【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ： (1)電源模塊：將 +24V輸入電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)正常工作使用的 +5V電源，采用 雙電源工作。一路給十段電容傳感器，稱為傳感器電源；另一路給電容傳感器之外的所有電路供電，稱為主電源。 (2)數(shù)據(jù)采集與處理模塊：該模塊以 ATmegal6單片機(jī)為核心，通過串行通信收集十段電容傳 感器測(cè)量得到的電容數(shù)值，通過計(jì)算得到油氣界面和油水界面的何置。同時(shí)摔制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括系統(tǒng)初始化、電容傳感器初始化、采集并處理十段電容傳感器測(cè)量得到的電容值、液位計(jì)算、 T作指示及測(cè)量結(jié)果顯示、參數(shù)設(shè)定、串行通信等 [11] 。 (3)電容測(cè)量模塊：包括方波產(chǎn)生電路、電容電壓轉(zhuǎn)換電路、放大濾波電路、A／ D轉(zhuǎn)換電路和 ATmega8單片機(jī)電路， A／ D轉(zhuǎn)換電路使用 ATmega8自帶的 A／ D轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)。南 ATmega8作為中繼，接受 ATmegal6單片機(jī)的控制，進(jìn)行該段 電容傳感器的初始化，電容測(cè)量、結(jié)果的傳送。 (4)人機(jī)交互模塊：包括工作指示、按鍵和 LCD顯示。 工作指示為 5個(gè) LED燈管，包括主電源指示、傳感器電源指示、運(yùn)行指示、數(shù)據(jù)傳輸指示、系統(tǒng)運(yùn)行異常指示。 四個(gè)按鍵實(shí)璣用戶輸入。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 LCD顯示實(shí)現(xiàn)油氣油水界面位置顯示、油層厚度顯示、不同功能狀態(tài)下內(nèi)容顯示。這些都保證了用戶能夠簡(jiǎn)單快捷的設(shè)定、使用、維護(hù)傳感器，提高用戶的 操作體驗(yàn)。 (5)通信模塊：包括兩部分，傳感器內(nèi)部串行通信和外部 RS． 485總線通信，兩者使用的都是 ATmegal6和 ATmega8自帶的串行通訊模 塊實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)工作框圖： 圖 系統(tǒng)工作框圖 方波電路 電容電壓轉(zhuǎn)換 放大濾波 Atmega8 方波電路 電容電壓轉(zhuǎn)換 放大濾波 Atmega8 電源模塊 LED 指示、 LCD顯示、按鍵 RS485 外部通信 Atmega16 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件電路的總體設(shè)計(jì) 硬件電路的可靠設(shè)計(jì) 系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定運(yùn)行是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中非常重要的一點(diǎn)，因此硬件電路的設(shè)計(jì) 要考慮影響可靠性的因素。 影響系統(tǒng)的可靠性有內(nèi)部和外部?jī)煞矫妗Ｓ绊懴到y(tǒng)可靠性的內(nèi)部因素有： (1)元器件的性能與可靠性。元器件是組成系統(tǒng)的基本單元，其特性好壞和穩(wěn)定性與儀表的性能和可靠性息息相關(guān)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，要精心挑選元器件，使其能夠滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可 靠性的要求。 (2)硬件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)中要求原理正確，參數(shù)設(shè)計(jì)適中，線路布局合理，避免元器件之間的電磁耦合，還應(yīng)當(dāng)利用必要的技術(shù)削弱外部干擾對(duì)儀表正常運(yùn)行的影響。關(guān)鍵部分可以采用冗余設(shè)計(jì)。 (3)安裝與調(diào)試。安裝調(diào)試過程也是保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要手段。如果安裝工藝粗糙，調(diào)試不嚴(yán)格，仍有可能影響系統(tǒng)的可靠性。 影響可靠性的外部因素是指工作環(huán)境巾的導(dǎo)致系統(tǒng)不可靠工作的外部因素。主要包括以下幾點(diǎn)： (1)外部電氣條件，如電源電壓的穩(wěn)定性，強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)的影響。 (2)外部窄間條件，如溫度、濕度、動(dòng)氣清潔度等等 [12] 。 硬件電路設(shè)計(jì)劃分 硬件電路設(shè)計(jì)分為三部分進(jìn)行闡述： (1)電容測(cè)量 電路部分：包括直流充放電式電容測(cè)量電路、 A／ D轉(zhuǎn)換電路和ATmega8單片機(jī)電路。 (2)主控電路部分：包括 ATmegal6單片機(jī)電路、人機(jī)接口電路。 (3)通用電路部分：包括電源電路、通信電路。 單片機(jī)的選用 單片機(jī)是整個(gè)液位測(cè)量系統(tǒng)的核心，各個(gè)電容傳感器的測(cè)量電容過程，測(cè)量濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 結(jié)果的處理并計(jì)算液位，人機(jī)交互以及通信全部以單片機(jī)為核心，并通過單片機(jī)的協(xié)調(diào)保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn) 行。因此單片機(jī)的選擇是否恰當(dāng)，直接影響測(cè)量系 統(tǒng)的功能和性能。選擇單片機(jī)的原則是根據(jù)測(cè)量的要求，從整個(gè)系統(tǒng)的功能、性能、可靠性、研發(fā)成本、使用效率等多方面進(jìn)行綜合考慮，從實(shí)際出發(fā)，適當(dāng)選擇。通過綜合考慮，該系統(tǒng)采用了 AVR系列單片機(jī)中的 ATmegal6和 ATmega8分別作為數(shù)據(jù)采集與處理模塊單片機(jī)和電容傳感器模塊單片機(jī)。 而每設(shè)電容傳感器中都含有一個(gè) ATmega8單片機(jī)，因此 ATmega8單片機(jī)共 有 十 個(gè)，每個(gè)電路如圖 。 圖 ATmega8單片機(jī) 主控電路設(shè)計(jì) ATmegal6 單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集與處理模塊是整個(gè)主控電路的核心，而數(shù)據(jù)采集與處理模塊又以 ATmegal6單片機(jī)為核心， ATmegal6單片機(jī)通過串行通信收集十段電容傳感器測(cè) 量得到的電容數(shù)值，通過計(jì)算得到油氣界面和油水界面的位置。同時(shí)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括系統(tǒng)初始化、電容傳感器初始化、電容值采集與處理、液位計(jì)算、PB0(ICP) PC0(ADC0) PB1(OCIA) PC1(ADC1) PB2(SS/OCIB) PC2(ADC2) PB3(MOSI/OC2) PC3(ADC3) PB4(MISO) PC4(ADC4/SDA) PB5(SCK) PC5(ADC5/SCL) PB6(XTAL1/TOSC1) ADC6 PB7(XTAL2/TOSC2) ADC7 PD0(RXD) PC6(RESET) PD1(TXD) PD2(INT0) VCC PD3(INT1) VCC PD4(XCK/T0) AVCC PD5(T1) AREF PD6(AIN0) PD7(AIN1) GND GND GND 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 工作指示及測(cè)暈結(jié)果顯示、參數(shù)設(shè)定、通信等。因此 ATmegal6單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中具有非常重要的作用 [13] 。 數(shù)據(jù)采集與處理模塊單片機(jī) ATmegal6電路如圖 圖 ATmega16單片機(jī) PB0(XCK/T0) PA0(ADC0) PB1(T1) PA1(ADC1) PB2(AINO/INT2) PA2(ADC2) PB3(AIN1/OC0) PA3(ADC3) PB4(SS) PA4(ADC4) PB5(MOSI0) PA5(ADC5) PB6(MISO) PA6(ADC6) PB7(SCK) PA7(ADC7) PD0(RXD) PC0(SCL) PD1(TXD) PC1(SDA) PD2(INT0) PC2(TCK) PD3(INT1) PC3(TMS) PD4(OCIB) PC4(TDO) PD5(OCIA) PC5(TDI) PD6(ICP) PC6(TOSC1) PD7(OC2) PC7(TOSC2) RESET VCC XTAL2 VCC XTAL1 VCC GND AVCC GND AREF GND GND 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 人機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 人機(jī)接口電路包括三部分：按鍵電路、 LED 指示燈電路和 LCD 顯示電路。 