基于单片机的液位监控系统毕业设计

1、【精品】基于单片机的液位监控系统毕业设计 摘 要本文设计的基于单片机的液位监控系统是一种利用超声波技术电子技术电磁开关技术相结合来实现非接触式液位测量和控制系统能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用在工业监测和控制等方面得到了广泛应用近些年来工业水平的不断发展对液位测量的精度广度和抗干扰性提出了越来越高的要求超声波测距技术本身也在不断的完善和发展测距仪更趋向小型化和智能化逐步实现了高精确度高可靠性安全性和多功能化本设计的主要任务是以单片机为主控制器开发一个基于单片机的液位监控系统可测量并显示液位还可以通过单片机控制把液位限定在某一范围内在单片机控制失效的情况下发出报警信号提醒工作人员进行

2、手动控制研究内容包括超声波测距的基本原理与方法精度影响因素的分析与解决办法单片机对阀门的控制方法监控系统的整体方案设计硬件设计软件流程设计等设计完成之后提供一套可以使用的超声波测距仪测量范围和测量精度满足一般工业应用需要设计完成之后应提供一套可以用于一般工业生产的液位监控系统通过毕业设计的整个过程可以综合运用传感器单片机电子电路和程序设计方面的知识锻炼和提高动手能力参与科研工作的能力关键词单片机 超声波 测距 液位监控AbstractThe monolithic machine-based liquid place supervisory control system the main bod

3、y of a book is designed has been that one kind of the contact-type liquid making use of the ultrasonic technology electron technology electromagnetism switch technology to realize combining with coming each other place measures and controls system has been able to be put into use under some speciall

4、y appointed occasion or environment is comparatively very bad situation has got extensive use in the field of industry monitoring and controlling and so on Horizontal uninterrupted growth of industry has brought forward the more and more high request to accuracy extent and anti-interference sex that

5、 the liquid place measures in recent year self cant be in the ultrasonic distance measurement technology perfect ceaseless and developed the range finder is incline to minaturized and intellectualized step by step have realized high precision high reliability security and multifunctional-rizationThi

6、s designs primary mission is by the monolithic integrated circuit primarily controller develops one based on monolithic integrated circuits fluid position supervisory system measurable quantity and disclosing solution position but may also through the monolithic integrated circuit control the fluid

7、position define that in some scope the situation which expires in the monolithic integrated circuit control after-crops the alarm the reminder staff carries on the hand control Research content including ultrasonic rangings basic principle and method precision influencing factor analysis and solutio

8、n monolithic integrated circuit to valve control method supervisory systems overall plan design hardware design software flow design and so on After the design completes provides the ultrasonic wave distance gauge which a set may use the measuring range and the measuring accuracy meet the general in

9、dustrial application needs After the design completes should provide a set to be possible to use in the general industrial production the fluid position supervisory system Through graduation projects entire process may synthesize the utilization sensor the monolithic integrated circuit the electroni

10、c circuit and the programming aspect knowledge the exercise and enhancement beginning ability participation scientific effort abilityKeywordsMonolithic machine Ultrasonic Distance measurement The place monitors liquid摘 要1Abstract21 绪 论111意课题的提出和义1111 课题的提出1112 课题意义112 国内外液位监测技术的发展现状113 国内外超声波测距方面的研究

11、现状314 本文的主要内容32 超声波液位测量的理论基础521 超声波的定义522 超声波的物理特性5221 超声波的类型5222 超声波的传播523 超声波液位测量原理624 超声波测距原理6241 超声波回波检测法6242 发射脉冲波形7243 超声波渡越时间的计量方法分析725 超声波接收发射装置83 超声波液位监控系统硬件设计1031 系统总体方案设计1032 超声波测距系统的硬件设计11321 超声波频率的选择11322 单双探头的选择11323 超声波发射电路11324 超声波的接收和处理单元15325 温度补偿单元18326 显示电路设计23327 键盘电路设计24328 电磁阀

12、控制电路设计24329 报警电路设计253210 系统控制单元2533 电源电路的设计27331 直流稳压电源的组成27332 直流稳压电源的分类27333 系统供电电源的设计2834 液位监控系统的软件设计30341 系统软件总体设计思想30342 主程序流程设计30343 测温子程序设计30344 按键子程序设计35345 显示子程序设计3535 抗干扰设计384 超声波测液位的误差分析3941 环境对测量的影响39411 温度对声速的影响39412 湿度对超声波衰减程度的影响4142 仪器电路对测量的影响41421 硬件电路引起的时间误差及修正41422 触发时间引起的误差415 总结4

