检测系统综合课程设计--液位测控系统的设计

前言在人类文明高度发达的今天，人们对信息的采集、处理、传输及综合利用越来越迫切，单片机作为现代电子技术、计算机技术的新兴领域，其应用也越来越广泛，从开始的工业控制，到现在的航天航空、消防安全、工业数据采集、石油地质勘探、铁路交通运输以及楼宇自动化等，甚至目前的许多家电中都有单片机的应用。

以单片机为代表的嵌入式系统的出现标志着现代电子系统时代的到来。

随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机检测系统有较深的了解学院特地为我们安排了这次为期四周的课程设计。

本次课程设计由我们自己选择测量对象，这样题目相对灵活，能更好的达到锻炼我们的目的。

在本次课程设计中我选择的是液位测控系统的设计。

液位检测在许多控制领域已较为普遍，各种类型的液位检测装置也不少，按原理分有浮子式、压力式、超声波式、吹气式、电容式等，这各种方法都根据其需要设计完成，其结构、量程和精度各有特色, 适用于各自的场合。

我选用的是浮子式液位传感器，因为它的结构比较简单，也比较便宜。

液位高度通过传感器测出，其输出的电信号通过信号调理电路传送给数/模转换器ADC0808，之后ADC0808再将转化后的数字信号传给单片机AT89C51，最后单片机通过与LCD液晶显示屏连接，将液位高度显示出来，当液位超过警戒水位时，单片机会驱动LED点亮，输出报警信号。

在本次课程设计中，我也遇到了很多问题，如：如何确定方案、选择器件、使用仿真软件等。

困难再多、再大也是要克服的。

在这里我要感谢给我提供帮助的黎水平老师以及班上的同学们，没有你们的帮助我是不可能完成这次课程设计的。

由于本人水平有限，里面的内容难免有不少缺点和错误，恳请读者批评指正。

目录前言 (1)1.方案选择 (3)1.1方案1： (3)1.2方案2： (3)2.硬件电路的设计 (4)2.1传感器检测部分 (4)2.2电源模块设计 (5)2.3A/D转换部分的设计 (6)2.4单片机的选择 (10)2.5 显示电路的设计 (12)2.6 控制驱动电路设计 (14)2.7 键盘设计 (15)2.8 时钟信号设计 (16)3.软件设计 (16)3.1软件流程设计 (16)3.2上机软件仿真 (17)4.液位测控系统的误差分析 (18)5.设计心得 (19)6.参考文献 (20)1.方案选择1.1方案1：为了完成完成本次液位检测设计的各种功能，将整个电路分为四个部分：传感器检测部分、A/D转换部分、显示部分以及控制驱动部分。

器框架如下图所示：图1.1 方案原理方框图传感器检测部分选用的是FYC-3型浮子液位传感器。

该传感器的机构合理，抗干扰能力强，分辨率高，量程大，寿命长，有掉电后信号跟踪记忆功能。

能够将液位的变化通过标准的电信号输出。

A/D转换器选用的是A/D0808芯片。

它是一个八位的A/D转换器，转换精度较高，从A/D0808出来的信号可以直接送给单片机处理。

在本次课设中我选用的单片机是INTEL公司的8位单片机AT89C51。

与8086系列相比，AT89C515具有明显的价格优势，而且能够满足精度要求。

显示部分采用的是LCD显示屏，与传统的LED相比，LCD更加节能。

而且随着现代科技的发展，LCD取代LED是势在必行的。

1.2方案2：该方案与方案1大同小异，除控制外，其它没什么区别。

方案1采用的是单片机控制，而在方案2中我才用的是PLC控制。

PLC采用的是循环扫描的工作方式、通过自诊断、通信处理、扫描输入、刷新输出这五个工作过程来完成一个周期。

但是，利用PLC控制价格比较昂贵，需要的其他硬件较多，使得安装显得不方便，且占用空间大。

综合考滤这两种方案：他们都是可行的，都能达到所需的目的。

方案1原理直观，关键是价格低廉、集成度高、处理功能强、可靠性比较高，便于操作。

方案2在功能上采用的是开关逻辑控制、闭环过程控制、位置控制以及多PLC分布式控制等。

它更适合在工业上应用，工程技术人员可以很容易的读懂其程序，同时在改变控制要求时，只需改变程序梯形图就能满足要求。

但它存在一个致命的缺点——价格昂贵，需要的其他硬件较多，使得安装显得不方便，且占用空间大，适合用在对精度要求很高的场所。

综上所述，方案1具有明显的优势，因此采用方案1为本次液位控制的最佳方案。

2.硬件电路的设计2.1传感器检测部分在本次课设中我选用的是FYC-3型浮子式液位传感器，选用光电式编码器，配以精密的变速结构、线轮、不锈钢钢丝绳、重锤、防浪锤和浮子等构成。

该传感器安装在测量对象的上端（如水箱），当液位变化时，浮子随之上升或下降，测绳便带动线轮做旋转运动，与线轮同轴连接的编码器就输出与液位对应的模拟信号并送至后续电路继续处理，从而达到了对液位的实时显示及控制目的。

