《水箱液位检测系统的设计 毕业设计论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水箱液位检测系统的设计 毕业设计论文.doc（41页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、长 春 大 学毕 业 设 计（论 文）水箱液位检测系统的设计 2013年5月30日姓 名学 院专 业班 级指导教师装订线长 春 大 学 水箱液位检测系统的设计水箱液位检测系统的设计摘要 水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。所以，对水箱控制如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。本文设计一种水箱液位检测系统，系统采用单片机为控制核心,超声波检测水位。当水位超限时,该系统可自动发出声光报警。该系统操作方便、性能良好，比较符合生产
2、用水系统控制的需要。关键词 单片机；水位；检测；控制；报警The Design of Water Tank Liquid Level Detection SystemAbstract The water tank is an essential part of many companies in the process of production parts,its performance and excellent quality of the work not only has a huge impact on production,but also the production of s
3、afety.Therefore,to control the water tank if can use sophisticated rules and completely will be in strict accordance with the production operation of the automation system,to avoid accident risk of maximum,at the same time also can save resources and can effectively improve the efficiency of product
4、ion.This paper designed a water tank liquid level detection system,system use single chip processor as the core,ultrasonic to detection the water level.When the water level overrun,the system can automatically send out sound and light alarm.The system is easy to operate, good performance,compared wi
5、th the needs of the production water system control.Keywords Single-chip；Level；Detection；Control；AlarmII装订线长 春 大 学 水箱液位检测系统的设计目 录第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状21.3 基本内容及要求21.3.1 基本内容21.3.2 基本要求3第2章 系统方案设计42.1 传感器选择42.2 超声波水位采集系统62.2.1 超声波水位测量工作原理62.2.2 超声波水位采集系统的组成7第3章 系统硬件设计93.1 单片机AT89C5193.1.1 AT
6、89C51的引脚介绍93.1.2 晶振电路123.1.3 复位电路133.2 水位检测电路143.2.1 超声波发射电路153.2.2 超声波接收电路153.2.3 A/D转换电路设计163.3 显示电路193.3.1 HD7279A芯片介绍193.3.2 显示电路的设计203.4 报警电路213.5 电源电路22第4章 系统软件设计244.1 主程序的设计243.2 数据显示程序的设计254.3 报警模块程序的设计26第5章 结论27致 谢28参考文献29附 录30附录1.程序清单30附录2.原理图34II第1章 绪论1.1 研究背景及意义在工农业生产中，常常需要控制液体水位。随着国家工业的
7、迅速发展，水位控制技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行水位控制的实验装置。大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，时刻监控水箱的环境，夜
8、间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监则器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。所以，对水箱控制，如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产效率。从水资源节约方面考虑，以往的人工控制在很多情况下，造成资源不必要的浪费，大部分原因是水箱内部水位没有及时的反馈信息到操作员，从而使控制上有一定的延迟，从而造成了水量过多或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常。而对水箱水位的监控以及自动化的引入可以很好的改善补水过多和及时补水的情况，可以很好的节约资源有效的降低成本。单片机，一小块
