【正文】 ................................................................................................... 43 致 謝 ............................................................................................................................. 45 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................... 47 附錄 1 電路圖 ................................................................................................................ 49 附錄 2 程序 .................................................................................................................... 51 附錄 3 實物圖 ................................................................................................................ 59 第一章 緒 論 i 第一章 緒 論 液位自動檢測的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，液位測量幾乎遍及生產(chǎn)工廠的各個環(huán)節(jié)。工業(yè)自動檢測技術(shù)是以物理學(xué)、電子學(xué)、自動控制、電子計算機、測量技術(shù)等原理為基礎(chǔ)的一門綜臺性技術(shù)，其研究目的是對工業(yè)自動化系統(tǒng)中各種工藝參數(shù)進(jìn)行自動檢查與測量。對只有傳感器、 A／ D 轉(zhuǎn)換和數(shù)字計算機的數(shù)據(jù)測量 (處理 )系統(tǒng)，存在著大量工藝參數(shù)和模擬量的轉(zhuǎn)換問題，系統(tǒng)的精度很大程度上取決于檢測裝置的精度 近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷完善以及高精度傳感器的出現(xiàn)，給參數(shù)檢測自動化帶來了新的生機。近年來國內(nèi)外一些研制單位還在研制開發(fā)更新的傳感監(jiān)測技術(shù)。 近年來由于微電子技術(shù)的發(fā)展使得液位檢測技術(shù)發(fā)生了根本性變化。與此同時，液位檢測也在向著智能化發(fā)展，在液位測量領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用微處理技術(shù)，以實現(xiàn)故障診斷和報警，目的是提高測量的精確度、可靠性、安全性和多功能化。隨著計算機應(yīng)用的普及，直接輸出數(shù)字信號的數(shù)字化液位傳感器已成為這一領(lǐng)域儀表的發(fā)展趨勢；隨著納米 技術(shù)、生物工程技術(shù)的發(fā)展，納米技術(shù)和生物技術(shù)在液位測量中的應(yīng)用也將會日益增多 對于一 第一章 緒 論 i 些處于發(fā)展階段的液位計在目前的應(yīng)用中并不是十分普遍，但其低成本、高性能的吸引力給其發(fā)展帶來光明的前景 [1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單片機作為嵌入式控制器在工業(yè)測控系統(tǒng)、智能儀器和家用電器得到廣泛應(yīng)用。本文主要研究液壓水位的測量與顯示系統(tǒng)，以單片機為核心，講述了單片機系統(tǒng)的選擇、開發(fā)和設(shè)計，根據(jù)需要選擇了成本低、技術(shù)成熟、可靠性高的 51 單片機系列；論述了壓力傳感器的選擇、外圍電路的設(shè)計以及相關(guān)軟件的使用。 2．掌握單片機的內(nèi)部模塊的應(yīng)用，如片內(nèi)外存儲器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等。 4．通過簡單課題的設(shè)計練習(xí)，了解必須提交的工程文件，也達(dá)到鞏固、充實和綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的目的。 輸入通道 單片機 輸出通道 第一章 緒 論 i 圖 單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 采集系統(tǒng)硬件主要包括傳感器、轉(zhuǎn)換器、單片機、輸入輸出電路等。廣泛的液位顯示檢測控制系統(tǒng)包括對水體的液位，壓力等控制，本系統(tǒng)只側(cè)重介紹液位的檢測。 壓力信號 傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換器 D STC89C51 液位顯示 控制電路 報警電路 第一章 緒 論 i 第二章 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 i 第二章 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 單片機最小系統(tǒng)的功能 在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中單片機的應(yīng)用越來越廣泛，但單片機本身正常運行所需的資源基本是固定不變的，因此就需要開發(fā)單片機最小系統(tǒng)。對 51 系列單片機來講，最小系統(tǒng)一般包括：單片機、晶振電路、復(fù)位電路。 