基于单片机的液体转移监控系统设计本科毕业设计论文.docx

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基于单片机的液体转移监控系统设计本科毕业设计论文

毕业设计

基于单片机的液体转移监控系统设计

TheDesignofLiquidTransferMonitoringSystemBasedonMicro-controller

2014届电气工程系

专业电子信息

学　　号

学生姓名

指导老师

完成日期2014年5月27日

毕业设计成绩单

学生姓名

学号

班级

方1009-2班

专业

电子信息工程

毕业设计题目

基于单片机的液体转移监控系统的设计

指导教师姓名

指导教师职称

评定成绩

指导教师

得分

评阅人

得分

答辩小组组长

得分

成绩：

院长（主任）签字：

年月日

毕业设计任务书

题目

基于单片机的液体转移监控系统的设计

学生姓名

学号

班级

方1009-2班

专业

电子信息工程

承担指导任务单位

电气工程系

导师

姓名

导师

职称

一、主要内容

设计并制作一个液体转移监控装置，放置两个盛水容器，分别为A容器和B容器，A容器盛有足量的水，B容器为空，初始时，从A容器转移水到B容器，当B容器中液面高于规定的上限值时，停止注水；当B容器中液面低于规定的下限值时，又开始注水。

二、技术参数和要求

1．单片机完成液位转移控制的功能。

2．B容器中的水的重量的预设值可调。

3．使用KeilC编程。

实现相关逻辑控制。

4.电路原理图设计，protel印刷电路图设计。

5.提出系统设计框图，提出相应的解决方案。

三、主要技术指标（或研究方法）

1．单片机工作电源电压直流5V，工作电流小于500mA。

2．传感器测量液位范围：

0~1m。

误差

0.1%。

3.液位显示部分，保留小数点后两位有效数字。

4.论文正文不少于1万字，查阅文献资料不少于10篇，其中外文文献2篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于3000汉字。

四、应收集的资料及参考文献

1．C语言开发。

2.关于STC89系列相关单片机开发文档。

3.相关传感器和显示器件使用手册和接口电路。

五、进度计划

第1周—第2周：

资料收集，方案设计；

第3周—第4周：

开题报告，需求分析，概要设计；

第5周—第7周：

系统设计；

第8周：

中期检查；

第9周—第12周：

系统调试和论文撰写；

第13周—第14周：

论文审核定稿；

第15周—第16周：

答辩。

教研室主任签字

时　间

年月日

毕业设计开题报告

题目

基于单片机的液体转移监控系统的设计

学生姓名

学号

班级

方1009-2班

专业

电子信息工程

一、研究背景

液体转移监控系统的主要作用是进行液位检测跟控制，并根据液位的变化作出相应的动作。

目前在很多方面都需要用到液体转移监控系统，尤其是随着中国经济的发展，液体转移监控系统的应用更加广泛。

在工厂、科研实验、工业控制等领域深受广大工作人员的喜爱。

该液体转移监控系统的主要作用是设计并制作一个液体转移监控装置，放置两个盛水容器，分别为A容器和B容器，A容器盛有足量的水，B容器为空，初始时，从A容器转移水到B容器，当B容器中液面高于规定的上限值时，停止注水；当B容器中液面低于规定的下限值时，又开始注水。

检测液位的方法有很多，而本系统通过超声波测距，就可以直接放在容器的上方。

没有像液压传感器放在容器的底部，防止传感器坏掉要进行更换带来的麻烦。

采用超声波测液位达到了很好的效果。

2、国内外研究现状

现在国内外的液压控制一般使用直流电机调速系统来控制供给液体流量，利用压力传感器来测量液体重量，使用压力传感器测得液体实时重量，并以此作为反馈信号，以单片机为核心组成微机测控系统。