13、3致 谢44参考文献45附图146附图2471 绪 论11意课题的提出和义111 课题的提出在日常生产和生活中常遇到液位的监测问题尤其在许多工业生产系统中需要对系统的液位或物料位进行监测特别是对具有腐蚀性的液体液位的测量传统的电极法是采用差位分布电极通过给电脉冲来检测液面电极长期浸泡在液体中极易被腐蚀电解失去灵敏性因而对测试设备的抗腐蚀性要求较高超声波液位检测系统利用了超声波传感技术的原理采取一种非接触式的测量方法能够实现对工业系统中液位或物料位的检测而且超声波具有很好的指向性和束射特性人耳听不见一般不会对人体造成伤害监控工程实施方便迅速易做到实时控制而且测量精度又能达到工业实用的要求所以有广

14、泛的应用前景目前液位的检测越来越受到重视随着人们生活水平和工业标准的提高检测的精度和实时性要求也越来越高另外还要求系统能提供对液位的自动控制功能也就是说今后液位的监测和控制系统的研究将是一个重要的课题112 课题意义为了降低工人的劳动强度改善工人的工作环境节省财力物力避免资源的浪费特别是对一些具有高温高压低温低压有辐射性毒性易挥发易爆等液体就要对液位进行检测而且液位的检测显得尤为重要而对于这些影响身体健康的液体不易在现场直接进行检测必须通过一定的技术进行监控12 国内外液位监测技术的发展现状储罐液位测量来源于石油和化工业是工业测量中极为广阔的领域准确的液位测量是生产过程控制的重要手段早期由于工

15、业领域生产规模不大储罐液位测量主要采用法兰式液位变送器和吹气式等机械式测量方法但随着生产规模的进一步扩大所需的储罐数量变多体积变大原先的测量方法的弊端愈发变得突出其缺点如下1 法兰式液位变送器需要保温施工及维护工作量较大 2 吹气式用的吹气管要特殊订货且还要定期更换维护工作量较大吹气式要消耗仪表气有能耗它还需要敷设气源管安装及维护工作量较大这一系列问题的解决有待于新的测量方法的出现从上世纪八十年代开始一些发达国家就借助微电子计算机光纤超声波传感器等高科技的研究成果将各种新技术新方法应用到储罐测量领域电子式测量方法便是其中的重要成果之一在电子式液位测量方法中有许多新的测量原理包括压电式应变式雷达

16、式超声波式浮球式电容式磁致伸缩式伺服式混合式等二十多种测量技术由于该方法测量精度高可靠性强持续时间长安装维护简单因而正在逐步取代旧的机械式液位测量方法据202年美国市场调查结果表明电子式测量仪的使用率占市场的76左右机械式仅占15用于储罐液位测量的众多电子式技术中压电式超声波式应变式浮球式电容式五种测量技术应用最为广泛约占总数的60以上其中超声波式测量技术的应用份额预计在2007年占到最大超声波液位测量有很多优点它不仅能够定点和连续检测液位而且能够方便地提供遥控或遥控所需的信号与放射性技术相比超声技术不需要防护与目前的激光测量液位技术相比超声方法比较简单而且价格较低一般说来超声波测位技术不需要

17、有运动的部件所以在安装和维护上有很大的优越性特别是超声测位技术可以选用气体液体或固体来作为传声媒质因而有较大的适应性所以在测量要求比较特殊一般测位技术无法采用时超声测位技术往往仍能适用当然各种方法都有其独特的优点在特定的场合某种方法很可能比超声方法更为有效或经济例如在测量要求比较一般时机械浮子方法就比超声方法更加经济在精度要求特别高的某些情况下光学测距或激光测距可能比超声方法更为精密13 国内外超声波测距方面的研究现状 随着超声波技术研究的不断深入再加上其具有的高精度无损非接触等优点超声波的应用变得越来越普及根据超声波原理制成的测量仪器也越来越多国内外对超声波测距仪研究主要在大量程测距高精度测

18、距以及测距仪的智能化和网络化等几个方向 澳大利亚HAWK公司HPAWK系列产品使超声波测距技术有了重大的突破她不仅拓宽了擦超声波测距技术的应用场合适用极恶劣的工作环境而且适用智能调节技术大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标让用户使用无后顾之忧智能的全自动调节发波频率自动的温差补偿功能使其工作更加稳定可靠HPAWK系列产品还拥有灵活多样的通讯方式可编程故障保护模式它还拥有先进的远程GSMCDMA互联网调试功能使得用户随时可以得到技术支持它以其尖端的技术稳定可靠的工作质量在化工电力冶金煤矿轻工码头汽车等行业得到广泛的应用 国内在超声波测距仪的研究国内相对落后一些但也出现了很多功能和性能都很不错的

