电容式液位传感器及积算仪表的研制_毕业设计论文

1、长江大学工程技术学院毕业设计(论文)题 目 名 称电容式液位传感器及积算仪表的研制系 部信息系专 业 班 级自动化60902学 生 姓 名郑晓龙指 导 教 师朱清祥辅 导 教 师朱清祥时 间2012年9月15日至2013年6月8日目录长江大学工程技术学院毕业设计（论文）任务书I长江大学工程技术学院毕业设计（论文）开题报告II长江大学工程技术学院毕业设计（论文）指导教师评审意见III长江大学工程技术学院毕业设计（论文）评阅教师评语IV长江大学工程技术学院毕业设计（论文）答辩记录及成绩评定V中文摘要VI英文摘要VII前言VIII1.选题背景11.1液位仪表的现状11.2电容式传感器现状12.方案论

2、证32.1电容式液位测量的原理32.1.1测量导电液体的电容式液位传感器的测量原理32.1.2测量非导电液体的电容式液位传感器的测量原理52.2系统的总体方案设计63.设计论述83.1信号采集电路83.1.1电容测量电路原理83.1.2电信号放大电路设计93.2信号转换电路103.2.1 A/D转换电路原理103.2.2 A/D转换电路设计113.3指示灯报警电路123.4 LCD液晶显示接口电路133.4.1 LCD1602液晶显示基础知识133.4.2 LCD显示电路设计143.5 RS-485串行口设计电路153.6 看门狗及复位电路163.7 硬件部分的抗干扰措施173.8 整体程序设

3、计框图194.结果分析20参考文献21致谢22附录23长江大学工程技术学院毕业设计（论文）任务书 系 信息系 专业 自动化 班级 60902 学生姓名 郑晓龙 指导教师/职称 朱清祥副教授 1.毕业设计(论文)题目：电容式液位传感器及积算仪表的研制2.毕业设计(论文)起止时间：2012年9月15日2013年6月8日3.毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分） 1智能化测量控制仪表原理与设计北京航空航天大学出版社，徐 爱钧 2电容式液位测量系统的设计. 招惠玲、周美娟、胡远忠，传感器技术.2004,23 3几种液位计在沉降槽上的应用王丽杰、韩红芳，自动化与仪器仪表 2005,(1)

4、 4储罐液位检测技术研究丁涛，合肥工业大学硕士学位论文.2004 5国内外液位计量仪表技术发展动向李冬梅，仪器仪表用户.2002,9 6单片机的C语言程序设计.马忠梅等编著.第四版.北京航空航天大学出版社，2007.1 751单片机C语言教程.郭天祥编著.北京:电子工业出版社,2009.104-106 8单片机原理及其接口技术.第二版. 胡汉才编著.北京:清华大学出版社,2004.327-3504.毕业设计(论文)应完成的主要内容（具体内容） (1)设计一个以单片机为核心的电容式液位传感器及积算仪表，用于石油化工行业中储油罐、中转罐、缓冲罐、储运罐等液位的测量，测量精度在1%以内。 (2)毕业

5、设计(论文)的目标及具体要求：包括传感器设计、检测系统硬件框图及主要单元电路设计、软件流程图及部分子程序设计。 (3)完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数：要求须计算机仿真，上机时数60小时。5.任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 长江大学工程技术学院长江大学工程技术学院毕业设计（论文）开题报告题 目 名 称电容式液位传感器及积算仪表的研制系 部信息系专 业 班 级自动化60902学 生 姓 名郑晓龙指 导 教 师朱清祥辅 导 教 师朱清祥开题报告时间2012年12月25日 电容式液位传感器及积算仪表的研制 学 生： 郑晓龙 信息系 指导教师： 朱清祥 长江大学一、题目来源 社会