国内外基本都采用压力式、超声波、磁翻板、雷达等模块进行测量液体的高度。

像西门子公司的雷达液位计就在工业界表现良好的性能而受大家欢迎。

射频电容式液位变送器依据电容感应原理，当被测介质浸汲测量电极的高度变化时，引起其电容变化。

其良好的结构及安装方式可适用于高温、高压、强腐蚀，易结晶，防堵塞，防冷冻及固体粉状、粒状物料。

它可测量强腐蚀型介质的液位，测量高温介质的液位，测量密封容器的液位，与介质的粘度、密度、工作压力无关。

液位检测装置的种类有磁浮子式，内浮式，磁翻板，投入式等。

它们的特点和应用场所也各不相同，适用范围也迥异。

而超声波测距跟业界享有盛誉最高的外测液位仪表现为一下六大特征：

1、可用于苛刻的环境——可测量任何压力、毒性最剧烈、腐蚀性最强、绝对无菌的或极高纯度的液体。

2、安全——在测量有毒害、有腐蚀、有压力、易燃易爆、易挥发、易泄漏的液体时，由于测量头和仪表都在容器外，所以安装、维修、维护操作时不接触罐内的液体和气体，非常安全。

即使在仪表损坏或维修状态下，也绝无引起泄漏的可能。

3、环保——真正的隔离测量，完全不与被测介质接触，决无泄漏液体甚至气体的可能，不会污染环境，是真正的绿色环保仪表。

4、方便经济——在线维护无需停产。

由于不需在容器上开孔，不用法兰盘，不用连通管，所以安装、维护最方便、最经济。

5、耐用可靠——测量头和仪表内无机械运动部件，并严格密封，与外界隔离，不会磨损或腐蚀，十分耐用可靠，维护工作量很小。

6、精确——外测液位仪不断地自动校准,永远保证最高的测量精度。

外测液位仪与当前国内外使用的在储罐或其连通器内部探测液位的仪表原理完全不同，它是利用对人体无害的微振动原理，在容器壁外侧液面以下部位连续测出液面的精确高度，而完全不接触容器内的液体和气体，可广泛应用于各种容器内液面和界面高度的连续精确测量。

该技术建立了容器内液体和薄壳结构罐体的力学振动特性与液位对应关系的规律及数学模型，属世界首创。

专家称其为“液位测量的一场技术革命”，并认为“开创了仪表发展的新思路”，在“技术上居国际领先水平”。

三、所要进行的主要工作和所采用的方法、手段

3.1主要工作

⑴学习与宏晶STC89C51RC单片机相关的硬件资源以及软件编程。

⑵学习数码管的工作原理及其功能。

⑶学习超声波的原理以及232模块部分的工作原理。

⑷绘制系统电路原理图，绘制PCB，并焊接实物，调试硬件电路。

⑸编写相关的单片机程序，可实现通过按键调节要测液的范围等功能。

3.2采用的方法、手段

查看国内外相关资料，根据课题中对数码管进行较为详细的学习，弄清其接口的作用。

而在我们这个设计中可分五部分，稳压电源部分、单片机部分、显示部分、超声波测液部分、232模块部分。

总体设计如下：

1.硬件电路设计

⑴设计电源电路电路图，主芯片为集成稳压器W7805，此部分最后改成了USB电源。

⑵超声波测液模块的设计和制作。

⑶232模块部分接口的设计，实现电平转换，通过这部分完成计算机与单片机的通信。

⑷单片机部分为数码管与STC89C51RC组合。

2.软件设计

程序的设计为了实现包括数据的采集，数据处理、数字显示等功能。

四、预期达到的结果

通过近一个月的设计，本实验达到了理想的结果。

测量了液位，并且根据液位进行了液位转移动作。

指导教师签字

时间

年月日

摘　要

液位监控系统是一种专门监测容器液位变化的一种装置，根据液位的状态可以做出相应的响应。

液位监控系统是常见的工业过程控制之一，广泛运用于水塔、锅炉、高层建筑水箱、罐、工业化工槽等受压容器的液位测量。

随着科技的进步，人们对生产的控制精度要求越来越高，所以提高液位转移监控系统性能就显得非常重要了。

本设计采用以STC89C51RC单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测液仪的硬件电路和软件设计方法。

整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。

各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测液仪的各种功能。

在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。

相关部分附有硬件电路图、程序流程图。

经实验证明，这套系统软硬件设计具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点，实现后的作品可用于液位测量及转移的各种场合。

关键词：

STC89C51超声波液体转移

Abstract

Digitalfrequencycounterisspecificallyonmeasuringsignalfrequencyofelectronicmeasuringinstruments,widelyusedinthefieldofresearchandproductionofcomputers,communicationsequipment,audioandvideoinstrument.

