利用压力传感器实现液位控制

1 长 沙 学 院 CHANGSHA UNIVERSITY 检测技术设计性实验报 告说明书 实验设计题目 实验设计题目 利用压力传感器实现液位控制利用压力传感器实现液位控制 系系 部 部 电子与通信工程系电子与通信工程系 专业年级班级 专业年级班级 电气工程及其自动化一班电气工程及其自动化一班 小组姓名学号 小组姓名学号 卢玉芳卢玉芳 20090421242009042124 颜颜 蓉蓉 20090421112009042111 刘晓莉刘晓莉 20090312112009031211 指指 导导 老老 师 师 张张 丹丹 成成 绩绩 评评 定 定 指导教师填写 指导教师填写 2012 年年 6 月月 2 目目 录录 一 概述一 概述 3 1 11 1 系统组成框图系统组成框图 3 1 21 2 压力传感器实现液位控制原理及特性压力传感器实现液位控制原理及特性 3 二 压力传感器实现液位控制系统的单元电路介绍二 压力传感器实现液位控制系统的单元电路介绍 3 2 12 1 单片机的介绍单片机的介绍 3 2 22 2 信号处理模块分析信号处理模块分析 5 2 2 1 压力传感器工作原理 5 2 2 2 ADC0809 工作原理 6 2 2 3 继电器输出电路工作原理 6 三 利用压力传感器实现液位控制的硬件电路设计三 利用压力传感器实现液位控制的硬件电路设计 7 3 13 1 液位测量电路的设计液位测量电路的设计 7 四 利用压力传感器实现液位控制的软件设计四 利用压力传感器实现液位控制的软件设计 8 4 14 1 程程序设计序设计框图框图 8 4 24 2 汇编语言程序汇编语言程序 8 五 总结与展望五 总结与展望 9 六 参考文献六 参考文献 9 3 一 概述一 概述 1 11 1 系统组成框图系统组成框图 利用单片机和传感器构建一套完整的液位自动控制系统 可根据需要设定液位的上限 和下限 同时具备报警功能 本课题采用的是以 8051 系列的 AT89C51 单片机为核心开发压 力传感器实现液位自动控制系统 系统原理图如图 2 1 单 片 机 继 电 器 压力 传感 器 信号 处理 图 2 1 系统框图 压力传感器采集到压力信号传送给信号处理模块 它与单片机通信测出液位的高低 经过线性化处理后发给继电器电路 控制继电器的通断及发光二极管的亮灭 1 21 2 压力传感器实现液位控制原理及特性压力传感器实现液位控制原理及特性 压力传感器简介 压力传感器中主要使用的压电材料包括有石英 酒石酸钾钠和磷酸 二氢胺 其中石英 二氧化硅 是一种天然晶体 压电效应就是在这种晶体中发现的 在 一定的温度范围之内 压电性质一直存在 但温度超过这个范围之后 压电性质完全消失 这个高温就是所谓的 居里点 由于随着应力的变化电场变化微小 也就说压电系 数比较低 所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代 而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏 度和压电系数 但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用 磷酸二氢胺属于人 造晶体 能够承受高温和相当高的湿度 所以已经得到了广泛的应用 利用压力传感器实现液位控制的基本原理 基于单片机 压力传感器实现的液位控制 器是以 AT89C51 芯片为核心 由压力传感器 A D 转换器 继电器 发光二极管等组成 工作过程如下 水箱 水塔 液位发生变化时 引起连接在水箱 水塔 底部压力的变化 压 力传感器在接收到压力信号后 即把变化量转化成电压信号 该信号经过运算放大电路放 大后变成幅度为 0 5 V 标准信号 送入 A D 转换器 A D 转换器把模拟信号变成数字信 号量 由单片机进行实时数据采集 并进行处理 根据设定要求控制输出 压力传感器的特性 压电传感器的重要特性就是压电效应 即某些电介质物体 在沿一定方向对其施加压 力和拉力而使之变形时 内部会产生极化现象 同时在其表面上就会产生电荷 当将外力 去掉后 它们又重新回到不带电的状态的现象 二 压力传感器实现液位控制系统的单元电路介绍二 压力传感器实现液位控制系统的单元电路介绍 2 12 1 单片机的介绍单片机的介绍 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS 8 位微处理器 俗称 单片机 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除 只读存储器的单片机 单片机的可擦除 4 只读存储器可以反复擦除 1000 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术 制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能8 位 CPU 和闪 烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C2051 是 它的一种精简版本 AT89C 单片机为很多 嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉 的方案 外形及引脚排列如图所示 图 3 1 AT89C51 实物图 图 3 2 AT89C51 管脚分布 单片机引脚功能说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P0 口的管脚第 一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出 原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门 电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接 收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 并因此作为输 入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部 