毕业设计论文液位检测显示控制系统设计Word格式文档下载.docx
《毕业设计论文液位检测显示控制系统设计Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文液位检测显示控制系统设计Word格式文档下载.docx（54页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
随着纳米技术、生物工程技术的发展，纳米技术和生物技术在液位测量中的应用也将会日益增多对于一些处于发展阶段的液位计在目前的应用中并不是十分普遍，但其低成本、高性能的吸引力给其发展带来光明的前景[1]。
1.2课题背景及研究意义
不论社会经济如何飞速发展，水一直在人们正常生活和生产中起着重要的作用，一旦断了水，轻则给人们生活带来很大的不便，重则会造成严重的生产事故和重大损失，从而对供水系统提出了跟高的要求，必须满足及时、准确、安全、充足的供水，如果仍然采用人工供水的方式，则劳动强度大，工作效率低，安全性无法保证，因此必须进行自动化控制，从而实现提供充足的水量，平稳的水压。
随着科学技术的发展，单片机作为嵌入式控制器在工业测控系统、智能仪器和家用电器得到广泛应用。
再实时监测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为核心部件来使用。
本文主要研究液压水位的测量与显示系统，以单片机为核心，讲述了单片机系统的选择、开发和设计，根据需要选择了成本低、技术成熟、可靠性高的51单片机系列；
论述了压力传感器的选择、外围电路的设计以及相关软件的使用。
本次课程设计对我有以下意义:
1．通过这次课程设计，加深对片机理论方面的理解。
2．掌握单片机的内部模块的应用，如片内外存储器、A/D转换器等。
3．了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现单片器应用系统打下良好基础。
4．通过简单课题的设计练习，了解必须提交的工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。
1.3方案规划
基于单片机的数据采集系统是以单片机为核心的控制器件，结合外围电路所构成的，基本正常如图1.1所示。
输出通道
单片机
输入通道
图1.1单片机数据采集系统结构图
采集系统硬件主要包括传感器、转换器、单片机、输入输出电路等。
单片机作为控制单元的数据采集系统工作可以分为以下几个步骤[2]：
数据采集是将被测量的信号转换为能被单片机识别的信号并输入给单片机；
数据处理由单片机执行以测试为目的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值或形成相应的判断和决策。
广泛的液位显示检测控制系统包括对水体的液位，压力等控制，本系统只侧重介绍液位的检测。
液位检测是利用压力传感器，把液位的转台转换为模拟信号，再通过数模转换器ADC0804把输出信号直接接到单片机的I/O口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接LCD和发光二级管，实现液位的显示和报警，如图1.2所示
报警电路
控制电路
液位显示
STC89C51
A/D转换器
D
传感器
图1.2水位显示测量控制系统总体结构图
由图1.2可知传感器对液面进行测量，然后输出模拟信号，再通过数模转换器把输入的模拟信号转换成输出数字信号，再通过已经存入80C51单片机内部的程序的运算控制，将叶面高度在LCD显示屏上表示出来，如果液位过高或者太低，则报警装置进行报警，提醒工作人员注意加水或排水。
第二章单片机最小系统设计
2.1单片机最小系统的功能
在日常生活及工业生产中单片机的应用越来越广泛，但单片机本身正常运行所需的资源基本是固定不变的，因此就需要开发单片机最小系统。
单片机最小系统，或称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来讲，最小系统一般包括：
单片机、晶振电路、复位电路。
一般将单片机最小系统最为应用系统的核心部分，通过对其存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成比较复杂的功能。
2.251系列单片机
8051系列单片机由于其生产成本低、功能强大、应用技术成熟等优点被广泛的应用于生产生活的各个方面。
8051系列单片机的基本结构如下[3]：
1．一个8位微处理器CPU
2．片内数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR
3．片内程序存储器ROM
4．两个定时/计数器T0、T1，可用作定时器，也可用以对外部脉冲进行计数
5．四个8位可编程的并行I/O端口，每个端口既可作输入，也可作输出
6．一个串行端口，用于数据的串行通信
7．中断控制系统
8．内部时钟电路
51单片机引脚及其功能如图2.1所示：
：
图2.151单片机引脚图
P0.0~P0.7P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）
P1.0~P1.7P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）
P2.0~P2.7P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）
P3.0~P3.7P2口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）
这4个I/O口具有不完全相同的功能。
P0口有三个功能：
1、外部扩展存储器时，当做数据总线。
2、外部扩展存储器时，当作地址总线。
3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
P1口只做I/O口使用：
其内部有上拉电阻。
P2口有两个功能：
1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用
2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；
P3口有两个功能：
除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器设置。
有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，即：
编程脉冲：
