【正文】 最小系統(tǒng)進(jìn)行處理然后利用 RS232 電平轉(zhuǎn)換送到 PC 機(jī)， PC 機(jī)上用 VB的 控件編寫一個顯示界面，再在 VB 中利用程序?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換成以厘米為單位的高度并顯示出來。 7 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 2 總體方案設(shè)計 通過查閱大量相關(guān)技術(shù)資料，并結(jié)合自己的實(shí)際知識，我主要提出了兩種技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面我將首先對這兩種種方案的組成框圖和實(shí)現(xiàn)原理分別進(jìn)行說明。 智能液位傳感器設(shè)計方案框圖 兩種方案的框圖如下圖： 方案 1： 方案 2： 壓力傳感器 AD 轉(zhuǎn)換器 （ ADC0804） 單片機(jī)最小系統(tǒng) RS232 串口通信 上位機(jī)顯示液面高度 利用應(yīng)變片自制的壓力傳感器 AD 轉(zhuǎn)換器（ ADC0832） 單片機(jī)最小系統(tǒng) RS232 串口通信 上位機(jī)顯示液面高度 8 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 方案論證 對于方案 1和 2按照理論來看做出來能夠達(dá)到一定的預(yù)期效果，能達(dá)基本滿足本次設(shè)計的基本要求。但是兩種方案不同之處就在于傳感器的選擇和 AD 的選擇，現(xiàn)就這兩個方面來論述 .為什么選擇方案 2。 方案 1的傳感器部分是利用應(yīng)變片做的壓力變送器，其結(jié)構(gòu)如下圖 : 圖 這是利用 4片應(yīng)變片做的全橋電路其電壓靈敏度比單臂工作時提高了 4倍，消除了一定的非線性誤差。其輸出的為電流信號但是非常小，所 以在外部又加了一個差動放大將信號放大才能滿足 AD 0 +5V 的輸入電壓的要求。但是此類的工作都是提供 的橫流源，我們自己做的恒流源很難滿足要求。硬件部分完成以后還要對其進(jìn)行測試線性度，但是測量比較麻煩后期的數(shù)據(jù)處理也比較繁瑣，最后達(dá)到的效果也比較差所以就沒有選擇應(yīng)變片制作。 對于 AD的選擇主要是 ADC0832 與 ADC0804 之間的選擇。 ADC0832 是 8位分辨率； +5V 電源供電；輸入電壓為 0 +5V；工作頻率 250HZ；轉(zhuǎn)換時間為 32us；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送是 8位串行傳送； ADC0804 是 8 位分辨 率； 5V 電源供電；輸入電壓為 0 +5V；轉(zhuǎn)換時間的 100us；存取時間是 135us；數(shù)據(jù)傳送是 8 位并行傳送； 通過直觀的觀察可以發(fā)現(xiàn)由于 ADC0832的數(shù)據(jù)傳送是 8位串行的所以傳完 8位數(shù)據(jù)需要的時間為 256us，而 ADC0804 為 8 位的并行數(shù)據(jù)傳送，傳 8 位數(shù)據(jù)只需 100us。所以 ADC0804 的轉(zhuǎn)換存取速度更快，這樣系統(tǒng)的工作效率更高。所以我們采用的是 9 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 ADC0804。 綜上我們本次設(shè)計液位傳感器采用的方案 2。 方案可能的擴(kuò)展功能 我們這次設(shè)計的智能液位傳感器結(jié)構(gòu)還比較簡單，只是完成測液位并讀出頁 面高度的基本功能，在這幾完成后發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)還能擴(kuò)展許多功能。比如增加報警系統(tǒng)（應(yīng)用于比如水庫的水位測量時可以做下限報警和超限報警）；遠(yuǎn)程的控制系統(tǒng)（比如家用的水塔水不足時可以控制水泵加水）。 10 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 3 單元模塊電路的設(shè)計 本節(jié)主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的具體功能、電路結(jié)構(gòu)、工作原理、以及各個單元模塊之間的聯(lián)接關(guān)系；同時本節(jié)也會對相關(guān)電路中的參數(shù)計算、元器件選擇、以及核心器件進(jìn)行必要說明。 本系統(tǒng)電路模塊主要分為四個單元模塊，它 們分別是：傳感器輸出部分； ADC0804的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊；單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊； RS232 模塊 .