19、产品技术上也有很大的发展不过尖端的产品和技术都不是应用最多的应用最多的就是适用型的技术和产品以最简单的方式实现合乎要求的功能14 本文的主要内容本文的主要任务是以单片机为主控制器开发一个基于超声波测距的液位监控系统可测量并显示距离还可以通过单片机控制把液位限定在某一范围内在单片机控制失效的情况下发出报警信号提醒工作人员进行手动控制研究设计内容包括一超声波测距的基本原理与方法二超声波监控系统的整体方案设计三超声波测距电路的设计四控制电路设计五系统软件流程设计六电源电路的设计七PCB布线及硬件抗干扰设计八超声波测距的误差分析设计完成之后提供一个可以应用于一般工业的完整的超声波液位监控系统的设计方案

20、测量范围和测量精度满足一般工业应用需要通过毕业设计的整个过程可以综合运用传感器单片机电子电路和程序设计等方面的知识锻炼和提高科研的能力2 超声波液位测量的理论基础21 超声波的定义人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应能引起人们听觉的机械波频率在20Hz20kHz超声波是频率大于20kHz的机械波在通常的超声波测距系统中用电脉冲激励超声探头的压电晶片使其产生机械振动这种振动在与其接触的介质中传播形成超声波22 超声波的物理特性221 超声波的类型根据波动中质点振动方向与波的传播方向的不同关系可将波动分为多种波型在超声波检测中主要应用的波型有纵波横波表面波 瑞利波 和兰姆波本文主要

21、应用的是超声纵波222 超声波的传播在超声波传播过程中被超声所充满的空间称为超声场与超声波的波长相比如果超声场很强这时超声波就像处在一种无限的媒介中超声波自由地向外扩散反之如果超声波的波长与相邻媒介的尺寸相近则超声波受界面限制不能自由地向外扩散用来描述超声场的特征量主要包括声速声压声强以及媒介的特征阻抗等等超声场的物理性质主要有反射与折射衰减与吸收叠加与干涉等由于超声波也是一种声波超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关理论上在13的海水里声音的传播速度为1500ms在盐度水平为35深度为Om温度为0的环境下声波的速度为14493ms声音在25空气中传播速度的理论值为344ms这个速度在0时降

22、为334ms声波传输距离首先和大气的吸收性有关其次温度湿度大气压也是其中的因素而这些因素对大气中声波衰减的效果比较明显温度是和其他常数一样决定声音速度的第二因素它和温度的关系可以用以下公式来表示C 33145061T 米秒 在使用时如果温度变化不大则可认为声速是基本不变的如果测距精度要求很高则应通过温度补偿的方法加以校正声速确定后只要测得超声波往返的时间即可求得距离这就是超声波测距系统的机理23 超声波液位测量原理超声波液位测量其实就是要测量超声波测距仪到页面的距离如果超声波测距仪安装在底部测得的距离即为液位高度如果超声波测距仪安装在液面上方需要通过换算来算得液位高度液罐总高度减去测得的距离即

23、为液位高度本文选择把测距仪安装在液面上面测距仪安装相对方便些24 超声波测距原理241 超声波回波检测法超声波测距的方法有多种如相位检测法声波幅值检测法和往返时间检测法卧劝相位检测法虽然精度高但检测范围有限声波幅值法易受反射波的影响在超声检测技术特别是超声测量技术中使用最广泛的是超声波回波检测法通过测量超声波经反射放大后到达接收端的时间与发射时间之差实现距离测量称为TOF Time of Flight 方法也叫渡越时间法渡越时间法实现简单被广泛的应用于声学测距系统它的原理是超声波发射器发出单个或一组超声波脉冲在发射时刻同时计时器开始计时超声波在空气中传播途中遇到被测目标经过反射到达超声波接收端

24、此时停止计时器计时得到的时间t就是超声波在发射器和被测目标之间来回传播的时间242 发射脉冲波形超声测距常用的发射脉冲波形如图2-1所示有单个尖脉冲衰减振荡脉冲窄等幅波列脉冲和宽等幅波列脉冲由于媒介中超声波的衰减系数是频率的函数同一发射的脉冲波中不同频率成分的波将以不同的群速度传播这使得脉冲波形将随着传播距离的增大而发生畸变并且这种畸变程度随距离的增加而变得显著在要求分辨力较高和盲区较短的超声测量技术中一般使用宽度较窄的脉冲波但脉冲越窄则频谱分量越丰富波形畸变越严重在要求传播距离较远的超声测量技术中则倾向采用较宽的等幅脉冲波由于维持振动的周期数较多宽等幅脉冲波的频谱分量较纯些能量较大畸变较小所

