機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)基于89C51單片機(jī)振弦式傳感器水位測量系統(tǒng)（內(nèi)附Protues仿真圖）

1、基于89c51單片機(jī)振弦式傳感器水位測量系統(tǒng)專業(yè)名稱： 機(jī)電一體化 年級班別： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 年 月17摘 要2前 言3一、 緒 論41.1水位測量的歷史及現(xiàn)狀41.2 方案論證51.3 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理61.4總體概況及展望71.5設(shè)計(jì)要求7二、 振弦式傳感器72.1 工作原理82.2 振弦式傳感器的設(shè)計(jì)92.3 結(jié)論11三、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)123、 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理12四、 程序設(shè)計(jì)134、程序13五、小結(jié)14六、參考文獻(xiàn)15七、附錄167.1當(dāng)處于低水位時(shí)protues仿真圖167.1當(dāng)處于高水位時(shí)protues仿真圖17摘 要本文簡要介紹了利用單片機(jī)和傳感器進(jìn)行水位測量的

2、基本原理，本課題的任務(wù)就是利用振弦式壓力傳感器測量水位，用單片機(jī)組成智能測量裝置，實(shí)現(xiàn)水位的智能監(jiān)測，并將采集的數(shù)據(jù)匯總、處理。然后對本系統(tǒng)的工作原理、智能監(jiān)測方法、要求實(shí)現(xiàn)的功能、監(jiān)測系統(tǒng)的組成和硬件線路設(shè)計(jì)作了詳細(xì)的講解。在結(jié)合裝置具體要求的基礎(chǔ)上，確定了以8051單片機(jī)為核心，用振弦式傳感器測量共振頻率以計(jì)算水位的設(shè)計(jì)方案。本文例舉了智能測量裝置的一個(gè)整體實(shí)現(xiàn)方案。包括硬件的連接以及軟件的實(shí)現(xiàn)。在硬件的連接中具體的講解了本設(shè)計(jì)主要采用的振弦式壓力傳感器的性能以及硬件的連接及各電路模塊的主要功能。在軟件的實(shí)現(xiàn)中具體的講解了利用單片機(jī)可編程來實(shí)現(xiàn)水位測量的掃頻和測頻兩部分，這包括了d/a轉(zhuǎn)換

3、，周期測量，頻率計(jì)算等子程序。本文對采用傳感器和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)水位測量替代傳統(tǒng)的人工方法做出了一定的探討，并分析比較得出比較可行的實(shí)現(xiàn)方案。關(guān)鍵詞 單片機(jī) 、 水位測量 、 振弦式傳感器 前 言本課題探討了水位測量技術(shù)的相關(guān)問題。水位測量在生產(chǎn)實(shí)際中是非常重要的。隨著單片機(jī)和微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)行業(yè)。單片機(jī)具有體積小、可靠性高、功能強(qiáng)、靈活方便等許多優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)和傳感器進(jìn)行水位測量，通過充分利用單片機(jī)的控制功能和內(nèi)部硬件功能，大大減少了外圍電路的設(shè)計(jì)，而且測試精度、可靠性、穩(wěn)定性大大提高，能方便的實(shí)現(xiàn)對整個(gè)采集過程及控制過程的自動化處理，本文首先對振弦

4、式壓力傳感器的工作原理、工作方式、硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件部分的設(shè)計(jì)等方面做了詳細(xì)的分析。最后在結(jié)合系統(tǒng)的具體要求的基礎(chǔ)上，確定了硬件以89c51系列的8051為核心，選用了a/d轉(zhuǎn)換芯片icl8038進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)。在硬件設(shè)計(jì)上主要采用的振弦式壓力傳感器的性能以及硬件的連接及各電路模塊的主要功能。在軟件設(shè)計(jì)上我們同樣采用了模塊化設(shè)計(jì)的方法，按系統(tǒng)的功能劃分為不同的子程序，用匯編語言實(shí)現(xiàn)了激振、信號的采集和處理、測量周期等功能子程序。采用子程序方便了程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試，同樣也方便了以后的功能的改進(jìn)和增加。一、 緒 論1.1水位測量的歷史及現(xiàn)狀水位測量，是水文研究中很重要的一點(diǎn)，提到水文研究，許多人會聯(lián)想

