毕业设计（论文）-液位测控系统的单片机硬件设计

专科毕业设计（论文）

设计题目：

液位测控系统的单片机硬件设计

专 业： 工企电气
班	级:	工企091301
姓	名：	学 号：	50
指导教师：		职 称:	讲师
2012 年6 月南京

江苏海事职业技术学院2012届专科生毕业设计

摘要

在微电子工业的迅猛发展的今天，电子产品中已广泛出现单片机控制智能型控制器的应用，通过综合分析选择单片机控制的智能型液位控制器作为研究对象，为来让大家对单片机智能型控制器有更深的了解，充分激发我们的分析、解决问题等各方面的潜能。此外，小区水塔水位控制，有毒、腐蚀性液体和污水处理设备也使用液位测控。

本设计基于ATC51单片机，包括测量电路部分、AD转换部分、键盘输入控制部分、液位实时数显输出部分，开发一个基于单片机的液位测控系统。

关键词：单片机 传感器 智能型 液位检测

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Abstract

Withthe rapid development of the microelectronics industry, SCM

control the intelligent controller is widely used in electronic products,

inorder to enable the student to the single chip microcomputer controlintelligentcontroller have deep understanding. After a comprehensiveanalysisof the choice of microcomputer intelligent control levelcontrolleras a research project, through the training fully arousestudents'analysis, problem solving, and comprehensive application ofknowledgepotential. In addition, liquid level control in high-riseresidentialtowers water level control, sewage treatment equipment and

poisonous, corrosive liquid level control has been widely used in. Through

the design of the model can be very good extension to the specific application cases. This design based on ATC51, including measuring circuit of the AD digital

Keywords:Single-chipmicrocomputersensorintelligent Leveldetection

目 录

1绪论............................................................................................................................11.1课题的提出......................................................................................................21.2课题的意义.....................................................................................................11.3本文的内容......................................................................................................12系统方案的确定........................................................................................................22.1功能需求分析..................................................................................................22.2 系统设计方案的选择...................................................................................23部分电路的设计........................................................................................................33.1 传感器...........................................................................................................33.2单片机电路设计............................................................................................43.2.1ATC51功能及引脚分布..................................................................4

3.2.2 振荡方式的选择.................................................................................5 3.3 AD 转换电路的设计.......................................................................................6 3.3.1 ADC0809 主要信号引脚的功能..........................................................7 3.2.3 复位电路的设计.................................................................................5 3.4.1 按键去抖.............................................................................................9

3.4.2键盘扫描方法...................................................................................10
3.5数显输出电路的设计.................................................................................113.6 其他控制电路的设计..................................................................................114整体硬件系统图......................................................................................................13结论.........................................................................................................................14致谢.........................................................................................................................15参考文献...............................................................................................................16

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1 绪论

1.1 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，

需要对系统的液位进行监测并控制，特别是对具有腐蚀性的液体液位的测量，传

统使用的电极法是采用差位分布电极，通过给电脉冲来检测液面，把电极长期的

浸泡在液体当中，很容易被电解、腐蚀、失去灵敏性，因此要对测试设备的抗腐

蚀性要求比较高。

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。 1.2 课题的意义 射性、易挥发、易爆等液体，要对液位进行检测，而且液位的测控显得尤为重要。

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

术来进行。

1.3 本文的内容

本文以单片机为为主要控制器，设计一个对供水箱水位测控的系统。

研究设计内容包括：

（1）单片机电路的设计；

（2）AD转换电路的设计；

（3）键盘输入电路的设计；（4）数显输出电路的设计

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2系统方案的确定

2.1功能需求分析

（1）要求能够实现较高精度的测量
（2）以单片机ATC51为基础，设计外围电路。

（3）电路设计，包括AD转换模块、数显模块、键盘输入模块

2.2 系统的设计方案选择

对于液位进行测控的方式有很多种，应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下： (1)复杂控制方式。此控制方式把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号变换成数字信号传给单片机，在单片机和给定量的对比之后，进行PID运算，得出调节参量；经由A／D变换给变频调压调速输入端到给定端，调节电机转速，控

