电子工程毕业论文--水位报警器.doc

郑州大学毕业设计（论文） 题目： 水位报警器 指导教师： 职称： 学生姓名： 郭照明 学号： 专 业： 电子工程 院（系）： 完成时间： 年 月 日 2 目录 摘要 3 绪论.4 引言5 系统设计方案6 系统测量方法6 一、总体方案.7 传感器的选择.9 二、单元模块设 计.10 2.1 水位监控.11 2.2 编码译码部分.11 2.3 显示部分.13 特殊原件的介绍.13 CD406613 74LS14714 三、显示器的选择.15 3.1 各单元模块的连接17 四、系统调试.18 4.1 测试过程.18 4.2 功能调试法.19 4.2.1 原理调试法19 4.2.2 关键点的测量调试法 19 五、系统功能.20 六、设计总结.20 七、参考文献.21 致谢.22 附录.23 3 水位报警器 摘要摘要：本水位监测报警器使用低压直流电源就可以对 515 厘米的水位进行监测，用 LED 显示和数码管显示水位，并可以对不再此范围内的水位发出报警。主要采用 CD4066、74LS86、74LS32、CD4511 芯片，再加上数码管、蜂鸣器、发光二极管、电阻 这些器件组成一个简单而灵敏的监测报警电路，操作简单，接通电源即可工作。因为大 部分电路采用数字电路，所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。 关键字：译码电路 报警电路 监测电路 Abstract: The water level alarm monitoring the use low-voltage DC power will be able to 5 to 15 centimeters of water level monitoring, with LED display and digital display of water level, and this can no longer Within the scope of a water level alarm. Mainly CD4066, 74LS86, 74LS32, CD4511 chips, coupled with digital control, buzzer, light-emitting diode, the resistance of these devices composed of a simple and sensitive monitoring alarm circuits. Because the majority of circuits using digital circuitry, so the water level monitored alarm system also has low energy consumption, high accuracy of the characteristics. Keyword: Decoding circuit alarm circuit monitoring circuit 4 绪论 我国是水资源丰富的大国，但对水资源的利用对与我国来说仍然是一个非常严峻的 问题。水库作为国家的重要资源，在水的管理方面具有着举足轻重的作用，我国的水灾 频频发生，因此必须监测江河、湖泊与水库等的水位及这些区域的降雨量。这种监测不 仅可以预防水灾、及时进行防范决策提供大量可靠地数据和资料，同时还可以防洪抢险 救灾和保护人民生命财产安全发挥重要作用。 目前，国内许多水位监测站监测水位和降雨量仍采用人工方法。该方法不但存在测 量的人身安全问题，而且存在数据测量准确度低，监测实时性不强等问题，这会严重影 响正常的工作效力。为此需要对水位进行自动显示监测和报警。 水资源有着大量的能量，合理的应用好水资源可以更好的为人民服务，但是目前我 国及全世界对水资源的利用和监控还有着很大的缺陷，水位报警器装置的研究还不够完 善，虽然相比以前，人们对水位的控制得到了很大的提高，但随着生态平衡得逐渐破坏， 随之带来了很多的问题，所以对水资源的合理利用，对水位的合理监控将显得越来越重 要。相信随着科技的发展，人们可以更好的解决这一系列的问题。 为了实时准确监测水位及降雨量，设计了一套采用 CD4066 双向模拟开关进行水位监 控，LED 发光二极管和数码管显示水位高度，蜂鸣器给予报警。从水位监控器到水位显 示器用 74LS147 编码器编码，4511 译码器译码。由于 74LS147 是低电位编码器，故要用 4077 同或门对水位监控器处理后的数据输入 74LS147 编码，再用 CD4069 处理 74LS147 输出的数据传入 4511 译码。利用该系统可以实现江河、湖泊及水库等水位和降雨量的有 效监测和报警防范。 