基于單片機的超聲波水箱液位檢測系統(tǒng)(共30頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第1章 緒論1.1 課題研究的意義大型水箱是很多公司生產(chǎn)過程中必不可少的部件，它的性能和工作質(zhì)量的優(yōu)良不僅僅對生產(chǎn)有著巨大的影響，而且也關(guān)系著生產(chǎn)的安全。在過去，大量的對水箱操作是由相應(yīng)的人員進行操作的，這樣的人工方式帶來了很大的弊端，比如水位的控制，時刻監(jiān)控水箱的環(huán)境，夜間的監(jiān)控等等，操作員稍有疏忽，或者簡易的監(jiān)則器件損壞，將帶來無法彌補的損失，更嚴重的會危機到生產(chǎn)人員的人身安全等。所以，對水箱控制，如果能夠使用精密的而且完全會嚴格按照生產(chǎn)規(guī)定運行的自動化系統(tǒng)，可以最大限度的避免事故的幾率，同時也能節(jié)省資源并能有效提高生產(chǎn)的效率。從水資源節(jié)約方面考慮，以往的人工控制

2、在很多情況下，造成資源不必要的浪費，大部分原因是水箱內(nèi)部水位沒有及時的反饋信息到操作員，從而使控制上有一定的延遲，從而造成了水量過多或者沒能及時補水而導(dǎo)致資源的浪費或生產(chǎn)出現(xiàn)異常。而對水箱水位的監(jiān)控以及自動化的引入可以很好的改善補水過多和及時補水的情況，可以很好的節(jié)約資源有效的降低成本。單片機，一小塊芯片上集成了一個微型計算機的各個組成部分，它的誕生使眾多自動化控制系統(tǒng)得以實現(xiàn)。80C51以它功能強大，設(shè)計簡單，制造廉價，支持指令集較多。所以應(yīng)用到眾多嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中。綜上所述，可以看出對本課題水箱液位檢測系統(tǒng)的設(shè)計的研究有著重要的意義。1.2 研究現(xiàn)狀目前，水箱控制系統(tǒng)已不僅僅局限于大型的電

3、廠、煤炭、鋼鐵等大型企業(yè)領(lǐng)域，它以自身的自動化控制系統(tǒng)的安全優(yōu)勢，已經(jīng)慢慢深入到一些民用水箱產(chǎn)品。但是目前階段，它的成本還很高。比如把一臺純手工家用水箱設(shè)計成自動化控制的水箱，從硬件的設(shè)計和鋪設(shè)，對于民用化產(chǎn)品實施的性價比較高。因此大規(guī)模的使用仍受到經(jīng)濟上的限制。但是，從長遠來看，隨著自動化技術(shù)的改進和硬件成本的降低，以及人們對資源浪費的重視。水箱控制系統(tǒng)仍然有大規(guī)模推廣的前景。我國仍然處于生產(chǎn)型發(fā)展中國家，所有幾乎在能源相關(guān)的所有領(lǐng)域中，水箱是比不可少的部件，即使是發(fā)達國家也不例外。它性能的優(yōu)良與否關(guān)系直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)安全和效益。隨著我國嵌入式技術(shù)的發(fā)展，我國控制系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)達到國際水平

4、，但是在中小型企業(yè)以及民用產(chǎn)品，大量的水箱控制任然通過專職的人員進行控制。隨著我國單片機開發(fā)技術(shù)的逐漸成熟，以及單片機生產(chǎn)成本的下降，基于單片機的水箱控制系統(tǒng)應(yīng)用到中小型以及民用產(chǎn)品有著交大的發(fā)展空間。而且越來越多的水箱生產(chǎn)廠商開始聘用單片機開發(fā)人員和電路設(shè)計人員，將控制系統(tǒng)成為水箱設(shè)計的一部分，以提高自身產(chǎn)品的安全性能和科技含量來提高產(chǎn)品在市場中的競爭力。一些發(fā)達國家在單片機新型系統(tǒng)研究、制造和應(yīng)用上，已經(jīng)積累了很多的經(jīng)驗，奠定了基礎(chǔ)，進入了國際市場。我國在新型測控裝置與系統(tǒng)研究、制造、應(yīng)用和經(jīng)驗上，與其他發(fā)達國家相比還存在差距，但是我國研究人員已經(jīng)克服很多困難，并在不斷摸索中前進，有望在相