AtthecoreofthedesignusingSTC89C51low-cost,highaccuracy,Microfiguresshowthattheultrasonicrangefinderhardwareandsoftwaredesignmethods.Modulardesignofthewholecircuitfromthemainprogram,presubroutinefiredsubroutinereceivesubroutine.displaysubroutinemodulesform.SCMcomprehensiveanalysisoftheprobesignalprocessing,andtheultrasonicrangefinderfunction.Onthebasisoftheoverallsystemdesign,hardwareandsoftwarebytheendofeachmodule.

Theexperimentprovedthatthesystemhardwareandsoftwaredesignwitheasycontrol,reliable,accurateranging,readableandclearprocess,etc.,workstoachievethelevelmeasurementcanbeusedforavarietyofoccasionsandtransfer.

Keywords:

STC89C51　Ultrasonicwave　Liquidtransfer

目　录

第1章　绪论

1.1　选题背景及意义

液体转移监控系统在日常生活中应用广泛，如家庭蓄水池、热水器水箱、饮水机和热水储蓄箱等。

在工业中，液体转移监控系统也应用广泛，污水处理厂，传统的液位控制多采用包含手动控制方式的单回路控制，同时采用传统的指针式机械仪表来显示液位的当前值。

这种液位控制在生产中一直占有主导地位，但随着生活水平的不断提高，人们对水箱液位控制系统提出了更高的要求，不仅要求有更直观、准确、稳定的液位控制系统，同时还要求在价格和人性化方面有所突破，这就要求我们开发新型既实用又价廉的液位控制系统。

随着新型电子技术和计算机技术的广泛应用与普及，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，同时该控制系统可以设计数字显示部分，增强了系统的可视性。

基于上述特点，本文设计了以单片机为控制核心的多功能液位控制系统，它完成对整个系统的液位的控制及显示功能。

开发出低成本、智能化的水箱液位控制器必定会受到广大消费者的欢迎。

同时，将该作品中使用到的控制方法加以延伸，应用到工业生产控制中去，会使生产提高效率、降低成本、使企业获得利润的增值。

因此，对低成本、智能化的水箱液位控制系统的研究具有极其重要的意义。

近几十年来，控制系统己被广泛使用，在研究和发展上也己趋于完备，控制的概念更是应用在许多生活周围的事物，液位控制系统已经是一般工业界所不可缺少的，例如蓄水槽、污水处理厂等都需要液位的控制。

使用液位控制系统来自动维持液位高度，工作人员可以轻易在操作室获如某个设备的储水状况，大大减低工作人员工作的危险性，同时更提高了工作的效率及简便性。

近年来液位控制系统取得了很大的进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位计、雷达液位计、光电液位开关等，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。

1.2　国内外研究现状

在自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，美国、德国、日本等技术领先国家，生产开发出一系列性能优异、实用性强的液位控制器以及相应的仪器仪表，并广泛应用于生产生活的各个领域。

这些先进的控制器不仅能实现各种复杂环境下的液位控制系统的控制，而且运用先进的算法，采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及计算机技术，使液位控制器的适用范围更加广。

反观我国，虽然液位控制系统在国内生产生活的应用十分广泛，但国内的液位控制器的发展水平仍然不如先进国家，差距仍然很大。

国内液位控制器仍以常规的PID控制器为主，无法适于滞后、复杂、时变的液位系统控制。

智能化、自适应的控制系统，国内还没有相关的成熟技术。

我国相关控制器大量依靠国外的成熟技术，这些都是必须正视的现实。

所以，发展先进的液位控制技术是我们必须重视的趋势。

随着科学技术的不断发展，人们对液位控制系统的要求越来越高，特别是高精度、智能化、人性化的液位控制系统是国内外液位控制系统发展的必然趋势。

1.3　研究内容

针对传统液位测量读数难，测量精度不高等问题，目前采用单片机控制的测液高度，然后进行相应的指令，并用十进制数字显示，具有精度高、读数方便等优点，已在工业、科研领域得到了广泛的应用。