9、芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使众多自动化控制系统得以实现。89C51以它功能强大，设计简单，制造廉价，支持指令集较多。所以应用到众多嵌入式系统开发中。因此，基于89C51单片机的水箱水位控制系统研究有着重要的意义。水位控制一般指对某一水位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。液体的水位自动控制，是近年来新开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物，工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制，危机控制有以下明显优势：（1）直观而集中的显示运行参数，能显示水位状态。（2）在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值，并修改系统的控制参
10、数，可以方便的改变水位的上限、下限。（3）具有水体控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。单片机在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。一般工业控制系统的工作环境差，干扰强，利用单片机控制就能克服这些缺点，因此单片机在控制领域得到广泛的应用，使用单片机控制水箱水位是很好的选择。1.2 国内
11、外研究现状目前，水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、钢铁等大型企业领域，它以自身的自动化控制系统的安全优势，已经慢慢深入到一些民用水箱产品。目前阶段水箱液位检测系统主要有PLC控制和单片机控制，他们的传感器主要是压力传感器，还有一些高端的超声波传感器控制。我国仍然处于生产型发展中国家，所有几乎在能源相关的所有领域中，水箱是比不可少的部件，即使是发达国家也不例外。它性能的优良与否关系直接关系到企业的生产安全和效益。随着我国嵌入式技术的发展，我国控制系统技术已经达到国际水平，但是在中小型企业以及民用产品，大量的水箱控制任然通过专职的人员进行控制。随着我国单片机开发技术的逐渐成熟，以及单片机
12、生产成本的下降，基于单片机的水箱控制系统应用到中小型以及民用产品有着交大的发展空间1。而且越来越多的水箱生产厂商开始聘用单片机开发人员和电路设计人员，将控制系统成为水箱设计的一部分，以提高自身产品的安全性能和科技含量来提高产品在市场中的竞争力。一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上，已经积累了很多的经验，奠定了基础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，与其他发达国家相比还存在差距，但是我国研究人员已经克服很多困难，并在不断摸索中前进，有望在相关领域赶上甚至超越发达国家的技术水平，这是发展趋势。1.3 基本内容及要求1.3.1 基本内容设计一个水箱的液位检测
13、系统，该系统以单片机为核心，将采集到的模拟液位量进行模数转换、送到单片机中进行处理，能够对水箱的静态或动态液位进行实时测量，显示被测液位值，当液位超限后进行声光报警。1.3.2 基本要求1.液位测量范围0.024.0cm；2.制作简易的液位测量装置。第2章 系统方案设计根据设计要求，本系统主要由水位信号采集模块、A/D转换模块、显示模块、报警模块等模块构成，其系统方案框图如图2-1所示：图 2-1 系统框图（1） 信号采集。采集水位数据。（2） A/D转换模块。将采集的水位信号传输给A/D转化器。经过转换后输送给单片机。（3） 单片机模块。使用51单片机，作为电路控制的核心。（4） 显示模块。
14、用数码管显示024厘米的水位高度。（5）报警模块。当水位低于4cm或高于20 cm的时候，系统水位报警。2.1 传感器选择方案一：利用水的导电性，有水则导电的特性，在固定水位高度安插节点，设计方案如图2-2：图2-2 节点式水位测量图电路共有五个发光二极管，如果发光二极管全部亮，表示水箱中的水已充满。12V电源送到水箱底部的水中，晶体管(T1T5)只要得到基极电压，就会导通并点亮相应的发光二极管(LED1LED5)。当水箱中的水到达最低水位C时，晶体管T1导通，LEDl点亮；当水位上升到水箱的1/4时，晶体管T2导通，LEDl与LED2点亮；当水位升到水箱的一半时，晶体管T3导通，则LEDl、
15、LED2和LED3点亮；当水位升到水箱的3/4时，晶体管T4导通，则LEDlLED4均点亮；当水箱的水充满，晶体管T5导通，五个发光二极管全亮，同时使蜂鸣器发出报警声响。因此从发光二极管点亮的状态，就能知道水箱中的水位。发光二极管与水箱中的水位对应关系如下表2-1所示。发光二极管应安装在容易监视的位置。表2-1节点式水位对应表水箱中的水位发光的LED最高水位LED1、LED2、LED3、LED4、LED53/4水位LED1、LED2、LED3、LED41/2水位LED1、LED2、LED31/4水位LED1、LED2最低水位LED1方案二：浮子式水位传感器其主要产品有上海精浦机电有限公司的GE
16、MPLE GPH500，正天科技的FYC-3型浮子式水位传感器等。1) 工作原理：它利用液体浮力测液位的原理，靠浮子随水面升降的位移反映水位变化。漂浮通过绳索经滑轮与编码器相连，编码器的数字输出即为水位高度。为防止错码的出现，其编码器的编码为格雷码。机械浮子式和光电浮子式都是来用机械齿轮减速产生进位和退位的办法来形成编码。其工作示意图如图2-3所示。图2-3浮子式水位计工作示意图2）特点：稳定，可靠，优点：成熟、运用最广泛，价格相对较低。3）缺点：机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散。方案三：超声波水位传感器超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测
17、量仪器。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485数据输出。其水位测量原理如下图2-4所示。图2-4超声波水位测量示意图根据设计要求，对水位检测精度高，我选择用超声波传感器，该方案简单易行，便于维护和检修。随着技术的发展，硬件成本将会下降，管理水平将会提高，新技术的应用也是社会发展的必然趋势。2.2 超声波水位采集系统2.2.1 超声波水位测量工作原理水位测量原理如
