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-毕业设计（论文）-超声波液位检测电路设计-第 11 页密 级 公 开 学 号201340513263 衡水学院毕业论文（设计）超声波液位检测电路设计论文作者：指导教师：系别：物理与电子信息系专业电子信息工程年级：2013级提交日期：2017年4月18日答辩日期：2017年5月05日毕业论文（设计）学术承诺本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不存在抄袭情况，论文（设计）中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。作者签名： 日 期： 毕业论文（设计）使用授权的说明本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定。即：学校有权保留或向有关部门送交毕业论文（设计）的原件或复印件，允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公开论文（设计）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文（设计）及相关资料。作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 论文题目：超声波液位检测电路设计摘 要：水位测量技术在现代社会应用的场合非常的广泛，不管是工厂还是其他一些设备，都需要对水位进行监测，而现在的设备一般都比较简单，整个系统都比较单调，而且如果现场没有人员在，很可能会发生危险。因而在翻阅了大量的书籍的前提下，我设计了一种新的水位测量系统。本文以STC89C52单片机为核心，通过超声波测距模块，来实现对水位的测量，从而得到测量值，然后显示在1602液晶显示屏上面，并且通过DS18B20模块将现场的温度信息发送给单片机，单片机处理后，在液晶显示屏上进行相应的显示。本文所设计的系统对以往的水位监测系统进行了改进，能够远程得到水位的信息，看水位是否处于危险情况下，整个系统的设计比较安全，可靠性高。关键词：STC89C52；1602液晶；水位测量；DS18B20模块TITLE：DESIGN OF ULRASONIC LIQUID LEVEL DETECTION CIRCUITAbstract: Water level measurement technology in the application of modern society is very wide occasions, whether it is factories or other equipment, need to monitor the water level, and now the equipment is generally relatively simple, the whole system is more monotonous, and if there is no staff at the scene, Is likely to be dangerous. So in the read a lot of books under the premise, I designed a new water level measurement system. In this paper, the STC89C52 microcontroller as the core, through the ultrasonic distance measurement module, to achieve the water level measurement, to get the measured value, and then displayed on the 1602 LCD screen, and through the DS18B20 module will send the temperature information to the microcontroller, single-chip processing , The corresponding display on the LCD screen. The system designed by the books has improved the water level monitoring system in the past, and can get the information of the water level remotely. If the water level is in danger, the design of the whole system is relatively safe and the reliability is high.Key words: STC89C52; 1602 Liquid Crystal; Water Level Measurement; DS18B20 Module目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究背景11.2 水位检测系统的现状11.3 课题内容要求11.4 目的和意义22 总体设计方案33 硬件设计43.1 STC89C52概述43.2 超声波探测模块53.3 DS18B20温度测量模块83.4液晶显示器的选择及接口电路83.5 复位电路93.6 晶振电路93.7 蜂鸣器部分104 软件设计114.1 软件设计应用环境114.2主程序工作流程图114.3 软件介绍114.4 代码解析135 测试结果15结语17参考文献18致谢19附录201 绪论1.1 课题研究背景在经济如此发达的今天，消耗了我们大量的资源，使得我们的生活资源越来越紧缺，其中就包括我们赖以生存的水资源。