专业方向课程设计-油箱油位检测显示仪

1、摘要:专业方向课程设计课题：油箱油位检测显示仪班 级学生姓名学号指导教师淮阴工学院电子与电气工程学院随着社会的进步、生产工艺和生产技术的发展，人们对液位的检测捉出 了更高的要求。而新型电子技术微电子技术和微型计算机的广泛应用于普及, 单片机控制系统以其控制精度高，性能稳定可靠，设置操作方便，造价低等 特点，被应用到油位系统的控制中来。本文介绍了用液位检测集成芯片lm1042 和a/d转换芯片a/d574a,以及at89c51单片机作为主控元件的油位检测的原 理、电路及监控程序。用lm1042液位检测集成芯片测量液位，具有测量精度 高、速度快、可靠、稳定等优点；采用单片机來控制液位信息的采集，并

2、且 计算出真实液位值，通过运算判断是否超限报警，使检测具有更高的智能性。1. 系统方案设计1.1概述本次设计系统以at89c51为核心，当测量液面超过设定的液面上下限时，启动蜂鸣器和指示灯报警显示稳定，从而达到自动报警的功能。随着 社会的进步、生产工艺和生产技术的发展，人们对液位的检测提出了更高 的要求。而新型电子技术微电子技术和微型计算机的广泛应用于普及，单 片机控制系统以其控制精度高，性能稳定可靠，设置操作方便，造价低等 特点，被应用到液位系统的控制中来。本文介绍了用液位检测集成芯片 lm1042和a/d转换芯片a/d574a,以及at89c51单片机作为主控元件的 液位检测的原理、电路及

3、监控程序。用lm1042液位检测集成芯片测量液 位，具有测量精度高、速度快、可靠、稳定等优点；采用单片机来控制液 位信息的采集，并且计算出真实液位值，通过运算判断是否超限报警，使 检测具有更高的智能性。2.1系统总体功能概述该系统以at89c51作为核心控制部件，外加传感器。一片a/d转换芯片 和一片数码管驱动芯片来完成系统的预期任务，即液位的检测、显示和超限报警。lm1042外接的热阻探针温度的变化依赖于周围材料的热阻的大小，而 空气和液体的热阻大小有很大差别，从而可以根据探针在液体屮的深度不同 时电阻的不同检测出液位的深度信息，由lm1042内部转换电路网络转换为与 液位成线性关系的电压信

4、号，再由12位逐次逼近型a/d转换芯片ad574a将 模拟信号转换为数字信号，实现液位信息的输入，at89c51从ad574a读取液 位信息后进行数据处理和超限判断，随后将处理过的数据输出到数码管驱动 芯片icm7218的ram屮，由icm7218实现数码管的静态显示，若液位超限则 由单片机驱动蜂鸣器报警。图1为系统总体结构图：at89c51图1系统总体结构图各部分功能：1. 电源部分提供+5v +15v -15v电压供系统各部分使用。2. 传感器lm1042实现液位信息到电压信号的转换。3. ad574a将传感器输出的电压信号经a/d转换后送到单片机。4. at89c51为处理器,实现液位信

5、息的接收、数据处理、和输出到1cm7218.5蜂鸣器部分在单片机检测到液位超限是由单片机驱动实现声音报警。6单片机对液位数据处理后输出，由icm7218驱动数码管显示。2.2核心芯片的选择(1) 单片机 at89c51at89c51单片机简介单片机是把微型计算机主要部分集成在一块芯片上的单芯片微型计算 机。单片机应用系统的基本构成如图2如图2单片机应用系统的基本构成at89c51 简介at89c51主要参数如表所示：表2-1 at89cs1的主要x型号存储器定时器t. 0串行口中断b其它特点e2 promromram89c514k1282321624低电卜kat89c51含e2pr0m电可编闪

6、速存储器。有两级或三级程序存储器保密系 统，防止e2pr0m屮的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。 程序存储器e2pr0m容量可达20k字节。at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性 能cm0s8位微处理器，俗称单片机。该器件采用atmel高密度非易失存储器 制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将功能 8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控 制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性 咼且价廉的方案。1. 主要特性：与mcs-51兼容4k字节可编程闪烁存储器寿命:1000写/擦循