China is rich in water resources of the country, but the utilization of water resources and is still a very serious problem in China. Reservoirs as important resources of the country, has a pivotal role in water management, flood frequency, so you must monitor water levels in rivers, lakes and reservoirs and rainfall in these regions. Such monitoring will not only flood 5 prevention, precautionary decisions in a timely manner to provide a large number of reliable data and information, while flood disaster relief work and to protect peoples life and property safety plays an important role. At present, many water stations to monitor water levels and rainfall is still using artificial methods. This method not only measure the security of persons, data accuracy and low, issues such as monitoring real-time performance is not strong, it will seriously affect the normal work force. Need to automatically show the water level monitoring and alerting. Water resources has large of energy, reasonable of application good water resources can better of serving, but currently my and the world on water resources of using and monitoring also has is large of defects, water level alarm device of research also enough perfect, while compared to yiqian, people on water level of control are has is large of improve, but as ecological balance have gradually damage, with of brings has many of problem, so on water resources of reasonable using, on water level of reasonable monitoring will is increasingly important. Believe that with the development of science and technology, people can better address these issues. In order to accurately monitor water levels and rainfall in real time, designed a CD4066 bi- directional analog switch for water level monitoring, LED led digital tube display water level height and buzzer alarm. From monitor to monitor the water level the water level used 74LS147 Encoder encoding, 4,511 decoder for decoding. Because 74LS147 is a low level coding, to 4,077 or door water level monitoring of treated data input 74LS147 encoding, incoming 4,511 CD4069 74LS147 output data decoding. Using the system to get the rivers, lakes and reservoirs of water level and rainfall, such as effective monitoring and alarm protection. 