【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 狀態(tài)功能1VSS電源地2Vdd+5V邏輯電源3VO液晶顯示偏壓信號(hào)4RS輸入寄存器選擇5R/W輸入讀、寫操作選擇6E輸入使能信號(hào)7DB0三態(tài)數(shù)據(jù)總線（LSB）8DB1三態(tài)數(shù)據(jù)總線9DB2三態(tài)數(shù)據(jù)總線10DB3三態(tài)數(shù)據(jù)總線11DB4三態(tài)數(shù)據(jù)總線12DB5三態(tài)數(shù)據(jù)總線13DB6三態(tài)數(shù)據(jù)總線14DB7三態(tài)數(shù)據(jù)總線15BLA背光源正極16BLK背光源負(fù)極將LCD液晶顯示屏及相應(yīng)外部電路接到單片機(jī)上的電路原理圖。 單片機(jī)與LCD連接電路 ADC0832電路設(shè)計(jì)ADC0832是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛(ài)好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用ADC0832可是使我們了解A/D轉(zhuǎn)換器的原理，有助于我們單片機(jī)技術(shù)水平的提高[8]。 ADC0832具有以下特點(diǎn)：u 8位分辨率；u 雙通道A/D轉(zhuǎn)換；u 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；u 5V電源供電時(shí)輸入電壓在0~5V之間；u 工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32μS；u 一般功耗僅為15mW；u 8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC多種封裝；u 商用級(jí)芯片溫寬為0176。C to +70176。C?，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為40176。C to +85176。C； ADC0832接口示意圖芯片接口說(shuō)明：u CS_ 片選使能，低電平芯片使能。u CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/使用。u CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/使用。u GND 芯片參考0電位（地）。u DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。u DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。u CLK 芯片時(shí)鐘輸入。u Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。 ADC0832與單片機(jī)的接口電路ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過(guò)DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。正常情況下ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用[11]。當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第1個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第3個(gè)脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。 傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 該電的作用是將傳感器的電容大小轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)能測(cè)量的脈沖信號(hào)值。其工作原理為通過(guò)CAV424電容電壓轉(zhuǎn)換電路集成電路測(cè)量電容，CAV424 是一個(gè)完整的電容信號(hào)轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)的集成電路。只需要外接一些電阻調(diào)準(zhǔn)輸出電壓的放大和零點(diǎn)偏置，那么就可以計(jì)算出電容。CAV424 是一個(gè)電容信號(hào)轉(zhuǎn)換電壓輸出的集成電路。可以測(cè)量單一電容傳感器或差分電容傳感器的電容轉(zhuǎn)換成差分電壓信號(hào)輸出。輸出電壓與測(cè)量電容的關(guān)系是倒數(shù)關(guān)系。輸出電壓是與電源電壓成比[12]。例輸出關(guān)系由CAV424轉(zhuǎn)換電路原理實(shí)現(xiàn)的傳感器信號(hào)變換電路。 傳感器信號(hào)變換電路原理圖 電磁閥控制電路設(shè)計(jì)在有些系統(tǒng)控制電路中，難免會(huì)遇到低壓控制電路對(duì)高壓電器電路的操作問(wèn)題，這個(gè)時(shí)候既要保證兩單路之間的電氣隔離，又要安全有效地實(shí)現(xiàn)控制功能。