液位与液体流速检测.doc

I 摘摘 要要 液位测量一直与自动化密切相关 几乎遍及生产与生活的各个领域 近 年来由于新检测原理及微电子技术的发展和应用 使得液位测量仪更趋向小 型化和智能化 逐步实现了故障诊断和报警 高精确度 高可靠性 安全性 和多功能化 本文研制 的液位和液体流速实时检测系统可以自动检测液位 精确测量液体流速 当液位 达到设定限值 液体流速过高或过低时 都能 发出声光报警 提醒有关人员及时处理 本系统以 80C51 为核心 辅以必要的外围电路 检测液体的液位 液体流速 从而可以显示 报警 在硬件方面 以 MCS 5l 单片机为控制核心 还包括液位与 流速采集模块 A D 转换电路模块 LCD 显示模块 报警模块 等 软件方面采用汇 编语言编程 整个控制系统能根据容器内液 位的高低来决定 阀门的开度 并且在发 生故障时由外部电路的 LED 发光管点亮报警 关键词关键词 液位检测 液体流量检测 A D 转换 单片机 II A Ab bs st tr ra ac ct t Liquid level measuring is closely related with automation virtually all fields of producing and living In recent years due to new testing theory and microelectronic technology s development and application the liquid level measuring instruments more incline to miniaturization and intellectualization and gradually realize fault diagnosis and alarm high precision high reliability safety and multi function This paper developed a liquid level and speed real time detection system can automatically detect the liquid level the accurate measurement of liquid velocity When the liquid level reaches a set value the liquid flow is too high or too low can send out audible and visual alarm to remind the relevant personnel to timely treat Keywords liquid level detection liquid speed detection singlechip control This system whose kernel is 80C51 supplemented by necessary peripheral circuit detecting the level of a liquid liquid flow which can display alarm In the hardware aspect with MCS 5l as the control core also includes liquid level and flow velocity collection module A D conversion circuit module LCD module alarm module Software using assembly language programming the whole control system according to the liquid level height decided the degree of valve opening and in the event of a failure by the external circuit LED light alarm Keywords liquid level detection liquid speed detection A D conversion singlechip control III 