6、/生产实践。2、 研究目的和意义 本课题的研究目标是设计一种电容式液位传感器及积算仪表。其中传感器部分实现对液位的测量，并将测量到的液位数据转换成数字量采集到单片机进行处理运算，再由液晶显示器进行输出，实现对液位的显示，并且对不正常的液位进行报警。 本次设计可广泛用于需要液位测量的场合，如可应用在食品，化工，石油等行业，可为这些场合液位测量提供方便，具有一定的应用前景和经济价值。三、阅读的主要参考文献及资料名称 智能化测量控制仪表原理与设计北京： 北京航空航天大学出版社，徐爱钧 储罐液位检测技术研究丁涛，合肥工业大学硕士学位论文.2004 几种液位计在沉降槽上的应用王丽杰、韩红芳，自动化与仪器

7、仪表 2005 电容式液位测量系统的设计. 招惠玲、周美娟、胡远忠，传感器技术.2004 国内外液位计量仪表技术发展动向李冬梅，仪器仪表用户.2002,9 四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 我国的液位仪表工业起步较晚，20世纪60年代才有专业的液位仪表厂，以生产机械型产品为主，几个国家定点大厂都逐步转为以流量仪表为主。国家“七五”计划期间，自动化仪表行业掀起了技术引进高潮，北京自动化仪表四厂引进了钢带液位计制造技术，铁岭光学仪器厂引进了高温双色玻璃板液位计制造技术，同期流量行业有22个厂引进了24个项目，随着国家进一步改革开放，经济高速发展，自动化程度的提高使液位仪表需求猛增。原有生产

8、能力不能满足要求，国外产品大量进来，原来液位行业协会中一些成员厂，有的破产、有的改制为民营企业，也有些改变了产品方向，近年成立较多的液位仪表厂中，有国外独资、合资，但更多的是民营厂，没有国营厂。这些民营企业生产的液位仪表各项性能指标和国外同类产品相比还有较大的差距，虽然在液位仪表领域我国暂时落后，但也说明了这块市场发展前景良好，潜力巨大。研究的主攻方向是设计一套精度高，系统稳定的电容式液位测量系统。五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路看门狗及复位电路探头电容/电压转换，采用的运放法放大电路AD转换主要研究内容就是能精确高效的测量液位。以保证液位的准确性和实时性。虽然电容式传感器的研

9、究已经是取得了长足的进步，但由于它先天性存在很多缺点，如它的电容量一般很小，一般在PF级变化，电容量的变化受环境的影响、并且存在寄生电容和分布电容，使其灵敏度和输入输出关系都存在非线性；应用电容式液位传感器测量液位会产生挂壁现象，因此会造成虚假液位现象，目前主要应用射频导纳的方法来改进；当前的电容式液位仪智能化程度还不是很高，虽然国内已经有一些这方面的研究，但还没有实现全自动化，还有待改进和开发。由此电容式传感器的发展方向就是一方面加强电容式传感器变换电路的集成度，为了克服寄生电容的影响，尽量将电路和传感器连接得紧密些或者干脆做成一体，另一方面充分开发测量系统的智能化，将大大提高系统的准确性、

10、可靠性。系统框图如图1所示报警电路单片机LCD液晶显示六、完成毕业设计所必须具备的工作条件（如工(1) PC机一台(2) 运行环境：windowsXP等RS485串口六、完成毕业设计所必须具备的工作条件（如工具书、计算机辅助设计、某类市场调研、实验设备和实验环境条件等）及解决的办法(1) PC机一台(2) 运行环境：windowsXP等七、工作的主要阶段、进度与时间安排 1.2012年9月初-2012年10月中旬：查找与课题相关的资料。 2.2012年10月底-2012年12月底：毕业设计开题、撰写开题报告。 3.2013年2月中旬-2013年2月底：功能分析设计，完成详细功能流程图。 4.2

11、013年3月初-2013年3月底：进行电路分析，模拟出基本电路。 5.2013年4月初-5月中旬：撰写毕业论文。 6.2013年6月初-2013年6月中旬：答辩。八、指导教师审查意见 长江大学工程技术学院毕业设计（论文）指导教师评审意见学生姓名郑晓龙专业班级自动化60902毕业论文(设计)题目电容式液位传感器及积算仪表研究指导教师朱清祥职 称副教授评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水

