【基于单片机的船舶液位监测系统设计与实现12000字（论文）】

基于单片机的船舶液位监测系统设计与实现本文主要介绍以STC89C52单片机为主要控制单元，LCD1602液晶显示超声波传感器以测量液位数据，ADXL345重力加速度传感器以测量液位倾角，该倾角的结果分别用红黄绿三种不同颜色的LDE灯来表示重度倾斜、轻度倾斜、无倾斜，并进行预警。硬件电路从传感器，液晶显示器，LDE极限预警等中进关键词：MCU;超声波传感器；ADXL345;新型液位监测； 11.1研究背景及意义 1.2国内外发展现状 22液位监测硬件系统开发设计 32.1主控MCU方案选择 2.2硬件系统组成框图设计 42.3控制中枢外围电路与电源系统介绍 2.3.1控制中枢外围电路介绍 52.3.2单片机及其最小系统电路设计 72.4输入与输出信号电路设计 2.4.1ADXL345信号采集电路设计 82.4.2超声波模块电路设计 9 2.4.4发光LED灯电路设计 3系统软件平台设计 3.1系统信号采集与处理程序设计 3.1.1ADXL345检测信号程序设计 3.1.2超声波测距程序流程图设计 4系统实现与调试 4.1硬件焊接环境搭建 4.1.1硬件焊接过程注意事项 4.1.2焊接环境注意事项 4.2实物测量结果误差分析与解决方案 4.2.1测试问题定位与解决 其液位的高度是非常重要的。市面上所设计的液位检测些特性来设计的，如浮力、深度压力、相对电容、液体表面反射等都与液态的高度水平相关。针对液体的特性检测系统。按照是否与液体接触可以将液位检测系统分为接触式和非非接触式的传感器由于没有与液面接触，它们的使用需要收集，多站点的信息需要记录并分析。当同的环境中开发出来的，它的测量精度可达到1mm,反应最重要的是它的测量距离比普通的液位检测要远得多，可达到5km。进入21世纪后，传统的电子技术逐步被以MCU为核心的控制系统所替代，在新型方式，则只需要根据系统设计要求，把需要实现的若是高精度控制则采用I2C协议。由于ST公司单片机底层源码属于开放性源码，因此制中心，超声波模块和ADXL345模块作为信号采集模块，LCD1602液晶显示模块进行显示。目前研究新型液位检测系统的单位主要有美国TI公司，主要提供信号采集与处伏海浪的影响，连船舶也会发生左右的倾斜，所以液位检测系统方面特地使用了ADXL345重力加速度传感器以测量液位倾角。文章从实际的设计原理出发，先设计硬(1)介绍了液位监测系统的背景及其研究意义，分析了液位检测方式及其国内外(2)从单片机的选型出发，细分到工作流程、外围电路及其单片机最小系统设计，最后对采集输入模块超声波传感器和ADXL模块，显示模块LCD1602液晶和LDE电路(4)分析实物焊接的注意事项讲起，通过观察实物的数据变化，分析了系统存在(4)总结本文所做的工作及其展望未来，分析该系统的优缺点。2液位监测硬件系统开发设计2.1主控MCU方案选择在智能控制系统常用MCU中，主要有51系列单片机、PIC系列单片机、AVR系列单片机5,每种单片机都有各自的优势和主要应用场景，根据系统应用环境和预算成本，方案1:51系列单片机51系列单片机是最早普及并得到有效应用的单片机6,许多大型芯片公司为了更好研制出功能更智能、成本更低、运算速度更快的单片机，大都购买了最早的51单片机芯片专利，通过提高产品性能，让芯片得到进一步完善，形成了一个百花齐放的51单部还有完整的硬软件系统可以实现传送信号、程序编程，还可以进行逻辑运算。此外51单片机功能齐全，操作简单。于此同时，51单片机也有许多的不足之处，例如晶振频率超过12MHz时，51单片机的运行速度比较方案2:PIC系列单片机PIC单片机运用精简指令集，指令数比51单片机要多，这意味着运行速度更快。