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 目 录 III 第一章引 言 1 1 1 概述 1 1 1 1 课题研究背景 2 1 1 2 课题研究意义 3 1 2 智能仪器的研究状况 3 第二章 系统设计方案论证与器件简介 9 2 1 液位与流速检测系统设计方案论证 9 2 2 硬件设计框图 13 2 3 器件的介绍 14 2 3 1 单片机 14 2 3 2 投入式液位计传感器 15 2 3 3 LUGB 型应力式涡街流量传感器 17 2 3 4 ADC0809 的简介 23 2 4 本章小结 24 第三章 硬件电路设计 25 3 1 单片机控制模块 25 3 2 液位与流速采集模块 26 3 2 1 液位的采集模块 26 3 2 2 流速的采集模块 26 3 3 LED 显示电路 27 3 4 键盘模块 30 3 5 电源电路 32 3 5 1 LM78 系列三端固定稳压器的原理 32 3 5 2 电源电路的设计 33 3 6 A D 转换模块 34 3 7 报警电路模块 35 3 8 本章小结 36 第四章 软件设计 37 4 1 软件系统概述 37 4 2 软件系统特点 38 IV 4 3 键盘输入中断服务程序 40 4 4 液位与流速显示程序框图 41 4 5 报警程序框图 42 4 6 显示转换 43 4 7 本章小结 44 总 结 45 参考文献 46 致 谢 48 附 录 49 1 第一章第一章引引 言言 1 1 概述 单片机又称 单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个计 算机系统集成 到一个芯片上 相当于一个微型的计算机 和计算机相比 单片机只缺 少了 I O 设备 单片机特点突出 在结构上突出控制功能 由于单片机是为满足工业控制设计的 所以控制功能特别强 其 CPU 可以对 I O 端口直接进行操作 为控能力更是其他计 算机无法比拟的 由于 CPU 存储器及 I O 接口集成在同一芯片内 各部件间的连 接紧凑 数据在传输的时候不容易守工作环境的影响 所以用单片机设计的产品可靠 性较高 单片机价格低 适合于大批量低成本的产品设计 单片机种类和型号多 适 用于广泛的应用领域 单片机引脚少 体积小 从而使应用系统的印制电路板减小 使产品结构灵活精巧 由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质 近年来其在各种领域获得了 极为广泛的应用 概括分为以下几个方面 1 智能仪表类 单片机用于各种仪表 一方面提高了仪器的使用功能和精度 使仪表智能化 同时还简化了仪表的硬件结构 从而可以方便的完成仪表产品的升级 换代 2 机电一体化产品 机电一体化产品是集机械技术 微电子技术 自动化技 术和计算机技术于一体 具有智能化特征的各种机电产品 单片机在机电一体化产品 中应用极为普遍 3 实时工业控制 单片机还可应用于各种物理量的采集与控制 电流 电 压 温度 液位 流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便的实现 在 这类系统中 利用单片机作为系统控制器 可以根据被控对象的不同特征采用不同的 智能算法 实现期望的控制指标 从而提高生产效率和产品质量 4 分布系统的前端模块 在较复杂的工业系统中 经常要采用分布式测控系 2 统完成大量的分布参数的采集 在这类系统中 采用单片机作为分布系统的前端采集 模块 系统具有运行可靠 数据采集方便灵活 成本低廉等一系列优点 另外 在家用电器 交通领域中均有广泛的使用 单片机的应用意义 不仅带来的巨大经济效益 更重要的意义还在于单片机的应 用正从根本上改变着传统的设计思想和设计方法 从前必须由模拟电路或数字电路实 现的大部分功能 现在已能用单片机通过软件的方法实现 这种以软件取代硬件并提 高系统性能的控制技术 称之为微控制技术 微控制技术标志着一种全新概念的出现 是对传统控制技术的一次革命 随着单片机应用的推广和普及 微控制技术必将不断 发展 日益完善 1 1 1 课题研究背景 液位测量一直与自动化密切相关 液位的测量几乎遍及生产与生活的各个领域 尤其是工业生产过程领域 化工 石油 矿山等企业总是有许多锅 罐 或容器需要 测定液位 水电 港务 航道等部门也需要测定水库 港口或航道的水位 国防部门 等需要测定飞机 坦克之类的动力油箱中的油位 从测量范围来说 小的只有几十个 厘米 大的可达几十米 