水位测量装置

1、辽 宁 工 学 院单片机与接口技术 课程设计（论文）题目： 水位测量装置 院（系）： 信息科学与工程学院 专业班级： 通信032 学 号： 030305039 学生姓名： 吕钢 指导教师： 张敏 教师职称： 副教授 起止时间： 06-07-03至06-07-16 课程设计（论文）任务及评语院（系）：信息科学与工程学院 教研室：电气学 号030305039学生姓名吕钢专业班级通信032课程设计（论文）题目水位测量装置课程设计（论文）任务该水位测量装置可测量江河湖泊的水位，设计者完成相应的硬件和软件设计。设计任务包括：1选择液位传感器2设计液位测量通道3按键及显示电路设计4 CPU及最小系统和电源

2、设计5软件流程图及程序设计指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日目 录第1章 课程设计目的与要求11.1 课程设计目的11.2 课程设计的实验环境11.3 课程设计的预备知识11.4 课程设计要求1第2章 课程设计内容2第3章 课程设计的考核23.1 课程设计的考核要求23.2 课程性质与学分2第4章 设计34.1 系统的硬件设计34.2系统的软件设计.54.3 水位测的精度问题.9课设总结11 参考文献11 第1章 课程设计目的与要求1.1 课程设计目的“单片机与接口技术”课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。因此，要求学生能综合应用所学知识，设计与制造

3、出具有较复杂功能的小型单片机系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。 能够较全面地巩固和应用“单片机”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型单片机系统设计的基本方法。 培养独立思考、独立收集资料、独立设计规定功能的单片机系统的能力；培养分析、总结及撰写技术报告的能力。1.2 课程设计的实验环境利用windows操作系统及应用软件进行绘图和编程。1.3 课程设计的预备知识熟悉单片机与接口技术课程的相关知识及电子线路CAD工具软件。1.4 课程设计要求按课程设计指导书提供的课题，根据第二章给出的基本要求及参数独立完成设计，课程设计说明书应包括以下内容： 1、对设计课题进行简要阐述，

4、并说明设计任务及具体要求。 2、论述系统设计方案，并画出总体电路结构图及功能分割图。3、能够较熟练地应用电子线路CAD工具完成单片机系统的硬件设计任务。4、各功能模块设计说明、设计实现过程及源程序。 5、能够较熟练地应用一种编辑软件编写程序，掌握单片机系统软件设计的基本方法6、课程设计报告应内容完整、字迹工整、图表整齐规范、数据详实。7、课程设计总结8、字数4000左右，有系统电气原理图。第2章 课程设计内容设计技术参数1选择液位传感器1只2液位测量达3米3显示精度达1毫米4 CPU选择51兼容型，电源采用直流12V供电5软件流程图及程序设计工作量1选择液位传感器2设计液位测量通道3按键及显示

5、电路设计4 CPU及最小系统和电源设计5软件流程图及程序设计工作计划第一天第二天第三天第四天第五天第二周选择液位传感器设计液位测量通道按键及显示电路设计CPU及最小系统和电源设计软件流程图及程序设计画原理图、打印第3章 第3章 课程设计的考核3.1 课程设计的考核要求课程设计采用五级(优、良、中、及格、不及格)评分制。最后成绩依据课程设计论文及平时成绩决定，其中平时考核成绩占20%。3.2 课程性质与学分单片机与接口技术课程设计的课程性质：考查学分：2第4章 设计4.1 系统的硬件设计系统的硬件主要由AT89C51单片机、增益调节电路、LM331V/F转换器、81C55 I/O口扩展器、两片I

6、CM7211四位液晶显示器、CD4051八选一模拟开关、CD4052双四选一模拟开关、4 4薄膜触键及六位液晶显示器LCD等组成，其框图如图所示。4.1.1水位信号的获取电传水位计是用来监测水位的变化，为了获取水位信号对电传水位计的传感器部分进行了改造。在传感器内部增加了干簧继电器J3，J4，J5，取消内部电池而直接由系统供电。电阻R5R8组成分压器，分压器输出到ADCIN2口电路如图2所示。当水位变化时浮子随之升降，浮子升降3 cm，传感器内部的磁钢旋转一周，即每变化1 cm有一个干簧继电器会通断一次。J3，J4，J5分别吸合时IN2口的电压分别为16 V，25 V，32 V左右，无继电器吸