运行速度快的原因是因为它的指令能使两个储存器(程序存储器和数据存储器)的访问同方案3:AVR系列单片机AVR单片机是一种8位增强型指令集高速度运行单片机，它的指令处理不再以位为51单片机硬件大多不支持自编能力，一般采用C语言或者汇编语言进行开发，并监测系统的主控MCU选择方案1,采用51单片机系列中的STC89C52作为系统控制中枢MCU。方案。本文的第二部分选择三轴重力加速度传感器ADXL345来测量液面重力加速度分据我所设计的液位监控系统，ADXL345模块可以在智能化，灵敏度和准确性方面满足船舶在航行过程中监测液位在摇晃动态过程的变量。该硬件系统组成总体结构如图2-1型号的单片机。输出执行模块是一个1602LCD液晶显示模块和三个LED状态指示灯。LCDLCD1602液晶显示模块ADXL345重力加速度感器模块LED指示灯电源电路单片机主控模块HC-SRO4超声波传感器模块(1)船舶在航行过程液位的变化分为两种状态，一种是行驶过程中风平浪静液位器停止收集液位信息，进而工作的是ADXL345模块收集摇晃时的重力加速度分量，根(3)如果实时的状态时静态，工作的总流程为超声波传感器采集静止时的液位距离，通过主控单元进行信息处理，最后通过显示模块1602LCD液晶显示出液位高度，并且表示安全行驶的LED绿灯亮。如果实时的状态是动态，最后通过显示模块1602LCD液晶显示出重力XYZ三轴加速度分量，如果船舶在航行过2.3控制中枢外围电路与电源系统介绍围电路。我所设计的STC89C52芯片外围电路由复位信号单元(1)复位单元电路：STC89C52芯片的复位电路由一个复位按钮7,一个复位电件原理如图2-2所示。复位电路的工作原理主要利用了电容的充电性能8,在系统上电瞬间，主控电路中的CPU也开始通电，由于电容的特性，电容充满之后等效于开路，电容的负极通过电阻接地，负极下端变成了低电位。也就是说，上电的瞬间电容的负极是高电位，复位时间完成之后，它变成了低电位，那么这就是一个高电位复位。该液位监测系统中按键所使用的是一个高电位复位的手动复位，与高电位复位的区别是在中间电容两端跨度一个开关按键。同样的，低电位复位电阻的上一端和CPU同时上电，电阻的上一端是高电位，由于下端接地，电容充电的瞬间相当于短路。要区分是高电位复位还是低电位复位很简单，电容接电源端的是高电位，电容接地的是低电位。另外电阻在复位电路主要作用是限流，防止电流过大损坏单片机芯片造成整个系统瘫痪。(2)晶振电源电路：晶振电路的工作原理是将电能转换为机械能，机械能转换为电能的过程9,晶体薄片的两个电极加上电压，晶片会随着电压的变化产生机械振动，同时晶片的振动又会在晶片表面产生电场。晶振电路的作用是系统工作时需要固定的频率才能启动系统，频率主要影响系统运行速度和精度。晶振电源电路主要由晶振芯片和电容值为30P的两个电容组成。通过调节电容的容值，就可以根据系统需要的频率进行更改，在此晶振的作用等效为电阻和电感串联。(3)时钟单元：时钟单元是系统的内部电路。时钟单元根据不同的外部频率信号的输入对频率进行分频，以便系统可以在多任务状态下工作。图2-4是主控电路单片机外围组成。单片机最小系统图2-4主控外围组成2.3.2单片机及其最小系统电路设计单片机的类型不同，功能也大相径庭。新的液位监测系统的设计应满足能耗低，体积小，精度高等要求。在功能方面，要求实现液位监控的所有功能。当然，单片机的功能不应太单调，性能也不能太差，否则会导致液位检测系统设计的功能无法实现。经过多方面的考虑，并结合单片机的特点，选用STC89C52单片机作为液位监测的主控系统设计。单片机及其最小系统由单片机[10,电源电路，复位单元电路和晶振单元电路组成。单芯片引脚的详细框图如图2-5所示。1RST/VPDP0.7P3.0/RxDEA/VppP3.1/TxDALE/PROGP3.2/INTOPSEN234567892.4.1ADXL345信号采集电路设计ADXL345传感器是一种功耗极低的3轴立体的加速度测量计11,它具有高分辨率、测量精度准，输出信号稳定的优点。