水位监控系统设计

1、河南理工大学毕业设计说明书目 录1 概述 .12 矿井水位监控系统的硬件设计 .42.1 系统硬件设计框图 .42.2 12C5A60S2单片机的选用 .52.2.1单片机的选择 . 52.2.2 STC12C5A60S2的引脚图及功能介绍 . 72.3各模块电路的设计 .92.3.1最小系统 . 102.3.2报警电路的设计 . 112.3.3驱动电路 . 162.3.4电源电路 . 172.3.5水位检测传感器 . 172.4系统硬件调试 .182.4.1 常见的硬件故障 . 182.4.2 硬件调试 . 192.4.3 硬件焊接过程中所碰到的问题及解决方法 . 193 软件设计部分 .2

2、04 测试 .225 结论 .25致谢 .26参考文献 .27附录一 .28附录二 .39河南理工大学毕业设计说明书1概述矿井水灾，是常见的煤矿主要灾害之一，如果煤矿生产过程中产生的水不及时的排放出矿井，将给整个矿井带来严重的安全隐患。目前，国内大多数矿井井下排水系统的水泵启、停及选择切换均由人来完成，不具备根据水位或其它参数自动开停水泵以及远程监控等功能。这种模式控制线路复杂、可靠性差、工人劳动强度大，存在很大的安全隐患。一些进行了自动化改造的国有矿井中央水泵房，在采区工作面发生透水事故时却表现出滞后性，更无法预测淹井水深，也不能及时采取措施。因此，完善矿井水仓水位监测监控系统，已成为建设现

3、代化矿井一种发展趋势。论文针对现有的矿井水仓水位检测及排水系统，研究适用于我国煤矿井下使用的矿井水仓水位监控系统。矿井巷道作为一个封闭的环境，积水主要流向水仓。该设计水位监控系统主要集中研究水仓的水位监控。超声波传感器与单片机相结合作为水位检测装置具有结构简单、测距技术较为成熟、水位检测精确等优点。由于主要集中测量矿井水仓水位，避免了巷道内其他杂物作为障碍物对于超声波传感器检测水位的影响。在水仓内需要监控的水面区域设置浮板作为超声波传感器发射超声波的反射界面，以达到实现对水仓水位的测量并根据具体水位是否危险决定是否报警和启动水泵进行水位控制。生产过程中矿井结构在不断变化,加之有些坑道空间狭小,

4、对线路的延伸和维护提出了很高的要求。一旦线路发生故障,整个监控电路会发生故障。该设计结构简单，对外界唯一依靠电源完全可以用5V移动电源代替，耗电量小是它的优点。电子技术、现代传感技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹。在工业、国防、科研等许多应用领域，智能检测系统正发挥着越来越大的作用。检测设备就像神经和感官，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。现代的广义智能检测系统应包括一切以计算机（单片机、PC机、工控机、系统机）为信息处理核心的检测设备。因此，智能检测系统包括了信息获取、信

5、息传送、信息处理和信息输出等多个硬、软件环节。从某种程度上来说，智能检测系统的发展水平表现了一个国家的科技和设计水平。随着工业生产日趋自动化,对液位检测技术的要求也越来越高。为解决生产中的测量问题,一方面是采用新的测量原理,开发新的液位检测仪表,扩大检测的手段,另一方面需朝着实现微机化和智能化的方向发展。 近年来,微电子技术的发展使得液位检测技术发生了根本性变化。新的检测原理与电子部件的应用使得液位计更趋向小型化和微型化,特别是一些小型现场液位开关发展极快,如光纤液位计,由于没有可动部件,所以可1河南理工大学毕业设计说明书靠性高,不仅可现场显示,而且可以发出控制信号。与此同时,液位检测也正向着

6、智能化方向发展,在液位测量领域内广泛应用微处 理技术,以实现故障诊断和报警功能,提高测量的精确度、可靠性、安全性和多功能化。在应用和设计液位计时尽量实现不接触式或不渗透式测量,如雷达液位计,从而提高探头对恶劣环境的抵抗能力,以便在恶劣环境下准确、可靠地工作。 随着计算机应用的普及,直接输出数字信号的数字化液位传感器已成为这一领域仪表的发展趋势;随着纳米技术、生物工程技术的发展,纳米技术和生物技术在液位测量中的应用也将会日益增多。总的来说,液位计必将向着微型化、高精度、适用范围广、低功耗、智能化方向发展。自动化技术在工矿企业的广泛应用，水位自动控制技术越来越频繁地进入到自动控制系统设计者的视线。