从精度要求来说 有的只允许1 毫米误差 有的却允许几厘 米甚至几十厘米的误差 从测量环境和条件来说 有的很简单 有的却非常复杂 目前国内外在液位监测方面采用的技术和产品很多 按所采用的侧量技术及使用 方法分类 主要有以下几种 差压式 浮体式 声波式 电容式 等等 近年来由于微电子技术的发展使得液位检测技术发生了根本性变化 新的检测原 理与电子部件的应用使得液位测量仪更趋向小型化和微型化 特别是一些小型现场液 位开关发展极快 如超声液位计和振动式液位开关 由于没有可动部件 所以可靠性 高 不仅可现场显示 而且可以发出控制信号 与此同时 液位检测也在向着智能化 发展 以实现故障诊断和报警 目的是提高测量的精确度 可靠性 安全性和多功能 化 在传感器方面 在应用和设计中尽量实现不接触式或不渗透式测量 其中以超 声波式液位计 光学式液位计 电磁式液位计与辐射式液位计最为典型 从而提高探 头对恶劣的过程条件的抵抗能力 3 1 1 2 课题研究意义 在现代化的工业生产中 液位控制由于其应用极其普遍 种类繁多 其中不乏一 些大型的复杂系统 譬如在石油化工等工业生产中 它主要有以下几个特点 1 时滞性 在大型 复杂的液位控制系统中 当改变进出容器的液体流量来 控制液位 时 控制效果在较长的时间后才能得到体现 这会使得最后的稳态误差较 大 液位在 期望值附近波动 2 时变性 液位控制一般是通过控制液体流入量的大小来控制液 位的 流出量是根据后续工艺生产的需求而调节 这种需求的数量和速度是在不断变化的 3 非线性 容器内液体流出量不仅随后续工艺生产需求变化 即使在控制阀 门保持不变的情况下 实际的流出量也随着液位高度的变化而发生一种非线性的变 化 这几个特点 都严重影响控制效果 当实际生产对控制有较高的性能指标要求时 就需要将智能控制方法引入到液位控制系统中来 采用 MCS 51 单片机来对液位 进行控制 不仅具有控制方便 组态简单和灵活性大等优点 而且可以大幅度提高被 控对象的技术指标 从而能够大大提高控制的质量 为此我们研制了液位和液体流速实时检测系统 该系统自动检测液位 精确测量 液体流速 并且进行 实时数据 显示 当液位 达到设定限值 液体流速过高或过低时 就会发出声光报警 提醒有关人员及时处理 1 2 智能仪器的研究状况 智能仪器是一种典型的单片机应用系统 它是计算机技术 现代测量技术与大规 模集成电路相结合的产物 从现代仪表的科学技术发展呢趋势和特点 可以列出如下 一些反应仪表发展的关键技术 1 传感技术 传感技术不仅是仪器仪表实现检测的基础 也是仪器仪表时间 控制的基础 这不仅因为控制必须以检测输入的信息为基础 并且是由于控制达 到的精度和状态必须感知 否则不明确控制效果的控制仍然是盲目的控制 4 2 系统集成技术 系统集成技术直接影响仪器仪表和检测控制技术的应用广 泛度和水平 特别是对大工程 大系统 大型装置的自动化程度和效益有决定性 影响 它是系统级层次上的信息融合控制技术 包括系统的需求分析和建模技术 物理层配置技术 系统各部门分信息通信转换技术 应用层控制策略实施技术等 3 智能控制技术 智能控制技术是人类以接近最佳方式 通过测控系统监控 智能化工具 设备 系统达到既定目标的技术 直接涉及测控系统的效益发挥的 技术 是从信息技术向知识经济技术发展的关键 智能控制技术可以说是测控系 统中嘴重要和最关键的软件资源 包括模仿人的特征提取技术 目标自动辨识技 术 知识的自学习技术 环境的自适应技术等 4 人机界面技术 人机界面技术主要为方便操作人员操作仪器尔服务的 它 使仪表成为人类认识世界 改造世界的直接操作工具 仪表具有一个完美的人机 界面 常成为人们选用仪器仪表及配有仪器仪表的主设备 主系统的一个重要条 件 5 可靠性技术 随着仪器仪表和测控系统应用领域的日益扩大 可靠性技术 特别是在一些军事 航空航天 电力 大型工程中起到提高战力和维护正常工作 的重要作用 这些部门一旦出现故障 将导致灾难性的后果 因此装置的可靠性 显得特别重要 智能仪器作为新一代的电子仪器 从工作原理来看它的发展经历了三个阶段 1 模拟式仪器 模拟式仪器的基本结构是电磁式和力学式 仪器基于电磁测量原理和力学转换原 理并 用指针来显示最终的测量结果 典型的模拟式仪器有指针式电压表 电流表 功 率表和一些通用的测试仪器 这些仪器不管其原理和结构如何都有一个共同的特征 直接对模拟信号进行测量或控制并最终以指针的运动来显示测量结果 2 数字化仪器 