6 引言 本产品采用 CD4066 双向模拟开关进行水位监控，LDE 发光二极管和数码管显示水位 高度，蜂鸣器给予报警。从水位监控器到水位显示器用 74LS147 编码器编码，4511 译码 器译码。由于 74LS147 是低电位编码器，故要用 4077 同或门对水位监控器处理后的数据 输入 74LS147 编码，再用 CD4069 处理 74LS147 输出的数据传入 4511 译码。 关键词：74LS147、CD4066、4077 This product uses the CD4066 analog switch for water level monitoring, LDE led digital tube display water level height and buzzer alarm. From monitor to monitor the water level the water level used 74LS147 Encoder encoding, 4,511 decoder for decoding. Because the 74LS147 is low potential encoder, with 4,077 data input or gate to monitor water levels after treatment 74LS147 encoding, incoming 4,511 CD4069, 74LS147 output data decoding. Key words: 74LS147, CD4066, 4077 系统设计方案: 对于水位进行控制的方式有很多,而应用较多的主要有 2 种: 一种是简单的机械式控制装置控制,一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如 下： (1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等,这种控制形式的优点是结构 简单,成本低廉。存在问题是精度不高,不能进行数值显示,另外很容易引起误动作,且只能 单独控制,与计算机进行通信较难实现。 (2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器,把出 口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、AD 变换成数字信 号传送到单片机,经单片机运算和给定参量的比较,进行 PID 运算,得出调节参量;经由 DA 变换给调压变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化,来调节电机转速,以达 到控制水位的目的。 本设计利用单片机设计一个水位控制系统，要求选择合适的水位传 感器及电磁阀，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。 系统测量方法: 7 液位测量的方法比较多，依据测量方式的不同可分为接触式与非接触式两种类型。 接触式测量法 接触式测量法是指测量用传感器直接与容器内存储液体相接触，从而获得测量参数的 方法。本方法所使用的电容通常由两块圆柱形极板或一个探极与罐壁构成。当液位不同 时，电容器的介电常数就不同，故电容量也不同。在此基础上可以把电容量转化为电压、 相移、频率、脉宽等物理量，再进行测量。 电容式液位测量装置通常结构简单、灵敏度 高、稳定性好、动态响应快，适合于恶劣的工作环境，生产成本也不高；但电容液位测 量器需要考虑温度补偿，且介质的成分、水分、温度、密度等不确定变化因素直接影响 测量结果的准确性，另外检测电路比较复杂，尤其是检测微小电容量的变化。 非接触式测量法 非接触式测量法包括超声波法、调制型光学法、微波法等。其特点是测量手段并不采 用浮子之类的固态物，而是利用声、光、射线、磁场等的能量。液位传感器不和被测介 质接触，不受被测介质影响，也不影响被测介质，故适用范围广泛。特别是接触式测量 装置不能适用的特殊场合，如高粘度、强腐蚀性、污染性强，易结晶的介质。 光纤测量法 光纤液位检测是近年来出现的一种新技术。根据光导纤维中光在不同介质中传输特性 的改变对液位进行测量。 光纤液位测量有以下优点：精度高、灵敏度好、抗电磁干扰、 耐腐蚀、电绝缘性好、检测现场无电、光路有抗扰性以及便于与计算机连接，便于与光 纤传输系统组成网络等。 