1、遼 寧 工 學(xué) 院?jiǎn)纹瑱C(jī)與接口技術(shù) 課程設(shè)計(jì)（論文）題目： 水位測(cè)量裝置 院（系）： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 通信032 學(xué) 號(hào)： 030305039 學(xué)生姓名： 呂鋼 指導(dǎo)教師： 張敏 教師職稱： 副教授 起止時(shí)間： 06-07-03至06-07-16 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：信息科學(xué)與工程學(xué)院 教研室：電氣學(xué) 號(hào)030305039學(xué)生姓名呂鋼專業(yè)班級(jí)通信032課程設(shè)計(jì)（論文）題目水位測(cè)量裝置課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)該水位測(cè)量裝置可測(cè)量江河湖泊的水位，設(shè)計(jì)者完成相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)任務(wù)包括：1選擇液位傳感器2設(shè)計(jì)液位測(cè)量通道3按鍵及顯示電路設(shè)計(jì)4 CPU及最小系統(tǒng)和電源

2、設(shè)計(jì)5軟件流程圖及程序設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī)成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目 錄第1章 課程設(shè)計(jì)目的與要求11.1 課程設(shè)計(jì)目的1 課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境1 課程設(shè)計(jì)的預(yù)備知識(shí)1 課程設(shè)計(jì)要求1第2章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容2第3章 課程設(shè)計(jì)的考核23.1 課程設(shè)計(jì)的考核要求23.2 課程性質(zhì)與學(xué)分2第4章 設(shè)計(jì)34.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).5 水位測(cè)的精度問題.9課設(shè)總結(jié)11 參考文獻(xiàn)11 第1章 課程設(shè)計(jì)目的與要求1.1 課程設(shè)計(jì)目的“單片機(jī)與接口技術(shù)”課程設(shè)計(jì)是在教學(xué)及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)課程所學(xué)理論知識(shí)的深化和提高。因此，要求學(xué)生能綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)與制造出具有較復(fù)雜功能的小型單片機(jī)系

3、統(tǒng)，并在實(shí)踐的基本技能方面進(jìn)行一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。 能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“單片機(jī)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握小型單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。 培養(yǎng)獨(dú)立思考、獨(dú)立收集資料、獨(dú)立設(shè)計(jì)規(guī)定功能的單片機(jī)系統(tǒng)的能力；培養(yǎng)分析、總結(jié)及撰寫技術(shù)報(bào)告的能力。 課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境利用windows操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件進(jìn)行繪圖和編程。 課程設(shè)計(jì)的預(yù)備知識(shí)熟悉單片機(jī)與接口技術(shù)課程的相關(guān)知識(shí)及電子線路CAD工具軟件。 課程設(shè)計(jì)要求按課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書提供的課題，根據(jù)第二章給出的基本要求及參數(shù)獨(dú)立完成設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)說明書應(yīng)包括以下內(nèi)容： 1、對(duì)設(shè)計(jì)課題進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，并說明設(shè)計(jì)任務(wù)及具體要求。 2、論述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4、，并畫出總體電路結(jié)構(gòu)圖及功能分割圖。3、能夠較熟練地應(yīng)用電子線路CAD工具完成單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)任務(wù)。4、各功能模塊設(shè)計(jì)說明、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程及源程序。 5、能夠較熟練地應(yīng)用一種編輯軟件編寫程序，掌握單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本方法6、課程設(shè)計(jì)報(bào)告應(yīng)內(nèi)容完整、字跡工整、圖表整齊規(guī)范、數(shù)據(jù)詳實(shí)。7、課程設(shè)計(jì)總結(jié)8、字?jǐn)?shù)4000左右，有系統(tǒng)電氣原理圖。第2章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)1選擇液位傳感器1只2液位測(cè)量達(dá)3米3顯示精度達(dá)1毫米4 CPU選擇51兼容型，電源采用直流12V供電5軟件流程圖及程序設(shè)計(jì)工作量1選擇液位傳感器2設(shè)計(jì)液位測(cè)量通道3按鍵及顯示電路設(shè)計(jì)4 CPU及最小系統(tǒng)和電源設(shè)計(jì)5軟件流程

