【導(dǎo)讀】設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(jī)匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言進(jìn)行編程及調(diào)試。液晶顯示數(shù)字水位計(jì)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(cè)量計(jì)已經(jīng)從傳統(tǒng)型對(duì)講發(fā)展到智能化數(shù)字化，而且水位測(cè)量計(jì)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(cè)量，在水文研究和人們的日常生活中有著廣泛。水位計(jì)也叫“液位計(jì)”或“液面計(jì)”。常用的水位測(cè)量方法有浮標(biāo)測(cè)量法、電容式水位測(cè)量法、電阻應(yīng)變片的壓力感應(yīng)法、超聲波反射法等。通過(guò)對(duì)單片機(jī)分析、處理所采集信號(hào)，驅(qū)動(dòng)液晶。加水，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)水位檢測(cè)維護(hù)的功能。通過(guò)測(cè)試可以達(dá)到低于或者高于警戒水位。而且經(jīng)多次測(cè)試得出的平均結(jié)果與實(shí)際水位誤差較小，在。溫度濕度變化的環(huán)境中測(cè)試結(jié)果仍然可以達(dá)到要求。給出了本設(shè)計(jì)幾個(gè)可以改進(jìn)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(shí)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(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 傳感器的制作通過(guò)搜集各種資料對(duì)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(cè)量物位的有超聲波物位計(jì)和放射性物位計(jì)等。而針對(duì)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(jì)、水位探測(cè)式傳感器這幾種形式。方案一：水位探測(cè)式傳感器水位探測(cè)式傳感器簡(jiǎn)單易做，經(jīng)濟(jì)實(shí)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(dāng)水位到達(dá)低水位的時(shí)候它不導(dǎo)通，水在正常范圍內(nèi)時(shí)，它導(dǎo)通。C 線為高水位控制線，當(dāng)它導(dǎo)通時(shí)，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(gè)檔位，不能達(dá)到本題目的要求，這就要求我們?nèi)で笠环N能夠多點(diǎn)測(cè)量甚至可以連續(xù)測(cè)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(cè)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(diǎn)在于，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高、可非接觸測(cè)量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈震動(dòng)等惡劣條件下工作。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種用途的微機(jī)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(cè)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(kāi)的兩個(gè)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(jì)（論文） 第 13 頁(yè) （3dAC??1）保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，僅改變其中一個(gè)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(guò)測(cè)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(shí)的極距、介質(zhì)等保持不變，被測(cè)量的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。兩個(gè)極板中，一個(gè)是固定不動(dòng)的，稱為定極板，另一個(gè)是可移動(dòng)的，稱為動(dòng)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(cè)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(lái)測(cè)量?jī)蓸O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?yàn)槲覀円獪y(cè)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(gè)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(kāi)始時(shí)我打算用雙面的覆銅板來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。分別用雙面覆銅板的兩面來(lái)做成電容的兩個(gè)極。我把雙面板的一面腐蝕成一個(gè) 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(cè)試電容的一端，做成的實(shí)物圖如 38 所示。這樣就是以水為介質(zhì)，覆銅板的兩個(gè)面形成了電容的兩個(gè)極。當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí)，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(jì)（論文） 第 14 頁(yè) 圖 38 覆銅板制作電容式傳感器 但是，經(jīng)過(guò)測(cè)試，這樣的作品并沒(méi)有達(dá)到我的目的。在 30mm 的低水位勉強(qiáng)可以測(cè)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(jìn)一步的測(cè)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(shí)而又時(shí)而沒(méi)有，也沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。經(jīng)過(guò)分析，可能是由于制作過(guò)程中的一些失誤，阻焊漆沒(méi)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(dāng)時(shí)涂滿了阻焊漆，但是在水中時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)不會(huì)導(dǎo)致阻焊漆脫落呢。因此，我嘗試用其他的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(lái)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(zhǎng)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(méi)有裸露的金屬與水接觸，否則就會(huì)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(jì)（論文） 第 15 頁(yè) 圖 39 傳感器結(jié)構(gòu)圖 這樣就形成了電容器的兩個(gè)極，當(dāng)燒杯中的水位發(fā)生變化時(shí)導(dǎo)致電容值發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)電容的測(cè)試可以間接測(cè)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(shí)物圖，這就實(shí)現(xiàn)了被測(cè)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(jì)（論文） 第 16 頁(yè) 圖 310 漆包線制作電容式傳感器 信號(hào)處理模塊 由傳感器輸出的信號(hào)有時(shí)可能不能直接測(cè)量，或者信號(hào)微弱不方便測(cè)量，這樣就需要一個(gè)信號(hào)處理模塊對(duì)有用電量進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換等處理，輸出方便測(cè)量的信號(hào)。 