25、以适合于传播较远的距离图2-1 超声波测距常用发射脉冲波形243 超声波渡越时间的计量方法分析根据超声波测距的原理发射换能器发出的超声波在媒介中传播到物体表面经过反射后再通过媒介返回到接收换能器通过测量超声波从发射到接收所需的时间 根据媒介中的声速 v 就能计算出从换能器到物体表面之间的距离 L 被测距离的表达式 2-8由上式计算出测量误差 2-9式中 -测距误差-声速t-时间测量误差-声速误差 如果要求测量误差小于001米由于超声波在20时的速度为344ms忽略声速误差则 2-10 显然直接测量的方法是行不通的所以采用脉冲计数的方法间接测量被测时间就可以满足高精度要求25 超声波接收发射装置

26、以超声波为检测手段包括发射超声波和接收超声波并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器习惯上称为超声波换能器或超声波探头常用的超声波传感器有两种即压电式超声波传感器域称压电式超声波探头 和磁致式超声波传感器本论文采用的是压电式超声波传感器主要由超声波发射器 或称发射探头 和超声波接收器 或称接收探头 两部分组成它们都是利用压电材料 如石英压电陶瓷等 的压电效应进行工作的利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动产生超声波以此作为超声波的发射器而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号以此作为超声波的接收器一般压电式超声波换能器有两个共振频率低频共振频率叫串联共振频率 此时阻耗

27、R 最小用于发送超声波高频的共振频率称为逆共振频率 a 主要是产生共振用于接收超声波而在串联共振频率 处发送灵敏度最高在逆共振频率 a 处接收灵敏度最高所以选用一对超声波换能器使其效率最高超声波传感器产生振荡的方法很多主要有以下几种阿1由外部电路产生振荡如NE555低频振荡器调制40kH之的高频信号高频信号通过超声波传感器以声能形式辐射出去 2 使用工业用小功率超声波收发控制集成电路LM1812驱动发送超声波传感器振荡 3 采用单片机内部的定时器或直接使用程序产生固定的脉冲通过放大处理后驱动发送超声波传感器产生超声波3 超声波液位监控系统硬件设计31 系统总体方案设计本文设计的超声波液位监控系

28、统工作原理框图如图3-1所示该系统由AT89C2051 单片机超声波发射电路接收放大电路环境温度采集电路报警电路控制键盘控制电路及显示电路组成AT89C2051 单片机是整个系统的核心部件协调各部件的工作发射驱动模块振荡源和放大驱动电路单片机控制发射模块产生40kHz的频率信号来驱动超声波传感器每次发射包含若干个脉冲发射持续约015ms当第一个超声波脉冲发射后计数器开始计数在检测到第一个回波脉冲的瞬间计数器停止计数这样就能够得到从发射到接收的时间t温度采集电路也将现场环境温度数据采集送到单片机中提供计算距离时对超声波传播速度的修正最终单片机利用公式s 12vt和v 3315 0607T计算出被

29、测距离然后与系统预设距离比较如果小于预设最低液位或者大于预设最高液位单片机进行液体流入流出自动控制当液位变化过快或者其他单片机无法进行液位控制的情况下单片机启动报警电路通知工作人员进行人为干预完成这些步骤进行第二次超声波发射在这过程中单片机显示电路不断的更新显示的液位值其中控制键盘可以控制系统的液位变化范围最高液位h1和最低液位h2和报警参数h超出极限低液位或极高液位认为单片机不能完成自动控制32 超声波测距系统的硬件设计321 超声波频率的选择超声波发散角10米超声波测距精度和超声波频率成正比因此频率过低会影响测距精度根据一般工业需要结合其它因素本系统采用40 KHz左右的频率322 单双探

30、头的选择如果使用单超声波探头将会影响最小测量距离而且可能会在转换时有噪声产生因此本系统采用收发分离双超声波探头323 超声波发射电路1超声波发射电路功能发射电路目的为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号依据电路需要发射电路满足下列要求 振荡电路振荡频率可调 驱动能力较高 IO口控制口2超声波振荡电路当加载在超声波传感器的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时发生共振电信号电能能高效率的转化为机械声波机械能一般厂家生产的超声波传感器标识的固有频率是40KHz实际有偏差如40士05KHz故设计可调频率振荡电路以便将信号频率调到超声波传感器的固有频率上荡电路有多种设计方案方案选择如下方案一利用非门或

