1、. . . . 基于89C51單片機振弦式傳感器水位測量系統專業名稱： 機電一體化 年級班別：姓 名：學 號：指導教師：年 月17 / 17摘要2前言3一、緒論41.1水位測量的歷史與現狀41.2 方案論證51.3 本系統的設計原理61.4總體概況與展望71.5設計要求7二、振弦式傳感器72.1 工作原理82.2 振弦式傳感器的設計92.3 結論11三、硬件系統設計123、硬件系統設計原理12四、程序設計134、程序13五、小結14六、參考文獻15七、附錄167.1當處于低水位時Protues仿真圖167.1當處于高水位時Protues仿真圖17摘 要本文簡要介紹了利用單片機和傳感器進行水位測

2、量的基本原理，本課題的任務就是利用振弦式壓力傳感器測量水位，用單片機組成智能測量裝置，實現水位的智能監測，并將采集的數據匯總、處理。然后對本系統的工作原理、智能監測方法、要現的功能、監測系統的組成和硬件線路設計作了詳細的講解。在結合裝置具體要求的基礎上，確定了以8051單片機為核心，用振弦式傳感器測量共振頻率以計算水位的設計方案。本文例舉了智能測量裝置的一個整體實現方案。包括硬件的連接以與軟件的實現。在硬件的連接中具體的講解了本設計主要采用的振弦式壓力傳感器的性能以與硬件的連接與各電路模塊的主要功能。在軟件的實現中具體的講解了利用單片機可編程來實現水位測量的掃頻和測頻兩部分，這包括了D/A轉換

3、，周期測量，頻率計算等子程序。本文對采用傳感器和單片機實現水位測量替代傳統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現方案。關鍵詞 單片機 、 水位測量 、 振弦式傳感器 前 言本課題探討了水位測量技術的相關問題。水位測量在生產實際中是非常重要的。隨著單片機和微機技術的不斷發展，單片機技術已廣泛應用于現代工業的各個行業。單片機具有體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等許多優點，本設計采用單片機和傳感器進行水位測量，通過充分利用單片機的控制功能和部硬件功能，大大減少了外圍電路的設計，而且測試精度、可靠性、穩定性大大提高，能方便的實現對整個采集過程與控制過程的自動化處理，本文首先對振弦式

4、壓力傳感器的工作原理、工作方式、硬件電路的設計和軟件部分的設計等方面做了詳細的分析。最后在結合系統的具體要求的基礎上，確定了硬件以89C51系列的8051為核心，選用了A/D轉換芯片ICL8038進行模數轉。在硬件設計上主要采用的振弦式壓力傳感器的性能以與硬件的連接與各電路模塊的主要功能。在軟件設計上我們同樣采用了模塊化設計的方法，按系統的功能劃分為不同的子程序，用匯編語言實現了激振、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計和調試，同樣也方便了以后的功能的改進和增加。一、 緒 論1.1水位測量的歷史與現狀水位測量，是水文研究中很重要的一點，提到水文研究，許多人會聯想到

5、這是一個非常辛苦的工作，因為水文工作者需要到各個地方采集水文資料，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驗豐富的老船工，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，后來又出現了浮標測量法、電容式水位測量法、電阻應變片的壓力感應法、超聲波反射法水位測量法。在很多的壩區，因為水位和壩體的承受壓力之間有著非常重要的關系，需要我們隨時的監控水位，而且，上游的泥沙會堆積在壩底，水位是會改變的。我們就需要一個簡單實用，成本較低的水位測量方法來隨時測量水位值。隨著科學的發展水位的檢測方法也在變化，精度也有了更佳的提高。單片機技術和傳感器技術

6、的發展使水位測量方法得到了更進一步的發展。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勘測中一直是一門比較重要的研究課程，在科學的發展史中，有過很多種的水位測量法，比如說：浮標測量法、超聲波反射法，電容式水位測量法、電阻應變片的壓力感應法等等浮標測量法是根據漂浮在液面上的浮子（也稱浮標）受到水的浮力作用隨水位的變化而產生位移來進行液位測量的，水位上升時浮球向上??；水位下降時，浮球向下浮。其缺點是安裝復雜，測量精度低，不可靠，經常出現浮子卡死不動和傳感器堵塞導致測不準；維護工作量大，安裝、調試不便，采集到的僅是模

7、擬告警信號，不能直接進入電廠計算機監控系統。電容式液位計：在容器插入電極，當液位變化時，電極部介質改變，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換成標準化的直流電信號。其精確度為±(0.51.5)%。電容式液位計具有以下優點：傳感器無機械可動部分，結構簡單、可靠；精確度高；檢測端消耗電能小，動態響應快；維護方便，壽命長。缺點是被測液體的介電常數不穩定會引起較大的誤差。超聲波反射法液位計的傳感器由一對發射、接收換能器組成。發射換能器面對液面發射超聲波脈沖，超聲波脈沖從液面上反射回來，被接收換能器接收。根據發射至接收的時間可確定傳感器與液面之間的距離，即可換算成液

8、位。其精確度為±0.5%。這種液位計無機械可動部分，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目前所存在的缺點有一定的盲區，且價格較貴。另外也采用頻率計法，但由于需要采用模擬電路和數字電路技術，需要硬件多，電路復雜，穩定性差，測試精度、可靠性、穩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，本設計采用單片機和傳感器進行水位測量，通過充分利用單片機的控制功能和部硬件功能，大大減少了外圍電路的設計，而且測試精度、可靠性、穩定性大大提高，能方便的實現對整個采集過程與控制過程的自動化處理，其基