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的控制電路就屬于這類情況，單片機(jī)依靠低壓直流供電，而電磁閥需要在市電供電下工作。電磁式繼電器能夠很好解決這種連接問(wèn)題。電磁繼電器工作的方式是，當(dāng)他的線圈中有電流通過(guò)時(shí)，電磁體就具有了磁性，然后會(huì)把銜鐵吸上去，這是工作電路就會(huì)導(dǎo)通而工作。這個(gè)原理與電磁繼電器有個(gè)共同用途，就是一般用于高壓電路的通段[13]。 電磁繼電器驅(qū)動(dòng)電路原理圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)任務(wù)軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)硬件設(shè)計(jì)里面的單片機(jī)中心控制部分，即單片機(jī)程序編程。C語(yǔ)言既具有一般高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又能直接針對(duì)硬件進(jìn)行操作，運(yùn)算和表達(dá)能力都較強(qiáng)，許多以前只能用匯編語(yǔ)言來(lái)解決的問(wèn)題現(xiàn)在都可以改用C語(yǔ)言來(lái)解決。由于C語(yǔ)言具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和緊湊、使用靈活方便、操作運(yùn)算符和數(shù)據(jù)類型極為豐富、程序設(shè)計(jì)自由靈活、可移植性高等眾多優(yōu)點(diǎn)，與匯編語(yǔ)言相比，較為簡(jiǎn)單，因此本設(shè)計(jì)采用C程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言作為軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言。根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)要求，單片機(jī)軟件程序需要完成的任務(wù)有初始化程序設(shè)計(jì)、按鍵控制程序設(shè)計(jì)、ADC0832驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、LCD顯示程序設(shè)計(jì)、聲光報(bào)警程序設(shè)計(jì)以及電磁閥控制程序設(shè)計(jì)等。 程序算法設(shè)計(jì)整個(gè)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中核心部分是如何把電容的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，并根據(jù)測(cè)量到的電壓大小計(jì)算出水位高低。CAV424的輸出電壓VOUT和傳感電容CM的關(guān)系是: ()其中：CM= 變化的測(cè)量電容CR= 參考電容COSC= 振蕩器電容RCR= 測(cè)量積分器電流調(diào)準(zhǔn)電阻RCR= 參考積分器電流調(diào)準(zhǔn)電阻ROSC= 振蕩器電流調(diào)準(zhǔn)電阻ΔVOSC= 振蕩器電壓振幅(固定值ΔVOSC = V @ VCC = 5 V)VREF= 參考電壓 (VREF = V @ VCC = 5 V) 軟件設(shè)計(jì)工具簡(jiǎn)介 Keil μVision4程序編譯調(diào)試軟件為方便編寫軟件程序及完成后續(xù)的程序編譯、連接、調(diào)試工作，本設(shè)計(jì)采用了美國(guó)Keil 軟件公司出品的Keil C51 μVision4軟件。它界面友好，使用方便，函數(shù)庫(kù)豐富，自動(dòng)糾錯(cuò)功能強(qiáng)大，而且生成代碼效率很高，已經(jīng)成為51單片機(jī)編程不可或缺的軟件之一[14]。在Keil軟件中編寫好程序后，經(jīng)過(guò)編譯調(diào)試后，直接輸出生成hex文件，既可以放到Proteus軟件中進(jìn)行仿真分析，也可以直接下載到單片機(jī)中直接使用。另外，Keil軟件與Proteus軟件關(guān)聯(lián)后可以實(shí)現(xiàn)在線聯(lián)調(diào)，對(duì)于程序調(diào)試十分方便。 軟件設(shè)計(jì)流程系統(tǒng)軟件主程序流程圖。開(kāi)始讀取相應(yīng)控制信號(hào)初始化向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制信號(hào)水位采集完畢？N退出系統(tǒng)Y讀取水位值 主程序流程圖單片機(jī)初始化工作完成后便開(kāi)始測(cè)量工作，首先經(jīng)過(guò)一秒定時(shí)，用連接在ADC0832上的電壓表測(cè)出電壓值，然后通過(guò)電壓的變化判斷水位是在上升還是下降，并根據(jù)數(shù)據(jù)的關(guān)系得到的公式計(jì)算出水位值，然后LCD顯示出測(cè)量結(jié)果。