5、圖及程序設(shè)計(jì)工作計(jì)劃第一天第二天第三天第四天第五天第二周選擇液位傳感器設(shè)計(jì)液位測(cè)量通道按鍵及顯示電路設(shè)計(jì)CPU及最小系統(tǒng)和電源設(shè)計(jì)軟件流程圖及程序設(shè)計(jì)畫原理圖、打印第3章 第3章 課程設(shè)計(jì)的考核3.1 課程設(shè)計(jì)的考核要求課程設(shè)計(jì)采用五級(jí)(優(yōu)、良、中、及格、不及格)評(píng)分制。最后成績(jī)依據(jù)課程設(shè)計(jì)論文及平時(shí)成績(jī)決定，其中平時(shí)考核成績(jī)占20%。3.2 課程性質(zhì)與學(xué)分單片機(jī)與接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)的課程性質(zhì)：考查學(xué)分：2第4章 設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件主要由AT89C51單片機(jī)、增益調(diào)節(jié)電路、LM331V/F轉(zhuǎn)換器、81C55 I/O口擴(kuò)展器、兩片ICM7211四位液晶顯示器、CD4051八選一模

6、擬開關(guān)、CD4052雙四選一模擬開關(guān)、4 4薄膜觸鍵及六位液晶顯示器LCD等組成，其框圖如圖所示。4.1.1水位信號(hào)的獲取電傳水位計(jì)是用來監(jiān)測(cè)水位的變化，為了獲取水位信號(hào)對(duì)電傳水位計(jì)的傳感器部分進(jìn)行了改造。在傳感器內(nèi)部增加了干簧繼電器J3，J4，J5，取消內(nèi)部電池而直接由系統(tǒng)供電。電阻R5R8組成分壓器，分壓器輸出到ADCIN2口電路如圖2所示。當(dāng)水位變化時(shí)浮子隨之升降，浮子升降3 cm，傳感器內(nèi)部的磁鋼旋轉(zhuǎn)一周，即每變化1 cm有一個(gè)干簧繼電器會(huì)通斷一次。J3，J4，J5分別吸合時(shí)IN2口的電壓分別為16 V，25 V，32 V左右，無繼電器吸合時(shí)IN2口電壓為5 V。根據(jù)ADCIN2口的電

7、壓數(shù)值可以判斷是哪個(gè)干簧繼電器通斷，由IN2端電壓變化規(guī)律可以知道水位的上升或下降如圖所示，圖中（a）為上升，（b）為下降。（b）水位下降繼電器接通順序（a）水位上升繼電器接通順序4.1.2 信號(hào)增益調(diào)節(jié)電路增益信號(hào)是由程序控制的，它根據(jù)待測(cè)量信號(hào)幅值的大小來改變放大器增益，以使不同幅值范圍的輸入信號(hào)都能放大到A/D精確轉(zhuǎn)換所需的幅值范圍。本儀器設(shè)計(jì)的輸入量程為0 5V，分辨率是1.0mV。為了保證測(cè)量精度的一致性，設(shè)計(jì)了以一片CD4051八選一模擬開關(guān)、若干高精密電阻和一個(gè)低功耗運(yùn)算放大器OP07等組成程控增益放大電路。鑒于實(shí)際場(chǎng)合中常用的液位傳感器輸出滿量程電壓一般為60mV、200mV、