31、与非门和电阻一起构成振荡电路如图3-2所示图3-2 非门和电阻电容组成的振荡电路这个电路组成的是最简单的振荡器这种振荡器特点是T 1423 R×C且电源波动将使频率不稳定适合小于100KHz的低频振荡情况此振荡是上电振荡不方便控制方案二采用两三极管和电阻电容构成的振荡器如图3-3所示方案三LC三点振荡电路如图3-4所示图 3-3 三极管和电阻电容构成的振荡器方案四555芯片组成振荡电路如图3-5所示555芯片振荡电路外围元件少电路简单振荡频率可调可产生方波和三角波可调整波形占空比在很多电路中都用到如图3-5所示图3-4 LC三点振荡电路图 3-5 555芯片组成振荡电路上面几个振荡电

32、路都是很实用的电路外围元件少电路简单芯片驱动能力大振荡输出的信号为方波信号考虑系统需要和方便本文中的振荡电路选方案四用555芯片和外围元件构成振荡电路此电路稳定且易控制本文中采用的555芯片振荡电路 频率的计算如下RA 15K RB 15K C 1000pFTL 069x RBx C 069x15x103x1000x 10-12 10secTH 069 x RA RB x C 069 x 165 x 103 x 1000 x 10-12 11secf 1 TL TH 1 1035 1139 x 10-6 460 KHz 3超声波驱动电路原理图驱动电路目的为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号驱动

33、电路要求产生出具有一定功率一定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去激励发射器由发射器将电能转换为超声机械波机械能驱动电路有几种方案如下采用专用芯片驱动由分立元件组成的驱动电路其价格便宜元件普通调试方便采用变压器提升电压增加驱动能力采用非门并接利用芯片的驱动能力声波在空气中传播受空气介质影响距离越大衰减越大为能接收远距离得回波采取有效措施有增加驱动功率减小声波频率 频率越低衰减越慢 本文采用变压器升压增加驱动能力整个发射电路由555振荡电路晶体管放大电路变压器以及压电超声波传感器组成40kHz振荡信号由555集成块和周围电路产生然后送至放大电路驱动压电传感器发出一系列的脉冲群每一个脉冲群持续时间大约

34、为015ms 左右信号经过三级管放大再经过阻抗匹配电路即变压器 变压器输入输出比110 后驱动超声波发射头发射换能器两端就加上了高电压内部的压电晶片开始震动经过压电换能器将发出40kHZ的脉冲超声波具体电路如图3-6所示图 3-6 超声波发射电路324 超声波的接收和处理单元 1 超声波接收电路功能根据电路需求需要接收放大电路满足以下要求微弱信号放大放大倍数要求从mv到V波形整形如图3-7所示超声波接收器将接收到回波信号转换成电压信号 正弦波 信号经过两级放大以后被送入电压比较器进行比较电压比较器输出的方波信号直接输入INT0中断口该低电平作为AT89c51外部中断0的中断信号使AT89C51

35、产生中断在中断服务程序中停止计数器T0的计时并计算出有关数据由此可见接收电路完成了超声波回波信号的换向识别转换信号的放大和整形以及产生中断信号等功能如图3-7进行波形处理图3-7 接收电路信号变化关系图2超声波接收电路电路微弱信号需要放大整形因此接收部分电路主要由放大电路电压比较电路构成根据所用的TR40-16型超声波传感器的资料以及在实验中所观察到的现象超声波发射器在发射超声波时有一部分声波从发射器直接传到接收器这部分信号直接加到回波信号中干扰回波信号的检测此问题在软件中处理超声波接收电路将接收换能器输出的微弱信号进行滤波放大检波整形来得到大幅值电信号供单片机INT0端口辨识接收电路可采用新

36、产品专用集成电路也可用传统的滤波放大检波整形的电路过去均采用分立元件构成现在可以用专用超声波接收集成电路来代替还可以使用价格便宜的极普通的Mpc08C作为超声波的放大电路采用独特的连接方式可获得非常好的应用效果通过比较几个电路用集成芯片固然能简单快捷外围元件少但是通过多级运放作为放大电路能改变放大倍数能适应小信号的采集综合因素考虑本论文中采用图3-8所示的电路即采用运算放大器TL084CN构成放大电路当频率为40KHz时理论上极限放大约1000倍但实际工作中不可能让放大器工作于极限状态放大倍数过高易产生自激振荡因此采用两极放大每级放大倍数455倍 放大电路两级放大放大倍数分别为455×

