水位显示与控制装置的设计与实现毕业论文

水位显示与控制装置的设计与实现毕业论文内容摘要：

.................................................................32 基板材料 ..................................................32 布局布线 ..................................................32 PCB 制作流程 .............................................................................................33 系统的测试 ............................................................................................................35总 结 ..................................................................................................................................39致 谢 ..............................................................................................................................40参考文献 ..............................................................................................................................41附 录 1 硬件电路原理图 ................................................................................................43附 录 2 数字水位计实物图 ............................................................................................44附 录 2 程序 ....................................................................................................................45 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 0 页 第 1 章 绪 论 本论文的背景和意义水位的测量，是水文研究中的很重要的一点，而在人们的印象中，水文研究是一项十分辛苦的工作，它需要水文工作者到各地去采集水文资料，包括水位。 然而，水位的测量 不仅在水文研究中用到，在人们的日常生活中也有着广泛的应用。 水位计也叫“液位计”或“液面计”。 锅炉里的水在高温时汽化供暖，水和汽的损耗较大，要不断地补充水，使锅炉里的水位保持一定的高度，水位过低，锅炉就有爆炸的危险。 为了随时了解锅炉内的水位，在锅炉上都装有水位计，水位计和锅炉构成一个连通器。 在水库、蓄水池以及江河中，为了观测和控制水位的高度，也不可避免的用到水位计。 常用的水位测量方法有浮标测量法、电容式水位测量法、电阻应变片的压力感应法、超声波反射法等。 在人们的生产生活中有很多时候需要随时的监控水位，因而我们需要研制出简单实用，低成本高精准的水位测控装置。 本人选择《数字水位的显示与控制》这个题目的意义在于：通过查阅资料可以了解到当前行业前沿的水位测量技术以及产品的发展状况。 培养自己的自学能力，并将所学的理论知识应用到科学研究和实际操作中，以此来展现自己的学习成果。 对水位测量计研究，有利于满足人们日益增长的物质需求，通过将科学技术应用到水位控制上从而使得人们真正体会到科技的发展给自己的现实生活所带来的方便和舒适。 加深对单片机的理解，掌握其内部模块的应用以及单片机系统的硬件设计过程、方法以及工作条件，为以后的工作学习打下良好的基础。 本论文的主要方法和研究进展 对于本题目数字水位显示与控制的研究可大体分为三个方面： 第一，是对原理的研究，对理论的熟知可以帮助我们更好的解决在实际测试中遇到的多种问题。 水位的测量可以有多种方法，使用多种原理来实现，只要是掌握可以借助于某种设备将水位的变化转化为其他物理量的变化，进而转化为可用电量的变化。 第二，是对硬件的研究，在实际的水位测量中传感器的选择尤为重要，这可以直接影响到系统的稳定性和准确性。 在众多的数位测量装置中振弦式和差阻式仪器的研发和应用已有 40 多年的历史，在水电工程中也有很多的应用。 由于本课题采用的是自制传感器，所以传感器的制作是重点。 确定整个硬件设计方案，准确的完成电路的原理图以及 PCB 版的布局布线，制作 PCB 电路板。 最后，则是软件设计，根据硬件电路的各部分的作用、技术特点以及整个设计要实现的功能完成编程。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 1 页 本论文的主要内容 毕业论文是教学科研过程的一个重要环节，也是对本人学业成绩的考核和评定。 毕 业 论 文 可 以 总 结 学 生 在 校 学 习 过 程 的 学 习 成 果 ， 培 养 学 生 理 论 联 系 实 际 的 能力 ， 具 有 综 合 而 又 全 面 地 运 用 所 学 的 全 部 专 业 知 识 和 技 能 解 决 较 为 复 杂 问 题 ，并 使 他 们 受 到 科 学 研 究 的 基 本 训 练。 此论文是本人做毕业设计整个过程的最终总结，包括选题的意义、对题目的理解、搜集的资料、找到各种专业软件安装学习等前期工作；还有在做题目过程中所遇到的问题、解决问题的方法以及题目的设计方案、设计原理，硬件的制作过程；同时也包括了在做毕业设计过程中自己的心得体会以及学习领悟到的宝贵的实践经验。 本课题主要需要解决传感器的制作、硬件电路和软件程序的设计。 需要解决的主要问题有：①对水位信息的采集，以及如何输出利于测量的有用电量。 ②通过单片机在屏幕上显示即时水位。 ③可以通过单片机来控制水泵的启动和停止，一达到控制水位的目的。 ④只能控制水位，自动控制水泵的运行达到设定的水位值。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 2 页第 2 章 设计方案的确定本课题要求设计并实现一个显示水位及控制的装置。 可解释为由水位传感电路模块、单片机模块、LCD 显示模块等组成的数据采集系统。 