1、課程設計說明書 題 目： 水位監測系統設計 姓 名： 馬存祥 學 號： 1000407014 指 導 教 師： 段廣云、俞學蘭 專 業 年 級： 10級機電（1）班 所在學院和系： 機械工程學院 完 成 日 期： 2013年06月20日 課程 名 稱： 機電一體化系統設計 目錄1緒論21.1背景和意義21.2設計要求22系統總體方案設計32.1方案設計32.2方案論證32.2.1.處理器論證與選擇32.2.2.傳感器模塊論證與選擇42.2.3.模數轉換模塊論證與選擇42.2.4.報警模塊論證與選擇42.2.5.顯示模塊論證與選擇42.3芯片選擇53系統硬件電路設計83.1單片機最小系統設計83

2、.1.1.時鐘電路83.1.2.復位電路83.1.3.單片機最小系統83.2傳感檢測電路設計93.3顯示電路設計103.5模數轉換電路設計113.6系統整體電路原理圖設計124系統軟件設計144.1系統主程序設計144.2顯示子程序設計144.3報警子程序設計154.4系統仿真154.4.1. 仿真 （proteus仿真）155總結17附錄18參考文獻211緒論1.1背景和意義單片機應用發展迅速而廣泛。在過程控制中，單片機既可作為主計算機，又可作為分布式計算機控制系統中的前端機，完成模擬量的采集和開關量的輸入、處理和控制計算，然后輸出控制信號。單片機廣泛用于儀器儀表中，與不同類型的傳感器相結合

3、，實現諸如電壓、功率、頻率、濕度、流量、速度、厚度、壓力、溫度等物理量的測量；在家用電器設備中，單片機已廣泛用于電視機、錄音機、電冰箱、電飯鍋、微波爐、洗衣、高級電子玩具、家用防盜報警等各種家電設備中。在計算機網絡和通信、醫用設備、工商、金融、科研、教育、國防、航空航天等領域都有著十分廣泛的應用。隨著科技的發展，液位測量技術趨于智能化、微型化、可視化。本設計思想是用單片機做下位機，PC機做上位機，單片機和PC機相結合對水箱液位進行測量和監控。該設計要求具有一定的智能化，可操作性和穩定性好在工農業生產中，常常需要測量液體液位。隨著國家工業的迅速發展，液位測量技術被廣泛應用到石油、化工、醫藥、食品

4、等各行各業中。低溫液體（液氧、液氮、液氬、液化天然氣及液體二氧化碳等）得到廣泛的應用，作為貯存低溫液體的容器要保證能承受其載荷；在發電廠、煉鋼廠中，保持正常的鍋爐汽包水位、除氧器水位、汽輪機凝氣器水位、高、低壓加熱器水位等，是設備安全運行的保證；在教學與科學研究中，也經常碰到需要進行液位控制的實驗裝置。1.2設計要求系統為水位監測報警,設計要求和任務如下:設計要求：監測范圍：01m；測量精度：0.005m； 設有上、下限報警； 數碼顯示；設計任務：硬件設計（元器件選擇、電路原理圖與電路板圖繪制等）、軟件設計；2系統總體方案設計2.1方案設計系統方案設計傳感器測得的電壓信號,再通過模數轉換器AT

5、89C52把輸出狀態直接接到單片機的I/O接口，單片機經過運算控制，輸出數字信號，輸出接口接LED進行顯示,實現水位的報警控制；如圖1. 處理器 顯示模塊 模數轉換 傳感器 報警模塊 圖1由上圖可觀察到傳感器輸出模擬信號，再通過模數轉換器把輸入的模擬信號轉換成數字信號，通過AT89C52單片機的運算控制，在通過LED進行顯示,通過報警裝置進行報警,報警顯示之后再通過對閥門的開啟實現對水體的液位進行調節控制,閥門的驅動設備是電動機2.2方案論證 2.2.1.處理器論證與選擇方案一：采用51單片機控制系統。單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制，并且有功耗