12、平，是否同意参加答辩。评审意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学工程技术学院毕业设计（论文）评阅教师评语学生姓名郑晓龙专业班级自动化60902毕业设计(论文)题目电容式液位传感器及积算仪表研究评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业设计(论文)的研究（设计）内容、方法及结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力。毕业设计(论文)是否完成规定任务，是否达到了学士学位水平的要求，是否同意参加答辩等。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学工程技术学院毕业设计（论文）答辩记录及成绩评定学生姓名郑晓龙专业班级自

13、动化60902毕业论文(设计)题目电容式液位传感器及积算仪表研究答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)电容式液位传感器及积算仪表的研制 学 生：郑晓龙，信息系 指导老师：朱清祥，长江大学中文摘要摘要液位传感器及积算仪表在工

14、业中有着广泛的应用，尤其是在石油化工行业，在储油罐、中转罐、缓冲罐、储运罐等中都需要液位或界面的测量，因此液位测量及其显示系统一直都非常重要。本文选择了运算放大器的电容测量方式。通过对电容式液位测量原理的分析，从硬件方面详细介绍了液位测量所需传感器及其积算仪表的设计过程。本系统主要由信号采集部分和信号处理部分组成。信号采集部分包括电容电压转换、运算放大电路、AD转换电路；其中利用运算放大器电容电压检测电路进行信号的采集，放大电路也是采用的运算放大器。AD转换电路采用的8位高精度串行转换芯片TLC549。信号处理部分包括单片机、报警电路、LCD液晶显示等几部分组成。报警电路设计的很简单，采用的l

15、ed小灯进行报警显示，LCD液晶显示部分采用的LCD1602进行显示。在整体设计和理论分析的基础上，对各部分进行了硬件电路和软件的设计并进行了调试，同时本文对电容式液位传感器的参数进行了说明，最后对实验数据进行了拟合。本课题设计的传感器的测量精度在1以内。符合设计的要求。关键词:液位测量；液位传感器；电容测量；运算放大器法。Design of the Capacitive Liquid Level Sensor and Integrating MeterStudent: Zheng Xiaolong Information DepartmentTutor: Zhu Qingxiang, Yan

16、gtze University 英文摘要AbstractLiquid level sensors and integrating instrument have wide applications in industry especially in petro-chemical industry .The level testing or interface testing are needed in storage tanks transfer tanks buffer tanks storage and transportation tanks etc therefore ,level t

17、esting and receiving system are the key points in our research Aiming at the oil level measurement need of the petro-chemical industry variety measurement methods are analyzed The charge and discharge capacitance measurement is selected by comparing the various methods of measurement .The design and

18、 manufacture process are introduced in detail from hardware to software by analyzing the theory of capacitance level measurement .The method based on charge and discharge anti-parasitic capacitance disturbance measurement is adopted. which has high accuracy and no affection of the parasitic capacita

19、nce .Then the process of measurement is simplified and the measuring efficiency is guaranteed. The project design of the whole measuring system is given. which includes signal detection and acquisition part and signal processing part .The signal detection and acquisition part contains C/V conversion

20、 amplification and zero A/D conversion and the signal processing contains RS-485 serial communication keyboard. display. watch dog and reset etc .The hardware circuit and software are designed and then debugged based on the overall design and theory analysis. The error of the sensor system is analyz

21、ed in this paper ,and the improvement scheme is proposed ,then the combination curve of the experiment data is given. The absolute error of the sensor in this paper is 5mm,the accuracy of measurement is within 1%.Key Words:Level measurement; liquid level sensor; capacitance measurement; operational