各單元模塊功能及相關(guān)電路的具體說明如下。 傳感器輸出部分 ADC0804 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化部分 該級電路一共實(shí)現(xiàn)了兩個功能：第一個是對模擬電壓信號的采集。第二個功能是將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 這一級的原理圖如圖 ： 11 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 圖 ADC0804數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊 這部分主要是由 STC89C52 單片機(jī)組成的一個 最小系統(tǒng)，通過單片機(jī)來控制 ADC0804的信號采集轉(zhuǎn)換以及對 RS232 串口通信的控制。 該級電路原理圖如圖 ： 12 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 RS232 模塊 RS232模塊主要通過 USB轉(zhuǎn)串口線來與 PC機(jī)通信將 ADC0804采集和轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)顯示出所測得液面高度。 模塊的原理圖如圖 ： 13 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 圖 RS232電路圖 電路參數(shù)計算及元器件的選擇 元器件的 選擇 設(shè)計所用儀器及器件如下表 1： 14 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 表 1 特殊元器件介紹 這一節(jié)將對設(shè)計過程中用到的一些特殊元器件進(jìn)行介紹，主要是介紹該特殊元器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工作原理，及使用時應(yīng)該注意的事項(xiàng)。 單片機(jī) STC89C52 1片 MAX232 1片 ADC0804 1片 串口母頭 1個 晶振 1個 5個 22pf電容 2個 10uf極性電容 1個 33pf電容 1個 1k電阻 2個 10k電阻 2個 排線 若干 USB轉(zhuǎn)串口線 1根 電烙鐵 一臺 面包板 1塊 焊錫 若干 +5V直流可調(diào)電壓源 1臺 壓力傳感器 1個 示波器 1臺 水管 1根 萬用表 1臺 鉗子 1個 電腦 1臺 15 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 ADC0804 ADC0804 的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)圖如下圖 ： 圖 ADC0804的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)圖 ADC0804 主要技術(shù)指標(biāo)如下： (1) 高阻抗?fàn)顟B(tài)輸出 (2) 分辨率： 8 位 (0~255) (3) 存取時間： 135 us (4) 轉(zhuǎn)換時間： 100 us (5) 總誤差： 1 +1LSB (6) 工作溫度： ADC0804C 為 0度 70 度； ADC0804L 為 40 度 85 度 (7) 模擬輸入電壓范圍： 0V +5V (8) 參考電壓： (9) 工作電壓： 5V (10) 輸出為三態(tài)結(jié)構(gòu) 16 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 ADC0804 的引腳圖如下圖 ： 圖 ADC0804引腳圖 引腳及功能特性如下： CS 、 RD 、 WR （引腳 3）：是數(shù)字控制輸入端， 滿足標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電 平。其中 CS 和 WR 用來控制 A/D 轉(zhuǎn)換的啟動信號。 CS 、 RD 用來讀 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié) 果，當(dāng)它們同時為低電平時，輸出數(shù)據(jù)鎖存器 DB0~DB7 各端上出現(xiàn) 8 位并行二進(jìn)制數(shù) 碼 。 LKI（引腳 4）和 CLKR（引腳 19）： ADC0801~0805 片內(nèi)有時鐘電路，只要在外部“CLKI” 和 “CLKR” 兩端外接一對電阻電容即可產(chǎn)生 A/D 轉(zhuǎn)換所要求的時鐘，其振蕩頻率為 fCLK≈1/ 。其典型應(yīng)用參數(shù)為： R=10KΩ ， C=150PF， fCLK≈640KHZ ，轉(zhuǎn)換速度為 100μ ｓ。 若采用外部時鐘，則外部 fCLK 可從 CLKI 端送入，此時不接 R、 C。 允許的時鐘頻率范圍為 100KHZ～ 1460KHZ。 