目前，市面上进行液位测量的仪表种类繁多，但是同时具有测 量、监控、数据记录及处理的液位测量装置并不多。在某些工业控制系统中，数据的测 量这一基本功能已不能满足现代工业的要求，往往需要对大批数据进行记录，对其进行 后期处理分析，实现差错控制、工艺改善、资源优化等一系列工作。为了获得大批量的 数据，得到可靠的分析资料，往往需要长期、多网点的监控记录。在液位测量这一领域 中，如江河湖海、城市用水等方面，大量数据长时间，多网点的采集记录分析具有普遍 的意义。液位的变化分析，有助于人们进一步对自然环境、天气变化甚至是灾害预警提 供可靠的支持。 一、 总体方案 根据设计要求，本系统主要由水位信号 8 模块、信号转换模块、发光管显示模块、数码管显示模块、报警模块、编码模块等模块 构成。其系统方案框图如下图所示： 水位信号模块信号转换模块 编码模块 发光管显示模块 报警模块 数码管显示模块 我们对其中的几个模块设计了不同的方案并进行了比较 （1）水位信号模块的选择 方案 1：采用电容的原理，用两块平行的长方形铜板作为电极放在水中，可以通过检测 两电极间的电信号可知水位的变化情况。优点：结构简单、水位分辨率可大大提高;缺点： 容易受水质的影响产生误差，信号为模拟信号，不方便处理。 方案 2：采用触点的方法，在每个水位点放置一个触点，当水到达该触点时就可得到一 个信号。优点：灵敏度高、得出的时数字信号容易处理；缺点：分辨率不好提高，分辨 率越高触点越多，越难编码。 考虑到分辨率要求不高和信号处理的难度，排除干扰因素，我们采用方案 2。 （2）信号转换模块的选择 方案 1:使用三极管把微弱的水位信号放大以驱动其他模块的工作。优点：成本低；缺点： 9 工作不够稳定，使用数量多。 方案 2：使用 CD4066 双向模拟开关，把微弱的水位信号引到 CD4066 的控制端， CD4066 的输入端都接电源，这样就能把微弱的水位信号转换为稳定的电位信号。优点： 工作稳定可靠，便于集成化;缺点：成本高。信号转换模块的工作影响的各个模块的正常 工作我们采用方案 2。 （3）编码模块和数码显示模块的选择 方案 1：使用 2 块 83 线编码器组合构成 164 的编码电路，再经过一个显示译码器直 接驱动数码管显示。优点：电路结构简单；缺点：要编码的信号不够 16 个，造成浪费， 显示译码器不好找。 方案 2：使用异或门 74LS86 和或门 74LS32 组成一个特殊的编码电路对个位的数进行编 码，当水位高于 10 厘米时，十厘米信号直接驱动十位数码管显示“1” ，在经 CD4511 显 示译码器驱动个位数码管显示。 （详细个位编码见附录）优点：电路可靠，稳定;缺点:电 路较复杂。 由于 74LS86、74LS32、CD4511 都是常用的芯片，因此我们采用了方案 2. 传感器的选择 传感器是一种能将与待报警的能量形式，转化成另一种可供处理查询的能量形式的 装置。信号处理电路用于处理信息，而输出器件是一种利用已处理过的信号的装置、显 示或动作。 传感器不但对被测信号敏感，而且具有把它对被测变量的响应送出去的功能。也就 是说，传感器不是一般的敏感元件，它的输出响应还必须易于传送的物理量。例如弹性 膜盒的输出响应是形变，是微小的几何量（位移）不便于远距离传送。如果把膜盒中心 的位移转变为电容极板的间隙变化，就称为输出响应是电容量的压力传感器。倘若，再 通过适当的电路使电容量的大小为振荡频率的高低，就演变成输出响应是频率值的压力 传感器。某些敏感元件的输出响应本来就能够传送到别处报警，例如，铂电阻应变电阻 的阻值，热电偶的电动势等，把这些敏感元件称为传感器也未尝不可。 10 二、单元模块设计 水位报警器各模块方案的选择和论证 （1）水位检测部分 方案一：采用连续信号输出方式进行水位检测，例如超声波探测变送等。这种采用这种探头 检测精度比较高，但是价格昂贵，成本太高，而且大部分探头都已成为成品，不适合本设计开发。 方案二：采用 ON/OFF 输出方式用电极点做水位检测，在水中给予一定的电势，当导线接触 到水时电势会发生改变，这种方法设计简单，成本低廉也有一定的精度，能够满足设计要求。 综上所述，我们选用方案二。 （2）水位信号处理部分 方案一：用PLC可编程控制器进行信号处理。PLC可编程控制器控制精度高，但是体积大,价 格昂贵,维护也不方便。 方案二：采用简单的模拟电路进行报警控制(如图2.2),这种方案成本低，但是控制报警的可 靠性不高,容易误报警，实用性不强。 图 2.2 图 2.3 方案三：采用单片机进行报警控制,单片机有体积小,控制精度高,不易误报警，且外围电路 简单,价格低廉等优点,且方便对水位报警器的功能进行拓展。综上所述，我们选用方案三。 （3）水位报警指示部分 方案一：采用简单的模拟电路进行报警,这种方案成本低，但是带负载能力差,也不容易进行 功能扩展，实用性不强。 