基于单片机的水位自动控制系统

基于单片机的水位自动控制系统内容摘要：

下， PD2 的两个输入信号在相位上相差约为 90176。 ，因而 PD2 的输出电压达到其输出范围内的最大值，再经运算放大器 AMP 反相 ，在其输出端输出一个低电平。 AMP 的输出端为 OC 输出方式，低电平输出时可吸收最大 100mA的输出电流。 该端口的低电平输出信号除可由上拉电阻转换为电压信号以与 TTL 或 CMOS 接口电路相匹配外，还可直接驱动 LED 及小型继电器等较大负载。 值得一提的是，接在 2 脚的环路滤波电容 C2 与内部电阻一道构成锁相环路的 RC 积分滤波器，该滤波器时间常数的大小在很大程度上决定了锁相环路的环路带宽 BW 的大小。 当 BW 较大时，捕获范围大而稳定性差。 减小 BW 则正好相反，其稳定性较好而捕获范围变小。 LM567 的环路带宽 BW可由下式计算 ： BW=1070(Vi／ f0C2)1/2。 ，军械工程学院本 科毕业论文 XIII Vi 为输入信号的幅值 (rms) C2 为滤波电容的容量 (单位为μ F) 实际上，由上式计算得出的并不是环路带宽 BW 的实际值，而是环路带宽 BW 与环路中心频率 f0 的百分比，其值再乘上 100％才是锁相环路的实际捕获带宽。 实际应用中调整 C2 的大小可使 BW在 0％～ 4％范围内变化。 BW宽度与 f0C2 乘积 之间的关系如图 2。 LM567 在正常工作时的最小输入信号为 20mV。 当用于单音解码时，其工作特性为：当 LM567 信号输入端加入幅度为 20mV 以上的交流信号且频率落入 f0177。 BW 范围内时，输出端输出一个低电平的检测信号，这就是所谓的“频率继电器”特性。 利用这一特性，LM567 可广泛应用于各种低频单一频率信号的解码。 NE5532 NE5532与其它运放是一样的原理 ， 只是引脚不太一样。 其引脚图为： 图 NE5532 引脚图 Figure NE5532 leads the feet diagram 它内部有集成了两个运放，这为两级放大提供了方便，正好一片 NE5532就 可完成设计的要求，按芯片引脚连接放大电路，将信号进行定量的放大，方便信号的处理。 第 3 章 方案的选择和论证 系统基本方案 根据题目要求，可将系统分为两个部分，即基本部分和发挥部分。 基本功能是实现水位的实时监测和水位的控制。 发挥的部分则是实现流量的显示。 基本部分的水位监测则是通过单片机的定时查询， 实时检测来实现水位的监控。 OUT1IN2IN+3VCC4VCC+8OUT7IN6IN+5NE5532军械工程学院本 科毕业论文 XIV 图 监测控制 Figure monitors control 流量检测是通 过超声波时间法检测的，超声波时间法就是，超声波在同同一种介质中的不同状态的传播时间。 因为超声波在同一种介质中的传播速度是一样的，当状态发生改变时即当水的流向与超声波的传播方向一致或者相反时，超声波在水中的传播时间等于超声波发射接受头之间的距离除以超声波在静止的水中的传播速度加上或减去水的流速，通过测量超声波在水中的传播时间，就可以计算出水的流速，因此就可计算水的流量。 当距离一定时，超声波在水中的传播速度为 1450m/s，当超声波的传播方向和水的流动方向一致时，总的速度为水的流速加上 1450，当检测到时间后，距离除以时间就等与总的速度，总的速度再减去 1450 就可得到此时的流速了，再用水的流速乘以流过水管的面积就可计算出水的流量了。 本部分可分为发射部分和接收部分。 其中发射部分包括：信号产生模块和信号放大模块。 接收部分包括：信号接收放大模块和处理信号模块。 模块框图如图。 军械工程学院本 科毕业论文 XV 图 超声波时间法检测 Figure time of method examination 各 模块方案选择与论证 水位的采集 方案（一） ： 根据书上的通过 单片机 P1 口的两个引脚接上两个电极，只要判断其水为的上下线就可以了，此方案电路简单，但是如果水的流量过多过快时，正当显示水位低的时候，已经没有水了。 方案（二）： 采用超声波测量水位，利用超声波的测量距离原理，计算时间法，通过计数发射的超声波到接收的时间，当知道了超声波的速度和时间，就能计算出超声波传播的距离，因此就能知道水位的高低，优点是精确速度快，不足是价格贵，硬件比较复杂，调试比较烦琐。 