5、關(guān)領(lǐng)域趕上甚至超越發(fā)達國家的技術(shù)水平，這是發(fā)展趨勢。1.3 主要研究內(nèi)容和要求一個水箱液位檢測系統(tǒng)，本文以單片機為主控制器，將受到的信號送到單片機中進行處理，能夠?qū)λ涞撵o態(tài)或動態(tài)液位進行實時測量，顯示被測液位值，當(dāng)液位超限后進行聲光報警，提醒工作人員進行手動控制。本設(shè)計的要求：1.液位測量范圍0.0-24.0cm；2.制作簡易的液位測量裝置；專心-專注-專業(yè)第2章 系統(tǒng)的方案論證2.1方案論證方案一：本設(shè)計是以單片機為核心的，利用傳感器來采集水位信號。利用水的導(dǎo)電性，有水則導(dǎo)電的特性，在固定水位高度安插節(jié)點。如圖2-1所示：圖2-1水箱節(jié)點示意圖電路共有五個發(fā)光二極管，如果發(fā)光二極管全部亮，

6、表示水箱中的水已充滿。12V電源送到水箱底部的水中，晶體管(T1T5)只要得到基極電壓，就會導(dǎo)通并點亮相應(yīng)的發(fā)光二極管(LED1LED5)。當(dāng)水箱中的水到達最低水位C時，晶體管T1導(dǎo)通，LEDl點亮；當(dāng)水位上升到水箱的1/4時，晶體管T2導(dǎo)通，LEDl與LED2點亮；當(dāng)水位升到水箱的一半時，晶體管T3導(dǎo)通，則LEDl、LED2和LED3點亮；當(dāng)水位升到水箱的3/4時，晶體管T4導(dǎo)通，則LEDlLED4均點亮；當(dāng)水箱的水充滿，晶體管T5導(dǎo)通，五個發(fā)光二極管全亮，同時使蜂鳴器發(fā)出報警聲響。因此從發(fā)光二極管點亮的狀態(tài)，就能知道水箱中的水位。發(fā)光二極管與水箱中的水位對應(yīng)關(guān)系如下表2.1所示。發(fā)光二極管

7、應(yīng)安裝在容易監(jiān)視的位置。此方案，器件易于腐蝕，易產(chǎn)生誤差。表2.1二極管和水位的對應(yīng)關(guān)系水箱中的水位發(fā)光的LED最高水位LED1、LED2、LED3、LED4、LED5水位LED1、LED2、LED3、LED4水位LED1、LED2、LED3水位LED1、LED2最低水位LED1方案二：浮子式水位傳感器其主要產(chǎn)品有上海精浦機電有限公司的GEMPLE GPH500，正天科技的FYC-3型浮子式水位傳感器等。工作原理：它利用液體浮力測液位的原理，靠浮子隨水面升降的位移反映水位變化。漂浮通過繩索經(jīng)滑輪與編碼器相連，編碼器的數(shù)字輸出即為水位高度。為防止錯碼的出現(xiàn)，其編碼器的編碼為格雷碼。機械浮子式和光

8、電浮子式都是來用機械齒輪減速產(chǎn)生進位和退位的辦法來形成編碼。其工作示意圖如圖2-2所示:圖2-2浮子式水位計工作示意圖其主要技術(shù)參數(shù)：測量范圍： 5m 10m 20mm 40mm 80mm分辨率： 1cm 1mm精度：1cm回差：1cm使用環(huán)境：溫度-5-+50根據(jù)其參數(shù)此方案適合測量范圍大的，且測量誤差比較大。方案三：基于超聲波的水位傳感器超聲波水位傳感器是利用空氣聲學(xué)回聲測距原理來進行水位變化測量的新型水位測量儀器。由收發(fā)共用換能器發(fā)射一聲脈沖、經(jīng)聲管傳聲遇水界面產(chǎn)生反射，回波經(jīng)由同一換能器接收。測得聲波在空氣中的傳播時間及現(xiàn)場聲速，算出換能器發(fā)射面至水面的距離，依據(jù)換能器安裝基準(zhǔn)面及水位