6、低、體積小、技術成熟和成本低等優點，能滿足題目要求。方案二：采用FPGA（現場可編程邏輯門陣列）作為系統的控制核心。由于FPGA具有強大的資源，使用方便靈活，易于進行功能擴展，并且可應用EDA軟件仿真、調試，易于進行功能擴展。但其成本偏高，引腳較多，硬件電路布線復雜。根據以上具體分析選擇方案一。 2.2.2.傳感器模塊論證與選擇水位測量是液位測量的一種，由于水位測量涵蓋水利、氣象、地址、環保等諸多領域。所以水位測量與一般液位測量相比又具有一定特殊性。方案一：靜壓投入式液位變送器（液位計）適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環保等系統和行業的各種介質的液位測量。精巧的結構，簡單的調校和靈活

7、的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便。420mA、 05v、 010mA等標準信號輸出方式由用戶根據需要任選。利用流體靜力學原理測量液位，是壓力傳感器的一項重要應用。采用特種的中間帶有通氣導管的電纜及專門的密封技術，既保證了傳感器的水密性，又使得參考壓力腔與環境壓力相通，從而保證了測量的高精度和高穩定性。方案二：超聲波傳感器測距是一種非接觸測量，無需水位井，但是由于聲波傳在空氣中的傳播速度受溫度、濕度、氣壓等因素的影響，水位參數漂移嚴重；電源功耗大；價格高。 根據以上具體分析選擇方案一。 2.2.3.模數轉換模塊論證與選擇 模數轉換器即A/D轉換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉變為數

8、字信號的電子元件。通常的模數轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數字信號。由于數字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。根據題目要求測量范圍（01m）和測量精度（0.005m）選擇模數轉換的位，2n>=1/0.005=200,故取8位的模數轉換即可達到。2.2.4.報警模塊論證與選擇 采用LED燈控制。本系統中可以通過LED燈的亮滅來顯示是否超出上下限測量范圍，操作簡便，程序簡單，易于實現控制。2.2.5.顯示模塊論證與選擇數碼

9、管具有：低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化，對外界環境要求較低。同時數碼管采用BCD編碼顯示數字，程序編譯容易，資源占用較少。根據題目要求，采用四位七段數碼，可以通過數碼管的位選和段選將數碼管的各段進行顯示。顯示管分別顯示光水位的個、十分位、百分位、千分位。2.3芯片選擇 (1)AT89C52為8 位通用微處理器，采用工業標 PDIP封裝的AT89C52引腳圖準的C51內核，在內部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內部寄存器、數據RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板C

10、PU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板C

11、PU 的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調整狀態進入的控制功能。P0 口P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口， 也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8 個TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8 位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在Flash編程時，P0 口接收指令字節，而在程序校驗時，輸出指令字節，校驗時，要求外接上拉電阻。P1 口P1 是一個帶內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對

12、端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與AT89C51 不同之處是，P1.0 和P1.1 還可分別作為定時/計數器2 的外部計數輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX），參見表1。Flash 編程和程序校驗期間，P1 接收低8 位地址。表.P1.0和P1.1的第二功能引腳號功能特性P1.0T2，時鐘輸出P1.1T2EX（定時/計數器2）P2口P2口 是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口P

13、2 寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16 位地址的外部數據存儲器（例如執行MOVX DPTR 指令）時，P2 口送出高8 位地址數據。在訪問8 位地址的外部數據存儲器（如執行MOVX RI 指令）時，P2 口輸出P2鎖存器的內容。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號P3 口P3 口是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉

14、高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能P3 口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節。一般情況下，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳

15、還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置ALE 禁止位無效。PSEN程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52 由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電

16、平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執行內部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。XTAL1振蕩器反相放大器及內部時鐘發生器的輸入端。XTAL2振蕩器反相放大器的輸出端。(2) A/D轉換器：采用8位的并行輸出ADC0832芯片A/D轉換模塊是系統中較為重要的一部分，由于涉及到模擬部分，A/D轉換器的結構較為復雜。模數轉換器即A/D轉換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉變為數字信號的電子元件。通常的模數轉換器是

17、將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數字信號。由于數字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。（3）采用LED顯示(4) 采用MPX4115壓力傳感器3系統硬件電路設計3.1單片機最小系統設計3.1.1.時鐘電路 圖3.時鐘電路時鐘電路是為單片機提供精確定時的內置電路，主要用于計時、通訊時鐘發生器、時間中斷源等等。電路概是外部的電路，實際上就是提供一個符合單片機要求的脈沖寬度和電平范圍的復位信號，以使單片機回到初始狀態重新開始，在有些電路中也同