7、传统的水位控制系统虽然结构简单，但结构单一，无法实现人机交互，且通用性差。当今随着电子技术的飞速发展，电子产品制造工艺成熟，批量生产降低了产品价格，人们开始意识到采用单片机来实现水位控制。其人机交互性强功能强大，控制精度高，能够方便地与上位机通讯，实现数据共享。且价格低廉，通用性、实用性强，矿井水位监控系统能够在稍作改造后直接用于诸如自来水厂的储水池、污水处理厂及化学工厂的各类液体池以及电厂的锅炉气泡等需要水位自动控制的场合。伴随计算机控制技术逐渐成熟，以微处理器为核心的控制器控制已经逐步取代了手工及半自动化的继电器控制。煤炭行业也不例外，但目前部分煤矿井下给排水系统仍靠眼看手摸来观察水位高低

8、和设备的运行状况，这样既不安全也不科学，不仅危害到煤矿工人的人身安全，而且还严重影响井下的施工环境和经济效益的提高。我们学习了专业知识，这也就为本次设计打下了良好的基础。基于感到我未来的工作环境在矿井中，急需要这样的水位监控系统，考虑到单片机的可靠性和先进性，所以我决定在老师的指导之下设计一种矿井水位监控系统作为我的毕业设计课题。该系统的功能是对矿井水位进行实时监控及报警指示。在煤矿的开采过程中,会产生大量的水。为了保证煤矿的安全和开采煤矿的正常进行,应将这些水通过一水仓安全排放,因此,不仅应控制水仓水位在一定的范围之内,还要设置一定的上下限,根据设置值适时启动或者切换排水泵的启动回路,从而使

9、其排水。当水位不在限定的范围内时,则启动报警。因此,对水仓的水位进行监测与监控是非常必要的。其实要实现水位的自动检测和报警功能，可以用很多种方法来实现。如可以用双向模拟开关CD4066芯片为主导，辅以编码驱动、译码驱动等等一系列的CMOS芯片组成主控电路；也可以用555定时器组成的施密特触发器对水位进行控制；也可以通过单片机技术等等。由于用数字和模拟电路时，要进行一系列的数模转换，这样既增加了难度2河南理工大学毕业设计说明书又使电路复杂且比较容易出错；而如果使用555为主控电路的话，虽然使用起来比较方便，电路也相对简单，也不用涉及到数模转换和编程等软件方面的设计，但如果NE555芯片的输入电平

10、不稳定，这时就容易发生错误的判断，给我们一个错误的信号，且555电路只有一个输出端，它不能很好地完成显示功能；而单片机技术是信息时代用于精密测量的一种新技术，只要能够准确的将信号送给单片机，那么单片机就不会产生错误判断的情况，且单片机可以很好、很方便的对水位进行显示。相信本次的设计能够给我未来在矿井工作带来安全方便的环境，也一定会具有广阔的市场前景，能够使我的电子设计能力得到更好的锻炼，使我们的理论和现实生活联系起来。现在，我陈述一下我的设计思路。在矿井巷道水仓顶部安置矿井水位监控系统，采用超声波传感器检测三个水位，即高水位；中等水位；低水位。将超声波传感器探头于矿井巷道顶端朝下安置，据超声波

11、传感器一米开外被认为为低水位，据超声波传感器10-100厘米以内被认为是中等水位，据超声波传感器10厘米以内被认为高水位。首先单片机接收到来自水位监控传感器的一个信号，然后经过单片机分析，在单片机的输出端口输出相应的信号，如果是低水位时，这时绿灯亮，红灯和黄灯均不亮，蜂鸣器不报警；如果是中等水位时，黄灯亮，红灯和绿灯均不亮，蜂鸣器不报警，此时巷道已经积水，水泵电机开始转动并自动开始排水；如果是高水位时，红灯亮，黄灯和绿灯均不亮，并且蜂鸣器报警，水泵继续转动排水。选用1602液晶显示液面距离传感器的距离。3河南理工大学毕业设计说明书2 矿井水位监控系统的硬件设计2.1 系统硬件设计框图图2-1硬

12、件设计框图矿井水位监控系统硬件设计框图如图2-1所示，它包括单片机，电源电路，水位监控传感器，显示报警，水泵自动控制系统。图2-2 超声波传感器内部结构图本设计中用超声波传感器作为水位监控传感器，超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。通过超声波传感器测量距离水面距离可自行设置高，中，低水位的范围。