数字化仪器的基本原理是将待测的模拟信号转换成数字信号后进行测量 并将测 5 量结果以数字形式进行显示与输出 数字化仪器精度高 速度快 显示清晰直观 典 型的数字化仪器如数字电压表 数字频率计 数字式温度显示调节仪等 数字式仪器 与模拟式仪器相比在原理 结构上发生了根本性变化 其基本原理是将模拟信号转化 为数字信号进行测量或控制 尤其数字集成电路被大量采用 户以A D 转换 D A 转换和十进制数码显示是数字化仪器最明显的特征标志 数字化仪器给人以直观的感 觉 响应速度和测控精度也比模拟式仪器提高了许多 3 智能仪器 智能仪器是指能在计算机的控制下 通过各种测量传感器将被测信号转换成电压 或电流信号 再经 A D 转换器转换为数字量送入计算机进行计算与处理 并根据实际 要求进行各种操作的一类仪器 智能仪器无论在测量速度 精确度 自动化程度还是 性能价格比等方面 都是传统仪器所不可比拟的 它具有数据存储 运算和逻辑判断 能力 能根据被测参数的变化自动选择量程 可自动校正 自动补偿 微处理器是智 能仪器的控制中枢 其功能由软 硬件相结合来完成 经过十多年来的发展 智能仪器在测量过程自动化 测量结果的数据处理及一机 多用等方面取得了巨大的进展 目前 智能仪器已广泛应用于工业企业 医疗 科研 单位和家用电器中 正向着结构简化 体积减小 成本降低 性能价格比提高的方向 发展 近年来 智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展 体现为模糊 判断 故障诊断 容错技术 传感器融合 机件寿命预测等 6 第二章第二章 系统设计方案论证与系统设计方案论证与器件简介器件简介 2 1 液位与流速检测系统设计方案论证 无论是工业生产中 还是日常生活中 对液位与液体流速的检测和控制都是必 不可少的 对于 液位的检测通常是采用 液位检测器在通 A D 转换得到数字信号 但 由于信号的采集对整个系统 的影响很大 如果采样精度不高 会使这个系统准确性下 降 而对于 液位控制的方法也有很多 如单片机控制 PLC 控制 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 数控部分 电路 检测部分和控制驱动电路部分 框架如下图所示 单 片 机 数据采集传感器 键盘控制 液位报警 显示电路 电源电路 方案原理方框图 1 数控电路部分 主要有数字 电路部分构成 它要完成LCD 显示控制 报警控制等功能 数控部分的核心是一个 AT89C51 的最小应用系统 包括一片AT89C51 芯片 和一片 A D0809 芯片 利用液位传感器检测 然后转换成对应的电压送到单片机进 7 行液位高度的判断 在输出对应的液位高度值由LCD 显示 2 液位测试部分 首先要将液位变送器测得的液位模拟量变为数字量 然后送入单片机进行相应的 处理 模数转换的部分采用 AD0809 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对应的电压信号 即在芯片采集信号端加入 个 250 欧的转换电阻 将电流转换为 1 5V 的电压值 3 电源电路部分 本设计采用交流 220V 供电 输出 5V 的电压 电源电路可分为三大块 变压 部分 整流滤波部分 稳压部分 电源电路设计如下图所示 电源电路图 220V 50Hz 的交流电进入本电路后 首先经过变压器进行变压 由交流220V 变为交流 14V 交流 14V 进入电桥电路进行整流 由交流电整流为直流电 再进过 电容的滤波后进入 5V 集成三端稳压器 7805 生成 5V 直流电 供给单片机应用 1 电源变压器 变压部分其实就是一个变压器 变压器作用是将220V 的交流电压变换成我们 所需的电压 14V 然后再送去整流和滤波 2 整流滤波电路 整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压 滤波电路用来滤除整流后单向脉 动电压中的交流成份 合之成为平滑的直流电压 滤波电路常见的有电容滤波电路 电感滤波电路 一般的整流有全波整流 单相半流整流 桥式整流 及变压整流 8 3 稳压电路 在这的稳压电路中我使用的是 三端固定输出集成稳压器 稳压电路的作用 是当输入交流电源电压波动 负载和温度变化时 维持输出直流电压的稳定 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 方案比较 这两种方案均是可行的 方案一原理直观 