制输出电压变化，来以达到控制水箱液位的目的。 的优点是成本低，构造简单。缺点是精度不高，无法进行数值的显示，还很容易 (2)简单机械控制方式。其常用形式有电极式、浮标式等等，这种控制形式 利用单片机作为控制核心，设计一个对水箱水位进行测控的系统。根据测控对象

的特点，需要不断检测水箱液位的高度，并跟预设定值进行比较，用单片机控制继电器的通断来对液位进行调整，最终达到液位的预设定值。当检测值高于上限设定值时，则报警，并断开继电器，进而控制水泵停止上水；当检测值低于下限设定值时，则报警，并开启继电器，进而控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的测控。

原理流程图如下（图1）：

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转换器 数显输出

键盘控制量输入 其他控制

图1 液位测量原理流程图

3 部分电路的设计

3.1 传感器

传感器是一种能够感受到被测物体物理量并将其转化为便于传输或处理的
3.1.1传感器的选型及引脚图

对应的放大电路。传感器引脚分布如图2所示。1脚是信号输出(一)；2脚是信

号输出(一)；3脚是激励电压；4脚是地；5脚是信号输出(+)；6脚是信号输出(+)。

1

2

3

4

5

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另一端和传感器相连接。当水箱中水位的高度发生变化时，会引起软管内部气压的变化，传感器就会把气压转换成电压信号，进而输送到A／D转换器中。

3.2单片机电路设计
3.2.1ATC51功能及引脚分布
本设计以ATC51单片机为核心，ATC51是种带4K字节的闪烁可编程，可擦除，只读存储器的低电压，高性能的CMOS8位微处理器，简称单片机。ATC2051是一种带2K字节闪烁可编程，可擦除，只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。跟工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。ATC单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种价廉且灵活性高的方案。引脚分布如下图3所示：

图3ATC51 及引脚分布

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口、P1口、P2口、P3口是主要功能口。

RST：复位输入。

ALE/PROG：地址锁存允许的输出电平在访问外部存储器时，用于锁存地址的地位字节。

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/PSEN：外部程序存储器的选通信号。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

XTAL1：内部时钟工作电路输入和反向振荡放大器输入。

XTAL2：源于反向振荡器的输出。

3.2.2振荡方式的选择
这种方式下在X1和X2两端跨接石英晶体及本次设计用到的是内部振荡方式，
两个电容，如下图所示，这样就和内部的反响放大器构成稳定的自己振荡器。电容C1和C2通常取30pF，可稳定频率并对正当频率有微调作用。接线图如下：

3.2.3复位电路的设计
复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，
才可撤销复位信号。电源稳定之后还要经延时才会撤销复位信号，因为在电源开
下图电路左边是高电平关或电源插头在分合的过程中所引起的抖动会影响复位。

有效，右边低电平，Sm是手动复位开关，Ch可避免高频谐波对电路的干扰。电路图如下：

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图5 复位电路

3.3AD 转换电路的设计

本次设计使用AD转换器件是ADC0809，ADC0809的分辨率为8位，片内有8路模

图6 AD0809 引脚图

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3.3.1ADC0809主要信号引脚的功能
D0-D7——8位数字量的输出通道。

IN0-IN7——模拟量的输入通道。

ALE——地址锁存允许信号。

START——转换启动信号。

ADDA以及ADDB。A、B、C——地址线。C为高地址，A为低地址，引脚图中是ADDC，
CLK——时钟信号。

EOC——转换结束信号。EOC=0,正进行转换，EOC=1,则转换结束。

OE——输出允许信号。OE=0时，输出数据线呈高阻，OE=1时，输出转换得到的数据。

D0～D7——数据输出线。

Vref——用作模拟信号与参考电源，参考电压作对比，作为逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V,Vref(-)=-5V).

