【文章內(nèi)容簡介】 .................................................................32 基板材料 ..................................................32 布局布線 ..................................................32 PCB 制作流程 .............................................................................................33 系統(tǒng)的測試 ............................................................................................................35總 結(jié) ..................................................................................................................................39致 謝 ..............................................................................................................................40參考文獻 ..............................................................................................................................41附 錄 1 硬件電路原理圖 ................................................................................................43附 錄 2 數(shù)字水位計實物圖 ............................................................................................44附 錄 2 程序 ....................................................................................................................45 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 0 頁 第 1 章 緒 論 本論文的背景和意義水位的測量，是水文研究中的很重要的一點，而在人們的印象中，水文研究是一項十分辛苦的工作，它需要水文工作者到各地去采集水文資料，包括水位。然而，水位的測量 不僅在水文研究中用到，在人們的日常生活中也有著廣泛的應用。水位計也叫“液位計”或“液面計” 。鍋爐里的水在高溫時汽化供暖，水和汽的損耗較大，要不斷地補充水，使鍋爐里的水位保持一定的高度，水位過低，鍋爐就有爆炸的危險。為了隨時了解鍋爐內(nèi)的水位，在鍋爐上都裝有水位計，水位計和鍋爐構(gòu)成一個連通器。在水庫、蓄水池以及江河中，為了觀測和控制水位的高度，也不可避免的用到水位計。常用的水位測量方法有浮標測量法、電容式水位測量法、電阻應變片的壓力感應法、超聲波反射法等。在人們的生產(chǎn)生活中有很多時候需要隨時的監(jiān)控水位，因而我們需要研制出簡單實用，低成本高精準的水位測控裝置。本人選擇《數(shù)字水位的顯示與控制》這個題目的意義在于：通過查閱資料可以了解到當前行業(yè)前沿的水位測量技術以及產(chǎn)品的發(fā)展狀況。培養(yǎng)自己的自學能力，并將所學的理論知識應用到科學研究和實際操作中，以此來展現(xiàn)自己的學習成果。對水位測量計研究，有利于滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)需求，通過將科學技術應用到水位控制上從而使得人們真正體會到科技的發(fā)展給自己的現(xiàn)實生活所帶來的方便和舒適。加深對單片機的理解，掌握其內(nèi)部模塊的應用以及單片機系統(tǒng)的硬件設計過程、方法以及工作條件，為以后的工作學習打下良好的基礎。 本論文的主要方法和研究進展 對于本題目數(shù)字水位顯示與控制的研究可大體分為三個方面： 第一，是對原理的研究，對理論的熟知可以幫助我們更好的解決在實際測試中遇到的多種問題。水位的測量可以有多種方法，使用多種原理來實現(xiàn)，只要是掌握可以借助于某種設備將水位的變化轉(zhuǎn)化為其他物理量的變化，進而轉(zhuǎn)化為可用電量的變化。第二，是對硬件的研究，在實際的水位測量中傳感器的選擇尤為重要，這可以直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性。在眾多的數(shù)位測量裝置中振弦式和差阻式儀器的研發(fā)和應用已有 40 多年的歷史，在水電工程中也有很多的應用。由于本課題采用的是自制傳感器，所以傳感器的制作是重點。確定整個硬件設計方案，準確的完成電路的原理圖以及 PCB 版的布局布線，制作 PCB 電路板。最后，則是軟件設計，根據(jù)硬件電路的各部分的作用、技術特點以及整個設計要實現(xiàn)的功能完成編程。 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 本論文的主要內(nèi)容 畢業(yè)論文是教學科研過程的一個重要環(huán)節(jié)，也是對本人學業(yè)成績的考核和評定。畢 業(yè) 論 文 可 以 總 結(jié) 學 生 在 校 學 習 過 程 的 學 習 成 果 ， 培 養(yǎng) 學 生 理 論 聯(lián) 系 實 際 的 能力 ， 具 有 綜 合 而 又 全 面 地 運 用 所 學 的 全 部 專 業(yè) 知 識 和 技 能 解 決 較 為 復 雜 問 題 ，并 使 他 們 受 到 科 學 研 究 的 基 本 訓 練 。 此論文是本人做畢業(yè)設計整個過程的最終總結(jié)，包括選題的意義、對題目的理解、搜集的資料、找到各種專業(yè)軟件安裝學習等前期工作；還有在做題目過程中所遇到的問題、解決問題的方法以及題目的設計方案、設計原理，硬件的制作過程；同時也包括了在做畢業(yè)設計過程中自己的心得體會以及學習領悟到的寶貴的實踐經(jīng)驗。 本課題主要需要解決傳感器的制作、硬件電路和軟件程序的設計。需要解決的主要問題有：①對水位信息的采集，以及如何輸出利于測量的有用電量。②通過單片機在屏幕上顯示即時水位。③可以通過單片機來控制水泵的啟動和停止，一達到控制水位的目的。④只能控制水位，自動控制水泵的運行達到設定的水位值。 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁第 2 章 設計方案的確定本課題要求設計并實現(xiàn)一個顯示水位及控制的裝置?？