18、图所示，由收发共用声学探头发射一声脉冲，经声管传声L声程遇水界面产生反射，反射波（下称回波），又经L声程由同一声学探头接收，只要测得声波（由发射至接收到回波）在空气中的传播时间t及现场声速c，就可测算出声学探头发射面至水面的距离，即： （2-1）在设计上采用自校准技术对声速进行补偿，即在连接声学探头的第一节声管（称此声管为校准管）的已知距离L0处开有一校准用小圆孔。声学探头发射的声脉冲首先遇小孔这一界面产生反射回波，这一回波传播的声程2L0为已知，传播时间T0可测出，传播声速若为C0则有： （2-2）取校准孔回波与水面回波传播声程的比值则有： （2-3）由式（1）可知声程L是传播声速C、C0，
19、传播时间t、T0和校准孔距L0的函数。如果在声管中传播声速由发射面至水面间变化很小，这样（1）式就可简化为： （2-4）发射声脉冲后，测得T0、t即可测算出声程L。由图2-4知，探头安装基准面至水位零点高度为S（S可以当地水准点或水尺为参考，安装时测量确定）则水位值H为： （2-5）式中：H为水位值；S为探头发射面至水位零点距离；L为探头发射面至水面间距离。2.2.2 超声波水位采集系统的组成水位测量是应用空气声学回声测距原理，将声学探头安装在自流道进口和出口处，通过电缆将信号传至水位采集系统，采集并输出进口和出口处的水位值。水位采集系统由声学探头，声路总成、外保护管总成、水位采集主机系统、显
20、示及电源组成、水位采集系统通过RS-485接口与流量数据处理系统相连。如果声程范围内温度不均匀，就会产生测量误差，上述方法将不能满足精度要求。所以，为了提高水位测量的准确度，采集水位（声程）的同时，还要采集声程数点的温度值，在数据处理时可以对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。具体计算步骤如下：声程内平均温度： (2-6) 式中：ai：声程内第i个温度因子（与现场安装位置等有关；用户可以根据实际比测作出修正）；Ti：声程内第i个温度传感器温度值。；n：声程内温度传感器个数。将平均温度代入公式（5），算出平均声速C0、c,根据公式（2）即可算出声程L，再由公式（4
21、）得出水位温度对测量精度的影响及修正空气中，不考虑湿度和气压的影响，则声速c为：C=331.4+0.607T(m/s) (2-7)式中：T为温度（）。温度变化1，将影响声速变化约0.18，如果声管中传播声速由发射面至水面间变化较大。为了在不均匀的声场进行准确测量，采集水位的同时，还要采集声程数点的温度值，修正声速，对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。声学测量中，温度的影响是产生测量偏差的主要原因。在水位测量的实际应用过程中，声程不同位置测得的温度数据为非均匀变化。经过温度修正，减小了声场温度影响产生的测量误差。尤其是在声程远端，未修正误差较大，修正后误差明显减
22、小。声场受温度影响产生的测量误差，可以通过加入测温传感器，测量声路不同位置的温度，在软件上对测量值进行修正，减小测量误差。实际应用表明，效果很好。第3章 系统硬件设计3.1 单片机AT89C51本设计是以单片机为核心的，利用40kHz的超声波发生器，取液位计与水面的距离为适当的高度，可令超声波发出去后能有效地返回，让接收器收到信号，送到微处理器，经微处理器处理所得的数据，即可算出水位高度。3.1.1 AT89C51的引脚介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低
23、电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100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89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C51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。主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16
24、位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路基本组成： 一个8位CPU 128字节特殊功能寄存器(SFR) 128字节数据存储器(RAM) 4K字节内部程序存储器(ROM) 两个16位定时器/计数器 四组32位可编程的并行I/O端口 一个串行通信端口 中断控制系统 内部振荡器和时钟电路 系统总线引脚说明：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P1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低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原
25、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
26、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口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）；P3.1 TXD（串行输
27、出口）；P3.2 INT0（外部中断0）；P3.3 INT1（外部中断1）；P3.4 T0（记时器0外部输入）；P3.5 T1（记时器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）。图 3-1 AT89C51引脚排布图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
28、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