它工作过程是通过把测量的速度值转换为电信号，在经过模数转换后，传感器输出数字信号(16二进制补码),然后把数字信号送入单片机进过处理，再输出相应的变量值。ADXL345传感器普遍使用在移动设备或者静态倾本系统的供电电压是5V,正好在电压使用范围内，不需要额外增加电源转换电路，ADXL345传感器工作原理是当两边极板固定后，两极板之间的介质在传感器发送偏移的作用下，由于重力作用，介质会向没有速度变化边靠近，因此会使得介质到两边极板的距离发生改变，从而使得之间的电容值改变。通过下面公式可以得到X、Y和Z三轴的加速度值。其中HC-SR04模块检测距离过程分为以下两步：(1)当系统上电瞬间，模块上IO管脚TRIG发出超声波信号并连续发射10us的信号[13,这时HC-SR04自动发送8个40KHz的方波，并且检测是否有发射的超声波信号(2)若检测有信号反射回来，HC-SR04模块上IO管脚ECHO就会输出一个高电2.4.3LCD1602液晶屏显示电路设计表示每一行可以显示16个字符，02表示一共有两行[141。一共有16个引脚。LCD1602液晶屏的电压工作范围为5V±0.5V,额定电压为5V,系统输入电压为5V,同样也不需要增加外部的电源转换模块。LCD1602LCD屏幕显示模块使用双电源，一个是比显示所需的内容。具体的引脚说明如表2-1所示。 表2-1LCD1602液晶屏的管脚功能编号符号引脚说明编号符号引脚说明1电源地9数据2电源正极3液晶显示偏压4数据/命令选择5数据6E使能信号数据7数据背光源正极8数据背光源负极LCD1602液晶显示屏是在HD44780液晶显示屏的基础上开发的。HD44780由物理信号控制，而LCD1602由数字量控制，因此控制精度更高。LCD1602由三部分组成：由三种类型的存储器组成：DDRAM,CGRAM和CDROM,它们存储不同的数据信息。其中，DDRAM存储控制单元发送的数据，CGROM存储处理单元的输出数据，而2.4.4发光LED灯电路设计发光二极管(LED)是生活中非常常见的发光元件[15,它不仅可以用作指示灯，还可以用作照明灯，在本系统设计中将LED灯为系统状态的指示灯。使用LED作为光源的照明灯在现实生活中也很普遍。与普通二极管一样，发光二极管也由PN结构具有单将出现电子和空穴的移动，LED的发光是通过空穴和电子的复合产生的。内部PN结通常由不同的化合物(例如砷和磷)组成。不同的材料通电后，由它产生的光的波长是不同，因此只要改变内部PN结的材料，就可以制造不同颜色的发光二极管。例如，此设计中使用的红色LED的内部材料通常是砷化镓，黄色LED的材料是碳化硅，绿色LED的发光LED灯供电电压在5V±0.8V,其导通电流为0.3mA,本系统的供电电压为5V,所以不需要额外添加电源装换模块。系统需添加限流电阻为了防止电流过大烧坏二极管，电路中串联1K的限流电阻，即可满足系统需求。LED灯的正极连接到5V电源负本章主要介绍了常用的三种不同的单片机类型(51系列单片机、PIC系AVR系列单片机)主要特性和应用场景，最后选择STC89C52单片机作为新型液位监测作流程、外围电路及其单片机最小系统设计，最后对采集输入模块超声波传感器和ADXL模块，显示模块LCD1602液晶和LDE电路设计进行讲解。不紊地运行。根据液位检测系统的功能的需要，使用Keil5软件利用C语言编写程序。Keil5软件开发过程中主要有以下4步骤：(1)首先安装Keil5软件，安装完成后打开Keil5软件，在左上角的菜单键下选择(2)在新建好的工程文件单击右键，新建一个名为“Main.c”,文件中主要包含应用程序、底层程序，调试时候程序会自动调用，应用程(3)系统软件编写程序完成以后，需要在线编译查看编写的格式与定义是否存在(4)最后是系统的功能验证，调试过程中出现功能或者逻辑问题，可重复编译修编写C语言程序NYY3.1系统信号采集与处理程序设计3.1.1ADXL345检测信号程序设计本系统加速度信号采用中断的方式进行数据采集。