9、零點得到水位值。特點是非接觸測量，無需建造水位測井，安裝方便，自動測量；具有聲速補償；RS-485數(shù)據(jù)輸出。其水位測量原理如圖2-3所示：圖2-3水位測量原理圖方案四：電子類液位傳感器測量原理是把液位的變化轉(zhuǎn)化為電氣參數(shù)的變化，利用一定的測量電路將電參數(shù)檢測出來，從而達到測量液位的目的。其中最常用且最成熟的是電容式液位傳感器。電容式液位計它是利用空氣和液體作電容器兩極極板間的電介質(zhì)，將液位變化轉(zhuǎn)換成靜電電容變化，用電子學(xué)方法測量電容值，從而探測液體高度信息。它結(jié)構(gòu)簡單，精度較高，而且量程廣，適合于測量各種介質(zhì)(導(dǎo)電介質(zhì)、非導(dǎo)電介質(zhì))的液位，但是要求液體具有相同、穩(wěn)定的介電常數(shù)，需要有溫度的補償

10、。尤其用長電纜連接時，對電纜中的干擾和寄生電容很敏感，精度較差，且對導(dǎo)電介質(zhì)或粘性介質(zhì)，誤差較大、易受干擾，嚴重影響測量結(jié)果。電阻式液位計探測器在空氣中的阻值要比它浸在液體中的阻值大得多，通過電子學(xué)方法測量液體容器底部與頂部之間的電阻，從中可探知液位信息。其測量精度受液體污染情況的影響較大，探針的污染和沉積物，會導(dǎo)致錯誤的輸出，在直流工作時會產(chǎn)生電解，響應(yīng)速度慢。對比以上幾個方案，方案三安裝方便，操作簡單符合設(shè)計要求。2.2總體系統(tǒng)框圖根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，采用單片機為主控芯片，該系統(tǒng)主要由傳感器模塊 ，液晶顯示器模塊，控制鍵盤，報警電路等模塊組成，其系統(tǒng)框圖如圖2-4所示：單片機LCD顯示電路

11、電路控制鍵盤圖2-4液位檢測系統(tǒng)框圖報警電路超聲波傳感器模塊功能：1. 超聲波傳感器模塊：發(fā)送與接收信號。2. 單片機：記錄從超聲波傳感器發(fā)送信號到超聲波傳感器接收信號的時間及主體控制。3. LCD顯示器：顯示所測液面到瓶口（超聲波傳感器）的液位值。4. 報警電路：低于設(shè)定值的最低限或高于設(shè)定值的最高限時，發(fā)生聲光報警。5. 控制鍵盤：設(shè)定初始值及控制液位值。第3章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計3.1 單片機最小系統(tǒng)3.1.1 STC89C52 單片機STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，

12、但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16 位/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工。另外 STC89X52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)

13、容被保存，振蕩器被凍結(jié)，一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。3.1.2 STC89C52的管腳說明圖3-1單片機引腳P0.1P0.7 ：P0口8位雙向口線。P1.0P1.7 ：P1口8位準(zhǔn)雙向口線。P2.0P2.7 ：P2口8位準(zhǔn)雙向口線。P3.0P3.7 ：P3口8位準(zhǔn)雙向口線。訪問程序存儲器控制信號：當(dāng)信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；而當(dāng)信號為高電平時，則對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。ALE地址鎖存控制信號：在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制把P0口輸出低8位地址鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)

14、據(jù)的隔離。此外由于ALE是以晶振六分之一的固定頻率輸出的正脈沖，因此可作為外部時鐘或外部定時脈沖作用。外部程序存儲器讀選取通信號：在讀外部ROM時有效（低電平），以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。XTAL1和XTAL2外接晶體引線端：當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時，這兩個引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘時，用于拉外部的時鐘脈沖信號。RST復(fù)位信號：當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復(fù)位初始化操作。VSS：電源地 。VCC：+5V電源。3.1.3 P3口的第二功能P3口的第二功能表如下所示：表3-1 P3口的第二功能表口線第二功能替代的專用功能P3.0RXD

