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基于单片机的水位计的设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.73M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    目 录
    1.1 选题背景
    1.2 选题的现实意义
    1.3 本文的研究内容
    2 方案设计
    2.1 水位测量法的选择
    2.2 超声波工作原理
    3 水位计的硬件设计
    3.1 系统硬件的总设计方案
    3.2 超声波发射电路的设计
    3.2.1 NE555工作原理
    3.2.2 NE555管脚说明
    3.2.3 发射电路的设计
    3.3 超声波接收电路的设计
    3.3.1 LM324的特性
    3.3.2 LM324简介
    3.3.3 接收电路设计
    3.4 时钟电路的设计
    3.4.1 时钟芯片的选择
    3.4.2 时钟电路设计
    3.5 控制电路的设计
    3.5.1 主控芯片的选择
    3.5.2 控制电路设计
    3.6 显示电路的设计
    4 水位计的软件设计
    4.1 系统主程序设计
    4.2 时间读取子程序的设计
    4.3 液晶显示子程序的设计
    5 系统调试
    5.1 元器件清单
    5.2 制作与调试
    6 结论
    参 考 文 献
    致谢
    附 录 A
    附 录 B
    学号： 常 州 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） （2012 届） 题 目 学 生 学 院 基于单片机的水位计的设计 怀 德 学 院 专业班级 电子（081）班 校内指导教师 吴 志 敏 专业技术职务 讲 师 校外指导老师 专业技术职务 二 0 一二年三月
    基于单片机的水位计的设计 摘要：水位监测广泛应用于水利、电力、城市供水、防洪等多领域，但是目前的 水位观测方法精度不高，不能全自动、实时动态监测，因此设计开发一种通用性 好、可靠性高、维护方便的水位计具有重要的实际意义。本文介绍了一种基于单 片机的水位计的设计方法，以单片机为控制核心，利用超声波测距原理实现了对 水位的监测。系统将时间与水位高度信息通过液晶显示器进行显示，便于观测者 观察，当测量水位超出设置的水位安全值时，系统可实现声光报警功能。本系统 设计原理简单、成本低廉，可应用于各种水利设施对水位有要求的工程中，在日 常生活中太阳能热水器等地方应用也很广泛，具有很高的应用价值。 关键字：水位计、单片机、超声波 I
    The design of water level meter based on single chip microprocessors Abstract ： The water level monitoring is widely used in many fields of water, electricity, urban water supply, flood control, however, the current water level observation method accuracy is not high, not automatic, real-time dynamic monitoring, therefore, the design and development of a universal, high reliability and easy maintenance of water level has important practical significance. This paper presents a design method based on the micro controller of the gauge, MCU as the core, The use of ultrasonic distance measurement principle to achieve a water level monitoring. The system will time and water level information through the LCD display, To facilitate observation by observation, when measuring the water level exceeds the set value of the water level of security, the system can achieve the sound and light alarm. The system design is simple in principle, low cost, and can be applied to all kinds of water conservancy facilities, the water level requirements of the project, Local applications such as solar water heaters in their daily lives is very wide, has a high application value. Key words: water level meter, single-chip microprocessors, ultrasonic II
    目 录 摘要................................................................................................................................I 目 录........................................................................................................................... III 1.1 选题背景................................................................................................................ 2 1.2 选题的现实意义.................................................................................................... 2 1.3 本文的研究内容.................................................................................................... 3 2 方案设计................................................................................................................... 4 2.1 水位测量法的选择................................................................................................ 4 2.2 超声波工作原理.................................................................................................... 4 3 水位计的硬件设计................................................................................................... 6 3.1 系统硬件的总设计方案........................................................................................ 6 3.2 超声波发射电路的设计........................................................................................ 6 3.2.1 NE555 工作原理..................................................................................................7 3.2.2 NE555 管脚说明..................................................................................................7 3.2.3 发射电路的设计................................................................................................. 8 3.3 超声波接收电路的设计........................................................................................ 8 3.3.1 LM324 的特性..................................................................................................... 9 3.3.2 LM324 简介......................................................................................................... 9 3.3.3 接收电路设计..................................................................................................... 9 3.4 时钟电路的设计.................................................................................................. 10 3.4.1 时钟芯片的选择............................................................................................... 10 3.4.2 时钟电路设计................................................................................................... 11 3.5 控制电路的设计.................................................................................................. 