37、;4 55 在此电路中R108并接接收器两端其目的取微弱信号为电压信号供放大电路放大放大电路的输入阻值为18M远远大于100K灵敏度高放大电压幅值为25士1V士1V随距离远近而变化 C108连接前后两极放大阻两极间直流通两极间交流 运放芯片采用TL084供电电压为9V单电压供电 在接收器的输入端接入25V是为了将微弱信号加载在25V使信号更有利于放大除去不必要的干扰图3-8 由TL084集成运放两级放大接收电路 比较电路的设计比较电路目的是将mV级的微弱信号放大后的V级信号整形成能为INT0辨识的脉冲信号本文是下降沿引起中断根据硬件电路的设计思想要将回波信号转换成CPU识别的高低中断信号所以在

38、对回波信号 正弦波 经过两次放大以后需要将正弦波整形成方波于是后面接了一个电压比较电路考虑输入频率为40KHz采用了集成电压比较器LM393LM393具有低偏置电流和失调电流 典型值分别为100nA和6nA 其响应速度为200ns可用单电源供电 如5V 也可用双电源供电 如±12V 在本系统中采用了5V单电源供电通过实验观察LM393输出信号符合设计要求单片机INT0端口识别引脚1处标准下降沿具体电路如图3-9所示图3-9 LM393构成比较电路如图3-9所示放大后的信号由LM393第2脚进入在第3脚是25V有一个电容电阻接入的比较基准电压由于R2电阻可调4即根据输入的信号可以调节基

39、准电压可以有效地防止千扰LM393是9V 可调 供电需要在输出端口接上一个上拉电阻R3该电阻由5V供电将9V高电平拉低到5V高电平供单片机INTO端口识别 完整的超声波接收和处理电路如图3-10所示325 温度补偿单元1补偿目的声波在介质中的速度受介质介质温度影响在本课题中介质是空气空气颗粒较小对超声波衰减影响较小忽视其带来的影响但空气温度变化影响较大不容忽视图3-10 超声波的接收和处理电路2DS18B20简介DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器与传统的热敏电阻相比 他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的

40、数字值读数表方式可以分别在93175ms和750ms内完成9位和12位的数字量 并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线 单线接口 读写 温度变换功率来源于数据总线 总线本身也可以向所挂接的DS18 B20供电 而无需额外电源因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单 可靠性更高他在测温精度转换时间传输距离分辨率等方面较DS1820 有了很大的改进 给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果DS18B20的内部结构DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装 其内部结构框图如图3-11所示64b闪速ROM 的结构如下8b检验CRC48b序列号8b工厂代码1

41、0HMSB LSBMSB LSBMSB LSB图3-11DS18B20 内部结构图开始8位是产品类型的编号 接着是每个器件的惟一的序号 共有48 位 最后8位是前56位的CRC校验码 这也是多个DS18B20 可以采用一线进行通信的原因 非易市失性温度报警触发器TH 和TL 可通过软件写入用户报警上下限 高速暂存存储器DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM后者用于存储TH TL值数据先写入RAM 经校验后再传给E2RAM而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节 他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率

42、将温度转换为相应精度的数值该字节各位的定义如下TMR1R011111低5位一直都是1 TM是测试模式位 用于设置DS18B20 在工作模式还是在测试模式在DS18B20 出厂时该位被设置为0 用户不要去改动 R1和R0决定温度转换的精度位数 即是来设置分辨率 如表3-3所示 DS18B20出厂时被设置为12 位 表3-3 R1和R0模式表R1R0分辨率分辨率温度最大转换时间ms009位93750110位18751011位275001112位75000由表3-3可见 设定的分辨率越高 所需要的温度数据转换时间就越长因此 在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑高速暂存存储器除了配置寄存器外 还有

43、其他8个字节组成 其分配如下所示其中温度信息 第12字节 TH 和TL 值第3 4字节第68 字节未用表现为全逻辑1 第9字节读出的是前面所有8 个字节的CRC 码 可用来保证通信正确温度低位温度高位T HTL配置保留保留保留8 位CRCLSBMSB当DS18B20接收到温度转换命令后 开始启动转换转换完成后的温度值就以16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1 2 字节单片机可通过单线接口读到该数据 读取时低位在前 高位在后 数据格式以010625LSB形式表示温度值格式如下232221202-12-22-32-4MSBLSB SSSSS262524MSBLSB对应的温度计