22、amplifier method .前言 液位传感器及积算仪表在工业中有着广泛的应用，特别是在石油化工等行业，中转罐、沉降罐、游离水脱出器、电脱出器、缓冲罐、储运罐等各个环节都需要液位或界面的测量，在发电厂的汽包，油箱中也有所应用。为此有必要设计一种性能优越的液位传感器及其接收仪表，用于实现对液位的实时监测实现远程无人值守，全自动的液位测量数据的测量及显示，提高液位测量的自动化测量水平，节约生产成本，简化生产管理。 本课题的研究目标是设计一种电容式液位传感器及积算仪表。其中传感器部分实现对液位的测量，再由A/D转换电路将测量到的液位数据转换成数字量采集到单片机进行处理运算，最后由LCD进行显示

23、。本设计具有高精度，高分辨率，成本低廉的特点，可广泛用于需要液位测量的场合，如可应用在食品，化工，石油等行业，可为这些场合液位测量提供方便，具有一定的应用前景和经济价值。电容式液位传感器及积算仪表的研制1.选题背景1.1液位仪表的现状 国外液位仪表公司起步早，技术先进，现在的跨国公司大多是20世纪50年代以来由技术人员创办、自己开发产品、然后成立公司制造和销售、逐步发展壮大、成为跨国公司，如E+H公司、Honeywell公司。国外液位仪表的状况是：有一系列功能齐全、测量精度高、自动化程度高的产品，对应不同的应用场合能选择相应的产品。目前这些产品在工业、石油化工业都有广泛的应用，并已经打入我国市

24、场，占据了主导的地位。我国的液位仪表工业起步较晚，20世纪60年代才有专业的液位仪表厂，以生产机械型产品为主，几个国家定点大厂都逐步转为以流量仪表为主（如开封仪表厂、银河仪表厂）。国家“七五”计划期间，自动化仪表行业掀起了技术引进高潮，上海自动化仪表五厂引进了电容式液位开关制造技术、超声波液位计制造技术，北京自动化仪表四厂引进了钢带液位计制造技术，铁岭光学仪器厂引进了高温双色玻璃板液位计制造技术，同期流量行业有22个厂引进了24个项目，随着国家进一步改革开放，经济高速发展，自动化程度的提高使液位仪表需求猛增。原有生产能力不能满足要求，国外产品大量进来（主要是高端产品），原来液位行业协会中一些成

25、员厂，有的破产、有的改制为民营企业，也有些改变了产品方向，近年成立较多的液位仪表厂中，有国外独资、合资，但更多的是民营厂，没有国营厂。这些民营企业生产的液位仪表各项性能指标和国外同类产品相比还有较大的差距，虽然在液位仪表领域我国暂时落后，但也说明了这块市场发展前景良好，潜力巨大。1.2电容式传感器现状 由于电容式传感器主要是通过改变极板的面积，距离或者介电常数来改变电容量，目前主要将传感器应用于以下几个方面：电容式位移传感器。电容式位移传感器可以实现非接触测量，用来测量各种导电材料的间隙、长度、尺寸或位置、振动位移等电容式液位传感器。电容式液位传感器有两个导电极板(通常把容器壁作为一个电极)，

26、由于电极间是液体而导致静电容发生变化因而可以感知液位的变化。固态电容式指纹传感器。这种传感器都是利用指纹中凸起的部分置于传感器电容像素电极时电容量会有所增加，从而通过检测增加的电来进行数据采集的。虽然电容式传感器的研究已经是取得了长足的进步，但由于它先天性存在很多缺点，如它的电容量一般很小，一般在PF级变化，电容量的变化受环境的影响、并且存在寄生电容和分布电容，使其灵敏度和输入输出关系都存在非线性；应用电容式液位传感器测量液位会产生挂壁现象，因此会造成虚假液位现象，目前主要应用射频导纳的方法来改进1；当前的电容式液位仪智能化程度还不是很高，虽然国内已经有一些这方面的研究，但还没有实现全自动化，