11 3.5.1 主控芯片的选择............................................................................................... 11 3.5.2 控制电路设计................................................................................................... 14 3.6 显示电路的设计.................................................................................................. 15 4 水位计的软件设计................................................................................................. 17 4.1 系统主程序设计.................................................................................................. 18 4.2 时间读取子程序的设计...................................................................................... 19 4.3 液晶显示子程序的设计...................................................................................... 20 5 系统调试................................................................................................................. 23 5.1 元器件清单.......................................................................................................... 23 5.2 制作与调试.......................................................................................................... 24 6 结论.......................................................................................................................... 25 参 考 文 献............................................................................................................... 26 致谢............................................................................................................................. 27 附 录 A.......................................................................................................................28 附 录 B.......................................................................................................................29 III
    常州大学本科生毕业设计（论文） 1 绪论 1.1 选题背景 水是生命之源，自然界万物的生长离不开水，人的日常生产和生活也离不开 水，一旦断水，将会给人们的生活带来很大的不便，对于生产来说还可能造成生 产事故，因此，对于供水系统要求必须保证能够及时、准确、安全的供水。水位 测量也一直是水利部门的重要监测项目，为了及时发现隐患，防患于未然，因此 可靠、准确的水位测量在水库大坝的安全方面起着重要的作用[1]。水位监测广泛 应用于水利、电力、城市供水、防洪等多领域，但是目前的水位观测方法精度不 高，不能全自动、实时动态监测，因此，在综合研究目前水位监测的实际情况以 及特点的基础上，利用现代电子技术，特别是单片机技术和传感器技术，设计开 发一种通用性好、可靠性高、维护方便的水位计具有重要的实际意义[2]。 随着电子行业的飞速发展，微处理器的使用越来越广泛。MCS-51 系列单片 机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测 控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。目前，可 用于 MCS-51 系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种 软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各 类应用系统[13]。 本设计将单片机应用于水位计的开发中，利用超声波测距原理测量水位高 度，经济可靠、方便使用。 1.2 选题的现实意义 目前对于水位测量主要有一下几种方式： 最古老的就是利用刻度尺通过人肉眼观察的人工测量方式，这种方式误差比 较大，而且必须人工定时观察测量，如果出现紧急情况，发现处理都不及时，而 且会更多的占用人力资源，但是方法最为简单。 20 世纪末，利用超声波进行测试测量逐渐发展起来。超声波测距技术逐渐 浮出水面，而且受到的越来越多的关注。2007 年，HanneSElmer 利用编码信号改 进了超声波测距仪，提出高分辨的方法。2008 年，美国 APRESYS 公司推出了 一系列的基于超声波测高仪，这些产品体积小，便于携带，满足很多不同场合的 要求[3]。 近些年，电子技术和压电陶瓷材料的发展更加促进超声波检测技术的快速发 展。美国普利赛思公司研制的超声波测距仪，可以高速准确的测量长宽高和面积。 加拿大柏威腾超声波设备厂又研制了各种超声波测量和工业应用设备。 上世纪五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，大多是比较笨重的电子 管式仪器，当时各单位就开始积极开展实验研究，在一些工程检测中取得较好的 第 2 页 共 38 页
    常州大学本科生毕业设计（论文） 成果。之后，随着社会需求的不断扩大以及国家对其的支持，超声波检测技术开 始进入有计划、有目的的研究阶段。 由于工业自动化生产和装配过程中自动识别的需要，再加上超声波测距仪的 独特优势，这些使得这项技术的研究不断深入。伴随着电子产业的发展，超声波 测距仪不断更新，应用领域也在不断扩大。 1.3 本文的研究内容 本文首先分析了目前国内外超声波测量水位系统的发展动态，论文主要研究 内容有： （1）讨论了现有水位测量的方法，对超声波水位测量进行了分析，对比市 场上主流超声波测量系统，研究设计一种基于单片机的水位测量系统； （2）完成了基于单片机的超声波水位测量系统框架的构建，详细介绍了整 个系统的工作原理，设计方案； （3）选定合适的超声波传感器，完成系统超声波发射电路和接收电路的设 计，进行 PCB 制作，完成电路调试； （4）选定适当的单片机芯片，对其编译，对各个模块的实现进行调试； （5）对整体系统进行试验测试。 第 3 页 共 38 页
    常州大学本科生毕业设计（论文） 2 方案设计 2.1 水位测量法的选择 最古老的就是利用刻度尺通过人肉眼观察的人工测量方式，这种方式误差比 较大，而且必须人工定时观察测量，如果出现紧急情况，发现处理都不及时，而 且会更多的占用人力资源，但是方法最为简单。 目前对于水位测量主要有以下几种方式： 激光测量方法：利用激光对目标的距离进行准确测定。在工作时向目标发射 一束激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收 的时间，从而计算出目标的距离[4]。激光测距技术难度比较大，成本比较高，一 般用于军事测距。 超声波测量方法：根据超声波遇到障碍物反射的特性测定。超声波向某一方 向发射，在发射同时开始计时，在空气中传播途中遇到障碍物返回，同时计时停 止，根据计时时间得出距离[5]。超声波测量距离一般比较短，测量精度比较低， 但是成本低，适合于民用测距的设计。 红外测量方法：用调制的红外光进行测距。利用红外线传播时不扩散的原理， 根据红外线从发出碰到反射物反射回来被接收器件回收所用的时间，来计算距 离。但是红外线的传播是需要时间的，因此比较适合于长距离的测距[6]。 综上比较，本设计选择超声波测水位。 2.2 超声波工作原理 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点 在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种 振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于 20000Hz 以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限 （20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一 致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播， 是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直 线传播，具有良好的束射性和方向性[7]。与光波不同，超声波是一种弹性机械波， 它可以在气体、液体和固体中传播。我们知道，电磁波在空气中的传播速度相当 于光速，而超声波在空气中的传播速度为 340m/s，其速度相对电磁波是非常慢 的。超声波在相同的传播媒体里(如大气条件)传播速度相同，即在相当大的频率 范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性 机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的[14]。 超声波的特点是：在传播时，方向性强，能量易于集中；能在各种不同媒质中 传播，且可传播足够远的距离；超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关 传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）；超声波是一种波动形式， 它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如 B 超等用作诊断）；超声波同时又 第 4 页 共 38 页
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