13、据超声波传感器一米开外被认为为低水位，据超声波传感器10-100厘米以内被认为是中等水位，据超声波传感器10厘米以内被认为高水位。利用单片机，将控制程序写进单片机中，然后经过单片机分析，在单片机的输出端口输出相应的信号，如果是低水位时，这时绿灯亮，红灯和黄灯均不亮，蜂鸣器不报警；如果是中等水位时，黄灯亮，红灯和绿4河南理工大学毕业设计说明书灯均不亮，蜂鸣器不报警，此时巷道已经积水，水泵电机开始转动并自动开始排水；如果是高水位时，红灯亮，黄灯和绿灯均不亮，并且蜂鸣器报警，水泵继续工作排水。本设计采用STC12C5A60S2的P1.0, P1.1的灵活的I/O作用作为我们超声波传感器测量高，中，低

14、水位的信号输入口，单片机通过软件的控制不断的检测P1端口的输入电平，一旦发现则执行相应的控制程序，从P1.5, P1.6, P1.7输出不同的信号来告知水位情况，是低水位时，就驱动绿色发光二极管发光；是中等水位时，就驱动黄色发光二极管发光；是高水位时，就驱动红色发光二极管发光。并根据不同的水位决定是否驱动水泵工作，决定是否通过P1.2口驱动蜂鸣器报警。2.2 12C5A60S2单片机的选用2.2.1单片机的选择图 2-3 单片机内部结构STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快

15、8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。1、增强型8051CPU，1T(1024G)，单时钟/机器周期2、工作电压 5.5-3.5V5河南理工大学毕业设计说明书3、1280字节RAM4、通用I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏 每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA5、有EEPROM功能6、看门狗7、内部集成MAX810专用复位电路8、外部掉电检测电路9、时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器常温下内部R/C振荡器

16、频率为：5.0V单片机为：1117MHz3.3V 单片机为：812MHz10、4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T111、3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟12、外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3，CCP0/P1.313、PWM2路14、A/D转换，10

17、位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S15、通用全双工异步串行口(UART)16、双串口，RxD2/P1.2，TxD2/P1.317、工作范围：-408518、封装：LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC相对于比较常用的8051单片机，STC12C5A60S2更具优越性：有自己的AD采集通道，也就是P1口的8个口都可以做AD通道；8051的P0口要加上拉电阻才能做IO口，但是12C5A60S2 P0口不用上拉电阻就能做IO口；STC12C5A60S2 有60K的Flash，远大于STC89C52RC的8K；STC12C5A60S2 有1280B的SRAM，远大于STC

18、89C52RC的512B。单片机选用STC12C5A60S2，相对于传统的8051单片机,这个型号的单片机有8K的flash,512字节的SRAM,系统时钟是晶振频率的12分频.12C5A60S2属于是宏晶公司自主研发的新一代1T单片机,即系统时钟不再进行12分频,运行速度比传统的8051快7126河南理工大学毕业设计说明书倍,这个型号的单片机拥有60K的flash,2K的SRAM,双串口,8个通道的10位高数ADC,采样速度可达到25万次/秒,2路PWM波可当作DA使用,IO端口可以设定为4总模式。如果不用IO口的复用功能的话这两款单片机IO口就是兼容的，由于对STC12C5A60S2的使用

19、更熟悉且便于取用，该系统选用STC12C5A60S2作为核心芯片。2.2.2 STC12C5A60S2的引脚图及功能介绍图2-4 STC12C5A60S2的引脚图图2-4为STC12C5A60S2的引脚图。STC12C5A60S2有32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。STC12C5A60S2为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8051系列相同，

20、其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶7河南理工大学毕业设计说明书振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义。P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电

21、流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口， P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51不同之处是，P1.0和P

22、1.1还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL 逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash 编程或校

23、验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O 口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。P3口的第二功能：P3.0RXD（串行输入口P3.1TXD（串行输出口P3.2INT0（外中断0P3.3INT1（外中断l)P3.4T0 （定时计数器0 )8河南理工大学毕业设计说明书P3.5

24、Tl （定时计数器l )P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）Vcc:电源电压。GND:接地。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8

25、EH 单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当单片机由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vc

26、c端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端.2.3各模块电路的设计水位检测报警系统主要是由5个模块组成。即电源电路，传感器，最小系统，声、光报警电路和水泵驱动电路。电源电路主要给单片机提供工作电源；传感器电路，主要是对矿井巷道水位的高低进行测距；最小系统主要包括晶振和复位电路，属于单片机的外围电路；声、光报警电路，主要对水位进行显示及对高水位报警；水泵抽水自动控制9河南理工大学毕业设计说