8、2V、5V等幾種，故設(shè)計(jì)了0 5V的量程，具體電路組成如圖2所示。其中N1、N2組成同相關(guān)聯(lián)差動(dòng)放大器，N3為電壓跟隨器，主要用來抑制共模信號(hào)，N4是輸出差動(dòng)放大器，整個(gè)電路的增益可通過改變權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)R0 R7來調(diào)節(jié)。4.1.3 信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換電路為了適應(yīng)儀表電池供電、功耗低等特點(diǎn)，采用了功耗低、高精度、供電簡(jiǎn)單的V/F轉(zhuǎn)換芯片LM331組成電壓-頻率（10V-100kHz）的A/D轉(zhuǎn)換電路，其輸出頻率與輸入電壓的關(guān)系為通過AT89C51的T0計(jì)數(shù)器（其中T1作定時(shí)器用）計(jì)算出fOUT，從而得到輸入Vin，進(jìn)而算出水位值Hi（Hi Vin），具體如圖所示。 在該電路中，電阻R16為80kW &

9、#177; 10%，它主要是使LM331的輸入端7腳產(chǎn)生偏流，以抵消6腳偏流的影響，從而減少頻率偏差。R39和可調(diào)電位器RW3的作用是調(diào)整LM331的增益偏差和由R23、R25及C6引起的偏差。當(dāng)6腳、7腳的RC時(shí)間常數(shù)匹配時(shí)，輸入電壓的階躍變化將會(huì)引起輸出頻率的階躍變化，如果C8比C9小得多，那么輸入電壓的階躍變化可能會(huì)使輸出頻率瞬間停止。6腳的47W 電阻R23和 F電容器C9并聯(lián)用以產(chǎn)生滯后效應(yīng)，使V/F轉(zhuǎn)換獲得良好的線性度。4.1.4 低功耗設(shè)計(jì)全部芯片均選用CMOS低功耗芯片，其余外圍電路采用了低功耗設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了4×4觸摸薄膜鍵盤及六位LCD液晶顯示器作為人機(jī)接口。在軟件

10、設(shè)計(jì)上，整個(gè)系統(tǒng)采用了等待和掉電工作的節(jié)電運(yùn)行機(jī)制，功耗較低。4.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)軟件是系統(tǒng)的指揮中心，由它來配合控制完成各種預(yù)定功能。為了充分發(fā)揮AT89C51優(yōu)越的性能價(jià)格比，在設(shè)計(jì)上盡量做到硬件“軟化”，使系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化。系統(tǒng)軟件采用MCS-51匯編語言編寫，采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)那些偶發(fā)事件采用中斷方式處理。4.2.1 系統(tǒng)的軟件算法在明渠量水建筑物中，較為典型的是巴歇爾水槽。在自由流情況下，巴歇爾水槽的水位H和流量Q關(guān)系是簡(jiǎn)單的二值函數(shù)。利用回歸分析技術(shù)，可以求出HQ 流量經(jīng)驗(yàn)公式。為了便于分析和應(yīng)用，我們?cè)谒?shí)驗(yàn)中主要是針對(duì)自由流情況的，從而得到大量

11、的HQ 曲線數(shù)據(jù)組。巴歇爾水槽在自由流時(shí)的流量公式為Q = K·H N （2）式中，Q為流量（m3/s），K、N為流量系數(shù)，H為上游水頭高（m）。由于流量經(jīng)驗(yàn)公式是指數(shù)型函數(shù)，故先對(duì)巴歇爾槽流量公式兩邊取對(duì)數(shù)，得lnQ = lnK + N·lnH （3）設(shè)y=lnQ；a=lnK；b=N；x=lnH式（3）可寫成y = a + b·x （4）然后，利用實(shí)測(cè)的大量獨(dú)立（H，Q）數(shù)據(jù)，求出回歸系數(shù)a、b的最小二乘估計(jì)量（亦即為a、b的無偏估計(jì)量），從而得到回歸函數(shù)的估計(jì)（5）由y = a + b·x + ， N（0，2），可知y隨x變化趨勢(shì)的大小主要受參數(shù)b的