方案二：采用继电器和发光二极管进行水位报警指示（如图 2.3） ，继电器控制报警方便进行 改装，也可在继电器上带大功率负载包括电机。继电器的后面可以接电机对水位进行控制，也就 是说该水位报警器，不单单可以进行水位报警，有需要的话可以很方便的进行改装和带负载。 R 2K VEE LED J Q1 R81K VCC Pi VCC LED R1 R2 Q1 T 11 2.1 水位监控： 显示信号信号处理接收信号 图 2-1 水位监控流程图 接受信号是由一个铜板制成的探针，如图 2-2 所示。每个铜片之间的长度相差 1 厘 米。当水位每上升 1 厘米铜片就接收到相应的信号，并传入系统中。 5 6 7 2 10 9 11 12 3 4 8 1 图 2-2 探针 信号输入系统之后，由 CD4066 进行处理：当输入的信号为“1”时，CD4066 接通， 使需要的信号送出。如图（四） C 13 A 1 B 2 U1A信信信信 信信信信 信信信信 C BA 图 2-3 CD4066 信号处理 信号送到 LED 发光二极管，相应的 LED 发光二极管就亮起来。没到五厘米的时候第 一个发光二极管亮，并报警；到达五厘米时第二个发光二极管亮，第一个发光二极管灭， 六厘米时第三个发光二极管亮，以此类推，当亮到十二个发光二极管时信号达到警戒地， 警报器（蜂鸣器）响起来。 12 2.2 编码译码部分 接收信号处理信号 编码成 BC8421码 译码 图2-4 编码译码流程图 信号从 CD4066 双向模拟开关送进来，由 4077 同或门接收信号，并处理信号，处理 原理如下图： 表 2-1 接收信号 1接收信号 2输出信号 111 010 001 信号输送到 74LS147 进行编码，由于这编码器是低电平有效，所以处理后得到的信 号是 0 才能被 74LS147 识别，输出的信号是 1 的则被视为无效。如下图。低电平以十进 制进入 74LS147，经过 74LS147 处理后得到二进制 8421BCD 码。以低电平送出信号。 I1 11 I2 12 I3 13 I4 1 I5 2 I6 3 I7 4 I8 5 I9 10 A 9 B 7 C 6 D 14 VCC 16 GND 8 U17 SN74LS147N 图 2-5 74LS147 引脚图 低电平经过 4069 反相器变成 4511 译码器能识别的信号高电平，送给 4511 译码器。 8421BCD 码变成高电平后，进入 4511 译码器译成数码管能识别的信号。信号由二进 制 01011111 变化，其相应的输出信号是数码管能认识的 515 的信号。 13 2.3 显示部分 显示部分主要由两部分组成，第一部分就是发光二极管，他能大概的显示水位与警 戒位的差距，能一目了然，其原理以上已讲。第二部分是数码管显示具体的数据，即较 精确的显示水位高度。能一看便知道水位现时的高度。 特殊原件的介绍 CD4066: CD4066 的引脚功能下图所示。每个封装内部有 4 个独立的模拟开关，每个模拟开 关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时， 开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；模 拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信 号，可传输的模拟信号的上限频率为 40MHz。各开关间的串扰很小，典型值为50dB。 CD4066 是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。CD4066 由四个相 互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号端，开关可以相互独立地开断，互补 影响。这种结构消除了开关晶体管阈值电压随输入信号的变化，因此在整个工作信号范 围内导通阻抗比较低。CD4066 引出端排列与 CC4016 一致，但具有比较低的导通阻抗。 另外，导通阻抗在整个输入信号范围内基本不变。与单通道开关相比，具有输入信号峰 值电压范围等于电源电压以及在输入信号范围内导通阻抗比较稳定等优点。 14 CD4066 是一种双向模拟开关，在集成电路内有 4 个独立的能控制数字及模拟信号传 送的模拟开关。每个开关有一个输人端和一个输出端，它们可以互换使用，还有一个选 通端（又称控制端） 。当选通端为高电平时，开关导通，此时的导通电阻为几十欧姆；当 选通端为低电平时，开关截止，呈现出很高的阻抗，可以看成为开路。在使用时，选通 端是不允许悬空的。 74LS147: 74LS147 优先编码器有 9 个输入端和 4 个输出端。某个输入端为 0，代表输入某一个 十进制数。