27、还有待改进和开发。由此电容式传感器的发展方向就是一方面加强电容式传感器变换电路的集成度，为了克服寄生电容的影响，尽量将电路和传感器连接得紧密些或者干脆做成一体，另一方面充分开发测量系统的智能化，将大大提高系统的准确性、可靠性。2.方案论证2.1电容式液位测量的原理D02.1.1测量导电液体的电容式液位传感器的测量原理铜管不锈钢容器壁d聚四氟乙烯套管D被测导电液图1 测量导电液体的电容式液位传感器 测量导电液体的电容式液位计主要是利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化这种关系进行液位测量的，图1为传感器部分的结构原理图。从整体上看，铜棒、聚四氛乙烯套管以及容器内

28、的被测导电液体共同构成一圆柱形电容器，其中铜棒是电容器的一个电极(相当于定片)，被测导电液体则是电容器的另一个电极(相当于动片)，套在铜棒上的聚四氟乙烯套管为两电极间的绝缘介质。可见，液位升高时，两电极极板的覆盖面积增大，可变电容传感器的电容量就成比例地增加；反之.电容量就减小。因此，通过测量传感器的电容量大小就可获知被测液体液位的高低。当可测量液体位H=0，即容器内的实际液位低于h(非测量区)时.传感器与容器之间存在分布电容、这时的电容量C0为 C0=20LlnD0/d (1)式中：0聚四氟乙烯套管和容器内气体的等效介电常数； L为液位测量范围(可变电容器两电极的最大覆盖长度)，mm； D0

29、为容器内径，mm； d为个锈钢棒直径，mm；当液位高度为H时，传感器的电容量CH为： CH=2HlnD/d+2o(L-H)lnD0/d (2)式中：为聚四氟乙烯的介电常数，2；D为聚四氟乙烯套管外径，mm。因此.当容器内的液位由零增加到H时，传感器的电容变化量C为： C=2HlnD/d-2oHlnD0/d (3)通常，D0D, 而且o，因而上式中第二项的数值要比第一项小得多，可以忽赂。则 C2HlnD/d (4)在式(4)中.当电极确定后，、D和d都是定值，故可以将式子改写为： C=KH (5) K=2HlnD/d (6)可见，只要参数、D和d的数值稳定，不受压力、温度等因素的影响，即K为常数

30、，那么传感器的电容变化量与液位的变化量之间就有着良好的线性关系。因此，通过测量传感器电容量就可方便地求出被测液位。另外，式(6)还表明，绝缘材料的介电常数较大和绝缘层厚度较薄(D/d较小)时，传感器的灵敏度较高。以上介绍的液位传感器适用于电导率10-2S/M的液体，但被测液体的粘度不能大，否则，当液位下降时，被测液体会在电极的套管上产生粘附层，该枯附层将继续起着外电极的作用，从而产生虚假电容信号，以致形成虚假液位，使仪表指示液位高于实际液位。另外，还应该再次指出，这种液位传感器的底部约有10mm的非测量区。dDHL不锈钢内电极容器不锈钢外电极被测非导电液绝缘套2.1.2测量非导电液体的电容式液

31、位传感器的测量原理图2 测量非导电液体的电容式液位传感器 测量非导电液体的电容式液位计主要利用被测液体液位变化时，可变电容传感器两电极之间充填介质的介电常数发生变化，从而引起电容量变化这一特性进行液位测量。适合的测量对象包括：电导率10-9S/M的液体(如轻油类)、部分有机溶剂和液态气体。传感器部分的结构原理如图2所示。两根同轴装配、相互绝缘的不锈钢管分别作为圆柱形可变电容传感器的内、外电极，外管管壁上布有通孔，以便被测液体自由进出。 当测量液位H为零时，两电极间的介质是空气，这时传感器的初始电容量C0为： C0=20LlnD/d (7)式中：0空气的介电常数； L两电极的最大覆盖长度，mm；

