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毕业论文-基于单片机的电容式液位检测系统的设计.doc
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2023-06-30
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基于AT89C51单片机的电容式液位检测系统的设计
一、概述
随着微电子工业的迅速发展,单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产
品中,为了对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由
单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目,通过训练充分激发自己分析问题、
解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外,液位控制在高层小区水塔水位控制,
污水处理设备和有毒,腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计
可很好的延伸到具体应用案例中。
本设计基于AT89C51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以及液位控制部分,还可在此基础上添加报警器。
二、系统设计方案的确定
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AT89C51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 、报警模块、
控制模块。
(4)对测量电路的各种精度指标进行测试(非线性误差、重复性、滞后、
灵敏度、抗侧向能力大小、温变对灵敏度的影响等指标)。
2.2 系统设计方案的选择
对于液位进行控制的方式有很多,而应用较多的主要有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。
复杂控制器控制方式,这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传
感器,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、
A/D变换成数字信号传送到单片机,经单片机运算和给定参量的比较,进行PID
运算,得出调节参量;经由D/A变换给调压/变频调速装置输入给定端,控制其
输出电压变化,来调节电机转速,以达到控制水箱液位的目的。
针对上述2种控制方式,以及设计需达到的性能要求,这里选择第二种控制
方式,同时考虑到成本需要把PID控制去掉。最终形成的方案是,利用单片机为
控制核心,设计一个对低温储罐液位进行监控的系统。根据监控对象的特征,要
求实时检测低温储罐的液位高度,并与开始预设定值做比较,由单片机控制固态
继电器的开断进行液位的调整,最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限
设定值时,要求报警,断开继电器,控制水泵停止上水;检测值若低于下限设
定值,要求报警,开启继电器,控制水泵开始上水。现场实时显示测量值,从
2
而实现对水箱液位的监控。
原理流程图如下(图2.2):
气体变量
输入
传感器
模拟量
AD转换器
数字量
AT89C51
P0
P1
P2
P3
键盘控制量
输入
数显输出
其他控制
图 2.2 液位测量原理流程图
三、部分电路的设计
3.1传感器的组成
图3.1 为传感器部分的结构原理图。它主要是由细长的不锈钢管(半径为R1 ) 、
同轴绝缘导线(半径为R0 ) 以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。
该传感器主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化, 从而引起
对应电容量变化的关系进行液位测量。
图 3.1 传感器原理图
3.2 单片机电路设计
3.2.1 AT89C51功能及引脚分布
本次毕业设计基于AT89C51单片机, AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可
擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051是
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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。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与
工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器
组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多
嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。引脚分布如下图3.2.1所示:
图 3.2.1 AT89C51 及引脚分布
VCC:供电电压。
GND:接地。
P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口
的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它
可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当
FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输
出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部
下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验
时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出
4
4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的
缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口
输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位
地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH
编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电
流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,
由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
管脚 备选功能
P3.0 RXD(串行输入口)
P3.1 TXD(串行输出口)
P3.2 /INT0(外部中断0)
P3.3 /INT1(外部中断1)
P3.4 T0(记时器0外部输入)
P3.5 T1(记时器1外部输入)
P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)
P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平
时间。
ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的
地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变
的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部
输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将
跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有
在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理
器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个
机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号
将不出现。
/EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器
(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部
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