7、环全静态工作：0hz-24hz三级程序存储器锁定128*8位内部ram32可编程i/o线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路2. 管脚说明：vcc:供电电压gnd:接地p0 口： p0 口为一个8位漏级开路双向i/o 口，每脚可吸收8ttl门电流。 当p1 口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据 存储器，他可以被定义为数据/地址的第八位。在f1ash编程时，p0 口作为原 码输入口，当flisii进行校验时，p0输出源码，此时p0外部必须被拉高。p1 口： p1 口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o 口，p1

8、口缓冲器能 接收输出4ttl门电流。p1 口管脚写入1后，被内部上拉位高，可用作输入， p1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flish 进行校验时，p1 口作为第八地址接受。p2 口位一个内部上拉电阻的8位双向i/o 口，p2 口缓冲器可接收，输出4 个ttl门电流，当p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为 输入。并因此作为输入时，p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于 内部上拉的缘故。胖口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进 行存取时，p2 口输出地址的高八位。在给地址“1”时，他利用内部上拉优势, 当对外部八位地址数据存储

9、器进行读写时，p2 口输出器特殊功能寄存器的内 容。p2 口在flish编程和校验时接受高八位地址信号和控制信号。p3 口： p3 口管脚是八个带内部上拉电阻的双向i/o 口，可接受输出4个 ttl 电流。当p3 口写入“1”后，他们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平，p3 口将输岀电流，这是由于上拉的缘故。p3 口也作为at89c51的一些特殊功能口，如下所示：p3 口管脚备选功能p3.0 rxd （串行输入口）p3. 1 txd （串行输出口）p3. 2 /into （外部中断0）p3. 3 /int1 （外部中断1）p3.4 t0 （计时器0外部输入）p3.

10、5 t1 （计时器1外部输入）p3.6 /wr （外部数据存储器写选通）p3. 7/rd （外部数据存储器读选通）p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高 电平时间。ale/prog:当访问外部存储器时，地址所存允许的输出电平用于锁存地址 的低位字节。在flish编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平吋，ale端 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的l/6o因此它可用 作对外部输出的脉冲或用于定是目的。然而要注意的是：每当用作外部数据 存储器是，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh

11、地址上置 oo此时，ale只有在执行movx, movc指令是ale才起作用。另外,该引脚被 略微拉高，如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。/psew外部程序存储器的的选通信号。在有外部程序存储器取指期间，每 个机器周期两次/psen有效。但在访问外部存储器时，这两次有效的/psen信 号讲不出现。/ea/vpp:当/ea保持低电平时，则在此期间外部存储器（ooooh-ffffh）, 不管内部是否有程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁存为reset; 当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也 用于施加12v编程电源（vpp）.xtal1:反

12、响放大振荡器的输入及内部时钟工作电路的输入xtal2 :来自反响振荡器的输出。3. i/o 口引脚：a:p0 口，双向8位三态i/o 口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分 时复用;b:pl 口，8位准双向1/0 口c:p2 口，8位准双向i/o 口，与地址总线(高8位)复用；d:p3 口，8位准双向i/o 口，双功能复用。(2) 传感器lm1042传感器由液位检测专用集成芯片lm1042和一组热探针组成，实现液位信 号到电压信号的转换。lm1042使用热阻探针技术来测量非可燃性液体的液面 高度，它能提供一正比于液位高度的输出，可进行单次或重复测量，所有控 制热阻探针、检测热阻探针的短路和开

13、路所需的监控电路都集成在lm1042芯 片内部。此外该芯片还可采用其他传感器信号或线性输入作为输入信号。该器件采用16脚dip封装。芯片的主要特点如下；集成有热阻探针的控制电路；可单次测量或重复测量；具有探针短路、开路检测功能；电源或控制输入端具有50v的瞬态电压保护电路；电源范围7. 518v；内部有电源调节器；可在-40 °c+80 °c的工作温度范围内工作。lm1042的结构如图2-2所示：图2-2 lm1042原理结构图(3) a/d转换芯片ad574aad574a是美国模拟数字公司推出的单片高速12位逐次比较型a/d转换 器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，