15、串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2外部中斷0P3.3外部中斷1P3.4T0定時器0的外部輸入P3.5T1定時器1的外部輸入P3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通3.2 單片機復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位電路是使單片機的CPU或系統(tǒng)中的其他部件處于某一確定的初始狀態(tài)，并從這上狀態(tài)開始工作。3.2.1單片機常見的復(fù)位電路通常單片機復(fù)位電路有兩種：上電復(fù)位電路，鍵盤復(fù)位電路。上電復(fù)位電路：上電復(fù)位是單片機上電時復(fù)位操作，保證單片機上電后立即進入規(guī)定的復(fù)位狀態(tài)。它利用的是電容充電的原理來實現(xiàn)的。鍵盤復(fù)位電路：它不僅具有上電復(fù)位電路的功能，同時它的操作比上電復(fù)位電路的操作要簡單的多。如果要實現(xiàn)復(fù)位的話，只要按下RES

16、ET鍵即可。它主要是利用電阻的分壓來實現(xiàn)的。在此設(shè)計中，采用的鍵盤復(fù)位電路，鍵盤復(fù)位電路如圖3-2所示:圖3-2 復(fù)位電路3.2.2 復(fù)位電路工作原理上電復(fù)位要求接通電源后，單片機自動實現(xiàn)復(fù)位操作。上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降。RST引腳的高電平只要能保持足夠的時間（2個機器周期），單片機就可以進行復(fù)位操作。上電與鍵盤均有效的復(fù)位電路不僅在上電時可以自動復(fù)位，而且在單片機運行期間，利用鍵盤也可以完成復(fù)位操作。故本設(shè)計選用第二種上電復(fù)位與鍵盤均有效的電路。3.3 晶振電路設(shè)計晶振電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各信號

17、之間的相互關(guān)系。單片機本身就如一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴格地運作。3.3.1 時鐘信號的產(chǎn)生單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。電容器C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值的范圍在5pF-30pF,典型值為30pF。晶振的頻率通常選擇兩種6MHz和12MHz。只要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接晶體振蕩器就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。3.3.2 時鐘振蕩電

18、路時鐘振蕩電路如圖3-3所示：圖3-3 時鐘電路3.4 超聲波傳感器3.4.1 超聲波的定義人們所感覺到的聲音是機械波傳到人耳引起耳膜振動的反應(yīng)，能引起人們聽覺的機械波頻率在20Hz20KHz，超聲波是頻率大于20KHz的機械波。在通常的超聲波測距系統(tǒng)中，用電脈沖激勵超聲探頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機械振動，這種振動在與其接觸的介質(zhì)中傳播，形成超聲波。3.4.2 超聲波液位測量原理超聲波物位測量其實就是要測量超聲波測距儀到物位的距離，如果超聲波測距儀安裝在底部，測得的距離即為物位高度，如果超聲波測距儀安裝在物位上方，需要通過換算來算得物位高度（儲物罐總高度減去測得的距離即為物位高度）。本文選擇把測

19、距儀安裝在物位上方，測距儀安裝相對方便些。3.4.3 超聲波回波檢測法超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限，聲波幅值法易受反射波的影響。在超聲檢測技術(shù)，特別是超聲測量技術(shù)中使用最廣泛的是超聲波回波檢測法，通過測量超聲波經(jīng)反射放大后到達接收端的時間與發(fā)射時間之差，實現(xiàn)距離測量，稱為TOF(Time of Flight)方法，也叫渡越時間法。渡越時間法簡單，被廣泛的應(yīng)用于聲學(xué)測距系統(tǒng)。它的原理是：超聲波發(fā)射器發(fā)出單個或一組超聲波脈沖，在發(fā)射時刻同時計時器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中遇到被測目標(biāo)，經(jīng)過反射到達超聲波接收端，此

20、時停止計時器計時，得到的時間t就是超聲波在發(fā)射器和被測目標(biāo)之間來回傳播的時間。3.4.4 發(fā)射脈沖波形超聲測距常用的發(fā)射脈沖波形如圖3-4所示有：單個尖脈沖、衰減振蕩脈沖、窄等幅波列脈沖和寬等幅波列脈沖。圖3-4 超聲波測距常用發(fā)射脈沖波形3.4.5 超聲波渡越時間的計量方法分析根據(jù)超聲波測距的原理，發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，在媒介中傳播到物體表面，經(jīng)過反射后再通過媒介返回到接收換能器，通過測量超聲波從發(fā)射到接收所需的時間()，根據(jù)媒介中的聲速(v)，就能計算出從換能器到物體表面之間的距離(L)。 被測距離的表達式：v：聲速值。單位：m/s。L：超聲波探頭距所測液位距離。單位：m。t：測量范圍內(nèi)