單片機(jī)測(cè)量部分程序流程圖。LCD顯示發(fā)送數(shù)據(jù)上升公式下降公式判斷電容的增減?檢測(cè)電容的變化延時(shí)1秒，測(cè)量電容開(kāi)始 單片機(jī)液位測(cè)量換算程序流程圖5系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析本設(shè)計(jì)采用外筒直徑D=15mm，內(nèi)筒直徑d=10mm，筒高H=100mm的同軸筒式液位傳感器。室溫下，針對(duì)水介質(zhì)進(jìn)行了重復(fù)性測(cè)量。由于水的介電常數(shù)比較大，使得電容變化范圍較大，頻率變化范圍也較大，因此傳感器在水中測(cè)量精度較高。傳感器在無(wú)水情況即全部在空氣中的初始電容為5pF這時(shí)經(jīng)轉(zhuǎn)換的輸出電壓信號(hào)為1V，當(dāng)達(dá)到最高水位的時(shí)候電容為40nF時(shí)輸出電壓為4V。當(dāng)容器內(nèi)水位逐漸上升時(shí)，傳感器兩極板之間電容值逐漸增大，電壓值增大，；這些數(shù)據(jù)竟然表明水位高度和電壓呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系。 水位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表高度(H/dm)0102030405060708090100電壓（VOUT1/v）電壓（VOUT2/v）電壓（VOUT3/V）根據(jù)統(tǒng)計(jì)可以得到電壓和水位變化的關(guān)系公式（）：()依據(jù)所得的推導(dǎo)公式可以計(jì)算出不同電壓對(duì)應(yīng)的水位高度值，從而得到較準(zhǔn)確的水位高度數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)AT89C51單片機(jī)軟件處理，送至LCD液晶顯示器顯示水位高度。對(duì)比測(cè)量結(jié)果可知，雖然環(huán)境因素對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的干擾，但總體變化趨勢(shì)是準(zhǔn)確的。由理論和實(shí)驗(yàn)分析可得到，通過(guò)優(yōu)化電容極板結(jié)構(gòu)，減少寄生電容和環(huán)境等因素的干擾，可以逐步達(dá)到實(shí)際效果，即實(shí)現(xiàn)與介質(zhì)無(wú)關(guān)的目的，滿足精確測(cè)量的要求。經(jīng)過(guò)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的多次驗(yàn)證，以下因素對(duì)于液位測(cè)量的精度中影響較大：傳感器電容極板結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量精度的影響很大。電容器極板屬于敏感元件，需它本身就需要極其敏感的變化。電容器板本身結(jié)構(gòu)，例如長(zhǎng)度、大小等直接決定著測(cè)量精度的高低。采用增加初始電容值的方法，可以使寄生電容相對(duì)電容傳感器的電容量較小。電容極板間距越大，寄生電容越大，準(zhǔn)確性也越低；反之，板間距離越小，寄生電容就小，準(zhǔn)確性也就越高。因此要根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的筒式傳感器電容極板。除此之外，傳感器的材料、絕緣涂層以及導(dǎo)線的選用，也會(huì)對(duì)液位測(cè)量的精度造成一定的影響[15]。 電容水位傳感器結(jié)構(gòu)圖（2）水位測(cè)量范圍設(shè)定值（或稱作初始設(shè)定值）對(duì)測(cè)量精度的影響也很大。設(shè)定值的大小判斷要進(jìn)行下次采樣，估算計(jì)算液面位置，因此對(duì)測(cè)量精度的影響很大。如果設(shè)定值太小，容易產(chǎn)生誤判斷；設(shè)置值若設(shè)置過(guò)大，又會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度。因此要根據(jù)實(shí)際情況，選擇恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量范圍的設(shè)定值，根據(jù)CAV424的文獻(xiàn)資料可以知道電容傳感器的范圍在5pF——40nF之間才能達(dá)到最理想的測(cè)量結(jié)果。結(jié)論全自動(dòng)水塔控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)檢測(cè)方式它結(jié)合了當(dāng)今先進(jìn)的研究成果優(yōu)化了以前信號(hào)檢測(cè)端，提出了一種方便可行的水位檢測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)課題設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求，在完成研究工作的過(guò)程中，本論文主要取得了一下研究成果：（1）要