18、時將外圍電路復位。3.1.2.復位電路 圖4.復位電路 單片機在啟動時都需要復位，以使CPU及系統各部件處于確定的初始狀態，并從初態開始工作。89系列單片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內的施密特觸發器中的。當系統處于正常工作狀態時，且振蕩器穩定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統復位3.1.3.單片機最小系統單片機最小系統由主控器AT89C52、時鐘電路和復位電路三部分組成，如圖5： 22 圖5.單片機最小系統3.2傳感檢測電路設計傳感器是一種能感受被測物體物理量并將其轉化為便于傳輸或處理的電信號的裝置，在現代科技

19、領域中，傳感器得到了廣泛應用，各種信息的采集離不了各種傳感器，傳感器的基本功能在于能感受外界的各種“刺激”并作出迅速反映。本設計當中我們采用的靜壓傳感器簡單易做，經濟實惠。其外形輪廓如下： 圖6.傳感器電路3.3顯示電路設計圖7.顯示器電路LED顯示屏（LED panel），是一種通過控制半導體發光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕通過發光二極管芯片的適當連接（包括串聯和并聯）和適當的光學結構。可構成發光顯示器的發光段或發光點。由這些發光段或發光點可以組成數碼管、符號管、米字管、矩陣管、電平顯示器管等等。通常把數碼管、符號管、米字管共稱筆

20、畫顯示器，而把筆畫顯示器和矩陣管統稱為字符顯示器。LED顯示屏是由發光二極管排列組成的一顯示器件。它采用低電壓掃描驅動，具有如下優點：1、耗電省、2、使用壽命長、3、成本低、4、亮度高、5、視角大、6、可視距離遠、7、規格品種多。 LED又稱為數碼管，它主要由8段發光二極管組成的不同組合，可以顯示ag為數字和字符顯示段，h段為小數點顯示，通過ag為7個發光段的不同組合，可以顯示09和AF共16個數字和字母。LED可以分為共陰極和共陽極兩種結構。本設計采用共陰極結構，即把8個發光二極管陰極連在一起。這種裝入數碼管中顯示字形的數據稱字形碼，又稱段選碼。本設計用到的是LED顯示器靜態顯示方式，其中段

21、選端A、B、C、D、E、F、G、DP接AT89C52的P0口，位選端1、2、3、4分別接P2.0、P2.1、P2.2、P2.3，其電路如圖7所示。3.4報警電路設計圖8.報警電路發光二極管（LED）是用半導體材料制作的正向偏置的PN結二極管。其發光機理是當在PN結兩端注入正向電流時，注入的非平衡載流子（電子空穴對）在擴散過程中復合發光，這種發射過程主要對應光的自發發射過程。按光輸出的位置不同，發光二極管可分為面發射型和邊發射型。發光二極管的發光原理同樣可以用PN結的能帶結構來解釋。制作半導體發光二極管的材料是重摻雜的，熱平衡狀態下的N區有很多遷移率很高的電子，P區有較多的遷移率較低的空穴。由于

22、PN結阻擋層的限制，在常態下，二者不能發生自然復合。，而當給PN結加以正向電壓時，溝區導帶中的電子則可逃過PN結的勢壘進入到P區一側。于是在PN結附近稍偏于P區一邊的地方，處于高能態的電子與空穴相遇時，便產生發光復合。這種發光復合所發出的光屬于自發輻射，輻射光的波長決定于材料的禁帶寬度Eg。本電路采用發光二極管亮滅，顯示是否超出測量范圍，本設計采用的發光二極管為共陽極接法，下限二極管接AT89C52的P3.0，上限二極管接AT89C52的P3.1，在超出測量范圍時，輸入變為低電平，此時上限或下限的二極管點亮，如圖8.3.5模數轉換電路設計本設計采用的A/D轉換芯片為ADC0832，8 位分辨率