当 9 个输入端全为 1 时，代表输入的是十进制数 0。4 个输出端反映输入十进 制数的 BCD 码编码输出。 74LS147 优先编码器的输入端和输出端都是低电平有效，即当某一个输入端低电平 0 时，4 个输出端就以低电平 0 的输出其对应的 8421 BCD 编码。当 9 个输入全为 1 时，4 个输入出也全为 1，代表输入十进制数 0 的 8421 BCD 编码输出。功能表如图 3.1 所示， 引脚图如图 3.2 所示。 输入输出 9 I 8 I 7 I 6 I 5 I 4 I 3 I 2 I 1 I 0 I 3 Y 2 Y 1 Y 0 Y 0 0 1 0 1 15 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 图 3.1 74LS147 功能表 图 3.2 74LS147 引脚图 74LS147 是一个编码芯片，它的输入与输出脚如表所示： 表 2-2 输入脚输入信号输出信号 1101110 1201101 1301100 101011 201010 301001 401000 500111 1000110 它是低电平有效，其信号是以大覆盖小，比如：当 11 和 12 管脚输入信号都为 0 时，则输出 1101 而不是 1110。 三、 显示器件的选择 LED 显示器件 16 单片机应用系统中经常用到 LED 数码管作为显示输出设备。LED 数码管显示器虽然 显示信息简单，但它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长、与单片机接口方便 等特点，基本上能满足单片机应用系统的需要，所以在单片机应用系统中经常用到。 LCD 显示器件 液晶显示器简称 LCD 显示器，它是利用液晶经过处理后能改变光线的传播方向的特 性实现显示信息的。液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点， 在单片机应用系统中得到了日益广泛的应用。液晶显示器按其功能可分为三类：笔段式 液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。前两种可显示数字、字 符和符号等，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效 果。 LED 和 LCD 是完全不一样的概念，LED 是发光二极管属于二极管的一种，LCD 是液晶 显示器，两者相差太多，但是用 LED 的点阵也能组成显示器，适用于户外大屏幕显示， 分辨率较低。 在设计中，所设计的液位报警计，显示电路是对液位进行显示，它所需的精度要求 不是很高，而且从价格上综合考虑，应选用 LED 数码管作为输出设备。 （4）水位报警指示部分：报警采用继电器和发光二极管进行水位报警指示， 为了能使输出带的继电器能控制强电又不影响单片机的工作，在设计时我们单片机和继电器之间 又光耦进行隔离，考虑到光耦流过的最大电流只有50mA，流过的最大电流为120mA的光耦在我 们现在的市场买不到，因此我们在光耦的后面加上了三极管进行扩大电流的输出，使其能够有足 够大的电流来控制继电器的吸合（如图2.7） 。继电器的输出端有一个常开开关和一个常闭开关， 我们把一个常开开关用插座引出来以便带负载时使用。当然，另一个常闭开关也同样可以引出用 来控制负载。最后得出的水位报警部分电路图如图2.8所示。 17 图2.7 图2.8 报警指示一共有三路输出，p1.2是控制水位过低报警，p1.3是控制水位检测出错报警，p1.4 是控制水位过高报警。整个系统的硬件部分原理图也就设计完成了，原理图如图2.9所示。 图2.9 3.1 各单元模块的联接 水位监控部分与译码编码部分的联接 水位监控部分的需要信号主要时又编码译码部分确定的，CD4066 的一端的放需要 信号是 0（即接低电平） ，当输入信号为 1（高电平）时，CD4066 接通，低电平信号通 过 CD4066 送出。 送到 74LS147 便可以进行编码，但是一个编码器只能对十进制数 19 进行编码， 2K R1 C120p C220p SGND VCC RESET 1 p3.0 2 p3.1 3 x2 4 x1 5 p3.2 6 p3.3 7 p3.4 8 p3.5 9 GND 10 p3.7 11 p1.0 12 p1.1 13 p1.2 14 p1.3 15 p1.4 16 p1.5 17 p1.6 18 p1.7 19 VCC 20 U1 89C2051 SGND R2 2K R3 2K R42K VEE VCC VCC VEE VEE VCC D1 D3 R5 2K R6 2K R7 2K U2 U2 U2 Y112M 1 2 CN4 1 2 CN3 1 2 CN2 C3 22uF D2 R81K R91K R10 1K Q1 Q2 Q3 J3 J2 J1 1 2 3 CN1 18 而数码管则需要显示 5 到 15，即要有两个数码管来显示，一个数码管只显示 1（十位 数） ，个位数的数码管则从 5 到 9 显示，然后要变成 0，再从 15 显示。