程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地 址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出 其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为 低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特 殊功能口 如下表所示 表 3 1 P3 口特殊功能 5 口管脚备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 定时 计数器 0 外部输入 P3 5 T1 定时 计数器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持RST 脚两个机器周期的高电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输 出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的1 6 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于 定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管 是否有内部程序存储器 注意加密方式1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保 持高电平时 此间内部程序存储器 在FLASH 编程期间 此引脚也用于施加12V 编 程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配 置为片内振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 有余输入至内部 时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟 信号的脉宽无任何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 2 22 2 信号处理模块分析信号处理模块分析 2 2 1 压力传感器工作原理 图 3 3 压力传感器电路 6 2 2 2 ADC0809 工作原理 ADC0809 对输入模拟量要求 信号单极性 电压范围是 0 5V 若信号太小 必须进行放大 输入的模拟量在转换过程中应该保持不变 如若模拟量变化太快 则需在输入前增加采样 保持电路 其管脚分布 内部结构如图所示 图 3 4 ADC0809 管脚分布图 图 3 5 ADC0809 内部结构图 图 3 6 A D 转换电路原理图 2 2 3 继电器输出电路工作原理 当控制端端电平置高 公共触点与常开端吸合 我们可以将常开端接入一发光二极管 公共端接 5V 电平 图中的二极管 D 是起续流作用 可以防止在切断继电器线圈中的电流 时出现的很高的反压 保护驱动三级管或其他驱动继电器的器件 7 图 3 7 继电器输出电路 三 利用压力传感器实现液位控制的硬件电路设计三 利用压力传感器实现液位控制的硬件电路设计 3 13 1 液位测量电路的设计液位测量电路的设计 本此设计系统的原理图如图 4 1 所示 通过压力传感器 A D 转换器 单片机的通信 控制继电器工作即可实现液位的控制 电路简单 精度高 容易实现 大大简化了硬件的 设计 压力传感器采集到压力信息 经过 ADC0809 处理后送给单片机 再通过控制继电器的 触点开关控制水阀的开关来实现液位高低的控制 图 4 1 单片机液位测量电路 表 4 1 元器件参数 R11KR82K4RW10K R24K3R92K4C133pF R3120R102MC233pF R41KR112MC31uF R51KR121KC4103uF R6120R134 7KC5103uF 8 R7120R141KADC0809AT89C51 四 利用压力传感器实现液位控制的软件设计四 利用压力传感器实现液位控制的软件设计 4 14 1 程程序设计序设计框图框图 图 5 1 程序设计流程图 4 24 2 汇编语言程序汇编语言程序 ORG 0000H AJMP START ORG 0030H START MOV 40H 25H 设置下限 MOV 41H 70H 设置上限 MOV P0 0FFH MOV R0 25H MOV DPTR 8000H CAIYANG MOVX DPTR A 启动 A D 转换 LCALL DELAY MOVX A DPTR 保存转换结果 CMP CJNE A 41H LOOP AJMP CLOSE 等于上限 关闭阀门 LOOP JNC CLOSE 大于上限 关闭阀门 CJNE A 40H LOOP1 AJMP 等于下限 打开阀门 LOOP1 JC OPEN 小于下限 打开阀门 AJMP CAIYANG CLOSE CLR P2 0 关闭阀门 AJMP CAIYANG OPEN SETB P2 0 打开阀门 AJMP CAIYANG DELAY DJNZ R0 DELAY RET SJMP 9 END 五 总结与展望五 总结与展望 此次检测技术设计实验中 我又重新对传感器应用技术中的压力传感器部分知识进行了详细阅读 对传感器的知 识应用有了一定的了解 我和小组成员在了解了压力传感器的优缺点和压力器工作原理的 基础上研究和分析了系统设计方案 并对压力传感器应用场景进行了设想与分析 完成利 用压力传感器实现液位控制系统的硬件选型和电路设计和利用压力传感器实现液位控制系 统的程序流程图设计及程序的编写 通过对利用压力传感器实现液位控制系统的设计过程及分析得出如下结论 利用压力传感器实现液位控制的系统电路设计简单 容易实现 精确度高 此次设计 关于利用压力传感器实现液位控制系统的设计 虽然可以满足一般工业的需求 也做了一 些尝试性的探索工作 但是还存在很多不完善的地方 仍有许多方面有待进一步深入学习 总之 通过此次设计使我们进一