第2章　系统总体设计

2.1　应用系统结构设计

根据1.1所述液体转移监控的功能特点，系统需要完成对液体的测量、监控、显示、报警和转移几种功能，整个系统的结构框图如图2-1所示。

图2-1系统的结构框图

2.2　设备选型

本设计采用STC89C51RC作为控制系统的核心。

按照图2-l所确定的系统结构，选择合适的功能部件，以完成完整的系统控制电路设计。

控制系统包括供电单元、超声波传感器单元、键盘单元、显示单元、继电器单元和报警器单元六部分。

2.2.1　供电单元

供电是每个系统中必须的用到的。

供电可以通过USB直接给单片机供电，也可以先通过变压器，降压的固定的值，然后就可以稳压电路进行稳压处理得到5V的电压。

由于USB的广泛使用，本系统中采用USB供电，同时后面提供降压稳压处理电路。

2.2.2　超声波传感器单元

本系统中主要是测液，根据测液的情况进行相关的动作。

而测液有多种方法。

现在广泛采用压力式、超声波、磁翻板、雷达等模块进行测量液体的高度。

液位检测装置的种类有磁浮子式，内浮式，磁翻板，投入式等。

考虑到各种方式的适用性情况，我们这里采用超声波测液。

主要优点有：

1、可用于苛刻的环境——可测量任何压力、毒性最剧烈、腐蚀性最强、绝对无菌的或极高纯度的液体。

2、安全——在测量有毒害、有腐蚀、有压力、易燃易爆、易挥发、易泄漏的液体时，由于测量头和仪表都在容器外，所以安装、维修、维护操作时不接触罐内的液体和气体，非常安全。

即使在仪表损坏或维修状态下，也绝无引起泄漏的可能。

3、环保——真正的隔离测量，完全不与被测介质接触，决无泄漏液体甚至气体的可能，不会污染环境，是真正的绿色环保仪表。

4、方便经济——在线维护无需停产。

由于不需在容器上开孔，不用法兰盘，不用连通管，所以安装、维护最方便、最经济。

5、耐用可靠——测量头和仪表内无机械运动部件，并严格密封，与外界隔离，不会磨损或腐蚀，十分耐用可靠，维护工作量很小。

6、精确——外测液位仪不断地自动校准,永远保证最高的测量精度。

2.2.3　键盘单元

单片机系统中常用的键盘有以下三种类型。

1.独立型按键

独立型按键的一脚通过电阻接电源端或者地，而另一脚接单片机的I/O口，其结构如图2-2所示。

在按键被按下和没有按下时，I/O口电平刚好相反。

这样通过检测I/O口的电平状态即可判断哪个按键被按下了。

此类键盘的特点是按键电路配置灵活、按键的状态识别简单，但是每一个按键需要占用一个I/O口，资源占用率较高，当按键的数量不是很多或者系统有较多的I/O口剩余时，可以采用此类设计。

图2-2独立型按键

图2-3矩阵扫描键盘

2.矩阵扫描键盘

矩阵扫描键盘有行线和列线组成。

按键位子行列线的交叉点上，结构图如2-3所示。

一个3*3的矩阵结构就可以构成一个含有9个按键的键盘。

按键设置在行列线的交叉点上，行列线分别接到按键开关的两端。

行列通过上拉电阻接到+5V上。

平时当没有按键按下时，列线处于高电平的状态；而当有键按下时，行列线导通，因此列线的电平状态将由此相连接，各个按键按下与否影响该键所在的行列线的电平。

这样行列线配合起来进行适当的处理，即可确定按键的位置。

此类键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口，适用于按键数量较多的场合。

3.PS/2接口键盘

PS/2接口[2]是由IBM公司开发的一种计算机接口。

计算机上的鼠标和键盘使用的就是这种接口，现在在计算机上更多的是使用USB接口。

PS/2键盘为每一个按键分配唯一的编码。

键盘内的处理器对矩阵键盘进行扫描，当发现有案件拔按下或者释放时，处理器就对发送“扫描码"到计算机。

扫描码分为两种不同的类型：

通码和断码。

当键被按下，发送的是通码；当键盘被释放，发送的是断码。

这样通过查找扫描码表就可以确定是哪一个按键，PS/2扫描码共有三套，现在广泛使用的是第二套扫描码。

PS/2接口采用双向串行数据传输协议。

每个字节为一桢，包含11位（一位起始位、8位数据位、一位奇偶校验位和一位停止位）。

此类键盘的特点是集成度高，使用灵活。

由于使用了串行数据传输技术，仅需要使用两个I/O端口即可（由于程序设计的原因，其中一个端口通常要占用一个外部中断端口），但成本较高，而且不易集成在系统内部[5]。