INTR （引腳 5）： INTR 是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，輸出跳轉(zhuǎn)為低電平表示本次轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，可作為微處理器的中斷或查詢信號。如果將 CS 和 WR 端與 INTR 端相連，則ADC0804 就處于自動循環(huán)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。 CS ＝ 0 時，允許進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 WR 由低跳高時 A/D 轉(zhuǎn)換開始， 8 位逐次比較需 88=64 個時鐘周期，再加上控制邏輯操作，一次轉(zhuǎn)換需要 66～ 73 個時鐘周期。在典型 應(yīng)用 fCLK＝ 640KHZ 時，轉(zhuǎn)換時間約為 103μ ｓ～ 114μ ｓ。當(dāng) fCLK 超過 640KHZ，轉(zhuǎn)換精度下降，超過極限值 1460KHZ 時便不能正常工作。 17 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 VIN（＋）（引腳）和 VIN（－）（引腳 7）：被轉(zhuǎn)換的電壓信號從 VIN（＋）和 VIN（－）輸入，允許此信號是差動的或不共地的電壓信號。如果輸入電壓 VＩＮ的變化范圍從 0V到 Vmax，則芯片的 VIN（－）端接地，輸入電壓加到 VIN（＋）引腳。由于該芯片允許差動輸入，在共模輸入電壓允的情況下，輸入電壓范圍可以從非零伏開始，即 Vmin 至Vmas。此時芯片的 VIN（－）端應(yīng)該接入等于 Vmin 的恒值電碼墳上，而輸入電壓 VIN仍然加到 VIN（＋）引腳上。 AGND（引腳 8）和 DGND（引腳 10）： A/D 轉(zhuǎn)換器一般都有這兩個引腳。模擬地 AGND 和數(shù)字地 DGND 分別設(shè)置引入端，使數(shù)字電路的地電流不影響模擬信號回路，以防止寄生耦合造成的干擾。 VREF／ 2（引腳 9）：參考電壓 VREF/2 可以由外部電路供給，從 “V REF/2” 端直接送入， VREF/2 端電壓值應(yīng)是輸入電壓范圍的二分之一。所以輸入電壓的范圍可以通過調(diào)整 VREF/2 引腳處的電壓加以改變，轉(zhuǎn)換器的零點(diǎn) 無需調(diào)整。 ADC0804 轉(zhuǎn)換器的工作時序如圖 : 圖 工作時序圖 壓力傳感器 D3B 我們這次智能液位傳感器設(shè)計使用的傳感器部分采用的是壓力傳感器 D3B，液位測量采用的測量液體壓強(qiáng)的方 式。壓力傳感器如下圖 ： 18 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 圖 傳感器主要參數(shù)如下： 工作電壓： — ；壓力范圍： 01000mm 水柱， ㎡；電壓輸出： ；線性度 %；外型： 30 30 20mm 。 接線方式：每個接線柱下皆有標(biāo)示， G接地， I接 +5V 另與 O之間加載 上拉電阻即可通過 0輸出 傳感器本身不能放到水里 ，所以設(shè)計時我們是利用水管引水到傳感器中央的壓力感應(yīng) 膜上。 個單元模塊的聯(lián)接 個單元的聯(lián)接如下圖 ： 19 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 圖 個單元模塊的聯(lián)接圖 說明： AD 的輸入連接的是壓力傳感器的輸出端。 20 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計報告 4 軟件設(shè)計 本次設(shè)計主要用到的軟件主要涉及到單片機(jī)的 c 語言編程，上位機(jī)的 VB部分的界面編程。 4． 1 軟件設(shè)計原理及所用的工具 單片機(jī)部分 單片機(jī)程序部分主要功能是：控制 ADC0804 接收模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由 89C52接收數(shù)字量，將處理后的數(shù)字量通過串口通訊 傳給上位機(jī)。 該程序部分設(shè)計過程中使用的是 keil 軟件來編寫的，利用 STCISP 軟件進(jìn)行下載和調(diào)試的。主要就是通過 STC89C52 來控制 AD采集轉(zhuǎn)換部分和串口通信，該部分的核心程序如下： void adopen() //adc0804 初始化 { wr=1。 wr=0。 wr=1。 delay(1)。 rd=0。 i=i。 i=i。//延時 j=P1。 rd=1。 } void initial()//串口初 始化 { TMOD=0x20。//設(shè)置定時器 1為工作方式 2 TH1=0xfd。 TL1=0xfd。 TR1=1。 REN=1。//串口始能 REN=1 時允許串行口接收數(shù)據(jù) SM0=0。//模式 1， 8位數(shù)據(jù)，波特率由軟件設(shè)置