21、聲波的運行時間。單位：s。采用脈沖計數(shù)的方法間接測量被測時間，可以滿足高精度要求。與環(huán)境溫度有關(guān),在測量精度要求高的場合要考慮溫度影響,可由軟件進行調(diào)整補償;在測量精度要求不是很嚴格的情況下,可以忽略溫度的影響,超聲波波速與溫度的關(guān)系如下表：表3-2 超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（）-30-20-100102030100聲速（ms）3133193253233383443493863.4.6 超聲波接收發(fā)射裝置超聲波包括發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器或稱壓電式超聲波探

22、頭)和磁致伸縮式超聲波傳感器。本論文采用的是壓電式超聲波傳感器，主要由超聲波發(fā)射器(或稱發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱接收探頭)兩部分組成，它們都是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應(yīng)進行工作的。利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，以此作為超聲波的接收器。一般壓電式超聲波換能器有兩個共振頻率:低頻共振頻率叫串聯(lián)共振頻率()，此時阻耗(R)最小，用于發(fā)送超聲波;高頻的共振頻率稱為逆共振頻率(a)，主要是產(chǎn)生共振，用于接收超聲波。而在串聯(lián)共振頻率()處發(fā)送靈敏度最高，在逆共振頻率(a)處接收靈敏度

23、最高。所以選用一對超聲波換能器，使其效率最高。超聲波傳感器產(chǎn)生振蕩的方法很多，主要有以下幾種：1. 由外部電路產(chǎn)生振蕩，如NE555低頻振蕩器調(diào)制40KHz的高頻信號，高頻信號通過超聲波傳感器以聲能形式輻射出去。2. 使用工業(yè)用小功率超聲波收發(fā)控制集成電路LM1812驅(qū)動發(fā)送超聲波傳感器振蕩。3. 采用單片機內(nèi)部的定時器或直接使用程序產(chǎn)生固定的脈沖，通過放大處理后驅(qū)動發(fā)送超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波。本文采用的是超聲波外部電路產(chǎn)生振蕩。3.4.7 超聲波發(fā)射電路聲波在空氣中傳播受空氣介質(zhì)影響，距離越大衰減越大。為能接收遠距離得回波，采取有效措施有：增加驅(qū)動功率，減小聲波頻率(頻率越低，衰減越慢)。超

24、聲波發(fā)射電路由NE555振蕩電路、晶體管放大電路、變壓器以及壓電超聲波傳感器組成。40KHz振蕩信號由NE555集成塊和周圍電路產(chǎn)生,然后送至放大電路驅(qū)動壓電傳感器發(fā)出一系列的脈沖群,每一個脈沖群持續(xù)時間大約為0.15ms 左右。信號經(jīng)過三級管放大,再經(jīng)過阻抗匹配電路即變壓器(變壓器輸入輸出比110 ) 后,驅(qū)動超聲波發(fā)射頭,發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓,內(nèi)部的壓電晶片開始震動,經(jīng)過壓電換能器將發(fā)出40KHZ的脈沖超聲波。具體電路如圖3-5所示：圖3-5 超聲波發(fā)射電路原理圖3.4.8 超聲波檢測接收電路微弱信號需要放大整形，超聲波發(fā)射器在發(fā)射超聲波時，有一部分聲波從發(fā)射器直接傳到接收器，這部

25、分信號直接加到回波信號中，干擾回波信號的檢測。超聲波接收電路將接收換能器輸出的微弱信號，進行濾波、放大、檢波、整形，得到大幅值電信號，供單片P1.6口辨識。具體電路如圖3-6所示：圖3-6 324超聲波接收電路原理圖3.5 顯示電路設(shè)計3.5.1 1602LCD液晶顯示屏本文用1602LCD液晶顯示屏顯示，在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形。在單片機的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。 在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作

