课程设计说明书 题 目： 水位监测系统设计 姓 名： 马存祥 学 号： 1000407014 指 导 教 师： 段广云、俞学兰 专 业 年 级： 10级机电（1）班 所在学院和系： 机械工程学院 完 成 日 期： 2013年06月20日 课程 名 称： 机电一体化系统设计 目录1绪论21.1背景和意义21.2设计要求22系统总体方案设计32.1方案设计32.2方案论证32.2.1.处理器论证与选择32.2.2.传感器模块论证与选择42.2.3.模数转换模块论证与选择42.2.4.报警模块论证与选择42.2.5.显示模块论证与选择42.3芯片选择53系统硬件电路设计83.1单片机最小系统设计83.1.1.时钟电路83.1.2.复位电路83.1.3.单片机最小系统83.2传感检测电路设计93.3显示电路设计103.5模数转换电路设计113.6系统整体电路原理图设计124系统软件设计144.1系统主程序设计144.2显示子程序设计144.3报警子程序设计154.4系统仿真154.4.1. 仿真 （proteus仿真）155总结17附录18参考文献211绪论1.1背景和意义单片机应用发展迅速而广泛。在过程控制中，单片机既可作为主计算机，又可作为分布式计算机控制系统中的前端机，完成模拟量的采集和开关量的输入、处理和控制计算，然后输出控制信号。单片机广泛用于仪器仪表中，与不同类型的传感器相结合，实现诸如电压、功率、频率、湿度、流量、速度、厚度、压力、温度等物理量的测量；在家用电器设备中，单片机已广泛用于电视机、录音机、电冰箱、电饭锅、微波炉、洗衣、高级电子玩具、家用防盗报警等各种家电设备中。在计算机网络和通信、医用设备、工商、金融、科研、教育、国防、航空航天等领域都有着十分广泛的应用。随着科技的发展，液位测量技术趋于智能化、微型化、可视化。本设计思想是用单片机做下位机，PC机做上位机，单片机和PC机相结合对水箱液位进行测量和监控。该设计要求具有一定的智能化，可操作性和稳定性好在工农业生产中，常常需要测量液体液位。随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行液位控制的实验装置。1.2设计要求系统为水位监测报警,设计要求和任务如下:设计要求：监测范围：01m；测量精度：0.005m； 设有上、下限报警； 数码显示；设计任务：硬件设计（元器件选择、电路原理图与电路板图绘制等）、软件设计；2系统总体方案设计2.1方案设计系统方案设计传感器测得的电压信号,再通过模数转换器AT89C52把输出状态直接接到单片机的I/O接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接LED进行显示,实现水位的报警控制；如图1. 处理器 显示模块 模数转换 传感器 报警模块 图1由上图可观察到传感器输出模拟信号，再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过AT89C52单片机的运算控制，在通过LED进行显示,通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门的开启实现对水体的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机2.2方案论证 2.2.1.处理器论证与选择方案一：采用51单片机控制系统。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，能满足题目要求。方案二：采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心。由于FPGA具有强大的资源，使用方便灵活，易于进行功能扩展，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。但其成本偏高，引脚较多，硬件电路布线复杂。根据以上具体分析选择方案一。 2.2.2.传感器模块论证与选择水位测量是液位测量的一种，由于水位测量涵盖水利、气象、地址、环保等诸多领域。所以水位测量与一般液位测量相比又具有一定特殊性。方案一：静压投入式液位变送器（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。420mA、 05v、 010mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。方案二：超声波传感器测距是一种非接触测量，无需水位井，但是由于声波传在空气中的传播速度受温度、湿度、气压等因素的影响，水位参数漂移严重；电源功耗大；价格高。 根据以上具体分析选择方案一。 2.2.3.模数转换模块论证与选择 模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。根据题目要求测量范围（01m）和测量精度（0.005m）选择模数转换的位，2n=1/0.005=200,故取8位的模数转换即可达到。2.2.4.报警模块论证与选择 采用LED灯控制。本系统中可以通过LED灯的亮灭来显示是否超出上下限测量范围，操作简便，程序简单，易于实现控制。2.2.5.显示模块论证与选择数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。根据题目要求，采用四位七段数码，可以通过数码管的位选和段选将数码管的各段进行显示。显示管分别显示光水位的个、十分位、百分位、千分位。2.3芯片选择 (1)AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标 PDIP封装的AT89C52引脚图准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。P0 口P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 口P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表1。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。表.P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2，时钟输出P1.1T2EX（定时/计数器2）P2口P2口 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时，P2 口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号P3 口P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能P3 口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的