29、。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。RXD/TXD：串行接口。INT0、INT1：外部中断口。T0、T1：定时器/计数器。WR、RD、ALE：外部总线。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。3.1.2 晶振电路 晶振是石英振荡器的简称，英文名为Crystal，晶振分为有源晶振和无源晶振两种，其作用是在电路产生震荡电流,发出时钟信号。它是时钟电路中最重要的部件，它的作用是向IC等部件提供基准频率，它就像个标尺，工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定，自然容易出现问题。由于制造工艺不断提高，现在晶振的频率偏差、
30、温度稳定性、老化率、密封性等重要技术指标都很好，已不容易出现故障，但在选用时仍可留意一下晶振的质量。时钟电路MCS51片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTALI和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。采用内部方式时，在C1和C2引脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器， 振荡频率的选择范围为1.212MHZ在使用外部时钟时，XTAL2用来输入外部时钟信号，而XTALI接地。时序MCS5l单片机的一个执器周期由6个状态(s1s6)组成，每个状态又持续2个接荡周期，分为P1和P2两个节拍。这样，一个机器周期由12个振荡周期组成。若采用12MHz的
31、晶体振荡器，则每个机器周期为1us，每个状态周期为1/6us；在一数情况下，算术和逻辑操作发生在N期间，而内部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。对于单周期指令，当指令操作码读人指令寄存器时，使从S1P2开始执行指令。如果是双字节指令，则在同一机器周期的s4读人第二字节。若为单字节指令，则在51期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，且程序计数据也不加1。在加结束时完成指令操作。多数Mcs51指令周期为12个机器周期，只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令，它们需4个机器周期。 对于双字节单机器指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读人两个字节，但Movx指令例外，Movx指令是访
32、问外部数据存储器的单字节双机器周期指令，在执行Movx指令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。下图3-2是51单片机的振荡电路X2X1图 3-2 单片机振荡电路图3.1.3 复位电路复位电路是为确保微机系统中电路稳定可靠工作必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。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
33、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。 本文采用的是手动复位和上电复位相结合的方法，更好地实现自动和手动双重控制保障（如图3-3）。RESET图 3-3 复位电路图（a）手动按钮复位手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复
34、位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。 （b）上电复位AT89C51的上电复位电路只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1uF。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡
35、器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。在图2的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。 3.2 水位检测电路本文设计的超声波传感检测电路是利用40kHz的超声波发生器，实现40kHz的振荡是很容易的，并且方法有多种，取液位计与水面的距离
36、为适当的高度，可令超声波发出去后能有效地返回，让接收器收到信号，送到微处理器，经微处理器处理所得的数据，即可算出水位高度。超声波在空气中一般可以实现有效传播，只要外部的环境不是特别的恶劣，所受的干扰并不是很大，测量结果不会有太大的误差。整个系统的核心是AT89S52。所选用是超声波传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这可很容易地用软件编程使AT89S52的P1口中的第0位产生40KHz方波的方法来实现。并在第一个脉冲产生时开始启动计时。40kHZ的脉冲方波信号经放大后即可驱动超声波传感器工作，使其向水面垂直发出40kHz的超声波。所选的超声波传感器是双用型传感器，即发送和接收集成于一体
37、。当超声波遇到水面时发生反射，反射波回到超声波传感器，超声波接收器将超声波调制脉冲变为交变电压信号，再将所得的交变电压信号放大，输人到音调译码器中，音调译码器的输出由高电平跃变为低电平，作为中断信号输人到AT89S52单片机的INT1管脚。INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，取得超声波往返的时间差。通过计算式s=340t/2算出液位计离水面的距离，从而计算出水位的高度。这些都可以通过对51单片机编程实现。计算出水位高度以后，单片机将所算出的结果通过P0口输出到七段LED数码管显示出来。超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化
38、测量的新型水位测量仪器，是在SCA6-1型声学水位计基础上的改进设计。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485数据输出。3.2.1 超声波发射电路如图3-4所示为超声波的发射电路图。P3.5图3-4 超声波发射电路由图可见，超声波的发射电路比较简单，主要是由一个超声波探头、一个NPN型晶体管、一个稳压二极管和一个升压变压器组成。传感器探头需要40kHz的脉冲信号才