因此再数据进 入 74LS147 时要进行处理，使 74LS147 的 3、4、5、10 管脚依次得到低电平，可以得 到 1010、1001、1000、0111、0110 经过反相器后便得到 0101、0110、0111、1000、1001，用十进制写出是 5、6、7、8、9.当显示十时，个位 数要变零，此时送到 74LS147 需要全是高电平，能让信号符合要求送到 74LS147 最简 要的方法是用 4077 同或门。联接图如下。 DS1 LED1 DS2 LED1 DS3 LED1 DS4 LED1 DS5 LED1 DS6 LED1 DS7 LED1 DS8 LED1 DS9 LED1 DS10 LED1 DS11 LED1 DS12 LED1 1K R12 Res2 1K R13 Res2 1K R14 Res2 1K R15 Res2 1K R16 Res2 1K R17 Res2 1K R18 Res2 1K R19 Res2 1K R20 Res2 1K R21 Res2 1K R22 Res2 1K R23 Res2 3 1 2 U1A MC14077BCP 4 5 6 U1B MC14077BCP 10 9 8 U1C MC14077BCP 11 12 13 U1D MC14077BCP 3 1 2 U2A MC14077BCP 4 5 6 U2B MC14077BCP 11 12 13 U2D MC14077BCP 12 U3A SN74LS04N I1 11 I2 12 I3 13 I4 1 I5 2 I6 3 I7 4 I8 5 I9 10 A 9 B 7 C 6 D 14 VCC 16 GND 8 U17 SN74LS147N C 13 A 1 B 2 VDD 14 GND 7 U4A TLC4066MJ C 5 A 4 B 3 VDD 14 GND 7 U4B TLC4066MJ C 12 A 11 B 10 VDD 14 GND 7 U4D TLC4066MJ C 6 A 8 B 9 VDD 14 GND 7 U4C TLC4066MJ C 13 A 1 B 2 VDD 14 GND 7 U5A TLC4066MJ C 5 A 4 B 3 VDD 14 GND 7 U5B TLC4066MJ C 6 A 8 B 9 VDD 14 GND 7 U5C TLC4066MJ C 12 A 11 B 10 VDD 14 GND 7 U5D TLC4066MJ C 13 A 1 B 2 VDD 14 GND 7 U6A TLC4066MJ C 5 A 4 B 3 VDD 14 GND 7 U6B TLC4066MJ C 6 A 8 B 9 VDD 14 GND 7 U6C TLC4066MJ VCC VCC 1K R24 Res2 VCC 10 9 8 U2C MC14077BCP LS22 Bell 1 2 P3 Header 2 VCC 图 2-6 水位监控部分与译码编码部分的联接 四、系统调试 4.1 测试过程： 19 我们首先将水位触点放置在水槽中，再使用 5V 电源接通电路，此时我们听到“嘀” 的报警声，第 5、6、9、11 号 LED 发光，数码管显示“7” 。此结果与预计的不符，我们 断开数码管显示模块、报警模块、编码模块的连接，使电路易于检测，这时我们看到 LED 全灭，符合预计结果，接着向水槽内加水，LED 逐个亮起，我们用万用表测量了 LED 工作电压 3.2V 和信号输出口的工作电压 5V，证明水位信号模块、信号转换模块、发光 管显示模块没问题。 我们再把数码管显示模块、报警模块、编码模块连接上，以检查此模块的错误，连 上时立刻又出现刚才的错误，我们用万用表测量与水位信号模块、信号转换模块、发光 管显示模块的接口发现有 4 个接口的电位与预计不符，我们就怀疑是不是 CMOS 与 TTL 不 兼容的问题。测试到这便进行不下去了。 之后我们又想 CD4066 是个虚拟开关，不应该有社么问题，我们又上网查资料，并对 此用电子试验箱做了专项的模拟试验，发现什么问题都没有，与预计结果完全相同。 我们又对数码管显示模块、报警模块、编码模块的连接进行仔细的检查，最后才发 现原来是芯片的管脚连接不对，输入信号连接再了芯片的输出端上。我们再从新做了一 块新板，问题解决了。我们再用万用表测量芯片工作电压（低电位 0.2V、高电位 3.6V） 工作正常了。 