23、、雙通道A/D轉換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業歡迎，其目前已經有很高的普及率。如圖9. 圖9.轉換器電路3.6系統整體電路原理圖設計 綜合以上電路設計，按照以上電路的連接將各個模塊進行組合，設計出整體電路原理，如圖10. 圖10. 整體電路原理圖4系統軟件設計4.1系統主程序設計 首先初始化LED數碼管參數和報警燈，通過數模轉換子程序循環讀取傳感器的電壓信號，并把電壓信號轉化為數字信號，然后傳送給處理器，判斷數據的范圍來調用報警子程序或顯示子程序，顯示子程序將水位值在數碼管上顯示出來，報警子程序顯示超出上限或下限。程序流程如圖11所示。開始系統初始化 A/D轉換

24、器 報警子程序數據處理 顯示子程序結束 圖114.2顯示子程序設計 首先初始化數碼管，數碼管不顯示，判斷處理后的數據，在測量范圍內數碼管正常顯示；在超出上限時數碼管顯示四個1；在超出下限時數碼管顯示四個0。程序流程如圖12所示。 初始化判斷結果 >1 <1顯示四個0顯示四個1正常顯示 結束 圖124.3報警子程序設計初始化上下限LED燈，使燈初始為滅，在測量范圍內時上下限燈均不亮；在超出上限時，上限燈亮而下限燈滅；在超出下限時，下限燈亮而上限燈滅。程序流程如圖13. H>1初始化上限LED亮下限LED 判斷數據 H<0 圖134.4系統仿真 4.4.1. 仿真 （pro

25、teus仿真）Proteus是一個很強悍的仿真軟件，可以仿真模擬電路，數字電路，單片機，8086和8088，ARM7,PLD/FPGA,以及電子管（不是晶體管）。雙擊AT89C52芯片，將編譯生成的HEX文件加載到芯片中，點擊全速運行按鍵可得到圖14所示的結果，超出測量范圍時報警電路會發出報警，在測量范圍內時數碼管正常顯示并且報警二極管不亮。圖14.仿真5總結作為一名機電的大三學生，通過做這次課程設計是很有意義的，而且也是必要的。在做這次課程設計的過程中，我感觸最深的當屬查閱大量的設計資料了。為了讓自己的設計更加完善，查閱這方面的實際資料是十分必要的，也是必不可少的在我們平時的學習期間，我們所

26、學的知識都是書本上的一些不大靈活的東西,而且學習期間的這種考核是單科進行，主要是考查我們對本門學科所學知識的記憶程度和理解程度。但我認為這種實踐性課程設計則不同，它不是單一地對我們進行某一學科已學知識的考核，而是著重考查我們運用所學知識對某一問題進行探討和研究的能力。整個設計的過程，同時也是專業知識的學習過程，而且是更生動、更切實、更深入的專業知識的學習。首先，一個設計是結合科研課題，把學過的專業知識運用于實際，在理論和實際結合過程中進一步消化、加深和鞏固所學的專業知識，并把所學的專業知識轉化為分析和解決問題的能力。其次，在搜集材料、調查研究、接觸實際的過程中，既可以印證學過的書本知識，又可以

27、學到許多課堂和書本里學不到的活生生的新知識。此外，我們在這種自己動手的設計中，對所學專業的某一側面和專題作了較為深入的分析。在此我感謝老師對我的幫助和鼓勵！在這次的課程設計中，我真正的意識到，在以后的學習中，要理論聯系實際，把我們所學的理論知識用到實際當中，學習單片機更是如此，程序只有在經常寫與讀的過程中才能提高，這就是這次課程設計的最大收獲。總之，這次的課程設計對我來說說是一個很好鍛煉自己的機會！附錄#include<reg52.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned

28、int#define acc P1sbit wr=P36;sbit rd=P37;sbit D1=P30;sbit D2=P31;uint temp,vary;float press,h;uchar code table1=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;uchar code table16=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;uchar code table_d16=0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xe

29、f,0xf7,0xfc,0xb9,0xde,0xf9,0xf1;unsigned char dispbuf4;void delay(uint z)uint x; while(z-) for(x=110;x>0;x-);void delay_1ms(void) /12mhz delay 1.01ms unsigned char x,y; x=3; while(x-) y=40; while(y-); void start() wr=1; wr=0; wr=1;uint zhhuan() uint a; acc=0xff; delay(10); rd=0; a=P1; delay(5); rd=1; delay(5