26、為輸出器件有以下幾個優(yōu)點：1. 顯示質(zhì)量高由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。2. 數(shù)字式接口液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。3. 體積小、重量輕液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。4. 功耗低相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。3.5.2 1602字符型LCD簡介字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字

27、、符號等點陣式LCD，目前常用16X1，16X2，20X2和40X2行等的模塊。一般1602字符型液晶顯示器實物如圖3-7所示：圖3-7 1602字符型液晶顯示器實物圖3.5.3 1602LCD主要技術(shù)參數(shù)1.顯示容量:162個字符。2.芯片工作電壓:4.55.5V。3.工作電流:2.0mA(5.0V)。4.模塊最佳工作電壓:5.0V。5.字符尺寸:2.954.35(WH)mm。3.5.4 引腳功能說明1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表3-3所示：表3-3 1602LCD引腳功能說明表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VD

28、D電源正極10D3數(shù)據(jù)3VO液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極引腳接口說明：第1腳：VSS為電源地。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者

29、顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。3.6 鍵盤控制電路設(shè)計鍵盤分為增加設(shè)定高度值鍵盤和降低設(shè)定高度值鍵盤以及確定鍵，分別接在接單片機P1.3、P1.4、P1.5接口，由程序掃P1口判斷按下的是那個鍵盤，執(zhí)行相應(yīng)的功能。具體電路如圖3-8所示：圖 3-8 鍵盤控制電路3.7 報警電路設(shè)計3.7.1 LED燈顯示LED指示燈分為紅燈和綠燈，紅燈亮代表低于設(shè)定的液位最低值或高于設(shè)定液位的

30、最高值，綠燈亮代表液位在設(shè)定的最低值和最高值之間。電路由LED，電阻組成，分別接在單片機P1.0和P1.1腳由軟件程序進行控制。具體電路如圖3-9所示：圖3-9 LED顯示電路3.7.2 報警電路報警電路由一個蜂鳴器、三極管（PNP）、電容組成，由單片機的P1.2腳控制，經(jīng)過三極管放大驅(qū)動蜂鳴器。測量的距離超出設(shè)定的距離后由程序?qū)纹瑱C的P1.2置1，蜂鳴器開始發(fā)聲。具體電路如圖3-10所示：圖3-10 報警電路第4章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計4.1 主程序流程圖主程序主要完成初始化和協(xié)調(diào)子程序調(diào)用的工作。首先要完成單片機存儲系統(tǒng)的初始化，然后開始發(fā)射超聲波并啟動計時器，等接收電路接收到超聲波信號后，引

31、發(fā)單片機內(nèi)部中斷。計時完畢后主程序開始處理數(shù)據(jù)，最后做出相應(yīng)的動作。主程序流程圖設(shè)計如圖4-1所示：圖 4-1 主程序流程圖4.2 初始化程序流程圖設(shè)定初始值，按下開始鍵后，主控芯片進入測距程序，每隔800MS啟動一次測距程序，并對所測距離進行處理，實時對液位進行檢測。超聲波發(fā)射與接收分別由單片機的P1.7引腳與P1.6引腳控制。三個按鍵分別由單片機P1.3引腳，P1.4引腳，P1.4引腳控制。按鍵1可以增加初始值的高度，按鍵2可以減小初始值的高度，按鍵3確定所設(shè)的高度值。設(shè)置液位高度初始值程序，初始化流程圖如圖4-2所示：圖4-2 液位高度初始值設(shè)定流程圖4.3 報警電路程序流程圖當(dāng)液位超過

32、設(shè)定值時，電路發(fā)出報警，同時罐體進料電磁閥打開，開始進料，直至液位達到設(shè)定值后關(guān)閉進料電磁閥；同樣的，當(dāng)物位低于設(shè)定值時候，罐體放料電磁閥打開，開始放料，直至液位達到設(shè)定值后關(guān)閉放料電磁閥。其中進料和放料電磁閥狀態(tài)由兩個發(fā)光二極管表示。兩個LED分別由單片機的P1.0引腳與P1.1引腳控制，蜂鳴器由單片機的P1.2引腳控制。報警流程圖如圖4-3所示：是否高于設(shè)定值是否低于設(shè)定值報警進水閥關(guān)閉放水閥打開進水閥打開放水閥關(guān)閉報警開始YNYN圖4-3 報警電路流程圖4.4 按鍵程序流程圖三個按鍵分別由單片機P1.3引腳，P1.4引腳，P1.5引腳控制。按鍵1可以增加初始值的高度，按鍵2可以減小初始值