且 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 闭环过程控制 位置控制 数据采集 及监控 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 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 2 2 硬件设计框图 单片机液位与流速检测 系统是以 MCS 5l 单片机为控制核心 系统主要包括单 片机控制模块 传感器模块 LED 显示模块 报警模块 控制电源模块和键盘模块 六大部分 系统总体框架如图2 1 所示 9 单 片 机 数据采集模块 键盘控制模块 液位报警模块 显示电路模块 电源电路模块 图2 1 系统框架 2 3 器件的介绍 2 3 1 单片机 80C51 是 MCS 51 系列单片机中的一个产品 MCS 51 系列单片机是 Intel 公 司推出的通用型单片机 MCS 51 系列单片机的各种型号都是以80C51 为核心电 路发展起来的 因此他们都具有MCS 51 的基本结构与软件特征 10 图 2 3 1 单片机 8051 8051 的基本结构 一 CPU 系统 8 位 CPU 含布尔处理器 时钟电路 总线控制 二 存储器系统 4K 字节的程序存储器 ROM EPROM Flash 可外扩至 64K 128 字节的数据存储器 RAM 可再外扩 64K 特殊功能寄存器 SFR 三 I O 口和其他功能单元 4 个并行 I O 口 2 个 16 位定时 计数器 1 个全双工异步串行口 UART 中断系统 5 个中断源 2 个优先级 8051 的功能引脚 1 电源及时钟引脚 4 个 Vcc 电源接入引脚 Vss 接地引脚 11 XTAL1 晶体振荡器接入的一个引脚 XTAL2 晶体振荡器接入的另一个引脚 2 控制线引脚 4 个 RST Vpd 复位信号输入引脚 备用电源输入引脚 ALE PROG 地址锁存允许信号输出引脚 编程脉冲输入引脚 EA Vpp 内部储存器选择引脚 片内 EPROM 或 FlashROM 编程电压输入引脚 PSEN 外部程序存储器选通信号输出引脚 3 并行 I O 引脚 32 个 分成 4 个 8 位口 P0 0 P0 7 一般 I O 口引脚或数据 地位地址总线复用引脚 P1 0 P1 7 一般 I O 口引脚 P2 0P2 7 一般 I O 口引脚或高位地址总线引脚 P3 0 P3 7 一般 I O 口引脚或第二功能引脚 2 3 2 投入式液位计传感器 用静压测量原理 当液位变送器投入到被测液体中某一深度时 传感器迎液面受到的压力公式为 g H Po 式中 P 变送器迎液面所受压力 被测液体密度 g 当地重力加速度 Po 液面上大气压 H 变送器投入液体的深度 同时 通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔 再将液面上的大气 压 Po 与传感器的负压腔相连 以抵消传感器背面的Po 使传感器测得压力为 g H 显然 通过测取压力 P 可以得到液位深度 12 功能特点 稳定性好 满度 零位长期稳定性可达0 2 FS 年 在补偿温度 0 70 范围内 温度飘移低于 0 2 FS 在整个允许工作温度范围内低于0 5 FS 具有反向保护 限流保护电路 在安装时正负极接反不会损坏变送器 异常时 送器会自动限流在 35MA 以内 固态结构 无可动部件 高可靠性 使用寿命长 安装方便 结构简单 经济耐用 主要技术参数 调试方 法 拧下保 护盖 即可 看到调零和满程电阻器 外接标准电源及电流表 极以上 即 可调整 步 骤如下 在变送器没有液体的情况下 调节零点电阻器 使之输出电流 m 变送器加液到满量程 调节满程电阻器 使之输出电流 m 反复以上步骤两三次 直到信号正常 调节完毕 拧紧保护盖 测量范围 0 0 1米 0 35米 最大过载 不超过管长 测量形式 平衡罩式 精度等级 0 5 F S 电源电压 24VDC 负载电阻 500 测量介质 各种无腐蚀性液体 长期稳定性 0 2 F S 年 环境相对湿度 0 95 补偿温度 0 70 工作温度 10 70 最高可做 500 需订制 13 2 3 3 应力式涡街流量传感器 1 用途特点 应力式涡街流量传感器与流量积算器配套使用 可精确测量各种管道中液体 如 水 油 化工原料 药液 食品 气体 如空气 煤气 天然气 石油液体气等 