14、具有外接元件少，功耗低， 精度高等特点，并且具有自动较零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻 容元件即可构成完整的a/d转换器，其主要功能特性如下；分辨率：12位非线性误差：小于±1/12lbs或±1lbs转换速率：25us模拟电压输入范围：0-10v和0-20v, 0-±5v和0-±10v两挡四种电源电压：±15v和5v数据输出格式：12位/8位芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式其原理结构图如图2-3所示： 5v supply vlogk data mode select 12/8 chip selejqi cs byte addres

15、s/ short cycle ao readconverj r/c chip enable ce 12/*16v supplyv<x *10v reference ref outanalog common acreference input ref in 12m5v supply veebipolar offsetbip off 10v span input20v span inputstatus stsad574a 仁3 state output buffersmsnibble anbb le bdb11 msbdb10db9db8db7db6db5dbadb3db2db1dbolsb

16、 /digital data outputsdigital commondc图2-3 ad574a原理框图(4) 数码管驱动芯片icm7218icm7218是intersil公司生产的一种性能价格比较高的通用8位led数 码管驱动电路，28脚双列封装，是一种多功能led数码管驱动芯片，可与多 种单片机接口使用o icm7218的输出可直接驱动led显示器，不需外接驱动电 路，其构成的显示电路结构简单，使用方便。其引脚图和内框图如图2-4和 2-5所示：id0-id7wr mode图2-4 icm7218引脚图段码和小数点位选信号图2-5 icm7218内部框图2. 3硬件原理图(1) 电源部分

17、电源电路如图2-6所示:tr1tran-2p2s图2-6电源电路本系统供电为市电ac220v,经变压器t1降为交流18v,经整流桥堆整流后得到脉动直流电压18v,再分别经三端稳压器lm7805、lm7815. lm7915分别得到 vcc(+5v)、+15v 和-15v ,其中电解电容 cl、c3、c22、c5、c7、c9 起 滤波作用，c2、c4、c23、c6、c8、cio是旁路电容，起抑制干扰的作用。(2) 传感器电路传感器电路如图2-7所示：7r1e100ll-=i 100k0436£15cmvfr¥(0zq1c11=02f c122c121ok22ur26.8k图2

18、-7传感器电路在传感器电路中，7脚和10脚是用于探针2的调整，由于本系统只用到 探针1,故只需将7脚和10脚接地即可；1脚是热阻探针输入端；5脚是探针 故障检测端；6脚是电源端；3, 4脚分别接pnp管的发射极和集电极用于给 探针提供200ma的固定电流；16脚为模拟电压输出端，输出与液位成正比的 模拟电压;12,13脚用来调整探针的测量周期；9, 14脚外接两个电容作为探 针的记忆电容，记忆探针的电压值。(3) a/d转换电路a/d转换电路如图2-8所示：100 k1ookii-mcmou5r4. 100knzllim8> 0s-sltitr6 100k邕dm urocm 50 崽 1

19、110总< ¥so so so zs sso so i lasw srlyls9 c jgolcmgj gj04ojgoo29<jdg3g5og吕acm图2-8a/d转换电路本系统经过采用ad574a芯片，其中1脚为电源端；10脚输出标准10v电压经过变阻器r4连接到8脚给芯片内部解码网络供电；9脚为地端；12脚 外接电阻网络用于调整零点，13脚为0-10v量程输入端；14脚为0-20v量程 输入端，此系统不用；7, 11脚为土基准电压输入端；16-19脚接单片机pl. 4-p1. 7用于输出低4位，20-27脚接单片机pl. 0-p1. 7用于输出高8位； 28脚输出转

20、换完成信号，6, 3, 4, 5脚用于控制芯片的工作方式，2脚接地代表 芯片用于12位转换。当传感器信号输入13脚，单片机控制6脚为高电平，3, 4, 5脚为低电平 时，芯片使28脚输出低电平并启动12位a/d转换，转换完成后置位28脚， 允许单片机读取数据，当单片机检测到28脚为高电平，控制6脚为高电平，3, 4,5脚为低电平读取高8位，再4, 6脚为高电平，3, 5脚为低电平读取低4 位，这样就完成一次a/d转换和数据读取。(4) 单片机外围电路及蜂鸣器电路单片机外接12mhz晶振，在9脚外接手动复位电路；p0.3接蜂鸣器用于报警。电路如图2-9所示:u8c16-hu61>n3906