水资源的缺失，使得我们的生活陷入危机，因为水资源时我们生活的保障，没有了水资源，我们的生活难以继续。所以对于水位的检测就非常的重要，我们只有通过对水位有了解，才能够知道我们现在所处的环境。当然对水位的检测也可以避免我们你的水位过高带来的一些问题，避免水资源的浪费。就我们现在所处的环境来看基本都有自己的供水装置。对于像水塔、蓄水池一样的蓄水装置如何进行监测，这也是本次设计所要研究的问题。在当代社会，存在着多种多样的智能设备，而对于水塔水位的监测也向这个方向发展。水塔水位的监测也该向无人化的方向发展，而不需要人为的进行检测，对于这块的控制是必须的。当然在现实中的，人们的农业生活和日常生活中也常常需要对我们的蓄水装置中的水位进行控制和监测，从而避免缺水或者用水过剩的情况发生造成不良后果。比如自动检测水箱、水池、锅炉等蓄水装置中的水位的状况，虽然对于不同的东西，设计中的精度等要求是有区别的，但是总结起来就是通过传感器将水位数据检测出来在液晶上面显示，并且当水位超标的时候能够提醒工作人员及时解决问题。1.2 水位检测系统的现状从我国开始出现水位监测装置算起到我们现在的测量装置来，整个发展过程可以分为三个阶段来描述:初级阶段、发展阶段和网络化阶段。从最开始的1980年开始，我国就开始重视对于水位这块的监测，也是从那个时间开始，我们开始研发自己的测量装置，当然在那个时间起，我们也进行了数据的测量和记录。到了80年代，对于水位测量这块，就到了它的相关数据。90年代以后，随着网络科技的发展，我国对于水位监测这快也开始进行网络化，将数据实现联网传输，通过互联网终端将数据集合起来进行分析。在2001年，我国正式提出了关于如何发展水位监测的计划。这些年，由于国家的大力发展，使得我国水位监测行业有了巨大的发展和进步，但是和发达国家来看，却仍然有着巨大差距，需要我们不断的前行，我们必须突破现在的困难，对水位监测系统进行改进和发展。1.3 课题内容要求利用超声波测距原理，通过单片机编程对整个设计进行规划和设计，针对不同用途和要求，从范围的要求、精度的要求、条件要求等众多方面来说的话，水位测量的方法还是比较广泛的，本文使用单片机编程将超声波测量模块测的数据显示在1602上面。水位测量历史非常悠久，在电子设备产生的时候它就产生了，在60年代以后，这种设备有了非常迅速的发展，此时的水位测量都是用模拟电子技术做成的，这种设备结构复杂，搭建起来非常困难。到70年代后，由于微电子的快速发展，单片机的发展，从而使这个领域的发展将进入了前所未有的状态。本设计所采用的是通过编程的方式，通过单片机进行控制的。人们现在所追求的就是通过使用高智能的设备，方便人们的日常生活和生产需要，而采用单片机来进行数据的实时监测，并将数据进行网络连接通过显示器显示出来，这样更加方便人们对各个设备的水位监测，使得控制系统更加的准确、灵活，使得控制更加人性化。1.4 目的和意义水位状况的检测是几千年来人们非常重视的问题，如果能够对水位进行有效的监测，那么就能有效避免人们财产损失，而对于水厂的水位监测，可以让我们大致的了解用水量，对水位进行把控，从而让人们对存水量有个大致的了解，我们通过现代电子技术，特别是微控制器的发展，我们可以根据单片机设计出更加精确的水位测量系统。本设计就是通过相关单片机的技术，结合控制系统，实时监测水位数据，从而完成相关数据的监测、传输，有效的了解水位情况并做相应处理。2 总体设计方案本文的最重要的工作一共可以分为硬件搭建部分和软件编写调试部分这两个部分，其中硬件部分主要是对各个元器件以及模块之间的连接，其中包括超声波水位测量模块，1602显示模块，蜂鸣器模块，DS18B20模块、程序下载烧录模块和控制之心能够的模块。首先对各个模块进行解释说明，然后按照原理图连接的形式将它们连接起来组成需要的相关的整体功能系统。电路结构主要分为下面几种电路结构，他们各自形成了自己的工作，然后结合在一起形成一个整体的功能，分别是核心控制电路、报警电路、显示电路、下载电路和测量电路等。在软件编写的部分是利用C语言通过Keil软件编写然后生成可执行文件，然后将所编写的程序写进单片机中去，在一切完成以后，最后就可以启动硬件电路进行运行，然后完成水位检测和发送数据到手机上的这个功能。在此设计中，STC89C52单片机作为核心部件，也就是整个系统的控制核心芯片，通过单片机将超声波模块的数据转化，通过1602来显示，从而直观的得到水位数据。本设计如果完成后，可以用在水位测量装置上面，也可以大量生产，本设计成本低，可以节省社会资源，有利于社会资源的合理利用。对于系统的整体方框图如图2-1所示。在此系统整体方框图的基础上设计出了整个系统的硬件电路图，并完成了软件代码的编写。