数 据 采 集 系 统 主 要 是 指这 样 的 系 统 ， 它 具 有 将 模 拟 量 （ 例 如 温 度 、 压 力 、 位 移 、 语 音 、 图 像 等 ） 变 为数 字 量 ， 然 后 经 计 算 机 进 行 适 当 的 处 理 后 ， 再 配 以 显 示 、 记 录 等 功 能。 此 设 计 方案 是 在 数 据 采 集 系 统 的 基 础 上 加 以 控 制 功 能。 系 统 的 结 构 图 如 下 ：液晶显示模块电 机驱 动水泵MCUSTC51稳压电路 信号调理水位检测传感器 蓄水装置 图 21 水位及控制装置硬件系统结构框图 下面是对真个系统各个组成部分的解释和说明： 传 感 器 [4]： 将 输 入 的 待 测 物 理 量 转 换 成 相 应 的 电 信 号 输 出 ， 实 现 非 电 量 到 电量 的 变 换。 传 感 器 的 精 度 以 及 稳 定 性 直 接 影 响 到 整 个 系 统 的 性 能 ， 所 以 是 系 统 中一 个 重 要 的 部 件。 电 容 式 传 感 器 是 根 据 水 位 高 低 的 变 化 引 起 传 感 器 间 电 容 变 化 的原 理 制 成 的 ， 制 作 简 单 ， 方 便 ， 而 且 电 容 式 传 感 器 在 湿 度 温 度 等 外 界 条 件 变 化 的环 境 中 仍 然 可 以 保 持 较 小 的 误 差 工 作 ， 这 是 其 他 传 感 器 无 法 比 拟 的。 信号调理 [13]：传感器获取的信号中常常夹杂着噪声及各种干扰信号,为了准确地获取表征被检测对象特征的定量信息,必须对传感器检测到的信号进行处理。 为了加速传感器的实用化,国内外在传感器信号处理方面作了大量工作。 将传感器输出的物理量进行放大、整形、滤波等处理，传 感 器 的 输 出 信 号 一 般 不 适 合 直 接 去 转 换 数字 量 ， 这 时 就 需 要 信 号 调 理 模 块 将 他 转 换 成 易 于 单 片 机 测 试 的 物 理 量。 电 机 驱 动 ： 单 片 机 输 出 的 电 压 为 +5v， 不 足 以 使 电 机 运 行 起 来 ， 本 课 题 中使 用 的 L298 驱 动 芯 片 的 电 压 为 12v25v。 因 此 ， 需 要 加 入 电 机 驱 动 模 块 来 控 制 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页电 机 的 运 行。 本 课 题 中 所 采 用 的 是 15v 的 直 流 电 压。 单 片 机 ： 目 前 的 数 据 采 集 系 统 功 能 和 性 能 日 趋 完 善 ， 因 此 主 控 部 分 一 般 都 采用 单 片 机。 本 课 题 中 采 用 了 80c51 单 片 机 来 实 现 数 据 的 采 集 处 理 以 及 控 制 输 出的 功 能。 根 据 课 题 要 求 ， 为 了 尽 量 的 避 免 误 差 ， 我 采 取 的 方 式 是 一 个 用 泡 沫 悬 浮 于 水面 上 ， 另 外 一 个 大 板 子 在 容 器 下 面 垫 在 容 器 与 桌 子 中 间 ， 这 种 办 法 虽 然 有 效 的 减小 了 误 差 ， 但 是 仍 然 有 接 线 柱 交 换 位 置 频 率 就 发 生 大 幅 度 改 变 的 现 象。 根 据 这 种现 象 ， 需 要 想 办 法 增 加 被 测 水 位 等 效 电 容 的 大 小 ， 到 nF 级 别 比 较 理 想 ， 测 量 空气 电 容 的 电 容 级 别 在 实 际 测 量 中 是 2 位 数 pf， 测 量 水 等 效 电 容 在 实 际 测 量 中 是3 位 数 pF。 增 大 被 测 水 位 等 效 电 容 的 优 势 是 可 以 减 小 电 路 噪 声 的 影 响。 同 时为 了 解 决 这 种 误 差 现 象 ， 还 需 要 想 办 法 减 少 各 个 微 电 容 的 大 小 ， 如 电 路 电 容 、 线电 容 等。 PCB 板 位 置 还 有 震 动 都 会 影 响 这 种 微 电 容 的 大 小。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 4 页第 3 章 硬件设计 单片机概述单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、 只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 单片机选择单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。 相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。 概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。 它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。 同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 MCS51 单片机是美国 INTEL 公司于 1980 年推出的产品，与 MCS 48 单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达 111 条，MCS51 单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS51 系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与 MSC51 单片机作为代表进行理论基础学习。 MCS51 系列单片机主要包括 8038051 和 8751 等通用产品。 随着现代科学技术的飞速发展，单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域. 具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点. 80C51 芯片简介 ㈠ 80C51 单片机的内部结构 [1]80C51 芯片内部集成了 CPU、RAM、ROM、定时/计数器和 I/O 口等各功能部件，并由内部总线把这些不见连接在一起。 图 31 为 80C51 单片机功能结构框图80C51 单片机内部包含以下一些功能部件：(1) 一个 8 位 CPU；(2) 一个片内振荡器和时钟电路；(3) 4KB ROM（80C51 有 4KB 掩膜 ROM，87C51 有 4KB EPROM，80C31 片内有无ROM）； 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 5 页(4) 128B 内 RAM；(5) 可寻址 64KB 的外 ROM。