图 信号 产生 信号 放大 发射 探头 水流 方向 接收探头 信号 处理 信号 放大 显示 军械工程学院本 科毕业论文 XVI 方案（三）：根据方案（一）做的改进，增加检测水位的电极，但是有太占用单片机过多的 资源，采用 74165 并行转串行只是利用串口来进行查询 ，可有八个电极提高水位的精确度。 根据题目的要求如图所示： 图 Figure examination water level diagrams 水位的高低会接触到 74165 的不同引脚，电源端通过水将高电平传到个引脚，每隔一段时间单片机就从 74165 读一次数据，而数据的大小则可以反应水位的高低。 优点是方便简单，可行。 超声波信号产生模块 根据题目要求，信号要产生 40kHZ，有以下方案选择： 方案一：采用晶体管 9013 作 信号产生 40kHZ，不需进行任何调试，但由于发射头如频率不在 40kHZ177。 2kHZ 范围内，则发出的信号比较弱甚至没发出信号，所以该方案不可靠，不易控制。 方案二：采 NE555 定时器产生 40kHZ177。 2kHZ 信号，该电路可调能保证提供 40kHZ，但波形失真较严重，且发射信号弱。 方案三：采用 74HC00 与非门产生 40kHZ 信号，再通过单片机控制信号的产生和停止。 如图 所示，输出频率为 40kHZ177。 2kHZ，波形失 真小，性能稳定。 军械工程学院本 科毕业论文 XVII 图 Figure creation electric circuits of 超声波信号接收放大模块 方案一：采用 UA741 放大信号，但如何测试都接不到信号，原因是负反馈深度即 |1+AF|愈大，放大电路的增益减小愈多，故一级放大不可靠。 方案二： UA741 采用二级放大，这样可解决方案一的不足，由于 NE5532用作信号放大比 较好，故采用 NE5532 放大信号。 如图 所示： 图 Figure waves of receive the electric circuit 信号处理模块 方案（一）：信号经过 放大后，送入比较器中进行比较，就可判断接收到超声波。 此时便可停止定时器，即可得到从发射到接收所需的时间，因为 S=V 超178。 T1 时 S=V 流178。 T2， V流 =V水 + V 超，距离 S 不变，测得了不军械工程学院本 科毕业论文 XVIII 同状态的时间，则可以计算出水的流速 V 水，那么水的流量就可以测得了。 主要是接收到了超声波后单片机无法识别信号，必须要经过信号的转换，比较器是当反向端的电压高于同向端的电压时输出低点平，当反向端的电压低于同向端的电压时输出高电平。 调节同向端的电位器使同向端略高于反向端的电压，则当反向端的电压有变化时，比较器就会从高电平跳变到低电平， 通过信号的跳变就可引起单片机的中断，则可通过单片机来记时和计算。 经过数次实验，才发现比较器的反向端和同向端的比较电压是直流电压。 而接收到的超声波经过放大后的信号是交流的电压，比较器根本无法工作。 方案（二）： LM567 是一片锁相环电路，采用 8 脚双列直插塑封。 其 ⑤ 、⑥ 脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率 f2， f2≈1/。 其 ① 、 ② 脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。 ② 脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。 ① 脚所接电容的容量应至少是 ② 脚电 容的 2倍。 ③ 脚是输入端，要求输入信号 ≥25mV。 ⑧ 脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为 100mA。 LM567 的工作电压为 ～ 9V，工作频率从直流到 500kHz，静态工作电流约 8mA。 LM567 的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当 LM567 的 ③ 脚输入幅度 ≥25mV、频率在其带宽内的信号时， ⑧ 脚由高电平变成低电平， ② 脚输出经频率 /电压变换的调制信号；如果在器件的 ② 脚输入音频信号，则在 ⑤ 脚输出受 ②脚输入调制信号调制的调频方波信号。 我们仅利用了。