各种化工气体 蒸汽 如饱和蒸汽 过热蒸汽 的瞬时流量和累积流量 广泛用于 石油 化工 冶金 电站轻工食品等领域 是目前工业过程控制 能源计量比较先进 的新型流量仪表 该传感器 输出与流量成正比的脉冲信号或电流信号 供记录 调节 控制用 其 特点主要有 精度高 测量范围宽 无可动部分 可靠性高 介质适应性强 压力损 失小等 2 主要技术参数 2 1 传感器的型号 规格如下 L U G B 使用环境 公称通径 被测介质 连接方式 应力检测方式 传感器 用 卡门涡街 原理 流量仪表 2 2 输出信号 电压脉冲 低电平2V 高电平 6V 模拟输出 0 10mA 或 4 20mADC 2 3 供电电源 12 0 5VDC 防爆型传感器经安全栅供电 2 4 允许振动加速度 0 2g 2 5 环境湿度 5 95 3 工作原理 14 应力式涡街流量传感器是根据 卡曼涡街 原理 利用应力检测方式 以压电 晶体为检测敏感元件 并使检测元件与旋涡发生体分离的一种新型振荡式流量仪表 在管道中垂直于流体流向插入一非线性柱体 发生体 检测深斗体置于旋涡发生体 后测 当流量增大到一定值时 在旋涡发生体的下流则产生两列交替的旋涡 这种旋 涡称卡曼旋涡 卡曼旋涡释放的频率与流体流速及旋涡发生体宽度有关 可用下式表 示 f St v d 1 式中 f 卡曼旋涡释放的频率 v 旋涡发生体两侧平均流速 d 旋涡发生体的宽度 St 斯特劳哈尔系数 实践证明 雷诺数 Re 在 2 104 7 105范围内 St 为常数 此时旋涡频率 与流体的流速成正比 且不受流体 密体 粘度 温度 压力等介质参数的影响 只 要准确地测量出旋涡的频率f 即可测量出流体的流量 由上式可导出 K f Q 2 式中 K 仪表常数 脉冲数 m3通过实流标定后 在产品合格证上给出 Q 体积流量 m3 h 2 3 4 ADC0809 的简介 ADC0809 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 三态输出锁器用于锁存A D 转换完的数字量 当 OE 端为高电平时 才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据 其事物图如下图所示 15 图 2 9 ADC0809 芯片图 对 ADC0809 主要信号引脚功能说明如下 IN7 IN0 模拟量输入通道 ALE 地址锁存允许信号 对应 ALE 上跳沿 A B C 地址状态送入地址锁存器 START 转换启动信号 START 上升沿时 复位 ADS0809 START 下降沿是启动芯 片 开始进行 A D 转换 在 A D 转换期间 START 应保持低电平有效 A B C 地址线通道端口选择线 A 为低地址 C 位高地址 CLK 时钟信号 ADC0809 的内部没有时钟电路 所需时钟信号有外界提供 因此 有时钟信号引脚 ECO 转换结束信号 ECO 0 时 正在进行转换 ECO 1 时 装换结束 使用中该 状态即可作为查询的状态标识 又作为中断请求使用 D7 D0 数据输出线 为三台缓冲输出形式 可以和单片机的数据线直接连接 OE 输出允许信号 用于控制三态输出锁存器想单片机输出转换得到的数据 OE 0 输出数据线呈高阻 OE 1 输出转换得到的数据 Vcc 5V 电源 2 4 本章小结 本章主要对本设计中要用到的一些元器件进行了简要的概述 其中有 80C51 单片机 LED 显示器 WMY 型液位变送器 传感器 LUGB 型应力式涡街流 量传感器 ADC0809 等器件 这些元器件是设计的基础 通过本章大家对这些器件 有了一个基本的认识 同时对本设计有了宏观的把握 本章的介绍对总设计起到铺垫 的作用 附 录 16 第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计 单片机液位与流速的检测 系统是以 MS 5l 单片机为控制核心 系统主要包括单 片机控制模块 液位与流速 采集模块 A D 转换电路 LCD 显示模块 电源电路 模块 报警模块 等六大部分 3 1 单片机控制模块 单片机系统是整个控制系统的核心 它完成整个系统的信息处理及协调控制功能 由于系统对控制速度 精度及功能要求都无特别之处 因此可以选用目前广泛使用的 MCS 51 系列单片机 8051 8051 可以提供系统控制所需的中断 定时 存放中间 结果的 RAM 及有程序存储器 因此只要在芯片上外接时钟电路和复位电路就达到真 