33、的高度，按鍵3確定所設(shè)的高度值。具體流程圖如圖4-4所示：圖4-4 按鍵流程圖4.5 超聲波發(fā)射接收程序流程圖超聲波發(fā)射與接收分別由單片機的P1.6引腳與P1.7引腳控制。開始查詢確定鍵是否按下，如果查詢到確定鍵按下發(fā)射超聲波同時啟動計時器，延時0.05ms，發(fā)射停止，單片機開中斷，查詢是否接收到回波如果沒有查詢到回波則繼續(xù)查詢，若接收到回波記下時間利用子程序計算距離。超聲波發(fā)射接收流程圖如圖4-5所示：圖4-5 超聲波發(fā)射接收流程圖4.6 LCD顯示流程圖首先LCD初始化程序，然后在由經(jīng)單片機處理后的數(shù)據(jù)顯示在LCD上，即液晶顯示實時物位高度。LCD的4引腳、5引腳、6引腳分別與單片機的P2

34、.0、P2.1、P2.2引腳控制，7引腳至14引腳分別與單片機的P0口連接。經(jīng)單片機處理后的數(shù)據(jù)并通過單機控制引腳把測量的物位數(shù)據(jù)實時的在LCD液晶屏上顯示。LCD顯示流程圖如圖4-6所示：圖4-6 LCD顯示流程圖4.7 軟件調(diào)試流程圖軟件進行最后的調(diào)試階段流程圖如圖4-7所示：圖4-7 系統(tǒng)軟件調(diào)試流程圖第5章 系統(tǒng)調(diào)試5.1 軟件調(diào)試其過程分為以下幾個步驟：第一步，建立源程序。通過計算機開發(fā)系統(tǒng)的編輯軟件，按照所要求的格式、語法規(guī)定、源程序輸入到開發(fā)系統(tǒng)中，并存在磁盤上。第二步，在計算機上，利用KEIL軟件對第一步輸入的源程序進行編譯，變?yōu)榭蓤?zhí)行的目標(biāo)代碼。如果源程序有語法錯誤，則其錯誤

35、將顯示出來，然后返回到第一步進行修改，再進行編譯，直到語法錯誤全部糾正為止。第三步，動態(tài)在線調(diào)試。對于與系統(tǒng)、硬件無聯(lián)系的程序，可以借助動態(tài)在線調(diào)試手段，如單步運行、設(shè)置斷點等，發(fā)現(xiàn)邏輯錯誤，然后返回到第一步修改，直到邏輯錯誤糾正為止。對于與系統(tǒng)硬件緊密相關(guān)的程序，則需軟件，硬件同時進行調(diào)試，將程序燒入單片機，然后將CPU 插入系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)硬件故障排除故障，發(fā)現(xiàn)邏輯錯誤，修改程序，消除邏輯錯誤。5.2 硬件調(diào)試硬件調(diào)試分兩步：第一步：系統(tǒng)上電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件邏輯設(shè)計圖，仔細檢查線路是否連接正確，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求，應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)的檢查，以防止電源的短路

36、和極性錯誤，并重點檢查系統(tǒng)總線是否存在相互之間短路或與其它信號線的短路。第二步：第一步的調(diào)試，只是對系統(tǒng)進行初步調(diào)試，可以排除一些明顯的故障，而硬件故障（如各個部件內(nèi)部存在的故障和部件之間連接的邏輯錯誤）主要是靠軟件和硬件聯(lián)調(diào)來排除。硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能完全分開的，許多硬件錯誤是在軟件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)和被糾正的。5.2.1 發(fā)光二極管及蜂鳴器調(diào)試1. 發(fā)光二極管調(diào)試LED在本設(shè)計中代表的閥門可以說是很重要的部分。最開始的時候單片機供電發(fā)現(xiàn)LED不亮，首先看電路的焊接是否有掉線的情況，發(fā)現(xiàn)沒有掉線。然后用萬用表檢查個點之間有沒有短路的情況，沒有發(fā)現(xiàn)有短路的情況。最后看焊接的是否正確，經(jīng)過對照電路圖