44、算 当符号位S 0时 直接将二进制位转换为十进制当S 1时 先将补码变换为原码再计算十进制值表3-4是对应的一部分温度值表3-4部分温度值温度二进制表示十六进制表示 12500000111 01000007D0H 25062500000001 100100010191H 0500000000 000010000008H000000000 000000000000H- 0511111111 11111000FFF8H- 25062 511111110 01101111FE6FH-5511111100 10010000FC90HDS18B20 完成温度转换后 就把测得的温度值与TH TL作比较 若

45、T TH 或T TL 则将该器件内的告警标志置位 并对主机发出的告警搜索命令作出响应因此 可用多只DS18B20 同时测量温度并进行告警搜索DS18B20与单片机的接口电路见图3-13图 3-13 DS18B20与单片机的接口326 显示电路设计显示模块使用静态显示这样可以提高单片机工作效率同时提高显示亮度在室外使用时方便使用者读取数据所谓静态显示就是当显示某一字符时相应段的发光二极管恒定地导通或截止例如7段显示器的abcdef段导通gdp段截止则显示0这种显示方法的都需要有一个8位输出口控制对于51单片机可以在并行口上扩展多片锁存器74LS573做为静态显示器接口但这样做相对麻烦一些本系统直

46、接用四个IO口连接LED的片选端口静态显示器的优点是显示稳定在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度高控制系统在运行过程中仅仅在需要更新显示内容时单片机才执行一次显示子程序这样大大节省了单片机CPU的时间提高了单片机的工作效率缺点是位数多时硬件开销太大因此静态显示适合显示亮度要求高位数不多的情况下使用 本设计中的显示电路如图3-10其中七位段码由单片机P0口经过锁存器提供片选信号由单片机的P14P17四个IO口提供图3-10 显示电路327 键盘电路设计 键盘采用4×4矩阵式键盘接单片机P2口由程序扫P2口判断按下的是那个位置的键然后查询键值表执行相应的功能图 3-12 键盘控制

47、电路328 电磁阀控制电路设计液体由管道经过电磁阀注入系统通过控制电磁阀来控制液体的注入控制信号来自单片机的P16引脚经过三极管放大来驱动继电器电磁阀由继电器直接控制具体电路如图3-11所示图3-11 电磁阀控制电路其中R2R3为限流电阻防止三极管烧坏LED为继电器工作指示灯二极管D1起到保护继电器线圈的作用R4C4和R5共同起到消除继电器断开时产生的电弧329 报警电路设计报警电路由一个蜂鸣器组成由单片机的P24脚控制经过三极管放大驱动蜂鸣器测量的距离超出设定的距离后由程序将单片机的P24置1蜂鸣器开始发声3210 系统控制单元控制单元由单片机AT89C51和周围器件构成AT89C51是一个

48、2k字节可编程EPROM的高性能微控制器它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容因而是一种功能强大的微控制器它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案AT89C51有以下特点2k字节EPROM128字节RAM15根IO线2 个16位定时计数器5个向量二级中断结构1个全双向的串行口并且内含精密模拟比较器和片内振荡器具有425V至55V的电压工作范围和12MHz24MHz工作频率同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁掉电和时钟电路等此外AT89C51还支持二种软件可选的电源节电方式空闲时CPU停止而让RAM定时计数器串行口和中断系统继续工作可掉电保存RAM的内容但可使振荡器停振以禁止芯

49、片所有的其它功能直到下一次硬件复位AT89C51有2个16位计时计数器寄存器Timer0 和Timer1作为一个定时器每个机器周期寄存器增加1这样寄存器即可计数机器周期因为一个机器周期有12个振荡器周期所以计数率是振荡器频率的112作为一个计数器该寄存器在相应的外部输入脚P34T0和P35T1上出现从1至0的变化时增1由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化所以最大的计数率是振荡器频率的124可以对外部的输入端P32INT0和P33INT1编程便于测量脉冲宽度的门充分利用AT89C51的片内资源即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的液位监控系统C1C2Y4组成时钟电路为单片机工作提供时钟脉

50、冲R1C1S1共同组成复位电路P30与DS18B20相连通过程序控制完成与DS18B20的通信和对DS18B20的控制P17接发射电路的控制信号接口有单片机程序控制P17的电平来完成对发射电路的控制P32与接收电路的输出电平接口相连当接收电路输出低电平的时候P17引发中断P0口接的是显示电路P16接一个开关单片机程序通过查询P16来控制系统的工作和停止P0口为显示数据接口P10P13为LED片选信号接口通过程序来选中其中一个LED芯片P15为电磁阀控制接口通过程序控制P15的电平来控制电磁阀的打开和关闭P14为报警电路接口P14高电平启动报警电路低电平关闭报警电路停止报警P2口为键盘接口通过软