正可用 即就是一个最小系统 其接线如图3 1 附 录 17 图 3 1 AT89C51 单片机引脚图 芯片引脚具体分配 P1 0 低水位输入信号 P1 1 高水位输入信号 P1 2 水位液位显示切换 P1 3 M1 启动控制信号输出 P2 3 液晶显示输出 1 P2 4 液晶显示输出 2 P3 O 水位报警输出信号 3 2 液位与流速采集模块 3 2 1 液位的采集模块 首先要将液位变送器测得的液位模拟量变为数字量 然后送入单片机进行相应的 处理 模数转换的部分采用 AD0809 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对应的电压信号 即在芯片采集信号端加入 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 附 录 18 3 2 2 流速的采集模块 对于流速的测试部分采用的是应力式涡街流量传感器 该传感器主要由检测器 放大器两大器两大部分组成 检测器主要由表体 探头 检测元件 等组成 其功能 为当旋涡在旋涡发生体两侧产生时 将同时产生流体流动方向垂直的横向交变升力 该力作用于传感探头两侧 使检测深头内的压电晶体变形 输出与旋涡频率相同的交 变电荷信号 表体及全部零件均采用不锈钢制成 旋涡发生体与表体的连接采用气体 保护自熔焊接技术 密封采用高压耐腐蚀密封材料 安全可靠 连杆采用普通型和高 温 代散热片 两种 以适应于不同温度场合的需要 3 3 LED显示电路 微机化测控系统中常用的测量数据的显示器有发光二极管显示器 简称 LED 或数码管 和液晶显示器 简称 LCD 这两种显示器都具有线路简单 耗电少 成本 低 寿命长等优点 本系统输出结果选用3 个 LED 显示 数码管有共阴共阳之分 本系统采用 8 段共阴型 LED 其原理图如图 3 4 所示 每位数码管内部有8 个发 光二极管 公共端由 8 个发光二极管的阴极并接而成 正常显示时公共端接低电平 GND 各发光二极管是否点亮取决于a dp 各引脚上是否是高电平 LED 数码管的外形结构如图 3 4 外部有 10 个引脚 其中 com 脚为公共端也 称位选端 其余 8 个引脚称为段选端 当要使某一位数码管显示某一数字 0 9 中 的一个 必须在这个数码管的段选端加上与数字显示数字对应的8 位段选码 也称字 形码 在位选端加上低电平即可 由于系统要显示的内容比较简单 显示量不多 所以选用数码管既方便又经济 LED 有共阴极和共阳极两种 如图3 4 所示 二极管的阴极连接在一起 通常此公共阴极接地 而共阳极则将发光二极管的阳 极连接在一起 接入 5V 的电压 一位显示器由 8 个发光二极管组成 其中7 个 发光二极管构成字型 8 的各个笔划 段 a g 另一个小数点为 dp 发光二极管 当在某段发光二极管 施加一定的正向电压时 该 段笔划即亮 不加电 压则暗 为了 保护各段 LED 不被损坏 需 外加限流电阻 附 录 19 符号和引脚 共阴极 共阳极 图 3 3 1 LED 数码管结构原理图 数码管显示器有两种工作方式 即静态显示方式和动态扫描显示方式 为节省端 口及降低功耗 本系统采用动态扫描显示方式 动态扫描显示方式需要解决多位 LED 数码管的 段控 和 位控 问题 本电路的 段控 通过 P0 口实现 而每 一位的公共端 即 LED 数码管的 位控 则由 P2 口控制 这种连接方式由于多 位字段线连在一起 因此 要想显示不同的内容 必然要采取轮流显示的方式 即在 某一瞬间 只让其中的某一位的字位线处于选通状态 其它各位的字位线处于断开状 态 同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码 在这一瞬时 只有这一位在 显示 其他几位则暗 在本系统中 字位线的选通与否是通过PNP 三极管的导通 与截止来控制 即三极管处于 开头 状态 图 3 3 2 LED 显示电路 3 4 键盘模块 矩阵键盘又称为行列式键盘 它是用4 条 I O 线作为行线 4 条 I O 线作为列 附 录 20 线组成的键盘 在行线和列线的每一个交叉点上 设置一个按键 这样键盘中按键的 个数是 4 4 个 这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I O 口的利用 率 单片机检测按键是否按下的依据就是检测与该键对应的I O 口是否为低电平 矩阵键盘两端都与单片机I O 