【導(dǎo)讀】設(shè)計并實現(xiàn)一個顯示水位及控制的裝置。其主要模塊包括系統(tǒng)核心的水位傳感電路模塊；方面要求用單片機匯編語言或C語言進行編程及調(diào)試。液晶顯示數(shù)字水位計硬件制作和軟件編程及調(diào)試。2．相關(guān)應(yīng)用資料。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水位測量計已經(jīng)從傳統(tǒng)型對講發(fā)展到智能化數(shù)字化，而且水位測量計的功能日益趨向于完善。設(shè)定控制供水以滿足需要。水位的測量，在水文研究和人們的日常生活中有著廣泛。水位計也叫“液位計”或“液面計”。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(yīng)變片的壓力感應(yīng)法、超聲波反射法等。通過對單片機分析、處理所采集信號，驅(qū)動液晶。加水，實現(xiàn)全自動水位檢測維護的功能。通過測試可以達到低于或者高于警戒水位。而且經(jīng)多次測試得出的平均結(jié)果與實際水位誤差較小，在。溫度濕度變化的環(huán)境中測試結(jié)果仍然可以達到要求。給出了本設(shè)計幾個可以改進的方面。

　　

【正文】 反應(yīng)的原理。 ③生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。 通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類（還有人曾將敏感元件分 46 類）。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12 頁 傳感器的制作通過搜集各種資料對傳感器的研究發(fā)現(xiàn)，水位傳感器有連通器式、吹泡式、差壓式、電容式等，測量物位的有超聲波物位計和放射性物位計等。而針對本課題，要自制傳感器，可以采用的主要形式有電容式、浮力式液位計、水位探測式傳感器這幾種形式。方案一：水位探測式傳感器水位探測式傳感器簡單易做，經(jīng)濟實惠，其外形結(jié)構(gòu)圖如圖 37 所示。A 為接+5V 電源的線與水一直保持連通，B 線為低水位控制線，當水位到達低水位的時候它不導(dǎo)通，水在正常范圍內(nèi)時，它導(dǎo)通。C 線為高水位控制線，當它導(dǎo)通時，表示水已經(jīng)為高水位。但這種傳感器只能將水位分成三個檔位，不能達到本題目的要求，這就要求我們?nèi)で笠环N能夠多點測量甚至可以連續(xù)測量水位的傳感器。綜合各方面因素考慮，本課題采用電容式傳感器。電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。其優(yōu)點在于，結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強烈震動等惡劣條件下工作。隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，各種用途的微機械結(jié)構(gòu)集成化電容傳感器將成為一種很有發(fā)展前途的傳感器。 圖 37 水位探測傳感器結(jié)構(gòu)圖電容式傳感器的工作原理：由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 （3dAC??1）保持其中兩個參數(shù)不變，僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器工作方式可分為變極距式、變面積式和變介質(zhì)式 3 種類型：①面積變化式電容傳感器在工作時的極距、介質(zhì)等保持不變，被測量的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。兩個極板中，一個是固定不動的，稱為定極板，另一個是可移動的，稱為動極板。②兩極板的有效作用面積及極板間的介質(zhì)保持不變，則電容量 C 隨極距 d 按非線性關(guān)系變化。 ③介質(zhì)變化型電容傳感器的極距、有效作用面積不變，被測量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化。主要用來測量兩極板之間的介質(zhì)的某些參數(shù)的變化，如介質(zhì)厚度、介質(zhì)濕度、液位等。因為我們要測量的是水位的變化，那么我們就可以根據(jù)上面介紹的原理，將水位的變化看成是介質(zhì)的變化，制作一個電容器，使其在水中的極距和有效作用面積不變。方案二：用覆銅板制作電容式傳感器開始時我打算用雙面的覆銅板來完成這個任務(wù)。分別用雙面覆銅板的兩面來做成電容的兩個極。我把雙面板的一面腐蝕成一個 Π 型，上端用導(dǎo)線聯(lián)通并接到電路中的地；另一面圖上一層阻焊漆使其絕緣，使這一面上的銅不能于水接觸，這一面的頂端同樣用一根導(dǎo)線連到電路中，接到測試電容的一端，做成的實物圖如 38 所示。這樣就是以水為介質(zhì)，覆銅板的兩個面形成了電容的兩個極。當水位發(fā)生變化時，就等同于電容的兩極間的介質(zhì)發(fā)生變化。