39、能触发，图中输人端口是从单片机的P3.5输出的40kHz方波。方波电压信号经二极管稳压后送到三极管放大，再经Tl升压变压器升压，驱动超声波传感器探头发出40KHz的超声波。3.2.2 超声波接收电路在这里超声波的发送与接收用的是同一个探头。如图3-6所示为接收用电路。超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与传播距离成正比，因此，超声波传感器接收信号一般在lmV-1V之间。这么微弱的电信号，一般都要经过放大才能使用。除此之外，接收探头接收到信号后，向电路中输出的是交变的正弦波电压信号，这就需要设计交流放大电路。这里选用两个运算放大器组成两级放大电路，放大倍数可达100倍。经这经这样处理后，最后接
40、收电路所输出的是正常的电压信号。CH0图 3-6 超声波接收电路3.2.3 A/D转换电路设计由于超声波传感器采集的信号是模拟信号，而单片机所接受的信号为数字信号，故需要将模拟信号转换成数字信号，因此本文设计了一个A/D转换电路，下面是A/D转换电路的设计。A/D转换器实际上是将模拟信号转换成数字量的装置，其转换过程主要包括采样、量化、编码三个步骤。(1) 采样、保持部分采样就是周期性地测量一种连续信号或连续过程信号，测量的周期称为采样周期Ts，采样周期的倒数称为采样频率 (3-8)在对模拟信号进行模数转换时，户以D转换器从启动变换到转换完成需要一定的转换。当输入信号频率较高时，由于转换时间的
41、存在，会造成较大的转换误差。为了防止这种现象的产生，必须在A/D 转换开始时将信号电平保持住，而在户以D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即将输入信号采样保持，能实现这种功能的器件叫做采样/保持器。采样保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器。A/D转换器输出数字量的大小只能是某个规定的最小单位的整数倍，即必须把采样电压转化为这个最小数值单位的整数倍。这个转化过程叫做量化，所取的最小数量单位叫做量化单位，其大小等于输出的数字信号最低有效位1所代表的数量大小。把量化的结果用代码表示出来称为编码。采样保持电路能将采样后的模拟信号暂时存储起来，保持一个采样周期。当输入信号变化较快时，就不能输入到T
42、LC0838中，这就要求输出信号能快速而准确的跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。图3-7是采样保持电路。图3-7 采样保持电路图中S是一个模拟开关，由场效应管构成。当控制信号为高电平时，开关闭合，电路处于采样周期。这时Ui对存储电容元件C充电，U0=UC=Ui，即输出电压跟随输入电压的变化。当控制电压变为低电平时，开关断开，电路处于保持周期。因为电容元件无放电电路，故U0=UC。这样就实现了采样保持,就能够与TLC0838相连。(2)量化编码部分量化编码部分是留D转换器的核心组成部分。所谓量化，就是采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号
43、。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。执行量化动作的装置为A/D 转换器。在实际应用中，因串行A/D转换芯片具有占用单片机的引脚资源少，可以简化单片机系统，降低成本的优点，所以串行工作方式的A/D转换器在单片机系统中有着广泛的应用。信号采集单元选用串行多路模数转换器TLC0838实现。TLC0838是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。在实际应用中，因串行A/D转换芯片具有占用单片机的引脚资源少，可以简化单片机系统，降低成本的优点，所以串行工作方式的A/D转换
44、器在单片机系统中有着广泛的应用。信号采集单元选用串行多路模数转换器TLC0838来实现。TLC0838为美国德州仪器公司推出的八通道8位逐次逼近模数转换器。它具有与单片机接口连接简单，占用线路板体积较小，性价比较高的优点。其采用取样数据比较器的结构，使用逐次逼近流程转换输入信号。要转换的模拟通道的输入电压连到一个输入端与地比较(单端输入)或与另一个输入比较(差分输入)。通过同单片机相连的串行数据电路传送控制命令，用软件进行通道选择和输入端配置。输入配置在多路器寻址时序中进行。串行输出可配置为标准移位寄存器或微处理器接口。以SPI总线与单片机接口。输入和输出均与TTL和CMOS兼容，总失调整误差
45、1LSB。A/D 转 换 单元电路见图3-8所示。TLC0838以SIP总线与单片机接口。片选信号CS接P1.0引脚，因为数P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4据输入端D1和输出端D0在同一时间有一个为高阻，所以连在一起，接P1.1引脚，串行数据时钟信号输入端CLK接P1.2引脚。状态转换输出引脚SARS连接PI.3，数据输出方式选择引脚SE连接P1.4。图 3-8 TLC0838接口电路TLC0838工作过程如下：输入配置在多路器寻址时序中进行。置CS为低，使所有逻辑电路使能，转换器初始化。CS在整个转换过程中必须置为低。接着CLK从单片机P1.2口接收时钟，在每个时钟的上升沿；由单片机P1.1口输出的多路器地址通过Dl端移入多路器地址移位寄存器。在每个时钟的上升跳变时，Dl端的数据就移入多路器地址移位寄存器。第一位为逻辑高，表示起始位。紧接的2、3、4、5位是配置位，用来选择通道。多路器地址选择模拟输入通道，也决定输入是单端输入还是差分输入。在连续的每个时钟的上升跳变，起始位和配置位移入移位寄存器。当起始位移入多路器寄存器之后，输入通道选通，转换器开始工作。SARS状态输出变高表示转换过程正在进行。引脚D1在转换过程中与多路器的移位寄存器之间是关断的。为使选定的通道稳定，在通道配置位输送完后，要隔一个时钟周期转换的数据才在时钟的下降沿从引脚D0输出