51 系列單片機 8051 系列單片機由于其生產(chǎn)成本低、功能強大、應(yīng)用技術(shù)成熟等優(yōu)點被廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個方面。 P0 口有三個功能： 外部擴展存儲器時，當(dāng)做數(shù)據(jù)總線。 不擴展時，可做一般的 I/O 使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應(yīng)在外部接上拉電阻。 P2 口有兩個功能： 擴展外部存儲器時，當(dāng)作地址總線使用 做一般 I/O 口使用，其內(nèi)部有上拉電阻； P3 口有兩個功能： 除了作為 I/O 使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器設(shè)置。 PSEN 外部程序存儲器讀選通信號：在讀外部 ROM 時 PSEN 低電平有效，以實現(xiàn)外部 ROM 單元的讀操作。 ALE/PROG 地址鎖存控制信號：在系統(tǒng)擴展時， ALE 用于控制把 P0 口的輸出低 8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。 EA/VPP 訪問和序存儲器控制信號： 接高電平時： CPU 讀取內(nèi)部程序存儲器（ ROM） 擴展外部 ROM：當(dāng)讀取內(nèi)部程序存儲器超過 0FFFH（ 8051） 1FFFH（ 8052）時自動讀取外部 ROM。 在前面的學(xué)習(xí)中我們已知道，8031 單片機內(nèi)部是沒有 ROM 的，那么在應(yīng)用 8031 單片機時，這個腳是一直接低電平的。 XTAL1 和 XTAL2 外接晶振引腳。 VCC：電源 +5V 輸入 VSS： GND 接地。 第二章 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 i 單片機最小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 51 單片機的最小系統(tǒng)是以 51 單片機為核心，再輔以外部硬件電路，主要包括時鐘電路、復(fù)位電路、擴展接口電路等部分，如圖 2,2 所示： 圖 單片機最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 時鐘電路 時鐘電路（如圖 、 所示）就是振蕩電路，向單片機提供一個正弦波信號作為基準(zhǔn)，決定單片機的執(zhí)行速度。 89 系列單片機的復(fù)位信號是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。單片機系統(tǒng)時鐘電路 復(fù)位電路 51 單片機系統(tǒng) 接口 第二章 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 i 的復(fù)位方式有手動按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。所以可以通過按鍵的斷開和閉合在運行的系統(tǒng)中控制其復(fù)位。所以根據(jù)公式，可以算出電容充電到電源電壓的 倍（單片機的電源是 5V，所以充電到 倍即為 ），需10K*10UF=。這個時候 10K 電阻兩端的電壓為從 5~ 減少（串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓）。在 5V 正常工作的 51 單片機中小于 的電壓信號為低電平信號，而大于 的電壓信號為高電平信號。在單片機啟動 后，電容 C 兩端的電壓持續(xù)充電為 5V，這是時候 10K 電阻兩端的電壓接近于 0V， RST 處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。隨著時間的 推移，電容的電壓在 內(nèi)，從 5V 釋放到變?yōu)榱?，甚至更小。單片機系統(tǒng)自動復(fù)位 [4]。 STC89C51 單片機的最高工作時鐘頻率為 80MHz，片內(nèi)含 8K Bytes 的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程（ ISP）特性。單片機的接 +5V 的引腳為40 引腳 VCC，而接地的引腳為 20 引腳 GND。除非是有特定的需要。 按復(fù)位鍵系統(tǒng)復(fù)位，其實質(zhì)是電容處于一個短路電路中，釋放了所有的電能，電阻兩端的電壓增加造成的。 單片機最小系統(tǒng)的晶振 Y1 可以用 6MNZ 或 ，晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻率越大處理速度越快。 P0 口為開漏輸出，作為輸出口試需加上拉電阻，阻值一般為 10K。 第二章 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 i 第三章 水位測量與顯示模塊的設(shè)計 i 第三章 水位測量與顯示模塊的設(shè)計 傳感器的介紹 MPX4115 系列壓電電阻傳感器是一個硅壓力傳感器， MPX4115 傳感器是整體片少帶兩級操作擴大電路和薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)提供高精度輸出和溫度補償。在 0℃ 85℃ 的溫度下誤差不超過 %，溫度補償是 40℃ 125℃ [6]。 0804 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換就是將模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號， A/D 轉(zhuǎn)換器就是來實現(xiàn)這一功能的。