12、影響，故建立如下假設(shè)檢驗(yàn)：H0 : b = 0 ； H1 : b0 （6）用以檢驗(yàn)線性回歸效果的顯著性水平。符合實(shí)際要求后，則得到流量系數(shù)K、N的估計(jì)值。有了流量經(jīng)驗(yàn)公式，系統(tǒng)就可根據(jù)所測(cè)的水位 H值來計(jì)算出流量值Q。4.2.2 系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)主程序主要用于系統(tǒng)的控制和管理。系統(tǒng)加電后，AT89C51自動(dòng)上電復(fù)位，開始運(yùn)行主程序，主程序框圖見圖4所示。系統(tǒng)首先顯示“0-××××”，表示系統(tǒng)在進(jìn)行自檢和自校零工作。此時(shí)要求操作員不斷地調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，直到校零達(dá)到精度要求時(shí)為止，然后按回車鍵表示校零完成（理想情況下顯示為“0.00000”）。接著顯示“1-

13、××××”，表示系統(tǒng)在進(jìn)行滿度校正工作。同樣，操作員需要不斷地調(diào)節(jié)滿度電位器，直到滿度校正達(dá)到精度要求時(shí)為止，然后按回車鍵表示滿度校正完成（理想情況下顯示為“5.00000”）。接著系統(tǒng)依次顯示“L”、“E”等提示符號(hào)，要求操作員輸入流量系數(shù)K、N值。當(dāng)輸入正確后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化T0、T1。一切處理完畢后，系統(tǒng)開始正常的運(yùn)作過程，并進(jìn)入待機(jī)低功耗工作狀態(tài)。4.2.3 中斷采集服務(wù)程序系統(tǒng)在此環(huán)節(jié)完成V/F信號(hào)采集、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、流量計(jì)算及顯示水位H、流量Q等參數(shù)。其中K/N、W（總流量）參數(shù)顯示采用了復(fù)用鍵，由軟件設(shè)計(jì)的奇偶次切換決定。一般情況下，系統(tǒng)自

14、動(dòng)循環(huán)地顯示H-Q值。該模塊在運(yùn)行時(shí)，首先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行初始化設(shè)置，啟動(dòng)T0定時(shí)器（T0的定時(shí)時(shí)間為100ms，時(shí)間常數(shù)為3CB0H）和T1計(jì)數(shù)器，由T1記錄V/F轉(zhuǎn)換輸出的脈沖數(shù)。然后，系統(tǒng)連續(xù)采樣10次，利用數(shù)字濾波技術(shù)得出當(dāng)前的有效采樣值。接著，判斷系統(tǒng)是否已經(jīng)進(jìn)行了自校正，若沒有，則先進(jìn)行系統(tǒng)的自校正；若已完成了自校正工作，則繼續(xù)后續(xù)程序塊，計(jì)算水位H、流量Q、總流量W值。最后根據(jù)控制命令顯示這些參數(shù)，調(diào)用功能鍵處理模塊，巡查有無控制命令，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、中斷返回。此外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了串行口通信程序，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，上傳H、Q、K、N、W等參數(shù)值及接受上位機(jī)對(duì)參數(shù)的修改和控制。系統(tǒng)

15、匯編源程序如下： ORG 0000H LJMP STAR ORG 0013H LJMP CJ ; ORG 0030H STAR:CLR P1.0 CLR P3.6 HERE: SJMP HERE CJ: CLR P3.7 MOV A,P0 JCNE A,#0C8H,LABEL1 CLR P1.5 CLR P1.2 CLR P1.6 LJMP LABEL5LABEL1:JC LABEL2 CLR P1.5 CLR P1.2 CLR P1.6 LJMP LABEL5LABEL2:JCNE A,#32H,LABEL3 CLR P1.5 CLR P1.3 SETB P1.6 LJMP LABEL5 L