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(shí)現(xiàn)了非電量到電量的轉(zhuǎn)換，但是，在單片機(jī)的控制系統(tǒng)中，并不容易實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)容易測(cè)量的物理量。根據(jù)我們以前學(xué)過(guò)的知識(shí)，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(shí)器組成的多謝振蕩器就可以幫助我們達(dá)到這個(gè)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(jì)（論文） 第 17 頁(yè)2 引 腳 ： 觸 發(fā) 端 （ TR） ， 是 下 比 較 器 的 輸 入 ；3 引 腳 ： 信 號(hào) 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(shí) 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(shí) 器 的 應(yīng) 用 ， 經(jīng) 過(guò) 后 來(lái) 的 開(kāi) 發(fā) ， 它 除 了 做 定 時(shí) 延時(shí) 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(jì) 量 檢 測(cè) 。 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(hào) 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(gè) 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(shí) 器 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 數(shù)字電路中同步時(shí)鐘信號(hào) Cp 是一種矩形脈沖信號(hào),其作用是控制并協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個(gè)部件的運(yùn)作. 多諧振蕩器可以產(chǎn)生這種 Cp 信號(hào) ,題設(shè)計(jì)主要用到的就是 555 定時(shí)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(shí)，使 為低電平，同時(shí)放電三極管cv0vT 導(dǎo)通，此時(shí)電容通過(guò) 和 T 放電， 下降。當(dāng) 下降到 Vcc/3 時(shí)， 反轉(zhuǎn)為高電2Rcc 0v 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁(yè)平。電容 C 放電所需時(shí)間為 （??2）當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T 截止，Vcc 將通過(guò) 、 向電容器 C 充電， 由 Vcc/3 上升12cv到 2Vcc/3 所用時(shí)間為 （3RCRtPH)()( 2121????3）上升到 2Vcc/3 時(shí)，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(gè)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(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 圖 313 多諧振蕩器工作波形 由 此 可 知 ， 555 定 時(shí) 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(dāng) 我 們 已 知 電路 輸 出 頻 率 的 情 況 下 ， 即 可 由 公 式 33 計(jì) 數(shù) 出 此 時(shí) 的 電 容 C 的 值 。 在 本 次 課 題 設(shè) 計(jì) 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(guò) 示 波 器 顯 示 的 3 引 腳 的 頻 率 即 可 計(jì) 算 出 對(duì) 應(yīng) 的 水 位 的 值 。 圖 314 信號(hào)處理模塊原理圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁(yè) 電源模塊電源模塊是單片機(jī)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(jī)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(gè)市場(chǎng)中可以買(mǎi)到的 9V 的穩(wěn)壓器直接給控制系統(tǒng)供電，在通過(guò)一個(gè)穩(wěn)壓電路輸出 5V 電壓提供給單片機(jī)，如圖 315 所示。 圖 315 電源電路原理圖 [12]在上面的電路設(shè)計(jì)中才用的 7805 是一個(gè)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(guò)大，220uF 以下為宜，避免上電時(shí) 7805 經(jīng)受過(guò)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(duì)瞬變電壓響應(yīng)不快，所以再并聯(lián)“普通電容”（瓷片、獨(dú)石等）來(lái)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(xiàng)目中，在日常生活中更是常見(jiàn)。隨著自動(dòng)化、智能化程度的不斷提高，水泵需要一種能夠自動(dòng)監(jiān)控工作狀態(tài)以及外界水位變化的裝置來(lái)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(lái)檢查水位信號(hào)之后用單片機(jī)來(lái)控制水泵的運(yùn)行，進(jìn)而達(dá)到控制水位的目的。 工作原理 由 于 單 片 機(jī) 輸 出 的 電 流 、 電 壓 不 足 以 啟 動(dòng) 電 機(jī) 并 維 持 其 運(yùn) 行 ， 因 此 我 們 需 要額 外 增 加 一 個(gè) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 ， 幫 助 單 片 機(jī) 來(lái) 控 制 水 泵 的 運(yùn) 行 。 綜 合 各 方 面 因 素 考慮 ， 我 們 選 擇 使 用 L298N 驅(qū) 動(dòng) 芯 片 來(lái) 完 成 這 項(xiàng) 任 務(wù) 。L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見(jiàn)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(jì)（論文） 第 21 頁(yè)如圖 316 所示 [17]。內(nèi)部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的 IO 口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào) 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