该传感器结构合理，抗干扰能力强，分辨率高，量程大，寿命长，有掉电后有信号跟踪记忆功能。

他能够长期用于液位测量并能保证性能的稳定可靠，是江河湖泊。

水库、船闸、水电站、水温观测站、水厂以及石油化工等行业理想的液位传感器。

该传感器的测量轮采用加深绳沟和减少钢丝绳压力夹角的方法解决了钢丝绳容易脱落的现象；传感器外壳、测量轮、支架均采用铝合金材料，测绳采用不锈钢材料、浮子采用工程塑料制作，因而具有良好的耐腐蚀性；编码器采用光电绝对式编码器而不是脉冲型的，因而具有极强的抗干扰能力，具有断电记忆功能，只要回复供电，不需任何预置就可立即读出实时的测量值。

图2.1 传感器外形及安装尺寸示意图2.2电源模块设计仅就单片机系统（最小系统）而言，一般只需要5V的直流电源供电，而对实际的单片机来说，由于需要扩展一定得测控转换通道和其相应的接口电路外设，除了5V的直流电源外，还可能需要其他的如12V的直流电源。

如下图2.2所示，直流电源模块的设计有以下两种设计方法，本次设计采用（b）类电源设计方案，即通过常用的220V交流电源变压、整流、稳压、滤波及AC/DC变换后给整个系统提供所需要的直流电源。

（a）（b）图2.2 电源模块设计系统组成框图如下图2.3所示电路为5V直流电源输出具体电路设计，其中电路的核心集成芯片7805是一种价格便宜、应用广泛的线性稳压器电子元件，其采用TO-220的封装形式，可以提供1A的最大工作电流，且由于内部具有过压过流保护，使整机的电源电路稳定，性能可靠。

图2.3 5V直流电源输出电路设计在图2.3中可看出，本电路采用220V的交流电压供电，220V交流电经过变压器后转换成12V交流电输出，12V交流电经过整流电桥后可以实现转换成直流电压输出，直流电压经过C1和C2两次滤波后，接到线性稳压器7805后即可转换成稳定的5V直流电压输出，电容C3和C4的设置也是起到滤波的作用，R1作为限流电阻，D2是LED作为电路的显示部分，起到指示的作用。

电源模块的抗干扰技术是系统的重要可靠性指标，一个设计良好的电源模块，应该在设计过程中充分考虑到抗干扰性能的要求。

系统电源模块的干扰可以分为供电线耦合的干扰和电源本身产生的干扰。

使用交流稳压器：在工业现场，电网上的电压波动较大，因此需要经过交流稳压器再进入到电源模块的变压器，从而使供电稳定。

采用瞬态电压抑制措施：当开关在通断时，都会产生一个幅值很高的瞬时电压脉冲，因此，在电压模块设计中可以使用瞬态抑制二极管，从而起到保护作用。

使用浪涌抑制器：在工业现场，当有大型设备启停时，会产生浪涌的现象，此时，可以采用CR（电容-电阻）浪涌抑制器。

2.3A/D转换部分的设计现在市面上ADC芯片的品种、型号很多，其内部功能强弱、转换速度快慢、转换精度高低有很大差别，但用户最关心的外特性包括以下四种基本信号引脚端：模拟信号输入端(单极性或双极性)；数字量输出端(并行或串行)；转换启动信号输入端；转换结束信号输出端。

除此之外，各种不同型号的芯片可能还会有一些其他各不相同的控制信号端。

选用ADC芯片时，除了必须考虑各种技术要求外，通常还需了解芯片以下两方面的特性：数字输出的方式是否有可控三态输出；启动转换的控制方式是脉冲控制式还是电平控制式。

在本次课程设计中我选用的是ADC0808，它与ADC0809在精度上略有差别（前者精度为8位，后者精度为7位），其它各方面完全相同。

他们都是CMO器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。

利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。

1) 主要技术指标和特性（1）分辨率：8位。

（2）总的不可调误差：ADC0808为±0.5LSB。

（3）转换时间：取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，T CONV=128μs。

（4）单一电源：+5V。

（5）模拟输入电压范围：单极性0～5V；双极性±5V,±10V(需外加一定电路)。

（6）具有可控三态输出缓存器。

（7）启动转换控制为脉冲式(正脉冲)，上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D 转换开始。

（8）使用时不需进行零点和满刻度调节。

2) 内部结构和外部引脚ADC0808的内部结构和外部引脚分别如图2.4和图2.5所示。

内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述，下面仅对各引脚定义分述如下：图2.4 ADC0808内部结构框图（1）IN0～IN7——8路模拟输入，通过3根地址译码线ADD A、ADD B、ADD C来选通一路信号。

（2）D7～D0——A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。

8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。

（3）ADD A、ADD B、ADD C——模拟通道选择地址信号，ADD A为低位，ADD C为高位。

地址信号与选中通道对应关系如表11.3所示。

（4）V R(+)、V R(-)——正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。

在单极性输入时，V R(+)=5V，V R(-)=0V；双极性输入时，V R(+)、V R(-)分别接正、负极性的参考电压。

图2.5 ADC0808外围电路图表2.1 地址信号与选中通道的关系（5）ALE——地址锁存允许信号，高电平有效。

当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。

在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。

（6）START——A/D转换启动信号，正脉冲有效。

加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始A/D转换。

如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中止，重新从头开始转换。

（7）EOC——转换结束信号，高电平有效。