20单片机原理及接口技术课程设计水库水位监测装置设计副本Word文件下载.docx
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7、对表题和表中文字要求:
表题是5号黑体,在表的上方居中表中文字是5号宋体,参照表2.1
课程设计(论文)任务及评语
电气工程学院教研室:
学号
学生姓名
专业班级
课程设计(论文)题目
水库水位监测装置设计
课程设计(论文)任务
该测量装置用于水库水位的检测与预报,可实时显示测量结果。
连接1只液位传感器,量程达5米,测量精度达1厘米,有上限报警和消音功能(阈值可自定设定)。
设计任务:
1选择液位传感器及其接口电路设计
2.CPU最小系统设计(包括CPU选择,晶振电路,复位电路)
3.报警、显示及按键电路设计
4.程序流程图设计及程序清单编写
技术参数:
1.连接1只液位传感器,量程达5米,测量精度达1厘米,阈值可自定设定
2.工作电源220V
设计要求:
1、分析系统功能,选择合适的单片机及传感器,模拟量检测电路设计等;
2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图;
3、按规定格式,撰写、打印设计说明书一份,其中程序开发要有详细的软件设计说明,详细阐述系统的工作过程,字数应在4000字以上。
进度计划
第1天查阅收集资料
第2天总体设计方案的确定
第3-4天CPU最小系统设计
第5天选择液位传感器及其接口电路设计
第6天报警、显示及按键电路设计
第7天程序流程图设计
第8天软件编写与调试
第9天设计说明书完成
第10天答辩
指导教师评语及成绩
平时:
论文质量:
答辩:
总成绩:
指导教师签字:
年月日
注:
成绩:
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
目前国内许多水文站监测水位仍采用人工方法。
该方法不但存在测量的人身安全问题,而且还存在数据测量不够准确、监测实时性不强等问题。
为了实时准确的监测水位,本文设计了单片机控制的水位监测系统。
该系统主要由中央处理器、报警、显示、按键电路组成,能够实现水位实时监测显示,并能对超过警戒线上的水位进行报警。
在对该方案进行细化的过程中,对各功能模块的关键技术和设计作了具体的描述,它们包括CPU最小系统,液位传感器,A/D转换器,输入输出接口电路。
在软件方面给出了流程图和程序清单。
关键词:
51单片机;
A/D转换;
水位传感器;
第1章绪论1
1.1水库水位监测装置设计概况1
1.2本文研究内容1
第2章CPU最小系统设计2
2.1水库水位监测装置总体设计方案2
2.2CPU的选择2
2.3数据存储器扩展4
2.4复位电路设计4
2.5时钟电路设计5
2.6CPU最小系统图6
第3章水库水位监测装置输入输出接口电路设计6
3.1液位传感器的选择6
3.2水库水位监测装置检测接口电路设计7
3.1.1A/D转换器选择7
3.1.2模拟量检测接口电路图7
3.2水库水位监测装置输出接口电路设计8
3.3人机对话接口电路设计9
第4章水库水位监测装置软件设计10
4.1软件实现功能综述10
4.2流程图设计10
4.2.1主程序流程图设计10
4.2.2模拟量检测流程图设计11
4.3程序清单12
第5章系统设计与分析14
5.1系统原理图14
5.2系统原理综述14
5.3硬件仿真图15
5.4软件调试结果15
第6章课程设计总结16
参考文献17
第1章绪论
水库水位监测装置设计概况
在水利工程中,水库水位测量一直是水文、水利部门的重点。
如果没有提前进行有效的水位监测,则在遇到洪水、台风等异常天气状况下,因水位达到警戒线而造成江堤决口,大水冲毁堤坝等恶性事故时有发生,由此给国家和人民生命财产带来巨大的损失,因此需要设计一种自动监测仪器。
随着科学技术的不断发展,我国的监测仪器已具有了一定的研究、开发和生产力,从行业生产水平和专业化等方面来看,于发达国家相比还存在一定的差距,国产水位监测仪器主要有浮筒式水位仪、压力传感器式水位仪、超声波式水位仪等,但这些仪器设备昂贵,操作步骤复杂,质控程序繁琐,基于此情况本设计设计了一套相对简单的实时自动检测水库水位的装置,该装置能实时监测水库的水位并通过LED显示屏显示出来,对超过警戒的水位情况进行报警,给运行维护人员提供管理依据,提高水库的安全性。
本文研究内容
本论文主要研究水库水位监测系统的设计,对5米以内的水库水位要实现水位报警和水位实时显示功能,设计主要是通过液位传感器将检测来的液位高度转换成电压信号,再通过A/D转换把电压变成数字量传入单片机,单片机将传来的数据通过显示电路进行显示输出,显示精度要达到1厘米。
通过键盘管理人员可以自由设定报警阀值,超过阀值的情况要通过报警电路进行有报警,同时报警电路还具有消音功能。
第2章
CPU最小系统设计
水库水位监测装置总体设计方案
本设计方案的过程原理图如图2.1,通过液位传感器完成水位的测量,再通过放大器将液位传感器检测来的低压信号进行放大,A/D转换器将模检测的模拟量电压转换成数字量,单片机将检测来的数字信号进行分析处理,产生相应的控制信号,分别通过信号控制LED对水库水位实时显示,报警系统对超出警戒水位的情况进行报警,提醒运行人员。
图2.1过程原理图
CPU的选择