37、檢查發(fā)現(xiàn)，LED的正負極接發(fā)錯誤。通過最后的改正。重新給單片機供電LED正常顯示。調(diào)試成功。2. 蜂鳴器調(diào)試蜂鳴器本文的報警設(shè)施，液位超過所設(shè)置的最高值系統(tǒng)就會發(fā)出報警。經(jīng)過反復(fù)檢查最后發(fā)現(xiàn)三極管的引腳接法有錯誤。把9012引腳當(dāng)成了9013引腳焊接而9012和9013發(fā)射極和集電極在電路中的接法不同，經(jīng)過改正最后蜂鳴器正常工作。圖5-1 LED、蜂鳴器調(diào)試5.2.2 1602液晶顯示屏調(diào)試超聲波測量的距離如果不能把距離正確顯示在液晶屏上本設(shè)計將是徒勞，所以液晶屏的正確顯示是本文的重中之重。開始的時候啟動整個系統(tǒng)，液晶屏只是亮起來而不顯示距離，首先檢查電路焊接是否有錯誤，發(fā)現(xiàn)沒有錯誤。然后用萬

38、用表檢查是否有短接，也沒發(fā)現(xiàn)問題。最后結(jié)合軟件檢查發(fā)現(xiàn)軟件編程時液晶顯示的賦值部分有錯誤。最后經(jīng)過仔細修改，液晶屏正常的顯示了測量距離。圖5-2 1602液晶屏的調(diào)試5.2.3 初始值調(diào)試本文設(shè)計首先是設(shè)定一個物位初始值。分別由兩個按鍵控制，加值按鍵和減值按鍵。確定初始值之后按下確定按鍵及超聲波開始對物位檢測。初值同時也是報警電路的參數(shù)，因此整個系統(tǒng)設(shè)定初值就很重要。開始的時候按鍵按下時，屏幕的初始值沒有任何反應(yīng)，最開始的時候檢查有沒有掉線情況發(fā)現(xiàn)沒有。經(jīng)過仔細檢查發(fā)現(xiàn)原來按鍵的四個引腳上下兩個是同一引腳，在焊接的時候把兩個相同的引腳連接到了電路中，最后經(jīng)過改正按鍵能正常使用了。 圖5-3 初

39、始值調(diào)試5.2.4 超聲波測液位調(diào)試整個系統(tǒng)上電以后，首先確定初始值，然后按確定鍵，超聲波開始對液位進行檢測，測定的距離顯示在液晶屏幕上。調(diào)試成功以后，設(shè)計才算最終完成。 圖5-4 測液位調(diào)試總結(jié)本文設(shè)計是以單片機為核心的應(yīng)用系統(tǒng)，其中包括超聲波發(fā)射電路、接收電路、顯示單元電路、控制和鍵盤電路、報警電路等，采用的是單片機控制處理方式，這次設(shè)計主要硬件和軟件兩方面的結(jié)合來實現(xiàn)液位監(jiān)控功能。在這個課題中，要設(shè)計一個符合一般工業(yè)要求的液位檢測系統(tǒng)，涉及到相當(dāng)多的知識。如模擬電子、數(shù)字電子、顯示技術(shù)、檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)等課題的知識。在設(shè)計過程中測距方案的確定、系統(tǒng)框架和功能的設(shè)計、軟件的設(shè)計等都使我們的知識在實踐中得到應(yīng)用。該題目雖然不大，但屬于一個完整的系統(tǒng)，涉及的知識面很廣，需要明白和注意的地方多，對于我們這些本科畢業(yè)生來說難度適中，無論是搜集材料還是繪制電路圖對我都是一次很好的鍛煉。經(jīng)過一個多月的努力，畢業(yè)設(shè)計終于完成了。通過本次設(shè)計，使我學(xué)會了如何把理論和實際進行有機結(jié)合，擴大了視野，開拓了知識面的深度和廣度，提高了分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了嚴