5、到這是一個(gè)非常辛苦的工作，因?yàn)樗墓ぷ髡咝枰礁鱾€(gè)地方采集水文資料，包括水位。一開始，水位工作者只能通過人工的方法來測量，對于河道的情況水位工作者只能以詢問經(jīng)驗(yàn)豐富的老船工，甚至下水摸索來了解。然后，水位測量工作開始用繩索墜物的方法，后來又出現(xiàn)了浮標(biāo)測量法、電容式水位測量法、電阻應(yīng)變片的壓力感應(yīng)法、超聲波反射法水位測量法。在很多的壩區(qū)，因?yàn)樗缓蛪误w的承受壓力之間有著非常重要的關(guān)系，需要我們隨時(shí)的監(jiān)控水位，而且，上游的泥沙會堆積在壩底，水位是會改變的。我們就需要一個(gè)簡單實(shí)用，成本較低的水位測量方法來隨時(shí)測量水位值。隨著科學(xué)的發(fā)展水位的檢測方法也在變化，精度也有了更佳的提高。單片機(jī)技術(shù)和傳感器技

6、術(shù)的發(fā)展使水位測量方法得到了更進(jìn)一步的發(fā)展。本文就振弦式壓力傳感器做了一定的講解，利用了壓力傳感器的良好的測量特性進(jìn)行了水位的測量裝置的研究。1.2 方案論證水位測量在科學(xué)勘測中一直是一門比較重要的研究課程，在科學(xué)的發(fā)展史中，有過很多種的水位測量法，比如說：浮標(biāo)測量法、超聲波反射法，電容式水位測量法、電阻應(yīng)變片的壓力感應(yīng)法等等浮標(biāo)測量法是根據(jù)漂浮在液面上的浮子（也稱浮標(biāo)）受到水的浮力作用隨水位的變化而產(chǎn)生位移來進(jìn)行液位測量的，水位上升時(shí)浮球向上浮；水位下降時(shí)，浮球向下浮。其缺點(diǎn)是安裝復(fù)雜，測量精度低，不可靠，經(jīng)常出現(xiàn)浮子卡死不動和傳感器堵塞導(dǎo)致測不準(zhǔn)；維護(hù)工作量大，安裝、調(diào)試不便，采集到的僅是

7、模擬告警信號，不能直接進(jìn)入電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 電容式液位計(jì)：在容器內(nèi)插入電極，當(dāng)液位變化時(shí)，電極內(nèi)部介質(zhì)改變，電極間(或電極與容器壁之間)的電容也隨之變化，該電容量的變化再轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的直流電信號。其精確度為(0.51.5)%。電容式液位計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：傳感器無機(jī)械可動部分，結(jié)構(gòu)簡單、可靠；精確度高；檢測端消耗電能小，動態(tài)響應(yīng)快；維護(hù)方便，壽命長。缺點(diǎn)是被測液體的介電常數(shù)不穩(wěn)定會引起較大的誤差。超聲波反射法液位計(jì)的傳感器由一對發(fā)射、接收換能器組成。發(fā)射換能器面對液面發(fā)射超聲波脈沖，超聲波脈沖從液面上反射回來，被接收換能器接收。根據(jù)發(fā)射至接收的時(shí)間可確定傳感器與液面之間的距離，即可換算成液位。

8、其精確度為0.5%。這種液位計(jì)無機(jī)械可動部分，可靠性高，安裝簡單、方便，屬于非接觸測量，且不受液體的粘度、密度等影響，因此多用于藥池、藥罐、排泥水池等的液位測量。超聲波反射法液位計(jì)目前所存在的缺點(diǎn)有一定的盲區(qū)，且價(jià)格較貴。另外也采用頻率計(jì)法，但由于需要采用模擬電路和數(shù)字電路技術(shù)，需要硬件多，電路復(fù)雜，穩(wěn)定性差，測試精度、可靠性、穩(wěn)定性均不能滿足野外工程的需要。為了克服上述的種種不足，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)和傳感器進(jìn)行水位測量，通過充分利用單片機(jī)的控制功能和內(nèi)部硬件功能，大大減少了外圍電路的設(shè)計(jì)，而且測試精度、可靠性、穩(wěn)定性大大提高，能方便的實(shí)現(xiàn)對整個(gè)采集過程及控制過程的自動化處理，其基本原理為：通過

9、振弦式壓力傳感器測量水位，用單片機(jī)組成智能測量裝置，實(shí)現(xiàn)水位的智能監(jiān)測，并將采集的數(shù)據(jù)匯總、處理，提供查詢、報(bào)表輸出，完成包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及顯示、打印等軟件功能，實(shí)現(xiàn)與其它計(jì)算機(jī)的通訊。這是過去普通數(shù)字電路較難實(shí)現(xiàn)的功能。采用單片機(jī)技術(shù)，較好的完成了這一功能，提高了信號的采集精度，利用單片機(jī)控制端口實(shí)現(xiàn)各種硬件控制的功能。采用led液晶顯示，功耗小。1.3 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理本設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于單片機(jī)8051和振弦式傳感器測量水位，用單片機(jī)組成智能監(jiān)測電路，實(shí)現(xiàn)水位的智能監(jiān)測。主要工作原理如下：通過單片機(jī)和d/a轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生一鋸齒波電壓信號，放大后送入標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)信號發(fā)生器icl8038，