51、件扫描P2口再查询键值表然后再执行相应的程序来完成键盘相应的功能图 3-12 系统控制模块33 电源电路的设计331 直流稳压电源的组成 小功率稳压电源是由电源变压器整流滤波和稳压电路等四部分组成的 其框图如图3-12所示 图3-12直流稳压电源组成框图220V交流电压变成所需的交流电压变压过程通常由变压器来完成如收录机VCD黑白电视机等设备的电源大都是用变压器来降低电网电压的 3 滤波器将脉动直流中的交流成分滤除减少交流成分增加直流成分常用的滤波电路有电容滤波电感滤波及阻容滤波等电路 4 稳压电路滤波后的电压还会随电网电压波动一般有±10左右的波动和随负载温度的变化而变化稳压电路的

52、作用是克服电网电压波动负载和温度变化时所引起的输出电压的变化维持输出直流电压稳定 332 直流稳压电源的分类 直流稳压电源的种类很多常见的主要有以下四类 1 稳压二极管稳压电源其特点是电路结构简单但功率较小稳压精度低晶体管串联调整式稳压电源其主要特点是电路结构比较简单工作可靠功率较大稳压精度高无电磁干扰但效率低集成稳压器其特点是体积小可靠性高以及温度特性好而且使用方便价格便宜开关式稳压电源它的主要特点是效率高温升低电路便于集成化但电路较复杂并有高频干扰存在当负载要求功率较大且效率高时常采用开关型稳压电源8V和15V两个电压输出然后经过两个整流电路进行整流整流电路使用最为简单常用的单向桥式整流电

53、路整流电路输出的电压是单相脉动电压通常用它的平均值与直流电压等效输出平均电压为流过负载的平均电流为流过二极管的平均电流为二极管所承受的最大反向电压本文中采用ESAC82-004二极管 滤波电路如图3-14图3-14 滤波电路稳压电路为了设计简单电源工作可靠本文采用集成稳压模块进行稳压5V9V12V分别使用LM7805LM7809LM7812进行稳压25V电压由于工作电流很小使用电阻分压从5V电源中获得3 系统电源整体电路设计所设计的直流稳压电源电路的电气原理图如图3-15所示它由降压变压器整流桥滤波电路和集成稳压芯片组成这样设计相对简单也能满足系统的需要图3-15 电源原理图34 液位监控系统

54、的软件设计341 系统软件总体设计思想采用模块化程序设计思想对不同功能的程序进行分别编程其中环境温度的检测由定时器中断来控制没隔一段时间测一次温度系统工作流程如下首先主程序完成初始化然后发生超声波并启动计时器开始计时为避免串扰在发射期间接收中断INT0关闭在发射完毕后开启中断INT0当超声波回波被接收到后引发中断停止计时然后读取温度和时间再确定该温度下超声波在液体中的传播速度最后计算液位计算出液位后与预设的最高液位和最低液位值进行比较如果超出预设值就做出相应的自动操作再往后和液位极限值比较如果超过极限值就认定系统不能完成自动控制启动报警电路提醒相关人员进行人为操作最后调用显示子程序如果不需要系

55、统进行任何操作的话就直接调用显示子程序342 主程序流程设计 主程序主要完成初始化和协调子程序调用的工作首先主程序要完成单片机存储系统的初始化然后开始发射超声波并启动计时器等接收电路接收到超声波信号后引发中断中断程序执行完毕后主程序开始处理数据最后做出相应的动作具体流程见下页图3-16所示343 测温子程序设计测温子程序由定时中断执行每隔一段时间测一次温度测温程序如下include sbit DQ P37 定义通信端口延时函数extern delay int n extern void send unsigned char ff 初始化函数Init_DS18B20 void unsigned char x 0DQ 1 DQ复位delay 8 稍做延时DQ 0 单片机将DQ拉低delay 80 精确延时 大于 480usDQ 1 拉高总线delay 14 x DQ 稍做延时后 如果x 0则初始化成功 x 1则初始化失败delay 20 读一个字节ReadOneChar void unsigned char i 0unsigned char dat 0for i 8i 0i- DQ 0 给脉冲信号dat 1DQ 1 给脉冲信号if DQ dat 0x80delay 4 ret