3.3.2 ADC0809与AT851单片机的连接 Vcc——5V电源。

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3.3.3ADC0809 转换器的选址

如图8所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而P2.0控制地址锁存允许信号ALE，则8路模拟通道的地址为0FEF8H～0FEFFH.此外，通道地址的选择以WR作选通信号，这部分电路的连接如下图所示：

图8 模拟通道选择信号接线图
启动A/D转换需要一条MOVX指令。不过，先要将P2.0清零，并将最低三位与所
选择的通道对应的口地址送入数据指针DPTR中。例如要选择IN0通道时，可采用
如下两条指令，即可启动A/D转换：
MOVDPTR , #FE00H ；送入0809的口地址
MOVX @DPTR , A ；启动A/D转换（IN0）
注意：此处的A与A/D转换无关，可为任意值。

3.3.4转换数据的传送
A/D转换之后所得到的数据必须及时传送到单片机处理。数据传送中的关键问题就是怎样确认A/D转换的完成，因为只有在确认完成之后，数据才能传送。

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状态，即可确认转换是否完成，并接着传送数据。

2）定时传送方式
对于A/D转器其来说，转换时间作为技术性指标是固定的和已知的。例如ADC0809转换时间为128μs，可依此设计一个子程序来延时，A/D转换启动后通过延时一段时间之后，转换已经完成了，接着就能传送数据。

3）中断方式
把转换完成的状态信号（EOC）当作中断请求信号，用中断方式进行传送数

据。首先出口地址以 RD 信号有效时，OE信号即有效，把转换数据传到上数据总线，

供单片机接受。

不管使用上述那种方式，只要确认转换结束，就可通过指令进行传送数据。

所用的指令MOVX为只读指令，仍以图8所示为例，则有
M0V DPTR , #FEOOH
M0VX A , @DPTR

出允许信号OE有效，打开三态门输出，转换后的数据从数据总线送入A累加器中。 这个指令在送出有效口地址的同时，会发出 有效信号，从而使ADC0809输

MOVDPTR，#FE00H ；送入0809的口地址
MOV A ，#07H ；D2D1D0=111选择IN7通道
MOVX @DPTR，A ；启动A/D转换

3.4 键盘输入电路的设计
3.4.1按键去抖
通常按键所用的开关是机械带弹性的开关,当机械触点闭合、断开时,电压信号波形如下图。由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合和断开时不稳定，因而在闭合及断开的瞬间都有一连串的抖动,如下图。抖动时间的长短由按键的机械特性决定,一般为5ms～10ms。

按键稳定闭合时间的长短是由操作人员的按键动作决定的,一般为零点几秒 至数秒。为了保证CPU对键的仅做单次的处理，必须去除键抖动。在键闭合稳定

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时读取键的状态,并且必须判别到键释放稳定后再作处理。按键的抖动,可用软件或硬件两种方法。

（1）软件消抖：如果按键较多,通常用软件消抖,检测出键闭合后执行一个延时程序后,产生5ms～10ms的延时,当前沿抖动消失后，再一次检测键的状态,如果仍保持闭合状态,则确认真正有键按下。当检测到按键释放之后,也要给5ms～10ms的延时,待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。

（2）硬件消抖：在键数较少时可用硬件方法消除键抖动。下图所示的RS触发器是常用的硬件去抖。

图9 RS 触发器硬件消抖

当按键未按下时,输出为1;当键按下时,输出为0。此时即使用按键的机械性能,使按键抖动瞬时断开,让按键无法返回初始状态A,双稳态电路的状态不会改变,输出保持为0,不会产生抖动的波形。也就是说,即使B点的电压波形是抖动的,但在经过双稳态电路之后,它的输出变为正规的矩形波。

3.4.2键盘扫描方法
扫描查询法如图10所示键盘，过程如下。

（1）判断闭合键所在的位置，确认有键按下后，进入具体闭合键的过程。方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。