30脚（ALE/PROG）编程电压（25V）：
31脚（EA/Vpp）
在介绍这四个I/O口时提到了“上拉电阻”，当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；
所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。
PSEN外部程序存储器读选通信号：
在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。
1、内部ROM读取时，PSEN不动作；
2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；
3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；
4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。
ALE/PROG地址锁存控制信号：
在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。
PORG为编程脉冲的输入端。
EA/VPP访问和序存储器控制信号：
1、接高电平时：
CPU读取内部程序存储器（ROM）
扩展外部ROM：
当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。
2、接低电平时：
CPU读取外部程序存储器（ROM）。
在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。
3、8751烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。
XTAL1和XTAL2外接晶振引脚。
当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；
当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
VCC：
电源+5V输入
VSS：
GND接地。
RST复位信号：
当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。
2.3单片机最小系统的结构
51单片机的最小系统是以51单片机为核心，再辅以外部硬件电路，主要包括时钟电路、复位电路、扩展接口电路等部分，如图2,2所示：
51单片机系统
接口
时钟电路
复位电路
图2.2单片机最小系统结构框图
2.3.1时钟电路
时钟电路（如图2.3、2.4所示）就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。
图中的电容C1和C2起稳定作用
图2.3时钟电路
2.3.2复位电路
单片机在启动时都需要复位以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态并从初态开始工作。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时且振荡器稳定后如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有手动按钮复位和上电复位。
在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。
所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。
在电路图中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。
所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需10K*10UF=0.1S。
也就是说在电脑启动的0.1S内，电容两端的电压时在0~3.5V增加。
这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。
所以在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。
在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。
所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右）。
在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。
当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。
随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。
根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。
单片机系统自动复位[4]。
89c51
RST
图2.4复位电路
2.4最小系统的电路设计
对于51单片机来说，单片机+晶振电路+复位电路便组成了一个最小系统[5]，本次设计采用的是STC89C51，属于51系列单片机。
STC89C51单片机的最高工作时钟频率为80MHz，片内含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性。
使用的51单片机在+5V的直流条件下才能够稳定工作。
单片机的接+5V的引脚为40引脚VCC，而接地的引脚为20引脚GND。
供给单片机工作的+5V直流电源，必须是很稳定的，否则会导致单片机频频复位，这在单片机的正常工作中必须避免。
，除非是有特定的需要。
图2.5单片机最小系统电路图
总结：
复位电路的原理是单片机RST接收到2US以上的电平信号，只要保证电容充放实践大于2US，即可实现复位。
按复位键系统复位，其实质是电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电阻两端的电压增加造成的。
51单片机最小电路介绍：
51单片机最小系统的复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间的长短，一般采用10—30uf，容值越大复位时间越短。
单片机最小系统的晶振Y1可以用6MNZ或11.0592MHZ，晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。