本设计选用的单片机STC89C51的I/O端口较多，在实际使用中，但本次设计要求实现的功能还是比较少，操作简单，因此独立型按键可以防止由于键盘操作人员的误操作。

综合考虑实际的使用情况和成本，本设计采用独立型按键进行数据输入。

2.2.4　显示单元

显示可以有很多方法，可以利用字符液晶显示，利用LCD显示，可以利用数码管显示，由于显示的内容很小，并且显示的亮度可以提高。

本设计利用了数码管进行显示。

2.2.5　继电器单元

继电器是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。

它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。

继电器的触点有三种基本形式：

动合型（常开）（H型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两触点就闭合。

动断型（常闭）（D型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。

转换型（Z型）这是触点组型。

这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。

线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。

这样的触点组称为转换触点。

继电器的种类很多，而且额定电压不同，基于本设计主控芯片的电源电压为5V所以采用SRD-05VDC-SL-C型继电器。

2.2.6报警器单元

方案一：

无缘蜂鸣器。

无缘蜂鸣器内部没有震荡源，蜂鸣器没有内部驱动电路，有些公司和工厂称为讯响器，国标中称为声响器。

无源蜂鸣器工作的理想信号方波。

如果给预直流信号蜂鸣器是不响应的，因为磁路恒定，钼片不能振动发音，需要在其供电端加上高低不断变化的电信号才能驱动蜂鸣器。

方案二：

有源蜂鸣器。

蜂鸣器内部有振荡、驱动电路，只需要一个高低电平就可驱动蜂鸣器发声。

有缘蜂鸣器和无源蜂鸣器的根本区别是产品对样。

有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电，通常标示为VDC、VDD等。

因为蜂鸣器内部有一简单的振荡电路，能将恒定的直流电转化成一定频率的脉冲信号，从面实出磁场交变，带动钼片振动发音。

但是在某些有源蜂鸣器在特定的交流信号下也可以工作，只是对交流信号的电压和频率要求很高，此种工作方式一般不采用。

因此基于以上两种方案，我们选择方案二有缘蜂鸣器作为报警模块。

第3章　系统硬件电路设计

3.1　单片机控制模块

本设计芯片采用的是宏晶公司生产的STC系列芯片，芯片为40个引脚足以应对本次设计的控制要求。

STC89C51RC/RD系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰，抗静电，高速，高可靠，低功耗的单片机。

3.1.1　芯片STC89C51RC引脚描述

单片机STC89C51RC其引脚图如图3-1所示。

图3-1STC89C51引脚图

引脚功能介绍：

1.VCC：

电源电压。

2.GND：

地。

3.P1口：

P1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“l”，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（IlL）。

Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。

表3-1　P1口的第二功能

端口引脚

第二功能

P1.5

P1.6

P1.7

MOSI（用于ISP编程）

MISO（用于ISP编程）

SCK（用于ISP编程）

4.P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双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。

对端口写“l”，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）。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

5.P3口：

P3口是一个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，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口，作输入端口时，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，如表3-2所示：

表3-2　P3口的功能

端口引脚

第二功能

P3.0

P3.1

P3.2

P3.3

P3.4

P3.5

P3.6

P3.7

RXD（串行输入口）

TXD（串行输出口）

INT0（外部中断0）

INT1（外部中断1）

T0（定时／计数器0）

T1（定时／计数器1）

WR（外部数据存储器写选通）

RD（外部数据存储器读选通）

6.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。

WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。

DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。

7.XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

8.XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3.1.2　时钟振荡电路

本系统选用单片机ST