第一步配置单片机的计数器为定时方式，启动定时器，让程序50ms进入中断一次。每执行一次中断，单片机会把采集到数据进行处理[18]。倾角采集程序运行流程3-2所示。开始开始程序的模块初始化中断打开数据采集是否正常?信号处理采集结束图3-2ADXL345检测程序处理流程图3.1.2超声波测距程序流程图设计动检测引脚ECHO高电平持续时间，超声波测距的时序图如图3-3所示。模块内部输出回响循环发出8个40KHz脉冲回响电平输出与检测距离成正比图3-3HC-SR04模块运行时序图HC-SR04模块软件运行流程图如下图3-4所示。开始开始N反射回?Y信号发射时间结束本章首先对系统软件开发的环境、系统软件的组织框架、软件开发过程流程进行描述以达到更加熟悉软件的使用流程的目的。最后信息出入模块以流程图的形式进行检测，让整个系统的软件控制流程的逻辑方向。的硬件器件焊接出实物，确定设计系统满足设计要求后把设计好的PC(1)首先将液位监测系统设计所需要的元器件找出进行功能模块分类，如信号采(2)其次确定万用板上硬件系统的总体结构布局，并创建一个样板。根据设计习惯，单片机的最小系统设计是在板子的中间，纵向采用输入信号超下端，值得注意的是ADXL345模块比较特殊，需要测量重力加速度的分量，所以位置(3)新液位监控系统的布局完成后，将每个功能模块组件依次插入万用板中，以(4)最后使用电烙铁进行焊接，首先将元器件牢牢地固定在万用版上，用钳子剪(1)将元器件插在万用板的时候需合理设计好位置，不可过近或者过远。电容尽量靠近电源，这样使电源输出更加稳定。功能相同的元器件尽量靠近，既能保持功能的完整也可减少资源的消耗。(2)焊接过程中注意电烙铁的温度，最好使用温度可调节的电烙铁。焊接时不能过久时间久了容易时板子或者元器件受损，尽量不重复焊接。4.2实物测量结果误差分析与解决方案4.2.1测试问题定位与解决在实际的系统设计中，由于各种因素，理论和实践常常会产生一定的误差。尤其是此设备在实际的系统设计中，环境始终处于动态变化的过程中，由于环境变化，环境中的温度和湿度，人为操作不当或硬件系统的某些特性的影响，在某种程度上无法达到预期的效果。(1)系统在哪个环节出现了问题。将系统的电源电拔掉，使用万用表的阻抗档位测量系统的电源是否发生了短路，经过测量是正常的。接下来测量系统的电源线，使用万用表的直流挡测量5V电源是否正常[191,同样正常无问题。可以确定外部电源无问题。再测试系统单片机和液晶屏是否有问题，首先将系统接入电源后去掉单片机和液晶屏接入电源，经过测试系统正常；断开电源接入液晶送电测试发现系统功能正常；断开电源将单片机模块接入系统，测试发现系统无法工作，经查看发现单片机的电源引脚的焊锡丝断开，用电烙铁重新焊接后系统恢复正常。(2)按键失灵：系统启动工作后，发现按键的指令会出现无效的情况，查看后发现按键有两个引脚焊接不当接触不良，断断续续接收命令，导致处理数据过程中软件判断为无效。(3)显示屏模糊不清：在系统运行的过程中发现液晶显示屏的数据显示比较模糊，前期遇到这情况通过调节软件的参数，清晰度增加。运行一段时间后清晰度又降低，通过调节软件参数无效，经查看是系统电能消耗过大供电电压不足，增加电源功耗后显示屏恢复正常，系统可正常工作。4.2.2模块影响过程分析超声波模块：超声波通常用于检测固体或液体之间的距离。它使用的原理是超声波遇到不同的物质并产生不同的波长然后反射回来。在这种液位监测系统的设计中，有必要防止在测量过程中反射信号过多，这将使超声波难测量距离时区分难度大，测量精度减，反应时间变慢等造成测量误差。ADXL345模块：ADXL345模块用于在船舶航行期间收集液位倾斜信号。在系统硬件安装和软件调试之后，可以实时监控液位倾斜度。但是，该系统是相对简单的智能控制系统，其功能精度要求不是很高，因此在物理显示过程中可能会有一些延迟，这可能会在检测过程中引起一些误差。