口相连 因此在检测时需要人为通过单片机I O 口送 出低电平 检测时 先送一列为低电平 其余几列为高电平 此时我们确定了列数 然后立即轮流检测一次各行是否为低电平 若检测到某一行为低电平 这时我们有确 定了行数 则我们便可确认当前被按下的键是哪一行哪一列的 用同样的方法轮流 送各列一次低电平 再轮流检测一次各行是否为低电平 这样即可检测完所有的的按 键 当有键被按下时便可判断出按下的键是哪一个键 当然我么也可以将行线置低电 平 扫描列是否有低电平 键功能说明如下 键用来实现系统液位与液体流速显示的切换 3 5 电源电路 电源电路是为主控电路提供稳定的工作电压 由于单片机的工作电压是 5V 所以电源电路的设计采用LM7805 来生成所需电压 3 5 1 三端固定稳压器的原理 附 录 21 图 3 5 2 内部结构框图 LM78 系列的三端正稳压器 TO 220 封装 能提供固定的输出电压 应用范围 广 内含过流 过热 过载保护电路 带散热片时输出电流可达1A 虽然是固定 稳压电路 但使用外接元件 可获得不同的电压和电流 3 5 2 电源电路的设计 本设计采用交流 220V 供电 输出 5V 的电压 电源电路可分为三大块 变压 部分 整流滤波部分 稳压部分 220V 50Hz 的交流电进入本电路后 首先经过变压器进行变压 由交流220V 变为交流 14V 交流 14V 进入电桥电路进行整流 由交流电整流为直流电 再进过 电容的滤波后进入 5V 集成三端稳压器 7805 生成 5V 直流电 供给单片机应用 图3 5 3 电源电路 3 6 A D转换模块 ADC0809 是带有八位 A D 转换器 八路多路 开关以及微处理器机兼容的控制 附 录 22 逻辑的 CMOS 组件 它是逐次逼近式 A D 转换器 可以和单片机直接接口 图 3 6 1 ADC0809 引脚图 ADC0809 片内无时钟信号 时钟信号由CLK 端输入 典型的时钟的频率为 640KHz 在 ADC 与单片机的接口中 时钟信号通常由单片机的ALE 信号经分频 得到 单片机的 ALE 信号是晶振频率的 6 分频 若单片机的晶振频率为12MHz 则 4 分频为 500kHz 左右 满足 ADC0809 的要求 可以采用两级 D 触发器来完成 如使用芯片 74LS74 实现 4 分频如图 3 6 2 所示 图 3 6 2 74LS74 芯片实现分频 附 录 23 图 3 6 3 ADC0809 连接电路图 3 7 报警电路模块 为了在某些紧急状态或反常状态下 能使操作人员不致忽视 以便及时处理 往 往需要有某种更能引起人们注意提起警觉的报警信号产生 这种报警信号通常有三种 类型 闪光报警 鸣音报警 语音报警 本系统采用简单易行的声光报警电路 图 2 6 1 报警电路 如图 2 6 1 所示报警电路 报警设备选用压电式蜂鸣器 它约需要10mA 的 驱动电流 只需在其两条引线上加3 一 15V 的直流电压 即可产生 3KHz 左右的 蜂鸣声音 图中蜂鸣器的一端接在高电平 5V 三极管基极接 P2 5 在初态 P2 5 始终输出低电平 1 当需要报警时 程序对其端口输出高电平 声音的长短可用延时 程序控制实现 图中接入的发光二极管LED 为超高线报警器 当 P2 6 端输出为低 电平 0 时 二极管导通 灯亮发出报警信号 附 录 24 3 8 本章小结 本章主要对单片机控制模块 报警电路模块 LED 显示模块 液位检测上下限 调整模块 电源电路模块 等模块的电路设计进行了介绍 其中单片机控制模块是整 个设计的核心 它完成整个系统的信息处理及协调控制功能 信号采集模块是通过 WMY 型液位变送器 数字传感器采集液位值 并传入单片机 液位与流速显示模块 中采用七段 LED 数码显示管 在液位 上下限调整模块中 4 4 行列结构构成 的 16 个按键的键盘链接到 51 单片机上 电源电路是将 220V 的电压转换成 5V 以供单 片机使用 其中有变压器 整流滤波电路 稳压电路等 另外还介绍了 手动复位电 路 看门狗电路 时钟电路 等 第四章 软件设计 4 1 软件系统概述 单片机测控系统的软件设计和一般在现成系统机上设计一个应用软件有所不同 后者是在系统机器操作系统等支持下的纯软件设计 而单片机的软件设计是在裸机条 件下开始的 而且随系统的不同而不同 从软件的功能来看可分为两大类 一类是执行软件 它能完成各种实质性的功能 如测量 计算 显示 打印 输出控制 通讯等 另一类是监控软件 它是专门用来 协