27、明书电路，当水位是升高时，用单片机来控制水泵的工作。2.3.1最小系统图2-5 单片机最小系统各模块单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成，复位电路和振荡电路是最小系统的核心。复位电路单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算

28、出时间常数。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。(1)上电复位：该系统单片机为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容10河南理工大学毕业设计说明书到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。(2)按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。振荡电路单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内

29、部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器(VCO)。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如

30、果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。单片机使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。2.3.2报警电路的设计2.3.2.1光报警电路11河南理工大学毕业设计说明书图 2-6 光报警电路图2-6所示的光报警电路采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况。当水位是低水位时，从单片机的P1.5口输出一个低电平，驱动绿色的发光二极管发光，其余颜色的二极管均不发光；当水位时中等水位时，从单片机的P1.6口输出一个低电平，驱动黄色的发光二极管发光，其余

31、颜色的二极管均不发光；电水位是高水位时，从单片机的P1.7口输出一个低电平，驱动红色的发光二极管发光，其余颜色的二极管均不发光。光报警电路时采用共阳极连接，低电平时有效。其中电阻起限压控流的作用。2.3.2.2、 声报警电路图2-7声音报警电路如图2-7所示的声音报警电路，当水位处于高水位时，单片机的P1.2口输出一个12河南理工大学毕业设计说明书高电平，从而驱动三极管导通，使蜂鸣器发声，起到报警的作用。2.3.2.3、液晶显示电路设计液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母

32、、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图2-8所示：1602LCD主要技术参数：图 2-8 1602LCD尺寸图显示容量：16x2个字符芯片工作电压：4.5V5.5V工作电流：2.0Ma（5V）模块儿最佳工作电压：5.0V字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm引脚功能说明：1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（有背光）接口表格 2-1 1602引脚说明编号123 符号 VS

33、S VDD VL 引脚说明 电源地 电源正极 液晶显示偏压 编号 9 10 1113符号 D2 D3 D4 引脚说明 数据 数据 数据河南理工大学毕业设计说明书4 5 6 7 8RS R/W E D0 D1数据/命令选择读/写选择 使能信号 数据 数据12 13 14 15 16D5 D6 D7 BLA BLK数据 数据 数据背光源正极背光源负极各引脚说明如表 2-1所示： 第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接+5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，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：PS为寄

34、存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，夜景模块执行命令。 第714脚：D0D7为八位双向数据线。 第15脚：背光源正极。 第16脚：背光源负极。1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。 1602LCD的RAM地址映射及标准字库表液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要

35、确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。14河南理工大学毕业设计说明书图 2-9 1602LCD内部显示地址图2-9是1602的内部显示地址，在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。LCD1602的一般初始化过程延时15mS写指令38H

36、（不检测忙信号）延时5mS写指令38H（不检测忙信号）延时5mS写指令38H（不检测忙信号）以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号写指令38H：显示模式设置写指令08H：显示关闭写指令01H：显示清屏写指令06H：显示光标移动设置写指令0CH：显示开及光标设置15河南理工大学毕业设计说明书图2-10 LCD1602接线电路图LCD1602的具体接线路图如图2-10所示。2.3.3驱动电路图 2-11 驱动电路内部结构图L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是:工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电16河南理工大

37、学毕业设计说明书流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。2.3.4电源电路图 2-12 电源电路图2-13电源电路中四个二极管组成了电源滤波电路。7805为中功率的三端稳压集成电路，由此可得到5V的工作电压。7805三端稳压器，提供各种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1A。虽然是固定

38、稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。2.3.5水位检测传感器传感器是一种能够感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或者容易处理的电信号的装置，在现代科技领域中，传感器得到了广泛的应用，各种信息的采集都离不开各种传感器，传感器的基本功能在于能够感受外界的各种“刺激”并作出迅速的反应。本设计当中采用的水位检测传感器选用超声波传感器。超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接受。这样只要计算出发生信号到接受返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。d=s/2=(c*t)/2 (2-1)d为被测

39、物与测距器的距离，s为声波的来回路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它17河南理工大学毕业设计说明书可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥超声波传感器控、防盗等用途。该种有T/R-40-60，

40、T/R-40-12等(其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计)。另有一种密封式超声波传感器(MA40EI型)。它的特点是具有防水作用(但不能放入水中)，可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由