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁 圖 38 覆銅板制作電容式傳感器 但是，經(jīng)過測試，這樣的作品并沒有達到我的目的。在 30mm 的低水位勉強可以測出電容的變化，但是電容值非常的小，變化幅度也很小，這樣的數(shù)據(jù)并不利于進一步的測量使用。并且，到了中高水位后電容的輸出就是斷斷續(xù)續(xù)，時而又時而沒有，也沒有明顯的變化規(guī)律。經(jīng)過分析，可能是由于制作過程中的一些失誤，阻焊漆沒有使那一面的銅完全與水分離，導(dǎo)致有些位置不能輸出電容。并且考慮到，就算是當時涂滿了阻焊漆，但是在水中時間長了會不會導(dǎo)致阻焊漆脫落呢。因此，我嘗試用其他的方法來實現(xiàn)這個目的。 方案三：用漆包線制作電容式數(shù)位傳感器。 可以用漆包線和普通的導(dǎo)電的銅線分別來代替方案二中的覆銅板的兩面，作為電容的兩極，其原理結(jié)構(gòu)如圖 39 所示，將以裸露的銅線深入水中，另一端與電路相連并接地； 另用一漆包線彎曲成寬 3cm，長月 15cm 的矩形，并將末端的涂漆磨光后相連，以便有良好的導(dǎo)電性與電路相連，注意一定要保證這根漆包線沒有裸露的金屬與水接觸，否則就會出現(xiàn)方案二中不能連續(xù)輸出正確電容的后果。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 圖 39 傳感器結(jié)構(gòu)圖 這樣就形成了電容器的兩個極，當燒杯中的水位發(fā)生變化時導(dǎo)致電容值發(fā)生變化，通過對電容的測試可以間接測量水位值。如圖 310 是用漆包線制作的電容式水位傳感器的實物圖，這就實現(xiàn)了被測物理量由非電量到可用電參量的轉(zhuǎn)化。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁 圖 310 漆包線制作電容式傳感器 信號處理模塊 由傳感器輸出的信號有時可能不能直接測量，或者信號微弱不方便測量，這樣就需要一個信號處理模塊對有用電量進行放大、轉(zhuǎn)換等處理，輸出方便測量的信號。 器件選擇 正如上面所介紹的傳感器的制作，是根據(jù)水位的變化，輸出了電容的變化，實現(xiàn)了非電量到電量的轉(zhuǎn)換，但是，在單片機的控制系統(tǒng)中，并不容易實現(xiàn)對電容的策略。這樣我們就要想辦法將傳感器輸出的電容值轉(zhuǎn)換成單片機容易測量的物理量。根據(jù)我們以前學(xué)過的知識，有的器件可以根據(jù)電容的變化輸出頻率的變化，例如555 定時器組成的多謝振蕩器就可以幫助我們達到這個目的。555 集成電路是 8 引腳封裝，雙列直插型，各引腳具體功能如下：1 引 腳 ： 接 地 ； 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 17 頁2 引 腳 ： 觸 發(fā) 端 （ TR） ， 是 下 比 較 器 的 輸 入 ；3 引 腳 ： 信 號 輸 出 端 （ Vo） ， 它 有 0 和 1 兩 種 狀 態(tài) ；4 引 腳 ： 復(fù) 位 端 （ MR） ， 加 上 低 電 平 時 可 使 輸 出 為 低 電 平 ；5 引 腳 ： 控 制 電 壓 端 （ Vc） ， 可 以 改 變 上 下 觸 發(fā) 電 平 的 值 ；6 引 腳 ： 閾 值 端 （ TH） ， 是 上 比 較 器 的 輸 入 ；7 引 腳 ： 放 電 端 （ DIS） ， 是 內(nèi) 部 放 電 管 的 輸 出 ；8 引 腳 ： 電 源 ； 555 集 成 電 路 最 初 是 用 作 定 時 器 的 應(yīng) 用 ， 經(jīng) 過 后 來 的 開 發(fā) ， 它 除 了 做 定 時 延時 控 制 外 ， 還 可 用 于 調(diào) 光 、 調(diào) 溫 、 調(diào) 壓 、 調(diào) 速 等 多 種 控 制 及 計 量 檢 測 。 此 外 ， 還可 以 組 成 脈 沖 振 蕩 、 單 穩(wěn) 、 雙 穩(wěn) 和 脈 沖 調(diào) 制 電 路 ， 用 于 交 流 信 號 源 、 電 源 變 換 、頻 率 變 換 、 脈 沖 調(diào) 制 等 。 555 集 成 電 路 內(nèi) 部 有 幾 十 個 元 器 件 ， 有 分 壓 器 、 比 較 器 、基 本 RS 觸 發(fā) 器 、 放 電 管 以 及 緩 沖 器 等 ， 電 路 比 較 復(fù) 雜 ， 是 模 擬 電 路 和 數(shù) 字 電 路的 混 合 體 ， 如 圖 311 所 示 。 圖 311 555 定 時 器 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 信號處理電路設(shè)計 數(shù)字電路中同步時鐘信號 Cp 是一種矩形脈沖信號,其作用是控制并協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個部件的運作. 多諧振蕩器可以產(chǎn)生這種 Cp 信號 ,題設(shè)計主要用到的就是 555 定時器所組成的多諧振蕩器，如圖 312 所示，接通電源后電容 C 被充電，其電壓值 上升到 2Vcc/3 時，使 為低電平，同時放電三極管cv0vT 導(dǎo)通，此時電容通過 和 T 放電， 下降。