本设计选择的单片机型号为89C51,89C51片内有4KB的FlashROM程序存储器,128B的数据存储器,可扩展的外部数据和程序存储均为64KB,基本结构由八部件组成即中央处理器,输入/输出接口,可编程串行口,定时/计数器,中断系统,特殊功能寄存器。
下面按引脚功能分四个部分进行介绍。
芯片共有40个引脚。
1、主电源引脚(2根)
VCC(Pin40):
电源输入,接+5V电源。
VSS(Pin20):
接地线。
2、外接晶振引脚(2根)
XTAL1(Pin19):
片内振荡电路的输入端。
XTAL2(Pin18):
片内振荡电路的输出端。
3、控制引脚(4根)
RST(Pin9):
复位引脚引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG(Pin30):
地址锁存允许信号。
PSEN(Pin29)外部存储器读选通信号。
EA/VPP(Pin31):
程序存储器的内外部选通,接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
4、可编程输入/输出引脚(32根)
AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位(8根引脚),共32根。
每一根引脚都可以编程,
PO口(Pin39~Pin32):
名称为P0.0~P0.7,8位双向三态I/O口,当不做外部扩展时,8位准双向I/O口线,在访问外部存储器时,可分时用作低八位地址线和8位数据线。
P1口(Pin1~Pin8):
8位准双向I/O口线,名称为P1.0~P1.7
P2口(Pin21~Pin28):
8位准双向I/O口线,名称为P2.0~P2.7,在访问外部存储器时,它送出高八位地址。
P3口(Pin10~Pin17):
8位准双向I/O口线,名称为P3.0~P3.7,这八个管脚都有自己的第二功能,构成控制总线的一部分。
89C51的引脚如图2.2
图2.251单片机的引脚分布图
数据存储器扩展
89C51片内有128B的RAM存储器,在实际运用中不够,需要利用51单片机的扩展功能进行外部数据存储器的扩展,本扩展采用的是6116数据存储器,6116是2K*8位静态随机存储器,采用COMS工艺制造,单一+5V电源供电,读出时间最大为200ns,89C51的数据扩展如图2.3。
图2.3数据存储器扩展
复位电路设计
复位操作可以使单片机初始化,也可以使死机状态下的单片机重新启动,因此非常重要。
本设计采用的是按键电平复位,在保证RESET引脚上提供10ms以上的高电平就能使单片机可靠复位,它还可以通过按键实现复位,按下按键后,通过R1和R2形成回路,使RESET端产生高电平。
复位电路如图2.4
图2.4复位电路原理图
时钟电路设计
计算机工作时,是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的,这个脉冲就是由时钟电路产生的,外接晶振,C1,C2值都是30pf,晶振频率为0~24MHZ.时钟电路原理图2.5
图2.5时钟电路图
CPU最小系统图
CPU最小系统由CPU,74LS373锁存器,6116组成,CPU最小系统如图2.6
图2.6CPU最小系统图
第3章水库水位监测装置输入输出接口电路设计
液位传感器的选择
液位传感器有压力式液位传感器,超声波液位传感器,温度液位传感器,但这些传感器本身结构比较复杂,设计成本高,所以本设计采用筒式电容传感器采集液位的高度。
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。
当电容量发生变化时通过传感器测量电路将输出不同的电压值,从而不同的液位高度将对应不同的电压值,实现了液位与电压这个模拟量之间的联系。
液位传感器的测量电路如图3.1
图3.1液位检测电路
3.2水库水位监测装置检测接口电路设计
A/D转换器选择
本设计采用的转换器为ADC0809转换器。
ADC0809是8位逐次比较式CMOSA/D转换器,它是目前最流行的中速廉价型产品之一。
片内有多路模拟开关及通道地址译码及锁存电路,可对多路模拟信号进行分时采集及转换,片内配置了三态输出数据缓冲器,提供了与微处理器兼容接口,最大不可调误差小于正负1LSB。
模拟量检测接口电路图
模拟量检测接口电路如图3.2,它由CPU,ADC0809模数转换器和液位检测电路组成。
图3.2模拟量检测接口电路
水库水位监测装置输出接口电路设计
报警电路如图3.3当89C51的P2.0输出高电平时,表示水位高出警戒值,此时蜂鸣器报警。
图3.3报警电路
人机对话接口电路设计
人机对话接口电路是由键盘和显示器组成,能实现水位的显示和设定报警水位,键盘电路如图3.4,显示电路如图3.5
图3.4键盘电路图
图3.5显示电路图
第4章水库水位监测装置软件设计
软件实现功能综述
本设计是通过水位传感器以电压模拟量来表示水位的高度,将电压这个模拟量通过模数转换变成单片机能识别的数字量,单片机通过软件对数字量进行显示从000~500单位是厘米。
但水位超过设定的警戒值时,由P2.0驱动报警电路进行报警,从而实
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- 20 单片机 原理 接口 技术 课程设计 水库 水位 监测 装置 设计 副本