山忉尀橛伤粋鞲须娐纺K、單片機模塊、LCD 顯示模塊等組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 主 要 是 指這 樣 的 系 統(tǒng) ， 它 具 有 將 模 擬 量 （ 例 如 溫 度 、 壓 力 、 位 移 、 語 音 、 圖 像 等 ） 變 為數(shù) 字 量 ， 然 后 經(jīng) 計 算 機 進 行 適 當 的 處 理 后 ， 再 配 以 顯 示 、 記 錄 等 功 能 。 此 設 計 方案 是 在 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 的 基 礎 上 加 以 控 制 功 能 。系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 圖 如 下 ：液晶顯示模塊電 機驅(qū) 動水泵MCUSTC51穩(wěn)壓電路 信號調(diào)理水位檢測傳感器 蓄水裝置 圖 21 水位及控制裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 下面是對真?zhèn)€系統(tǒng)各個組成部分的解釋和說明： 傳 感 器 [4]： 將 輸 入 的 待 測 物 理 量 轉(zhuǎn) 換 成 相 應 的 電 信 號 輸 出 ， 實 現(xiàn) 非 電 量 到 電量 的 變 換 。 傳 感 器 的 精 度 以 及 穩(wěn) 定 性 直 接 影 響 到 整 個 系 統(tǒng) 的 性 能 ， 所 以 是 系 統(tǒng) 中一 個 重 要 的 部 件 。 電 容 式 傳 感 器 是 根 據(jù) 水 位 高 低 的 變 化 引 起 傳 感 器 間 電 容 變 化 的原 理 制 成 的 ， 制 作 簡 單 ， 方 便 ， 而 且 電 容 式 傳 感 器 在 濕 度 溫 度 等 外 界 條 件 變 化 的環(huán) 境 中 仍 然 可 以 保 持 較 小 的 誤 差 工 作 ， 這 是 其 他 傳 感 器 無 法 比 擬 的 。信號調(diào)理 [13]：傳感器獲取的信號中常常夾雜著噪聲及各種干擾信號,為了準確地獲取表征被檢測對象特征的定量信息,必須對傳感器檢測到的信號進行處理。為了加速傳感器的實用化,國內(nèi)外在傳感器信號處理方面作了大量工作。將傳感器輸出的物理量進行放大、整形、濾波等處理，傳 感 器 的 輸 出 信 號 一 般 不 適 合 直 接 去 轉(zhuǎn) 換 數(shù)字 量 ， 這 時 就 需 要 信 號 調(diào) 理 模 塊 將 他 轉(zhuǎn) 換 成 易 于 單 片 機 測 試 的 物 理 量 。電 機 驅(qū) 動 ： 單 片 機 輸 出 的 電 壓 為 +5v， 不 足 以 使 電 機 運 行 起 來 ， 本 課 題 中使 用 的 L298 驅(qū) 動 芯 片 的 電 壓 為 12v25v。 因 此 ， 需 要 加 入 電 機 驅(qū) 動 模 塊 來 控 制 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁電 機 的 運 行 。 本 課 題 中 所 采 用 的 是 15v 的 直 流 電 壓 。單 片 機 ： 目 前 的 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 功 能 和 性 能 日 趨 完 善 ， 因 此 主 控 部 分 一 般 都 采用 單 片 機 。 本 課 題 中 采 用 了 80c51 單 片 機 來 實 現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 的 采 集 處 理 以 及 控 制 輸 出的 功 能 。根 據(jù) 課 題 要 求 ， 為 了 盡 量 的 避 免 誤 差 ， 我 采 取 的 方 式 是 一 個 用 泡 沫 懸 浮 于 水面 上 ， 另 外 一 個 大 板 子 在 容 器 下 面 墊 在 容 器 與 桌 子 中 間 ， 這 種 辦 法 雖 然 有 效 的 減小 了 誤 差 ， 但 是 仍 然 有 接 線 柱 交 換 位 置 頻 率 就 發(fā) 生 大 幅 度 改 變 的 現(xiàn) 象 。 根 據(jù) 這 種現(xiàn) 象 ， 需 要 想 辦 法 增 加 被 測 水 位 等 效 電 容 的 大 小 ， 到 nF 級 別 比 較 理 想 ， 測 量 空氣 電 容 的 電 容 級 別 在 實 際 測 量 中 是 2 位 數(shù) pf， 測 量 水 等 效 電 容 在 實 際 測 量 中 是3 位 數(shù) pF。 增 大 被 測 水 位 等 效 電 容 的 優(yōu) 勢 是 可 以 減 小 電 路 噪 聲 的 影 響 。 同 時為 了 解 決 這 種 誤 差 現(xiàn) 象 ， 還 需 要 想 辦 法 減 少 各 個 微 電 容 的 大 小 ， 如 電 路 電 容 、 線電 容 等 。 PCB 板 位 置 還 有 震 動 都 會 影 響 這 種 微 電 容 的 大 小 。 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁第 3 章 硬件設計 單片機概述單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機存儲器 RAM、 只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 單片機選擇單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。MCS51 單片機是美國 INTEL 公司于 1980 年推出的產(chǎn)品，與 MCS 48 單片機相比，它的結(jié)構(gòu)更先進，功能更強，在原來的基礎上增加了更多的電路單元和指令，指令數(shù)達 111 條，MCS51 單片機可以算是相當成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS51 系列或其兼容的單片機仍是應用的主流產(chǎn)品，各高校及專業(yè)學校的培訓教材仍與 MSC51 單片機作為代表進行理論基礎學習。MCS51 系列單片機主要包括 8038051 和 8751 等通用產(chǎn)品。隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域. 具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點. 80C51 芯片簡介 ㈠ 80C51 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) [1]80C51 芯片內(nèi)部集成了 CPU、RAM、ROM、定時/計數(shù)器和 I/O 口等各功能部件，并由內(nèi)部總線把這些不見連接在一起。圖 31 為 80C51 單片機功能結(jié)構(gòu)框圖80C51 單片機內(nèi)部包含以下一些功能部件：(1) 一個 8 位 CPU；(2) 一個片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；(3) 4KB ROM（80C51 有 4KB 掩膜 ROM，87C51 有 4KB EPROM，80C31 片內(nèi)有無ROM）； 西南交通大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁(4) 128B 內(nèi) RAM；(5) 可尋址 64KB 的外 ROM