分辨率 8 位，轉(zhuǎn)換時間 100μs，輸入電壓范圍為 0~5V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為 5V。 ADC0804 芯片引腳圖如 所示。 DGND：數(shù)字信號地。 VCC：電源端。 CS：片選信號輸入端，低電平有效，一旦 CS 有效，表明 A/D 轉(zhuǎn)換器被選中，可啟動工作。 RD：讀信號輸入，低電平有效，當(dāng) CS、 RD 同時為低電平時，可讀取轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)。輸出低電平表示本次轉(zhuǎn)換已完成。 VIN（ +）、 VIN（ —）：差動模擬電壓輸入。 VREF：輔助參考電壓。 在使用時應(yīng)注意以下幾點： （ 1）轉(zhuǎn)換時序 當(dāng) CS與 WR同時為低電平 A/D轉(zhuǎn)換器被啟動切在 WR 上升沿后 100模數(shù)完成轉(zhuǎn)換， 第三章 水位測量與顯示模塊的設(shè)計 i 轉(zhuǎn)換結(jié)果存入數(shù)據(jù)鎖存器，同時， INTR 自動變?yōu)榈碗娖?，表示本次轉(zhuǎn)換已結(jié)束。 （ 2）零點和滿刻度調(diào)節(jié)。滿刻度調(diào)整時，先給輸入端加入電壓，使?jié)M刻度所對應(yīng)的電壓值是，其次是輸入電壓的最大值，是輸入電壓的最小值。 （ 3）參考電壓的調(diào)節(jié) 在使用 A/D 轉(zhuǎn)換器時，為保證其轉(zhuǎn)換精度，要求輸入電壓滿量程使用。 （ 4）接地 模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中要特別注意到地線的正確連接，否則干擾很嚴(yán)重，以至影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。在線路設(shè)計中，必須將所有的器件的模擬地和數(shù)字地分別連接，然后將模擬地與數(shù)字地僅在一點上相連。本設(shè)計采用的顯示屏是 LCD1602 液晶顯示屏， 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。 圖 LCD1602 實物圖 LCD1602 各引腳的定義如下所示： LCD1602 各引腳的定義如下所示： 引腳 符號 功能說明 1 VSS 一般接地 2 VDD 接電源（ +5V） 3 V0 液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產(chǎn)生 “鬼影 ”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)整對比度）。 5 R/W R/W 為讀寫信號線，高電平 (1)時進(jìn)行讀操作，低電平 (0)時進(jìn)行寫操作。讀操作時， E 高電平有效 7 DB0 低 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0 位（最低位） 8 DB1 低 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1 位 9 DB2 低 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2 位 10 DB3 低 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3 位 11 DB4 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4 位 12 DB5 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5 位 第三章 水位測量與顯示模塊的設(shè)計 i 13 DB6 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6 位 14 DB7 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7 位（最高位）（也是 busy flag） 15 BLA 背光電源正極 16 BLK 背光 電源負(fù)極 在實際電路中將滑動變阻器與液晶顯示屏連接來調(diào)節(jié)液晶顯示屏的對比度以及液晶顯示屏幕背光燈的亮度。 第三章 水位測量與顯示模塊的設(shè)計 i 圖 報警電路 當(dāng)水高于或低于設(shè)定的最高和最低水位時，發(fā)光二級管導(dǎo)通，提醒工作人員注意。本文不涉及電機電路部分，故不對電機的控制芯片及其反饋作出介紹。 在系統(tǒng)的硬件確定以后，功能完善的軟件能夠很好的指導(dǎo)和協(xié)調(diào)硬件的工作，可使系統(tǒng)發(fā)揮其最大的功效。開機后，系統(tǒng)經(jīng)過LCD 初始化，顯示啟動界面；對 系統(tǒng)進(jìn)行初值的設(shè)定，設(shè)定最高水位和最小水位，當(dāng)測量的水位高于最高水位或低于最低水位時，系統(tǒng)報警，同時控制系統(tǒng)加水或排水 [9]。（說明：1 為高電平、 0 為低電平） 指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標(biāo)復(fù)位到地址 00H 位置。 指令 3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。 指令 4：顯示開關(guān)控制。 指令 5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)。 指令 7：字符發(fā)生器 RAM 地址設(shè)置。 指令 9：讀忙信號和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。 指令 11：讀數(shù)據(jù)。 LCM_RS=0。 LCM_EN=1。 LCM_EN