7、合时IN2口电压为5 V。根据ADCIN2口的电压数值可以判断是哪个干簧继电器通断，由IN2端电压变化规律可以知道水位的上升或下降如图所示，图中（a）为上升，（b）为下降。（b）水位下降继电器接通顺序（a）水位上升继电器接通顺序4.1.2 信号增益调节电路增益信号是由程序控制的，它根据待测量信号幅值的大小来改变放大器增益，以使不同幅值范围的输入信号都能放大到A/D精确转换所需的幅值范围。本仪器设计的输入量程为0 5V，分辨率是1.0mV。为了保证测量精度的一致性，设计了以一片CD4051八选一模拟开关、若干高精密电阻和一个低功耗运算放大器OP07等组成程控增益放大电路。鉴于实际场合中常用的液位

8、传感器输出满量程电压一般为60mV、200mV、2V、5V等几种，故设计了0 5V的量程，具体电路组成如图2所示。其中N1、N2组成同相关联差动放大器，N3为电压跟随器，主要用来抑制共模信号，N4是输出差动放大器，整个电路的增益可通过改变权电阻网络R0 R7来调节。4.1.3 信号A/D转换电路为了适应仪表电池供电、功耗低等特点，采用了功耗低、高精度、供电简单的V/F转换芯片LM331组成电压-频率（10V-100kHz）的A/D转换电路，其输出频率与输入电压的关系为通过AT89C51的T0计数器（其中T1作定时器用）计算出fOUT，从而得到输入Vin，进而算出水位值Hi（Hi Vin），具体

9、如图所示。 在该电路中，电阻R16为80kW 10%，它主要是使LM331的输入端7脚产生偏流，以抵消6脚偏流的影响，从而减少频率偏差。R39和可调电位器RW3的作用是调整LM331的增益偏差和由R23、R25及C6引起的偏差。当6脚、7脚的RC时间常数匹配时，输入电压的阶跃变化将会引起输出频率的阶跃变化，如果C8比C9小得多，那么输入电压的阶跃变化可能会使输出频率瞬间停止。6脚的47W 电阻R23和1.0m F电容器C9并联用以产生滞后效应，使V/F转换获得良好的线性度。4.1.4 低功耗设计全部芯片均选用CMOS低功耗芯片，其余外围电路采用了低功耗设计，并设计了44触摸薄膜键盘及六位LCD

10、液晶显示器作为人机接口。在软件设计上，整个系统采用了等待和掉电工作的节电运行机制，功耗较低。4.2 系统的软件设计软件是系统的指挥中心，由它来配合控制完成各种预定功能。为了充分发挥AT89C51优越的性能价格比，在设计上尽量做到硬件“软化”，使系统硬件设计得到简化。系统软件采用MCS-51汇编语言编写，采用了模块化结构设计。为增强系统的实时性，对那些偶发事件采用中断方式处理。4.2.1 系统的软件算法在明渠量水建筑物中，较为典型的是巴歇尔水槽。在自由流情况下，巴歇尔水槽的水位H和流量Q关系是简单的二值函数。利用回归分析技术，可以求出HQ 流量经验公式。为了便于分析和应用，我们在水工实验中主要是

11、针对自由流情况的，从而得到大量的HQ 曲线数据组。巴歇尔水槽在自由流时的流量公式为Q = KH N （2）式中，Q为流量（m3/s），K、N为流量系数，H为上游水头高（m）。由于流量经验公式是指数型函数，故先对巴歇尔槽流量公式两边取对数，得lnQ = lnK + NlnH （3）设y=lnQ；a=lnK；b=N；x=lnH式（3）可写成y = a + bx （4）然后，利用实测的大量独立（H，Q）数据，求出回归系数a、b的最小二乘估计量（亦即为a、b的无偏估计量），从而得到回归函数的估计（5）由y = a + bx + ， N（0，2），可知y随x变化趋势的大小主要受参数b的影响，故建立如下假

12、设检验：H0 : b = 0 ； H1 : b0 （6）用以检验线性回归效果的显著性水平。符合实际要求后，则得到流量系数K、N的估计值。有了流量经验公式，系统就可根据所测的水位 H值来计算出流量值Q。4.2.2 系统的主程序设计主程序主要用于系统的控制和管理。系统加电后，AT89C51自动上电复位，开始运行主程序，主程序框图见图4所示。系统首先显示“0-”，表示系统在进行自检和自校零工作。此时要求操作员不断地调节调零电位器，直到校零达到精度要求时为止，然后按回车键表示校零完成（理想情况下显示为“0.00000”）。接着显示“1-”，表示系统在进行满度校正工作。同样，操作员需要不断地调节满度电位