16、ABEL3:JNC LABEL4 CLR P1.5 CLR P1.3 SETB P1.6 LJMP LABEL5LABEL4:CLR P1.4 LABEL5:CLR P3.6 RETI END4.3 水位測(cè)的精度問題該儀器充分利用了AT89C51具有高性價(jià)比的特點(diǎn)，在不增加硬件資源的前提下，盡量做到硬件“軟化”，提高了儀器的測(cè)量精度。4.3.1 數(shù)字調(diào)零和增益自校正儀器在測(cè)量前首先進(jìn)行自校正工作，即依次選通差動(dòng)輸入接口芯片CD4052的Y0、Y1輸入端口（其中Y0端接地，Y1端接標(biāo)準(zhǔn)+5V電源），然后調(diào)節(jié)相應(yīng)的微調(diào)器使儀器自校正達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在正式測(cè)量時(shí)，設(shè)選通Y0輸入端時(shí)，儀器測(cè)得V/F計(jì)數(shù)

17、值為X0，選通Y1輸入端時(shí)，測(cè)得計(jì)數(shù)值為X1，設(shè)測(cè)得傳感器信號(hào)輸入的計(jì)數(shù)值為Xi，則每次測(cè)量的計(jì)算公式為Hi =（XiX0）/（X1X0）* Hst （7）式中Hst為標(biāo)準(zhǔn)5V時(shí)的水位值。這樣，Hi與放大器的漂移及增益誤差無關(guān)，不僅可提高儀器的測(cè)量精度，還可降低對(duì)器件精度的要求。4.3.2 采用模糊量程檔位程控量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換是由信號(hào)放大增益檔位的選擇實(shí)現(xiàn)的，這里采用了增益步進(jìn)法，即將增益由小到大逐步提高，直至選擇最佳的放大倍數(shù)。但是，由于器件轉(zhuǎn)換靈敏度的局限性，測(cè)量有時(shí)會(huì)不夠準(zhǔn)確（尤其是在量程檔位臨界區(qū)），從而導(dǎo)致量程選擇出現(xiàn)錯(cuò)誤，甚至進(jìn)入換檔死循環(huán)。考慮到這一點(diǎn)，我們?cè)谙噜弮蓚€(gè)量程臨界區(qū)設(shè)置&

18、#177; 5%量程選擇模糊區(qū)，當(dāng)測(cè)量的輸入值落入量程模糊區(qū)時(shí)，則不改變放大器的當(dāng)前增益。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，采取模糊量程區(qū)能有效地防止放大器的增益來回跳動(dòng)現(xiàn)象。4. 數(shù)據(jù)放大處理在硬件上做到使測(cè)量精度達(dá)到均一化的同時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)上也進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)“放大”處理。在計(jì)算Hi值過程中，先將數(shù)據(jù)“放大”，精度提高到。然后進(jìn)行二進(jìn)制乘運(yùn)算，最后再統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，從而避免精度較低的直接二進(jìn)制除運(yùn)算。程序運(yùn)算中采用了三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)及四字節(jié)BCD碼浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行流量計(jì)算，補(bǔ)償修正后輸出顯示，使儀器的測(cè)量精度達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后四位。4.3.4 信號(hào)隔離處理對(duì)檢測(cè)信號(hào)通過LM331進(jìn)行了硬件上的信號(hào)隔離；輸入環(huán)節(jié)上增加濾波電容及輸入保護(hù)電路。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)遵循“一點(diǎn)接地”的原則，減少系統(tǒng)因電環(huán)路形成的干擾。 4. 可靠性設(shè)計(jì)在軟件上進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)，在每個(gè)模塊后和程序PROM的空白區(qū)加了軟件陷阱。并在一些重要的跳轉(zhuǎn)指令之間進(jìn)行軟件冗余設(shè)計(jì)。此外，還設(shè)計(jì)了溢出報(bào)警，避免顯示錯(cuò)誤的信息。采用此水位測(cè)測(cè)量出的水位Q與實(shí)際之間的誤差小于 0.5%，已滿足了實(shí)際應(yīng)用的