本章首先讲述本课题研究过程硬件部分的设计和动手焊接操作过程注意事项，其次讲述了调试过程可能出现的问题给予解决方案并分析，最后讲述了信息采集模块可能出现的误差。我设计的新型液位监控系统与当前市场上的普通产品相比具有其独特的特性，但是仍有许多领域需要优化或其他可扩展的性能方面。液位检测及其监测在实际生活中用途十分广泛，它已经渗透到国防建设、国民经济、人民生活及科学技术各个领域[20]。利用超声波测距而进行的相关实验与设计也渗透在生活的方方面面，此外，我还了解了超声波测距在日常生活中其他领域的应用，例如高速公路上的汽车栏杆，扫地机器人等。我设计的液位监控系统的设计也与其他传统的液位监控系统设计也有不同之处，不同的点在于当船舶在海上行驶时，加入重力加速度传感器以更好的检测液位的动态过程，它是液位倾斜度的一种检测，在传统液位水平和对专业知识的理解上进行创新。为了更好完成本论文的设计和研究工作，我查阅了许多资料，对该方案进行了多次演示，最后总结出一些思路。在系统设计过程中，严格按照系统的总体设计进行了需求分析，实现了软硬件和各个电路的详细设计，调试了系统的开发步骤，分阶段完成了任务书中的计划。尽管该课题已经完成了许多方面的工作，但是由于该课题尚处于初始探索阶段，因此仍有一些地方需要改进。对于以后的工作，需要进一步探索和改进的领域如下：(1)在本系统的设计中，主要工作都是STC89C52单片机来完成对于超声波传感器和重力加速度传感器的数据采集和发送的，从而达到船舶在受到外力影响的情况下，液位进行智能检测，使得船舶在海上行驶更加稳定更加安全。而船舶的液位监测系统还需要更多方的智能检测，比如舱底水压系统液位监测、船舶日常饮用水位监测、油水监测等，而这些方面的监测更智能、更精确的设备来实现。(2)采用其他算法或其他设备来提高测距精度。因为在实际的应用中需要考虑海水的温度、天气的湿度等外界环境的影响。参考文献[1]CinazB,KennHead-mountedInertialandLaserRangeSensors//Proceed[2]WeiX.TheapplicationofZigbeetechnologyinthsystemcommunication,2020,32(3)[3]王峰.基于单片机的水位控制系统设计分析[J].科技创新与应用，2015(07):44.[4]陶柳，朱红，刘星辰，张文浩，李瑞，王长义.一种新型阳台水培装置的设计组装与应用[J].农业工程技术，2020,40(19):76-79.[5]周行政.单片机在电子技术中的应用[J].现代制造技术与装备，2020,56(12):135-136.[7]鲁可，张晓东，马宏旭.基于单片机的超声波液位检测系统设计[J].机电工程技[8]马宏光.一体式多功能智能液位计研究与实现[D].上海工程技术大学，2020.[9]李泽.基于FPGA的超声波液位检测系统关键技术研究[D].山东大学，2019.[10]贺才军.ZigBee技术无线传感器网络在工业监控系统中的应用研究[D].湖南大学，[11]饶美丽，李雪岩，徐增勇.基于ZigBee煤矿监测系统的智能传感器设计[J].信息通信，2020,5(10):53-54.[12]卢建军，孙佳.基于单片机的液位测量监控系统[J].电子质量，2020(10):29-34.[13]洪传文，许建平，檀臻，李鹏伟，桑晓鸣.一种多功能液位计检定装置的设计与研究[J].计量技术，2020(07):35-38.[15]张一民，韩玉杰，徐宇.一种新型液位监测系统的设计[J].林业机械与木工设[16]梁建兴.基于IEEE802.15.4的无线传感器网络MAC层节能技术研究[D].西安电子科技大学，2020.[17]李丽莉.基于ZigBee技术的无线传感器网络节点的设计与实现[D].西南交通大学，[18]雷道振，张迎新，潘文裕.高精度动态液位检测系统[J].现代计量测试，1998(02):3-5.[19]卢本，王君.材料成形过程的测量与控制[M].上海：机械工业出版社，