（2）判断键盘中有无键按下，将全部行线置低电平，再检测列线的状态。

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只要有一列的电平为低，就表示在键盘中有键被按下，且闭合的键在低电平线与4根行线相交叉的四个按键的中间。如果所有列线都为高电平，那么键盘中无键按下。

图10 4×4 键盘扫描法接口电路 3.5 数显输出电路的设计

并行输入硬件译码静态显示电路，采用锁存器MC14495将P1口低4位输出地BCD

码译成七段字形段码，利用P1口高4位作为各锁存译码器的锁存信号。CPU把送显数据写到锁存器后，对应的各位LED即可稳定显示。

3.6 其他控制电路的设计

继电器电路设计，由于单片I/O口的驱动电流较弱，不满足继电器吸合电流参数的要求，所以要用三极管动继电器吸合。设计电路如图11。

为了防止电源尖峰脉冲引发的噪声干扰以及高频信号线间的耦合干扰，在电源入口处及芯片顶端或底端，接入去耦电容，以增强系统的稳定性。

电源指示灯设计如图12。

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图11 继电器部分电路图

图12 电源指示灯电路图

4 整体硬件系统图

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结 论

本文设

应用系统，采

在这个

课题中，要

11	LE	Q0	2	设计一个符
			5
3	D0	Q1
			6
		Q2
4			9
	D1	Q3
7	D2	Q4	12
8			15
	D3	Q5		合一般工业
13			16
	D4	Q6
14			19
	D5	Q7
17
	D6
18
	D7
1	OE			要求的液位

监控系统，

涉及到相当

ADC0809 图13 整体硬件系统图

多的知识。如模拟 电子、显示技术、 数电、转换

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技术等课题的知识。在设计过程中方案的确定、系统框架和功能的设计、传感器的选择、软件的设计等都使我们的知识在实践中得到应用。此设计对于降低工人劳动强度，不断改善工人的工作环境，节省使用的财力、物力，避免资源的浪费方面考虑，特别是针对一些具有高温、低温、高压、低压、有辐射性、易挥发、易爆等液体，都具有很大的意义。该题目虽然不大，但属于一个完整的系统，涉及的知识面很广，需要明白和注意的地方多，对于我们这些专科毕业生来说难度适中，无论是搜集材料还是绘制电路图对我都是一次很好的锻炼。

因为时间和水平所限，在设计中有一些不太满意的地方，都有待于以后的工作中进一步的完善和解决。同时由于本人的水平有限，文中难免有不妥和错误之处，恳请各位老师和同学批评指正。

致 谢

本次毕业设计论文对我自身来说是一次挑战，在整个毕业设计的过程中遇到

了不少问题。在这一个多月的时间里，多亏了我的指导老师——姚苏华老师的悉 心指导和鼓励，使得我最终顺利完成了毕业设计。从课题的选择到论文的最终完 成，姚苏华老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持。他严谨的工作态度和丰

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富的实际经验给我留下深刻的印象，使我们受益非浅。在本文完成之际，我对姚

老师表示深深的敬意和由衷的感谢。

同时也感谢其他各位老师，他们在我做毕业设计的过程中，提出了宝贵的意

见并给予我很多帮助。感谢我们的同学为我的毕业设计提供了不少的帮助并提了

很多好的意见。

最后，我要感谢三年的大学生活，感谢所有老师、同学以及我的家人和那些

永远也不能忘记的朋友，他们的支持与情感，是我永远的财富！

参考 文 献

[1]王祁. 智能仪器设计基础.北京：机械工业出版社，2009
[2]王洪君.单片机原理及应用.济南：山东大学出版社，2009
[3]王庆. protel99 SE&DXP电路设计教程. 北京：电子工业出版社，2006 [4]阎石. 数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006
[5]童诗白,华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2007[6]李小莹. 传感器与测试技术.北京：高等教育出版社，2004
[7]胡汉才. 单片机原理及其接口技术.北京：清华大学出版社，1996[8]石利英. 传感技术. 上海：同济大学出版社，1995
[9]陈杰. 传感器与检测技术. 北京：高等教育出版社，2002

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