當 下降到 Vcc/3 時， 反轉(zhuǎn)為高電2Rcc 0v 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 18 頁平。電容 C 放電所需時間為 （??2）當放電結(jié)束時，T 截止，Vcc 將通過 、 向電容器 C 充電， 由 Vcc/3 上升12cv到 2Vcc/3 所用時間為 （3RCRtPH)()( 2121????3）上升到 2Vcc/3 時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸cv出端就得到一個周期性的矩形波電路的工作波形如圖 313，其震蕩頻率為 （3CRtfPHL)2(???4） 圖 312 基 于 555 的 多 諧 振 蕩 器 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 圖 313 多諧振蕩器工作波形 由 此 可 知 ， 555 定 時 器 組 成 的 多 諧 振 蕩 器 可 將 輸 入 的 三 角 波 以 方 波 的 形 式 輸出 ， 這 樣 我 們 就 可 以 很 容 易 的 從 示 波 器 上 讀 出 波 形 的 頻 率 。 因 此 ， 當 我 們 已 知 電路 輸 出 頻 率 的 情 況 下 ， 即 可 由 公 式 33 計 數(shù) 出 此 時 的 電 容 C 的 值 。 在 本 次 課 題 設(shè) 計 中 正 是 使 用 了 這 一 特 性 ， 將 圖 312 多 諧 振 蕩 器 中 的 電 容C 用 我 們 自 制 的 可 以 根 據(jù) 水 位 變 化 輸 出 變 化 的 電 容 的 水 位 傳 感 器 替 換 如 圖 314所 示 ， 通 過 示 波 器 顯 示 的 3 引 腳 的 頻 率 即 可 計 算 出 對 應(yīng) 的 水 位 的 值 。 圖 314 信號處理模塊原理圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 20 頁 電源模塊電源模塊是單片機應(yīng)用系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不可缺少的部分，也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全工作的前提。在本課題中，需要給單片機提供 5V 的電壓，而在控制系統(tǒng)中的小水泵的工作電壓是 9V。因此，可以用一個市場中可以買到的 9V 的穩(wěn)壓器直接給控制系統(tǒng)供電，在通過一個穩(wěn)壓電路輸出 5V 電壓提供給單片機，如圖 315 所示。 圖 315 電源電路原理圖 [12]在上面的電路設(shè)計中才用的 7805 是一個三端穩(wěn)壓集成電路，將輸入的 9V 電壓降到 5V。在 7805 的輸入輸出端各接有電解電容和瓷片電容，電解電容起濾波平滑作用。7805 輸入端應(yīng)選用足夠大的電解電容，起主要的濾波平滑作用。輸出端的不宜過大，220uF 以下為宜，避免上電時 7805 經(jīng)受過大的（充電）電流。電解電容內(nèi)部存在等效電阻和等效電感，對瞬變電壓響應(yīng)不快，所以再并聯(lián)“普通電容”（瓷片、獨石等）來改善，容量一般在 103~104[8]。 控制電路 水泵被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域如上產(chǎn)流水線、農(nóng)田灌溉等項目中，在日常生活中更是常見。隨著自動化、智能化程度的不斷提高，水泵需要一種能夠自動監(jiān)控工作狀態(tài)以及外界水位變化的裝置來控制，從而提高使用的可靠性并降低人工成本。 本課題的控制電路就是由傳感器來檢查水位信號之后用單片機來控制水泵的運行，進而達到控制水位的目的。 工作原理 由 于 單 片 機 輸 出 的 電 流 、 電 壓 不 足 以 啟 動 電 機 并 維 持 其 運 行 ， 因 此 我 們 需 要額 外 增 加 一 個 電 機 驅(qū) 動 裝 置 ， 幫 助 單 片 機 來 控 制 水 泵 的 運 行 。 綜 合 各 方 面 因 素 考慮 ， 我 們 選 擇 使 用 L298N 驅(qū) 動 芯 片 來 完 成 這 項 任 務(wù) 。L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt 封裝的 L298N，引腳 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 21 頁如圖 316 所示 [17]。內(nèi)部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。輸出電壓最高可達 50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的 IO 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。 圖 316 L298 外部結(jié)構(gòu)及引腳圖 L298N 可接受標準 TTL 邏輯電平信號 VSS，V SS可接 4．5～7 V 電壓。4 腳 VS接電源電壓，V S電壓范圍