21、r18r8护j30pfc1810u尸人1ml 1xtal2厂 u.5aa5jp0.1/ad1p0.2/ad2p0.3/ad3p0.4/ad4rstpsena i匚p0.5/ad5p0.6/ad6p0.7/ad7p2.0/a8p2.1/a9 p2.2/a10 p2.3/a11altz ftdo c / a *1 qtza o 4 c严d/a 1 op2.6/a14p2.7/a15 dq n /d vp>r 1 .ud 1 -fho.u/haudo 1 /-rvnl丨id -1 o严i / i audq o/ikitnki .42d 4 qdq q/ikit-1r* 1 .od i /iko

22、.o/in 1 1dq a rrr严】.q o 4 c严b4/ 1 u do e/*t4r i . o 3/11 do qaafam 1 .od -1 7ro.o/vv r p3.7/rd189293031at89c51y1 i 19i |12,oomhzdo 1di-2d31uttutt3938hz3635343332r17i i2ks222dj23dg24d525d426d527d628id2112. rqo1213 a/14 ce15 u52g16.77图2-9单片机外围及蜂鸣器电路(5) icm7218a显示电路icm7218a显示电路如图2-10所示：c11273 252242615

23、162312*22"28writem$de8jr1110ksegasegbsegcsegdsegesegfseggdigit1digit2digit3digit4digit5digit6ground/writemode digit7 digit89r12cm7218a10k12id11id13id14id10id6id5id719dod1dddddds 2-10 icm7218a 显示电路本系统显示用的4位七段数据管由数据管专用驱动芯icm7218a驱动， 27, 3, 1, 25, 2, 24, 26脚分别接数据管的ag, 15, 16, 23, 20脚为位选，分别控制 4位数码管

24、的亮灭,id07为数据线,接单片机p2 口, write, mode是写控制 位和模式控制位，分别接单片机p0. 6,p0. 7o3.1软件功能概述在系统的硬件确定以后，功能完善的软件能够很好的指导和协调硬件的工 作，可使系统发挥其最大的作用，并且便利以后的更新换代升级。一个完整的系统都离不开对系统状态的监控，为了更好的协调软件，硬件 各个部分正常工作就必须对整个系统进行严密监控。在本系统中定吋器t0中 断服务程序担任数据读取，处理和输出显示任务，每隔一立的时间对a/d转化 进行一次采样，并进行相应的处理，在经过led驱动电路来实现液位的显示。 而主程序完成的任务和对简单，它只是完成初始化和启

25、动t0定时的工作。3.2主程序设计在本系统中主程序完成的任务相对简单，它只是完成初始化和启动to定 时的工作。图3-1主程序设计3.3定时器to中断服务程序to中断服务程序完成的任务比较多，主要包括：每一秒启动一次a/d转换, 读取并处理数据，显示和超限报警。to中断服务程序流程图如图3-2所示： 其屮读取和处理数据放到a/d值读取子程序;显示放到led显示子程序；由于 液位是一种变化比较缓慢的量，故只需每隔一定时间检测一次即可满足需要, 在此选定秒检测次，即1秒进行一次a/d转换。由于本系统所用晶振为 12mhz,故定时器每计时一次用时为1/12*10" (-6) * 12s=lu

26、s,因此定时器为 16位定时器,故最多计时216=65536次，即计时65536us二65. 536ms,此时 用定时器t0定时50ms,则当定时器定时20次，共定时20*50ms二1s,满足系 统需要。据tc=m-t/t计数(t=50ms,t计数二lus, m二2八16)得tc二15536则定时器初值为th0=3c, tlo=boo超限预警则是通过把a/d转换值与上下限值比较 得出液位是否有超限，若超限则输出高电平驱动蜂鸣器报警。图3-2定时器to中断服务子程序序图3-3 a/d转换子程3.4 a/d转换子程序a/d转换子程序主要完成a/d值的读取以及数据的处理。因为ad574a进行a/d转