41、陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测.而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。本设计采用STC12C5A60S2的P1.0, P1.1的灵活的I/O作用作为我们超声波传感器测量高，中，低水位的信号输入口，单片机通过软件的控制不断的检测P1端口的输入电平，一旦发现则执行相应的控制程序，从P1.5, P1.6, P1.7输出不同的信号来告知水位情况，是低水位时，就驱动绿色发光二极管发光；是中等水位时，

42、就驱动黄色发光二极管发光；是高水位时，就驱动红色发光二极管发光。并根据不同的水位决定是否驱动水泵工作，决定是否通过P1.2口驱动蜂鸣器报警。2.4系统硬件调试2.4.1 常见的硬件故障在硬件焊接的过程中，出现了很多问题。让我注意到排除硬件故障的重要性。 大致的硬件故障可以总结为以下几大类。逻辑错误：硬件的逻辑错误是由于设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成的，主要包括：错线、开路、短路等，其中短路最为常见，在印刷电路板布线密度高的情况下，极易因工艺原因造成短路。器件失效：元器件失效主要是因为器件本身已损坏或性能不符合要求，或者是由于组装错误造成的元18河南理工大学毕业设计说明书器件失效，如电解

43、电容、二极管的极性错误，集成块安装方向错误等。可靠性差：系统不可靠可能受多种因素影响，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏；内部和外部的干扰、器件负载过大等造成逻辑电平不稳定；另外，走线和布局的不合理等也是系统可靠性差的重要因素之一。电源故障：若系统中存在电源故障，则加电后将造成器件损坏。2.4.2 硬件调试焊接各元器件及插座，在焊接过程中要对各元件做逐一检查，比如二极管极性、电容容量及耐压、电阻值大小等。在插座、元件焊接完毕后，仔细检查元件面各元件之间裸露部分有无相互接触现象，焊接面的各焊点间、焊点和近邻线有无连接。电路板焊好后，应该用万用表直接检查线路各处是否有明显短路、断路的地方

44、，尤其是电源是否短路。最后，再给电路板空载上电，检查线路板各管脚及插件上的电位是否正确，特别是单片机管脚上的各点电压。若上述的一切都正常，则硬件调试的准备工作完成。2.4.3硬件焊接过程中所碰到的问题及解决方法在硬件调试过程中，的确遇到了很多问题。STC12C5A60S2是STC生产的高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，在查阅资料的过程中了解到这款增强型单片机IO口具有复用功能，外接液晶时不需要上拉电路。但实际操作中不接上拉电阻无法顺利显示所测距离，上拉电阻的焊接也是需要确定端口，以防焊反。曾有段时间，电路板的光报警、声报警都可以工作，也就是说超声波传感器可以测距并在危险距离可以报

45、警，在中水位和高水位的范围内电机也可以转动，但是液晶不显示距离。用万用表的蜂鸣器反复检查1602各管脚的焊接，都没什么问题。最后检查到问题出在液晶调节对比度的滑动变阻器阻值过高，一直调到7K时，测距终于显示出来。由此可以看出，硬件设计需要认真和细心，硬件调试需要耐心才能面对各种致使电路不工作的问题。19河南理工大学毕业设计说明书3 软件设计部分水位检测报警系统的程序设计图 3-1 程序流程图 图3-1为水位检测报警系统的主程序设计。程序由开始经初始化后，水位传感器将检测到的水位信号送给单片机。单片机则开始工作,现在若单片机从P1口读入的信号是00H的话，则表示为低水位，这时单片机执行P1.5=

46、1, P1.6=1, P1.7=1, P1.2=0，P1.3=0，P1.4=0即LED的绿灯亮，红灯和黄灯均不亮；若不是00H，则程序转到相应的另一个程序，如果单片机从P1口读入的信号为03H，这表示水位为中等水位，单片机执行P1.5=1, P1.6=0, P1.7=1, P1.2=0，P1.3=0，P1.4=1，即水泵转动，绿灯和红灯均不亮，只有黄灯亮，蜂鸣器不报警，若不是03H的话，程序会自动转到下一个相应的程序；若检测到的信号是07H的话，表示此时水位已是高水位了，单片机执行P1.5=1, P1.6=1, P1.7=0, P1.2=1，P1.3=0，P1.4=1，即水泵继续转动，红灯亮，