LED運(yùn)行狀態(tài)分別采用了五個(gè) LED指示燈，分別指示系統(tǒng)電源、傳感器電源、 系統(tǒng)運(yùn)行、系統(tǒng)出錯(cuò)報(bào)警和數(shù)據(jù)傳輸指示。 采用四個(gè)按鍵實(shí)璣用戶輸入，當(dāng)按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)端口的信號(hào)呈低電平狀態(tài)，上拉電阻可以保證在沒有按下按鍵時(shí)，端口的信號(hào)呈高電平狀態(tài)。圖中的電容用 于減輕和消除按鍵抖動(dòng)造成的不確定現(xiàn)象，消除了按鍵抖動(dòng)的影響 [14] 。 其中， LED數(shù)碼管顯示器如圖： 圖 LED數(shù)碼管 LED 動(dòng)態(tài)顯示電路： 18 05 1P 2. 0P 2. 1P 2. 2P 2. 3P 2. 4P 2. 5P 2. 6P 2. 7B 7B 6B5B4B3B 2B 1B 0A7A6A5A4A3A2A1A0DI RP 0. 02 20 ?7 4L S0 47 4L S1 45P 0. 0P 0. 1P 0. 2P 0. 3P 0. 4P 0. 5P 0. 6P 0. 7X 1X 21117 4L S0 47 4L S0 47 4L S0 4+ 5VE A/ VPEP 0. 1P 0. 2P 0. 3111 12 2 2 2P 1. 0P 1. 1P 1. 2P 1. 3P 1. 4P 1. 5P 1. 6P 1. 7RDWRR E S E T0INT 1IN TT 0T 1R X DT X D PALE /PSENP 0. 0P 0. 1P 0. 2P 0. 3 ???? 圖 LED 動(dòng)態(tài)顯示電路 10 9 8 7 6 1 2 a b c d e f g 4 dp 3 a b f c g d e dp 5 GND 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件 總體設(shè)計(jì) 在進(jìn)行軟件總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，即模塊化自頂向下的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)需求分析的要求，明確所要解決的問題，將一個(gè)總的問題，明確為若干個(gè)部分，對(duì)每個(gè)部分給出軟件解決方案，模塊化設(shè)計(jì)有利于程序設(shè)計(jì)任務(wù)的劃分，各獨(dú)立模塊允許被任意調(diào)用，使得整個(gè)程序結(jié)構(gòu)清晰，組合靈活，維護(hù)調(diào)試方便 [15] 。 因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)采用了 ATmegal6和 ATmega8分別作為數(shù)據(jù)采集與處理模塊單片機(jī)和電容傳感器單片機(jī)，因此軟件設(shè)計(jì)分成了兩部分： ATmegal6單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和 ATmega8單片機(jī)程序設(shè)計(jì)。 ATmegal6 單片機(jī)軟件總體設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集與處理模塊單片機(jī) ATmegal6完成了以下功能： ①整個(gè)系統(tǒng)的初始化：包括單片機(jī) I／ O端口的初始化，整個(gè)中斷系統(tǒng)的初始化，串行通信初始化，定時(shí)器初始化，看門狗初始化， LED系統(tǒng)運(yùn)行指示和 LCD顯示初始化， EEPROM設(shè)定值讀取 [16] 。 ②人機(jī)交互功能：包括 LED系統(tǒng)運(yùn)行指示燈顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)， LCD顯示，用戶按鍵的讀取。 ③通過串行通信控制電容傳感器傳送本段電容測(cè)量值，從而獲取十 段電容傳感器的測(cè)量值對(duì)測(cè)量值進(jìn)行處理，并計(jì)算出油氣界面位置和油水界面位置，計(jì)算油層厚度并通過 LCD進(jìn)行顯示。通過按鍵操作能夠讀取十段電容傳感器測(cè)量值，并通過 LCD進(jìn)行顯示，供用戶調(diào)試使用 [17] 。 ④傳感器設(shè)置功能：通過按鍵操作能夠測(cè)量各段電容傳感器在空管、滿油和滿水狀態(tài)下的電容值，并將這些電容值存入 EEPROM中，供每次系統(tǒng)重新運(yùn)行時(shí)讀取使用，該值將用于油氣界面位置和油水界面位置的計(jì)算。通過按鍵操作能夠設(shè)定判斷油氣界面和油水界面的閾值。 ⑤定時(shí)檢測(cè)各個(gè)電容傳感 器的工作狀態(tài)，如出現(xiàn)錯(cuò)誤通過 LED指示燈報(bào)警， 并在 LCD顯示出錯(cuò)電容傳感器為第幾段。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）