10、使它產(chǎn)生相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率的掃頻正弦波，用這個(gè)信號來激振振弦傳感器，當(dāng)送入的波頻率和傳感器的頻率共振時(shí)，傳感器便被激勵(lì)出相應(yīng)的感應(yīng)信號，這個(gè)信號是個(gè)衰減的正弦波，該信號在經(jīng)過過零比較器之后，將被整流成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方波，以這個(gè)方波的半個(gè)周期的兩個(gè)上升或者下降沿為單片機(jī)p3.2輸入，啟動和停止計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器記下在這半個(gè)周期內(nèi)的內(nèi)部時(shí)鐘的脈沖數(shù)，內(nèi)部時(shí)鐘一個(gè)脈沖的固定周期為s，經(jīng)過計(jì)算就可得到傳感器的輸出信號的周期，從而得到相應(yīng)的頻率。1.4總體概況及展望本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于采用8051單片機(jī)對振弦傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析處理、顯示。具有電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，顯示可靠直觀，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)軟件采用5

11、1系列的匯編語言，采用模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，軟件使用維護(hù)方便，可靠性強(qiáng)。可以相信，隨著單片機(jī)和傳感技術(shù)的日趨發(fā)展和成熟，在不久的將來，利用單片機(jī)技術(shù)開發(fā)出來的功能化儀器、儀表將會在各個(gè)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。1.5設(shè)計(jì)要求本系統(tǒng)要求能夠?qū)Φ退缓透咚坏臏y量，用可調(diào)電阻調(diào)節(jié)電壓值作為模擬水位的輸入量，低水位是30m，高水位是90m。本系統(tǒng)的測量范圍是30-90m。二、 振弦式傳感器振弦式傳感器由前蘇聯(lián)的達(dá)維金可夫發(fā)明,其核心元件是一根鋼弦,鋼弦的一端固定,另一端則固定在測量元件(受壓膜片或測量端塊)上.當(dāng)受力后,鋼弦長度將產(chǎn)生微小變化,引起固定頻率的變化,從而測出物理量的數(shù)值。振弦式頻率傳感器具有

12、結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、抗干擾能力強(qiáng)、測值可靠、精度與分辨力高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；其輸出為頻率信號，便于遠(yuǎn)距離傳輸，可以直接與微機(jī)接口，因而獲得廣泛運(yùn)用。振弦式傳感器的一般工作原理是：振弦放置在磁場中，將振弦以一定方式激振，它在振動時(shí)會在拾振線圈中感應(yīng)出電勢u的頻率就是振弦的固有頻率，測得振弦的固有頻率求出待測物理量（一般是壓力）。振弦的激振方式一般按振弦的材料來選擇，對于非磁性材料采用磁電法激振，對于磁性材料采用電磁法激振。振弦式頻率傳感器具有良好的測量特性。據(jù)資料介紹，它可以做到小于01的非線性特、005的靈敏度和小于01的溫度誤差。此外，傳感器的結(jié)構(gòu)和測量電路都比較簡單。因此，它已被廣泛用于精

13、密的壓力測量領(lǐng)域中。2.1 工作原理振弦式傳感器的工作原理可以用圖2.1來說明。傳感器是由一根放置在永久磁鐵兩極之間的金屬弦、振弦和電路部分所組成。金屬弦承受著拉力，并且根據(jù)不同的拉力大小和弦的不同長度有著不同的固有振動頻率。因此改變拉力的大小可以得到相應(yīng)的振弦固有振動頻率。在圖2.1b中，它可以等效為一個(gè)并聯(lián)的lc回路。由于振弦的高q值，電路只有在振弦的固有振動頻率上才能滿足振蕩條件。因此，電路的輸出信號頻率就嚴(yán)格的控制在振弦的固有振動頻率，而與作用力的大小有關(guān)。這樣，就可以通過測量輸出信號的頻率來測量力或者壓力等。圖2.1b中的r1、r2和場效應(yīng)管組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，起著控制起振條件和振蕩幅度