27、换的过程中第28脚sts二0,转换完成后sts二1,故启动a/d转换后要先 检测sts,若sts为高电平才进行a/d值读取操作，a/d值读取要先写读高8 位控制字，然后读取高8位，再写入读低4位控制字然后读取低4位，将读 取得到的12位数据用于计算得到液位值，然后再对液位值逐步分离，分别得 到数码管显示饿百位，十位，个位和一位小数位，并将它们放到字符数组a/dv【4】屮，用于led显示，a/d转换子程序流程图如图3-3所示：3. 5 led显不子程序led显示子程序主要完成液位值的显示，本系统采用数码管专用驱动芯品 icm7218驱动4位七段数码管用于液位值的显示，只需要把要显示的数据写入 i

28、cm7218的ram中即可，由于该芯品默认驱动八位数码管，必须写入8字节显 示数据，而此系统只用低4位，只需把高4位置为随机数即可，故先通过 tcm7218的控制位wr=o和m0de1使芯片工作于方式1,写入控制字，然后使 mode二0使芯片工作于方式0,写入8字节数据即可完成液位值的led显示。 led显不子程序流程图如图34所不：图34 led显不子程序4结论本次毕业设计主要是为了改善现有液位检测系统精度不高，速度慢，智 能化程度低的缺点，给生产提供精度更高，速度更快，更加智能的液位检测 系统。整个系统实现了预期的目标，达到了控制的高精度，高速，智能型的要 求：1. 高精度：使用lm104

29、2z作为长安其能够输出与液位成正比的电压信 号，使用ad574a作为a/d转换芯片，来达到提高精度的冃的，lm1042 作为能够输出与液位成正比信号的屯压信号，ad574a是12位a/d 转换芯片，并非线性误差仅为±1ij3s。2. 高速：使用ad574a作为a/d转换芯片，其转换时间仅为25us。3. 智能型：单片机at89c51读取液位信息经过处理得到液位高度，并 判断是否超限，若超限则驱动蜂鸣器报警，提高系统智能化程度。但是也存在不少的不足，由于电源的波动，传感器的电气特性等问 题，使得a/d转换结果有时波动很大，这样就可能出现误报警。由 于时间的关系，系统中本应具有的根据液位

30、变化自动调节液位的功 能没有实现，而只是实现了超限报警。由于上述缺点的存在，此系 统不是很完善，还有待进步改进和完善。通过这次设计，更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业 的认识也更加深入，使自己对本专业更加的热爱，对本科阶段四年 的学习做了进一步的总结，更加明确了自己学习的目标和方向，由 很多感悟和体验心得。而且，对工程设计的流程和步骤有了清晰的 认识，为自己日后的学习和研究打下了坚实的基础。在这次系统设计过程中，我深刻的认识到要做好一个项冃，不仅需 要学好本身相关知识，还要广泛涉猎其他学科知识。不仅需要有坚 实的知识，还要有坚强的意志和精益求精的精神，追求，只有这样 才能做好工程项冃

31、。才能成为一名合格的人才。参考文献【1】c语言程序设计教程第三版高等教育出版社【2】单片机c语言windows环境编程宝典北京航空航天大学出版社38051 c语言实习中国水利水电出版社【4】单片机原理及其接口技术（第二版）清华大学出版社附录附录一主程序代码#include<reg51 h>define a_d1n plttdcfinc icmout p2sbit buzzer=p0 3;sbit icmmode二p0“6;sbit 1cmwr 二 p(t7;sbit sts二p3"0;sbit rco二p3j;sbit ao二p3"2;sbit cs0=p33;sbit ce=p34;unsigned char advo,advl;/a_d转换得到值unsigned hmax, hmin;上下限值unsigned char a_dv4;/当前液位值float u1,u2,i1;voi d torun (voi d);/to启动子程序void icmdis(unsigned char a_dv);/led显示子程序void a_drun(void);/启动a_d转换子程序unsi