9、本原理為：通過振弦式壓力傳感器測量水位，用單片機組成智能測量裝置，實現水位的智能監測，并將采集的數據匯總、處理，提供查詢、報表輸出，完成包括數據采集，數據處理，數據轉換與顯示、打印等軟件功能，實現與其它計算機的通訊。這是過去普通數字電路較難實現的功能。采用單片機技術，較好的完成了這一功能，提高了信號的采集精度，利用單片機控制端口實現各種硬件控制的功能。采用LED液晶顯示，功耗小。1.3 本系統的設計原理本設計系統基于單片機8051和振弦式傳感器測量水位，用單片機組成智能監測電路，實現水位的智能監測。主要工作原理如下：通過單片機和D/A轉換芯片產生一鋸齒波電壓信號，放大后送入標準函數信號發生器I

10、CL8038，使它產生相應的標準頻率的掃頻正弦波，用這個信號來激振振弦傳感器，當送入的波頻率和傳感器的頻率共振時，傳感器便被激勵出相應的感應信號，這個信號是個衰減的正弦波，該信號在經過過零比較器之后，將被整流成一個標準的方波，以這個方波的半個周期的兩個上升或者下降沿為單片機P3.2輸入，啟動和停止計數器，計數器記下在這半個周期的部時鐘的脈沖數，部時鐘一個脈沖的固定周期為s，經過計算就可得到傳感器的輸出信號的周期，從而得到相應的頻率。1.4總體概況與展望本系統的優點在于采用8051單片機對振弦傳感器進行數據采集、分析處理、顯示。具有電路結構簡單，使用方便，顯示可靠直觀，抗干擾能力強等特點。系統軟

11、件采用51系列的匯編語言，采用模塊化程序設計技術，軟件使用維護方便，可靠性強?？梢韵嘈牛S著單片機和傳感技術的日趨發展和成熟，在不久的將來，利用單片機技術開發出來的功能化儀器、儀表將會在各個領域得到更廣泛的應用。1.5設計要求本系統要求能夠對低水位和高水位的測量，用可調電阻調節電壓值作為模擬水位的輸入量，低水位是30m，高水位是90m。本系統的測量圍是30-90m。二、 振弦式傳感器振弦式傳感器由前聯的達維金可夫發明,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.當受力后,鋼弦長度將產生微小變化,引起固定頻率的變化,從而測出物理量的數值。振弦式頻率傳感器

12、具有結構簡單、堅固耐用、抗干擾能力強、測值可靠、精度與分辨力高和穩定性好等優點；其輸出為頻率信號，便于遠距離傳輸，可以直接與微機接口，因而獲得廣泛運用。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，它在振動時會在拾振線圈中感應出電勢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，傳感器的結構和測量電路都比較簡單。因此，它已被廣泛用

13、于精密的壓力測量領域中。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的振弦固有振動頻率。在圖2.1b中，它可以等效為一個并聯的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格的控制在振弦的固有振動頻率，而與作用力的大小有關。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和場效應管組成負反饋網絡，起著控制起振條件和振蕩

14、幅度的作用，而R1、R5。V和C支路控制場效應管的柵極電壓，作為穩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）結構示意圖 b)電原理圖振弦在電路中可以等效為一個并聯的LC回路。如圖2.1a，一根有效長度為的振弦在磁感應強度為B的磁場中振動時，振弦上有感應電動勢e產生，和電流i流通。此時，振弦所感受的力為F=B lI （2-1）振弦在磁場中運動相當于電路中電容的作用，m為弦的質量，其等效電容為 C= （2-2）振弦的彈簧作用相當于電路中的電感，k為弦的橫向剛度系數。其等效電感為L= (2-3)2.2 振弦式傳感器的設計2.2.1 振弦 振弦是傳感器變換系統中的重要部件

15、，它將被測的作用力變換成橫向振動頻率。設計中主要考慮以下幾個問題：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。為了獲得好的動態性能，高的靈敏度和品質因素； 高的強度極限值，以保證可靠的工作；材料的膨脹系數和彈性模量的溫度系數要小，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定性；(2)弦的緊固方式：振弦是在拉緊狀態下工作的，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動部件相連接。對弦的緊固要：工作點有可靠的、機械牢固的和電氣絕緣的連接。緊固件的材料特性應與弦的物理特性

16、近似，以避免溫度變化時引起不應有的伸長和縮短。緊固材料要有堅韌性，因為太軟則可能在弦振動時發生滑脫現象，太硬則可能損傷弦。緊固的方式應使操作方便，振弦上受力均勻，并便于調節初始應力。2.2.2 激振裝置 振弦振動有強迫振動、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下的兩種激勵方式的原理圖。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并聯的LC回路，其參數可由式（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 。據此，

17、就很容易計算出磁電式變換器的基本參數，激勵電流和電動勢。2.3 結論 利用掃頻激振技術實現激振單線圈振弦式傳感器的新方法用于水位測量監測，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點。三、硬件系統設計3、 硬件系統設計原理四、 程序設計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: MOV

18、 B,#10 DIV ABMOV DIG0,BMOV B,#10DIV ABMOV DIG1,BMOV A,DIG1 SWAP AADD A,DIG0RETEND五、小結這個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據采集，再通過上位機顯示，利用單片機技術實現設備的智能化。在整個設計過程中，主要研究了如何把非電物理量轉換為電壓量，如何選擇合適的D/A轉換器，如何實現對鍵盤和顯示LCD的控制，如何利用轉換芯片實現與上位機的通訊，如何通過程序實現數據的轉換等。本設計采用單片機和傳感器進行水位測量，充分利用單片機的控制功能和部硬件功能，大大減少了外圍電路的設計，而且測試精度、可靠性、穩定性大大提高，能方便的實現對整個采集過程與控制過程的自動化處理。該設計通過振弦式壓力傳感器測量水位，用單片機組成智能測量裝置，實現水位的智能監測，并將采