32、 D、d分别为外电极的内径和内电极的外径，mm。 当被测液体的液位上升为H时，传感器的电容量CH为： CH=2HlnD/d-20(L-H)lnD/d (8)式中：被测液体的介电常数。因此，当容器内的液位由零增加到H时。传感器的电容变化量C为： C=2(-0)LlnD/d (9)可见当电极给定后，参数、D和d均为定值，故传感器的电容变化量只是液位H的单值函数，亦即测取传感器的电容量就可确定被测液位。以上所述为电容式液位传感器的基本工作原理，反映了电容式液位计将液位测量转换为电容量测量的过程。在此基础上.液位计的测量电路将完成电容量的测量，并最终显示相应的液位4。2.2系统的总体方案设计 本液位测

33、量系统主要实现对油罐液位的测量显示，实现对液位的实时监测，并能实现简单的人机交换。本测量系统主要是将油罐液位的变化量转换为电容的变化量，通过对电容变化的信号进行处理分析从而实现对液位监测和显示。看门狗及复位电路本课题整体方案框图3.1所示6：报警电路单片机AD转换放大电路电容/电压转换，采用运放法探头LCD液晶显示RS485串口图3 整体方案框图 电容传感器的电容经过电容/电压转换部分将待测的传感器电容量转化为直流电压信号，经过调理放大，再经过A/D转换部分转化为数字信号输入单片机，经过单片机的运算处理后，将处理结果通过液晶显示，本系统主要有以下几个部分构成：1信号检测部分 本部分主要由电容/

34、电压转换部分，即将测量到的电容信号经过转换，转换成相应的电压信号；放大电路部分，将测量得到的电压信号经过放大转换成3-6V之间变化的电压，以达到A/D转换芯片的输入要求；A/D转换部分，即信号采集部分，将测量到的模拟信号转换成相应的数字信号，以便供单片机进行数据处理。2信号处理部分（1）单片机部分 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术在一块芯片上集成了CPU、ROM和RAM存储器I/O接口等而构成的具有数据处理能力微型计算机。因此，此部分为整个电路的核心部分，将得到的数字信号进行分析处理，从而进行显示和实现液位的实时监测。（2）LCD液晶显示 采用的LCD1602进行对液位的

35、显示。（3）led小灯报警电路 当液位不正常时，led小灯闪烁，进行报警。3.设计论述 系统整个硬件电路可以分为以下几部分：信号检测电路、放大电路、模数转换电路、LCD显示电路和指示灯报警电路。为了保证测量精度和抵御高低温环境影响，硬件电路中几乎所有的元器都选用工业级的贴片元器件。3.1信号采集电路3.1.1电容测量电路原理 电容式液位传感器的测量电路是十分关键的部分，而且由于液位变化导致电容的变化非常小，测量范围大概在几十PF到几百PF之间变化，主要就是将电容的变化值转化为电压信号，因而测量电路的关键在于微小电容的检测，本次设计采用运算放大器法进行测量。图4 运算放大器法原理图 Cf为参考电

36、容。这时运算放大器的放大倍数很大，而输入阻抗很高，由于运算放大器的反向输入端虚地，因此杂散电容两端相当于接地，故对电路影响可以忽略，Um为激励源电压，由放大电路理论可得 Uout=-CfCxUm (10)待测电容 Cx=Sd (11)将（11）带入（10）可得 Uout=-CfSUmd (12) 由上式得出，介电常数与输出电压Uout成线性关系，通过这种方法理论上解决了变介电常数电容输出特性的非线性问题。3.1.2电信号放大电路设计由于从传感器得出的电压一般在0-30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大，如图所示，采用最基本的比例运算反放大电路. 图5 比例放大电路要将30mV电

37、压放大成5V，根据公式Uo=-（R6/R4）Ui,所以选择R6=500K,R4=3K，R7=R6/R4。由于电容电压采集电路采用的同相端输入，这里也同样采用同相端输入，所以放大后的电压极性还是为正。3.2信号转换电路3.2.1 A/D转换电路原理 A/D转换电路是数据采集系统的核心电路，在A/D转换时，需要把在时间上连续的模拟量转换成代码离散的数字量。在进行A/D转换时，必需在一系列选定的瞬间（时间坐标轴一些规定的点上）对输入的模拟信号进行采样，然后把这些采样值转化为数字量。因此，一般的A/D转换过程是通过采样保持、量化和编码这三个步骤完成的，即首先对输入的模拟电信号采样，采样结束后进入保持时