14、的作用，而r1、r5。v和c支路控制場效應(yīng)管的柵極電壓，作為穩(wěn)定輸出信號幅值之用。放大振蕩電路 （a） 圖2.1 振弦式壓力傳感器a）結(jié)構(gòu)示意圖 b)電原理圖振弦在電路中可以等效為一個(gè)并聯(lián)的lc回路。如圖2.1a，一根有效長度為的振弦在磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的磁場中振動時(shí)，振弦上有感應(yīng)電動勢e產(chǎn)生，和電流i流通。此時(shí)，振弦所感受的力為 f=b li （2-1）振弦在磁場中運(yùn)動相當(dāng)于電路中電容的作用，m為弦的質(zhì)量，其等效電容為 c= （2-2）振弦的彈簧作用相當(dāng)于電路中的電感，k為弦的橫向剛度系數(shù)。其等效電感為 l= (2-3)2.2 振弦式傳感器的設(shè)計(jì)2.2.1 振弦 振弦是傳感器變換系統(tǒng)中的重要部件

15、，它將被測的作用力變換成橫向振動頻率。設(shè)計(jì)中主要考慮以下幾個(gè)問題：弦的材料的選擇、弦的緊固方法和弦的幾何尺寸。(1)弦的材料：對于弦的材料的選擇，一般有以下幾點(diǎn)要求。材料的彈性后效、密度和電阻率要小。為了獲得好的動態(tài)性能，高的靈敏度和品質(zhì)因素； 高的強(qiáng)度極限值，以保證可靠的工作；材料的膨脹系數(shù)和彈性模量的溫度系數(shù)要小，或者與傳感器彈性元件的溫度系相接近，以提高傳感器的溫度穩(wěn)定性；(2)弦的緊固方式：振弦是在拉緊狀態(tài)下工作的，因此振弦的兩端必須固定。一端與固定的基座連接，另一端與彈性元件或可運(yùn)動部件相連接。對弦的緊固要求是：工作點(diǎn)有可靠的、機(jī)械牢固的和電氣絕緣的連接。緊固件的材料特性應(yīng)與弦的物理

16、特性近似，以避免溫度變化時(shí)引起不應(yīng)有的伸長和縮短。緊固材料要有堅(jiān)韌性，因?yàn)樘泟t可能在弦振動時(shí)發(fā)生滑脫現(xiàn)象，太硬則可能損傷弦。緊固的方式應(yīng)使操作方便，振弦上受力均勻，并便于調(diào)節(jié)初始應(yīng)力。2.2.2 激振裝置 振弦振動有強(qiáng)迫振動、自由振動和自激振動三種方式。作為頻率式傳感器，我們將只討論自激振動方式。 圖2.2畫出了振弦傳感器在自激振動狀態(tài)下的兩種激勵(lì)方式的原理圖。圖2.2 振弦式傳感器自激振動方式的原理圖a) 采用磁電式變換器 b) 采用電磁式變換器已如前述，振弦在電路中可以等效為一個(gè)并聯(lián)的lc回路，其參數(shù)可由式（2-2）和式（2-3）求得。式中的為振弦在磁場中的有效長度，它不等于弦長l 。據(jù)

17、此，就很容易計(jì)算出磁電式變換器的基本參數(shù)，激勵(lì)電流和電動勢。2.3 結(jié)論 利用掃頻激振技術(shù)實(shí)現(xiàn)激振單線圈振弦式傳感器的新方法用于水位測量監(jiān)測，具有硬件電路簡單、起振迅速、測值可靠、自動化程度高的突出優(yōu)點(diǎn)。三、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理四、 程序設(shè)計(jì)4、程序 org 0 dig0 equ 20hdig1 equ 21h jmp startorg 03hjmp intorg 30hstart: mov ie,#10000001b movx r0,ajmp $int: movx a,r0 call b2bmov p1,amov ie,#10000001bmovx r0,aretib2b: m

18、ov b,#10 div abmov dig0,bmov b,#10div abmov dig1,bmov a,dig1 swap aadd a,dig0retend五、小結(jié)這個(gè)振弦式壓力傳感器測量水位裝置主要是對傳感器的激振和數(shù)據(jù)采集，再通過上位機(jī)顯示，利用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，主要研究了如何把非電物理量轉(zhuǎn)換為電壓量，如何選擇合適的d/a轉(zhuǎn)換器，如何實(shí)現(xiàn)對鍵盤和顯示lcd的控制，如何利用轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊，如何通過程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換等。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)和傳感器進(jìn)行水位測量，充分利用單片機(jī)的控制功能和內(nèi)部硬件功能，大大減少了外圍電路的設(shè)計(jì)，而且測試精度、可靠性、穩(wěn)定性大大提高，能方便的實(shí)現(xiàn)對整個(gè)采集過程及控制過程的自動化處理。該設(shè)計(jì)通過振弦式壓力傳感器測量水位，用單片機(jī)組成智能測量裝置，實(shí)現(xiàn)水位的智能監(jiān)測，并將采集的數(shù)據(jù)匯總、處理，提供查詢、報(bào)表輸出，完成包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)