47、黄灯和绿灯均不亮，蜂鸣器报警。若单片机读入的信号不是00H，03H,07H，则程序会直接转到初始化后，进行新一轮的信号读入。20河南理工大学毕业设计说明书系统软件调试主要通过反复导入程序验证，观察程序实际运行情况，如果有异常情况，针对异常情况的发生可能是对应的那一部分的程序故障。在电脑上检查对应可能出现错误的程序，修改程序，然后再进行导入。反复进行，直到实现功能为止。21河南理工大学毕业设计说明书4测试图 4-1低水位显示报警22河南理工大学毕业设计说明书图 4-2中等水位显示报警23河南理工大学毕业设计说明书图 4-3 高水位显示报警24河南理工大学毕业设计说明书5 结论总的来说，设计已经能

48、够实现功能。以往，工作人员由于对矿井水位不清楚，对工人和生产机械的安全无法准确把握，现在顺应工业生产需要研制了这款简单、经济、实用的矿井水位监控系统，希望能够给工矿企业带来安全方便的工作环境。本系统主要由电源电路，水位检测传感器，单片机控制系统，显示报警电路，驱动电路组成，系统简单，安装方便，希望能够用到矿井巷道里，对巷道水仓里的水位进行实时监控，以保障工人和生产机械的安全。本系统的工作过程是据超声波传感器一米开外被认为为低水位，据超声波传感器10-100厘米以内被认为是中等水位，据超声波传感器10厘米以内被认为高水位。利用单片机，将控制程序写进单片机中，经过对输入口信号的分析，在单片机的输出

49、端给出相应的信号。如果是低水位时，这时绿灯亮，红灯和黄灯均不亮，蜂鸣器不报警，水泵电机不转动；如果是中等水位时，黄灯亮，红灯和绿灯均不亮，蜂鸣器不报警，水泵电机开始进行抽水工作；如果是高水位时，红灯亮，黄灯和绿灯均不亮，水泵电机继续工作并且蜂鸣器报警。自始至终1602液晶显示障碍液面距离传感器的距离。通过本次毕业设计，我更加了解了我所学的专业，更好的掌握了专业知识，做到学以致用，知道了可以通过自己所学的知识来帮助人们提高生活质量。让自己在理论知识和自学能力方面都得到了很好的理解和提高。也通过这次毕业设计增长了新的知识，开阔了自己的眼界，同时，也和老师、同学们进行了很好的交流和互动。我也相信本设

50、计当中一定会存在很多不足，请老师和相关行业人员，多多批评，多多指教！25河南理工大学毕业设计说明书致谢从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着老师的心血和汗水。宋老师要指导很多同学的论文，加上本来就有的教学任务和科研项目，工作量之大可想而知，他还在百忙之中抽出大量的时间来指导我们。他的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，他的渊博的专业知识，精益求精的工作作风，严以律己、宽以待人的崇高风范，将一直是我工作、学习中的榜样。在我的毕业论文写作期间，老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业论文。在此向宋运忠老师表示深深的感谢和崇

51、高的敬意。同时，论文的顺利完成，离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在整个的论文写作中，各位老师、同学和朋友积极的帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我完整的做完了整个毕业设计。向他们致以由衷的感谢。26河南理工大学毕业设计说明书参考文献1吴金戌.沈庆阳.郭庭吉编著8051单片机实践与应用，2002年第1版。2李玉梅编著.基于MCS-51系列单片机原理的应用设计，2006年第1版。3邱丽芳主编.单片机原理与应用，2007年第1版。4王晓明编著.电动机的单片机控制,2002年第1版。5何立名编著.单片机高级教程，2004年第1版。6刘

52、湘涛.江世明编著单片机原理与应用电子工业出版社，2006年。7高吉祥编全国大学生电子设计竞赛培训系列教程电子工业出版社，2007年。8赵贞图.传感器集成电路手册M，化学工业出版社，2002年第1版。9何希才.传感器及其应用实例M，机械工业出版社,2004年第1版。10高明.仪表技术与传感器M，仪表技术与传感器编辑,2002年第7期。27河南理工大学毕业设计说明书附录一#include <reg52.h>#include <stdio.h>#include <math.h>#include "1602.h"#include "delay.h"/超声波定义sbit TRIG = P10 ;sbit ECHO = P11 ;/报警器定义sbit SPK=P12;/电机定义sbit pwm1=P13;sbit pwm2=P14;/报警灯定义sbit green=P15;sbit yellow=P16;sbit red=P17;sbit en1=P20;void kai ();void guan();void ting();unsigned char DisT