38、间，在这段时间内将采样的电压量转换为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果，然后开始下一次采样。在本文我们就选择逐次逼近型A/D转换器TLC5496。图6 TLC549管脚图TLC549是 TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现 A/D转换，其转换速度小于 17us，最大转换速率为 40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为 3V至 6V。它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接 各引脚名称及作用： REF+：正基准电压输入 2.5VREF+Vcc+0.1。REF：负基准电压输入端，-0.1VREF-2.5V。且要求：（REF+）（

39、REF-）1V。 VCC：系统电源3VVcc6V。GND：接地端。/CS：芯片选择输入端，要求输入高电平 VIN2V，输入低电平 VIN0.8V。DATA OUT：转换结果数据串行输出端，与 TTL 电平兼容，输出时高位在前，低位在后。ANALOGIN：模拟信号输入端，0ANALOGINVcc，当 ANALOGINREF+电压时，转换结果为全“1”(0FFH)，ANALOGINREF-电压时，转换结果为全“0”(00H)。I/OCLOCK：外接输入/输出时钟输入端，同于同步芯片的输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。3.2.2 A/D转换电路设计TLC549与单片机的连接如图7所示：图7

40、A/D转换电路图分析如下：TLC549的片选端CS连接单片机P2.4，SLCK连接的 P2.3，数据口SDO连接到P2.5。3.3指示灯报警电路图8 指示灯与单片机接口电路 采用简单的led当做指示灯，当液位不在要求范围内使发光进行报警。使用P1.3控制。 3.4 LCD液晶显示接口电路3.4.1 LCD1602液晶显示基础知识图9 LCD1602引脚图 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作

41、用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地第2脚：VDD接5V电源正极第3脚：VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端

42、为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。3.4.2 LCD显示电路设计图10 LCD1603与单片机接口电路如图，采用P0口作为数据位，P2.0,P2.1,P2.2作为控制位。3.5 RS-485串行口设计电路 本课题选用RS-485转换芯片为MAX483，它是使用RS-422和RS-485通信线路的低功率收发器，它的内部集成了一个发送驱动器和一个接收器。MAX483采用单+5V电源供电，电源电流为120-150A，在低电流待机方式下的电流仅为0.1A。MAX483的驱动器具有短路限流功能，因此，可以借助使驱动器输出端进入高阻状

43、态的热带及电路防止功耗超限，其接收器输入端具有保险功能，若输入端开路，可以确保逻辑高电平输出。MAX483芯片引脚功能说明如下：RO：接收器输出。/RE：接受器输出使能。/RE=0，允许接收器输出；/RE=1，接收器输出被禁止，RO为高阻。DE：驱动器输出使能，DE=1，允许驱动器工作；DE=0，驱动器被禁止，输出端为高阻。DI：驱动器输入，DI=1，输出端A输出为高，B输出为低；DI=0，反之。A：接收器非反相输入和驱动器非反向输出端。B；接收器反向输入和驱动器反向输出端。RS-485串口通信部分的具体接口电路如图11所示：图11 MAX483与单片机接口电路 MAX483可以达到的数据传输

44、速率为250Kbps，为半双工通信方式，通信状态的转换通过设置接受器使能信号/RE和驱动器使能信号DE实现。同时设置/RE和DE为高电平和低电平可以使MAX483进入低功耗待机状态，为了保证MAX483可靠进入待机状态，应使/RE为高电平和DE为低电平的时间不少于600ns。在此接口电路设计中，对/RE和DE的控制采用单片机的一个I/O口实现，该引脚置低使MAX483处于接收使能状态，该引脚置高使MAX483处于发送使能状态。3.6 看门狗及复位电路 看门狗、复位电路选用Maxim公司推出的低成本并具有监控功能的微处理芯片MAX813L，它主要有以下四个功能；具有独立的看门狗计时器，如果看门狗