我们再次用整体检测水位，当水位低于 5 厘米时，LED 全灭，蜂鸣器发出“嘀”的 声音，数码管显示“0” ，随着水位的升高蜂鸣器停止发声，LED 逐个亮起，数码管对应 显示“514” ，当水位到达 15 厘米时红色的 LED 亮起，数码管显示“15” ，蜂鸣器发声报 警，达到了预计的结果，调试结束。 4.2 功能调试法： 按产品的功能进行实际实践，观看电路的整体情况，问题出现在哪已个模块。即 哪个部分可以实现，哪部分不能实现。 4.2.1 原理调试法： 20 在明确哪部分有问题后，根据原理图进行测试，是否有虚焊、漏焊、错焊的情 况。 4.2.2 关键点的测量调试法： 确定没有虚焊、漏焊、错焊的情况还不能实现需要功能的，需要对一些比较关 键的点测量数据，这些数据是否与要求的数据相比较，是否有出入。有出人则检查 其相应的电路，并想方法使数据符合要求。 5、系统功能 根据设计要求，本系统实现了对水位得监测以及报警。当水位低于 5 厘米给予 声光报警，每升高 1 厘米均有相应得发光二极管显示，而当水位升至 15 厘米也给予 了声光报警。与此同时，数码管也会显示相应得水位高度，虽没有清晰的播报水位 升高的高度，但也实现了语音报警得功能。 6、设计总结 此次实验的设计我们在理论上、仿真上都很成功，但是在实际的调试过程中显示部 分却出现了问题。原因是芯片的封装与设计时的不同，引起显示部分个芯片管脚的电位 混乱。因设计过程中耗费了大量时间，所以没有足够的时间调试和改进。整个实验过程 中收获很多对电路的设计有一个了解并能自己动手完成一些简单的电路设计、制板及调 试的过程，极大地提高了我们的动手能力。 通过测试，我们的水位报警器完成了设计要求。在这次设计过程中也遇到例如布线 不怎么合理的现象，也因如此而加深了对布线熟练程度。同样，在这次设计中，我们对 本次设计相关的元器件有了较为熟悉的了解，对各元器件的原理有了较清楚的理解。总 体来说，对于本次的设计进行还时不错，均可实现设计的各个功能，因而算是完成了产 品的设计。在这次的课程设计中，我真正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际， 把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单片机更是如此，程序只有在经常写与读的 过程中才能提高，这就是这次课程设计的最大收获。 21 7、参考文献 1、韩太林、单片机原理与应用、电子工业出版社、2003.8、202 2、张涛、电力电子技术、电子工业出版社、2003.8、170 3、冯建华 赵亮、单片机应用系统设计与产品开发，人民邮电出版社 ，2004.11、252 4、刘树林、低频电子线路，电子工业出版社，2003.8、214 5、中国计量出版社组委会、新编电子电路大全，中国计量出版社，2002.6、213 6、方志豪、晶体管低噪声电路、科学出版社、1984.9、186 7、中国计量出版社组委会、新编电子电路大全、中国计量出版社、2001.3、168 8、路而红、虚拟电子实验室、人民邮电出版社、2002.5、315 9、周常森、电子电路计算机仿真技术、山东科学技术出版社、2001、248 1 电子技术 2 任为民，余孟尝等编，数字集成电路基础教程。北京：中央广播电视大学出版社 22 致 谢 本文是在指导老师的悉心关怀和全面指导下完成的.老师渊博的学识,严谨的治学态度,认真负责的工作作风 让我受益非浅,在与老师相处时间里,我们在理论水平、实践动手能力等方面都得到了很大的提高. 经历了这个毕业设计，在这短暂的时间里，它不仅仅使我学到了宝贵的专业知识，更重要的是它使我学到 了怎样去独立思考问题，解决问题，大大提高了我自己的动手能力和操作能力，为我今后的工作奠定坚实的基 础。 这次们设计的课题为水位报警计的设计，它不仅是必须完成的课目，其真正的目的是我对整个大学的 学习情况做一个总结，检验学生的专业知识的掌握程度。可以说这绝对是一个展望自我，实现自我价值的好机 会。 在这次毕业设计中，我特别感谢我的指导老师的耐心帮助和各位同学大力支持。 在这次编写设计报告中，由于时间的紧促和编写者的专业知识的有限，再加上我们缺少实践经验， 对使得所写的毕业论文的知识覆盖面有很大的局限性，而且报告中难免有不妥之处，所以我恳请各位 指导老师能够给予批评指正。 23 附录附录 1 1 BCD 码码 水位信号水位信号 对对 应的个应的个 位数位数 DCBA 0000000000150101 0000000001160110 0000000011170111 0000000111181000 0000001111191001 0000011111100000 0000111111110001 0001111111120010 0011111111130011 0111111111140100 1111111111150101 由于水位信号从 00000000001111111