起振电容C2、C3一般采用15—33uf，电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。
P0口为开漏输出，作为输出口试需加上拉电阻，阻值一般为10K。
当晶振频率为12MHZ时，最高计数频率不应该超过0.5MHZ，即计数脉冲的周期要大于2ms。
第三章水位测量与显示模块的设计
3.1传感器的介绍
MPX4115系列压电电阻传感器是一个硅压力传感器，MPX4115传感器是整体片少带两级操作扩大电路和薄膜电阻网络提供高精度输出和温度补偿。
这个传感器结合了高级的微电机技术，薄膜镀金属，以及两级半导体处理精确度高，还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。
在0℃-85℃的温度下误差不超过1.5%，温度补偿是-40℃-125℃[6]。
它的实物如图3.1所示：
图3.1MPX4115实物图
压力传感器MPX4115的管脚说明如表3.1所示：
表3.1MPX4115的管脚
压力传感器MPX4114的特性参数如表3.2所示：
表3.2压力传感器MPX4114的特性参数
本系统中采用一个滑动变阻器代替压力传感器，用阻值的变化模拟水压的变化，根据不同的阻值LCD显示不同的液位高度值。
3.20804模数转换器
A/D转换就是将模拟信号转换成为数字信号，A/D转换器就是来实现这一功能的。
ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片。
分辨率8位，转换时间100μs，输入电压范围为0~5V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。
该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路[7]。
ADC0804芯片引脚图如3.2所示。
引脚名称及意义如下：
图3.2ADC0804引脚图
AGND：
模拟信号地。
DGND：
数字信号地。
CLKIN：
外电路提供时钟脉冲输入端。
电源端。
CLKR：
内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/1.1RC。
CS：
片选信号输入端，低电平有效，一旦CS有效，表明A/D转换器被选中，可启动工作。
WR：
写信号输入，接受微机系统或其它数字系统控制芯片的启动输入端，低电平有效，当CS、WR同时为低电平时，启动转换。
RD：
读信号输入，低电平有效，当CS、RD同时为低电平时，可读取转换输出数据。
INTR：
转换结束输出信号，低电平有效。
输出低电平表示本次转换已完成。
该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号。
VIN（+）、VIN（—）：
差动模拟电压输入。
输入单端正电压时，VIN（—）接地；
而差动输入时，直接加入VIN（+）、VIN（—）。
VREF：
辅助参考电压。
DB0—DB7：
8为数字输入端。
在使用时应注意以下几点：
（1）转换时序
当CS与WR同时为低电平A/D转换器被启动切在WR上升沿后100模数完成转换，转换结果存入数据锁存器，同时，INTR自动变为低电平，表示本次转换已结束。
如CS、RD同时来低电平，则数据锁存器三态门打开，数字信号送出，而在RD高电平到来后三态门处于高阻状态。
（2）零点和满刻度调节。
ADC0804的零点无须调整。
满刻度调整时，先给输入端加入电压，使满刻度所对应的电压值是，其次是输入电压的最大值，是输入电压的最小值。
当输入电压与值相当时，调整端电压值使输出码为FEH或FFH。
（3）参考电压的调节
在使用A/D转换器时，为保证其转换精度，要求输入电压满量程使用。
如输入电压动态范围较小，则可调节参考电压，以保证小信号输入时ADC0804芯片8位的转换精度。
（4）接地
模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以至影响转换结果的准确性。
A/D、D/A及取样保持芯片上都提供了独立的模拟地（AGND）和数字地（DGND）的引脚。
在线路设计中，必须将所有的器件的模拟地和数字地分别连接，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连。
图3.3ADC0804部分电路连接图
3.3LCD液晶显示模块电路设计
在单片机的人机交流界面中，一般的输出有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶显示器。
本设计采用的显示屏是LCD1602液晶显示屏，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
图3.4LCD1602实物图
LCD1602各引脚的定义如下所示：
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，写操作时，下降沿使能。
读操作时，E高电平有效
7
DB0
低4位三态、双向数据总线0位（最低位）
8
DB1
低4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
低4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
低4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
在实际电路中将滑动变阻器与液晶显示屏连接来调节液晶显示屏的对比度以及液晶显示屏幕背光灯的亮度。
图3.5LCD电路连接
3.4报警电路的设计
本系统的报警电路使用两个红绿发光二级管作为报警灯[8]，当水位达到上限时红色的发光二极管亮提醒注意排水，当水位达到下限时绿色的发光二极管亮提醒注意加水，报警电路的连接如图3.6所示。
图3.6报警电路
当水高于或低于设定的最高和最低水位时，发光二级管导通，提醒工作人员注意。
3.5控制电路的设计
通过电机的控制芯片试使电机与单片机连通，通过反馈信息来控制电机的转向，以实现水位高时排水，水位低时加水的控制，实现自动化管理。
本文不涉及电机电路部分，故不对电机的控制芯片及其反馈作出介绍。
第四章软件的设计
4.1软件的整体结构设计
本系统包括液压的采集、LCD液晶显示、A/D转换、报警模块、控制模块等几部分。
在系统的硬件确定以后，功能完善的软件
升级会员 