45、输入在1.6s内无变化，就会产生看门狗输出；掉电或电源电压低于1.25V时，产生掉电输出；上电时能自动产生200ms宽的复位脉冲；具有人工复位功能，当人工复位端输入低电平时，产生复位信号输出。MAX813L与单片机AT89C51的接口电路如图12所示。图12 MAX813l与单片机接口电路 从图12中可以看出MAX813L的电源故障输出端（/PFO）与单片机的/INT0端相连；看门狗信号输出端（/WDO）通过一个二极管与手动复位输入端（/MR）相连，可组成上电复位及看门狗、复位电路；/MR端与按键相连后接地，实现手动复位；复位信号输出端（RESET）与AT89C52的RST端相连；看门狗信号输

46、入端（WDI）与单片机的P1.5脚连接。电路中巧妙地利用了MAX813L的手动复位输入端（/MR），一旦程序跑飞引起“死机”，若CPU在1.6s内不能给出“喂狗”信号，则/WDO跳变为低电平，由于/MR端有一个内部250mA的上拉电流，所以二极管导通，/MR获得有效低电平，RESET端输出复位脉冲，这时单片机复位。此时看门狗定时器清零，重新计数，/WDO又恢复成高电平。因此，在该电路中，仅外接一个二极管和MAX813L芯片即可完成监控、复位的功能。在系统对抗干扰要求不太高的情况下，这种电路就可以满足需要。另外，在调试中将二极管断开，就可以不考虑“喂狗”信号。该电路也可以随时使用手动复位按钮使M

47、AX813L产生复位脉冲，产生复位脉冲的前提是/MR端低电平至少保持140ms，这样可以有效的消除开关抖动。3.7 硬件部分的抗干扰措施 硬件部分的抗干扰在单片机应用的现场有十分重要的作用，因为单片机应用中存在着各种各样的干扰侵袭，直接影响到系统的可靠性，只有考虑了硬件可靠性的设计，才可能在系统调试中避免各种问题，使单片机能够正常工作。本设计从以下几个方面考虑了系统硬件抗干扰设计：（1）元器件要精密调整 元器件在使用前或经过一段运行时间之后，都应对元器件及部件进行精确调整，因为元器件的精度是保证系统完成既定功能的重要保证。如A/D芯片的调零及满量程调整等。（2）精心选择元器件 元器件是构成部件

48、或系统的基础，同时也是控制系统可靠性设计中的重要环节选用的元器件是否合理、优质，将直接影响到整个系统的性能与可靠性水平，也关系到经济成本和日后的维护和使用。因此，要选择集成度高、抗干扰能力强、功耗小的电子器件。（3）输入、输出通道抗干扰措施 输入、输出通道是前向接口、后向接口与主机之间进行信息传输的路径，在过程通道中长线传输的干扰是主要因素，为了保证传输的可靠性，常用的抗干扰措施有光电耦合隔离，光电耦合器可切断主机与前向、后向电路的联系有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。长线传输时阻抗匹配也是抗干扰的重要手段。若阻抗不匹配传输线会产生反射，使信号失真，因此要进行阻抗匹配，其中包括：终端并联阻抗匹配，始端串联阻抗匹配，终端并联隔直流匹配，终端钳位二极管匹配；在长线传输中采用双绞线输出也是常用方法，因为此方法具有体积小，柔软，抗共模干扰能力强等优点，因此本设计采用了双绞线的输出方式。（4）模拟电源与数字电源分开 模拟电源对电压的稳定性要求比数字电路高，所以尽量将模拟电源与数字电源的供电走线分开，其处理方式同模拟地和数字地的处理方法同时，还需要对模拟电源本身进行处理，进一步减小模拟电源中的干扰信号。电源去耦，配置去耦电容，在各芯片的电源端与地线端之间直接跨接一个0.1F的去耦电容。对