13、器，直到满度校正达到精度要求时为止，然后按回车键表示满度校正完成（理想情况下显示为“5.00000”）。接着系统依次显示“L”、“E”等提示符号，要求操作员输入流量系数K、N值。当输入正确后，系统进行初始化T0、T1。一切处理完毕后，系统开始正常的运作过程，并进入待机低功耗工作状态。4.2.3 中断采集服务程序系统在此环节完成V/F信号采集、自动量程转换、流量计算及显示水位H、流量Q等参数。其中K/N、W（总流量）参数显示采用了复用键，由软件设计的奇偶次切换决定。一般情况下，系统自动循环地显示H-Q值。该模块在运行时，首先保护现场，进行初始化设置，启动T0定时器（T0的定时时间为100ms，时

14、间常数为3CB0H）和T1计数器，由T1记录V/F转换输出的脉冲数。然后，系统连续采样10次，利用数字滤波技术得出当前的有效采样值。接着，判断系统是否已经进行了自校正，若没有，则先进行系统的自校正；若已完成了自校正工作，则继续后续程序块，计算水位H、流量Q、总流量W值。最后根据控制命令显示这些参数，调用功能键处理模块，巡查有无控制命令，恢复现场、中断返回。此外，系统还设计了串行口通信程序，实现与上位机之间的数据通信，上传H、Q、K、N、W等参数值及接受上位机对参数的修改和控制。系统汇编源程序如下： ORG 0000H LJMP STAR ORG 0013H LJMP CJ ; ORG 0030

15、H STAR:CLR P1.0 CLR P3.6 HERE: SJMP HERE CJ: CLR P3.7 MOV A,P0 JCNE A,#0C8H,LABEL1 CLR P1.5 CLR P1.2 CLR P1.6 LJMP LABEL5LABEL1:JC LABEL2 CLR P1.5 CLR P1.2 CLR P1.6 LJMP LABEL5LABEL2:JCNE A,#32H,LABEL3 CLR P1.5 CLR P1.3 SETB P1.6 LJMP LABEL5 LABEL3:JNC LABEL4 CLR P1.5 CLR P1.3 SETB P1.6 LJMP LABEL5L

16、ABEL4:CLR P1.4 LABEL5:CLR P3.6 RETI END4.3 水位测的精度问题该仪器充分利用了AT89C51具有高性价比的特点，在不增加硬件资源的前提下，尽量做到硬件“软化”，提高了仪器的测量精度。4.3.1 数字调零和增益自校正仪器在测量前首先进行自校正工作，即依次选通差动输入接口芯片CD4052的Y0、Y1输入端口（其中Y0端接地，Y1端接标准+5V电源），然后调节相应的微调器使仪器自校正达到设计要求。在正式测量时，设选通Y0输入端时，仪器测得V/F计数值为X0，选通Y1输入端时，测得计数值为X1，设测得传感器信号输入的计数值为Xi，则每次测量的计算公式为Hi =（

17、XiX0）/（X1X0）* Hst （7）式中Hst为标准5V时的水位值。这样，Hi与放大器的漂移及增益误差无关，不仅可提高仪器的测量精度，还可降低对器件精度的要求。4.3.2 采用模糊量程档位程控量程自动转换是由信号放大增益档位的选择实现的，这里采用了增益步进法，即将增益由小到大逐步提高，直至选择最佳的放大倍数。但是，由于器件转换灵敏度的局限性，测量有时会不够准确（尤其是在量程档位临界区），从而导致量程选择出现错误，甚至进入换档死循环。考虑到这一点，我们在相邻两个量程临界区设置 5%量程选择模糊区，当测量的输入值落入量程模糊区时，则不改变放大器的当前增益。经过实验表明，采取模糊量程区能有效地

18、防止放大器的增益来回跳动现象。4.3.3 数据放大处理在硬件上做到使测量精度达到均一化的同时，在软件设计上也进行相应的数据“放大”处理。在计算Hi值过程中，先将数据“放大”，精度提高到0.1mm。然后进行二进制乘运算，最后再统一转化为三字节浮点数进行浮点数运算，从而避免精度较低的直接二进制除运算。程序运算中采用了三字节浮点数及四字节BCD码浮点数进行流量计算，补偿修正后输出显示，使仪器的测量精度达到小数点后四位。4.3.4 信号隔离处理对检测信号通过LM331进行了硬件上的信号隔离；输入环节上增加滤波电容及输入保护电路。系统的硬件设计遵循“一点接地”的原则，减少系统因电环路形成的干扰。 4.3.5 可靠性设计在软件上进行了可靠性设计，在每个模块后和程序PROM的空白区加了软件陷阱。并在一些重要的跳转指令之间进行软件冗余设计。此外，还设计了溢出报警，避免显示错误的信息。采用此水位测测量出的水位Q与实际之间的误差小于 0.5%，已满足了实际应用的精度