的测量结果。结论全自动水塔控制监测系统，改变了传统检测方式它结合了当今先进的研究成果优化了以前信号检测端，提出了一种方便可行的水位检测与控制系统设计方案。根据课题设计内容和要求，在完成研究工作的过程中，本论文主要取得了一下研究成果：（1）要根据实际应用环境选择特殊的传感器，它安装方便，结构简单，这种结构更加符合工程力学要求，可以十分方便地安装在水塔顶盖上，既不影响水塔的正常工作，又能深入容器内，有效地测量出水位的实时变化，而且这种传感器制作工艺不复杂，具有极高的实用性。（2）基于已设计的电容式液位传感器，采用CAV424电容电压转换集体电路对这个设计带来很大的方便信号转换电路，将电容式液位传感器看做一个电容接入到集成电路中，那么水位化值与液位传感器的电容值呈一定的函数关系，又根据理论计算可知，液位高度与传感器电容值也成一定的函数关系，那么经转换之后的电压信号与液位高度之间就会有一个函数关系。在大量实验数据的基础上，这个函数关系就可以得到了。（3）采用电磁阀控制管道液体的进出，并用电磁继电器控制电磁阀的工作，从而很方便地对水塔的水位高低进行控制，实现了液体进出过程的全面自动化。（4）采用了AT89C51单片机作为检测与控制核心，通过软件编程实现对电压信号的采集、分析和处理，同时它也控制着电磁继电器的开闭。另外LCD显示电路电路，方便了操作者直观地观测数据和修改参数。（5）在以上条件的基础上，搭建了试验平台，在水中进行了一系列的实验，实验结果证明，该系统在0-100dm的测量范围内，测量的精确度还是比较高的，而且能够动态地检测与控制液位，能够满足水塔水位的实时监测的需要，设计成果的可靠性得到了验证。虽然本设计从理论上达到了最初的设计任务与要求，但是由于仿真软件元件库缺少一个最重要的电容传感器转换芯片CAV424，所以无法直观的看到水位因为电容的变化而变化。但我可以确保这个设计是真实可行的，我查阅了大量的文献资料，这些足以证实我的设计能够达到毕业设计要求。这个仿真仅仅是在理想环境下测量水位，如果真正运用到现实中，他可能存在一些无法避免的误差：（1）信号转换芯片CAV424必须在一定的条件下工作才能达到理想的的结果；（2）传感器电容大小必须在某一个范围之内才能保持转换电压的线性输出，否则就应该进行非线性校正；（3）其他一些硬件的原因。希望在之后的设计改进之中能够得到进一步解决。参考文献1 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