图2-1 系统整体方框图3 硬件设计3.1 STC89C52概述STC89C52是基于51核心芯片的一种功耗较低的单片机，在性能上算比较高的单片机，它最初是由ATMEL公司生产出来进行销售的。芯片中含有可编程的储存芯片，而且它在生产过程中采用了不容易丢失储存信息的技术，保证了系统的运行完整性，而且52和51单片机的引脚定义是一致的，是没有任何差异的，除了内部的定时器以外。而且近年来随着技术的提高，使得它的成本也是变得越来越低，由于这些原因，它得到许多编程者和企业家的钟爱，使得它的推广非常迅速。STC89C52的处理数据位为8 位，它是属于微处理器的范畴，其实现功能的定义与分布和C51单片机的是非常相近的。STC89C52器件有较高的灵活性和集成性高，在水位测量过程中也是非常安全可靠的。如图3-1所示为STC89C52引脚图。图3-1 STC89C51引脚图管脚说明：1.VCC：是用来供电电压，给定的电压一般是在5V左右。 2.GND：用来接地。 3.P0口：信号输出口，传输数据给LCD1602来显示。选择P0口必须在外围加上上拉电阻，因为P0口没有自带的上拉电阻，当然也可以选择其他端口作为数据的传送端。4.P2口：控制LCD602。单片机通过P2口连接 LCD的控制口，对1602进行控制。从而让1602显示当前温度，处于手动模式还是自动模式。按键通过P1口低四位和单片机相连，通过按键可以改变设置温度的预警值，也可以通过按键设定自动模式，还是处于手动模式。RST：复位输入，让单片机回复到刚开机状态，使得单片机重新工作。本文通过用51单片机作为控制芯片，完成水位监测的设计，并对环境温度和光照强度进行实时的监控。与单片机息息相关的就是单片机最小系统，所谓最小系统，就是通过它，我们可以实现相关功能，不需要其他外界设备，就可以自主工作的最小装置。这次的单片机内部资源已能够满足本次设计的，因而本次设计采用51单片机。由于MCS-51系列单片机片内不能集成时钟电路所需要的晶体振荡器，也没有复位电路，因此在构成最小系统时必须外接这些部件。如图3-2所示为STC89C52的最小原理图，通过下图的最小原理图，我们就可以测试本次的毕业设计，通过代码编写，就可以直接烧录到单片机中去。图3-2 单片机最小系统原理图3.2 超声波探测模块HC-SR04超声波测量模块是一款根据超声波发射和测量来得到相关数据的模块，当这个模块进行相关测量的情况下，我们根据超声波从发射都返回来所用的时间，从而得到测量的距离。而且该模块无需和水进行接触，从而可以避免水对模块的测量，而且超声波模块的测量精度在3mm。他们的测量距离我们可以通过公式计算，它=(高电平时间*声速(340M/S)/2。超声波频率高，人耳是接受不到的，由于高频率，从而测量精度也较高，而且将其应用在水位测量这块是非常适用的，所以本文的设计就是用它来进行测量的，其在很多方面也会被运用到，如测距仪和物位测量仪等。实物照片如图3-3所示。对于超声波的测量原理如图3-4所示。 图3-3 超声波实物图图3-4 超声波测距原理图在本文的超声波电路的实现过程中，所用单片机组件共有四个接口，其中两个是用来接电源的，给系统中的超声波模块进行供电，从而可以让超声波模块正常工作，另外两个，一个是用来发射超声波的，另一个则是接收超声波返回信号的，通过时间差，计算可以得到位移，从而得到水位的高度，这样一来，本系统就实现了对水位的监测工作，从而，本系统的控制系统在得到水位信息后就可以采取相应的措施，并且液晶上显示相应的水位数据，超声波接口电路如图3-5所示。图3-5超声波接口电路具体的超声波设计电路分为接收电路和发射电路，其设计如图3-6和3-7所示。图3-6 超声波接收电路图3-7 超声波发射电路3.3 DS18B20温度测量模块温度采集的流程中，单片机通过P1.7口向DS18b20发出复位脉冲，完成对此系统初始化，传感器准备接收命令。单片机发命令，使传感器能够接收并响应之后系统发出的命令。发温度转换命令，传感器进行温度转换，传感器将转换后的温度值发送到数据线，单片机读取温度值，最后对采集的数据进行处理。DS18B20实物图如图3-8所示，其电路连接如图3-9所示。图3-8 DS18B20温度测量模块图3-9 DS18B20连接图3.4 液晶显示器的选择及接口电路本文水位测量系统采用LCD1602液晶屏来实时显示相关水位的高度。液晶显示器的原理是通过单片机向相关数据口发送数据给显示屏，显示屏根据收到的信息从而显示相关的内容，让人们可以一眼就看出相应的情况。当然在选择显示模块的时候，也要考虑它的功耗问题，本次所使用的LCD1602液晶显示模块，它的体积小，功耗低，非常符合本次设计的要求，可以完成本次设计，1602是可显示共2*16的字，也就是说它每行显示最多16个字符的信息，总共显示的是2行，所以一共是32个显示符号，它可以通过相应的位来控制它的显示亮度，因为LCD1602的稳定性，使得当它接受信号的情况下，不受其他噪声的干扰，能够稳定的工作，保持该点信号的状态，从而显得更加稳定、安全。其引脚如图3-10所示。图3-10 1602显示电路3.5 复位电路作为单片机的复位电路，他就像电视机的开关一样，用来重新启动我们的单片机，当然，当我们的程序陷入瘫痪的时候，我们也可以通过这样的功能，我们可以让单片机重新开始工作，完成我们相关的功能，整个复位电路就是保证单片机能够正常的工作。复位电路是我们必须采用的电路，一般采用两种复位方法，一种是通过上拉电阻，而另一种就是通过按键的方式。我们本次的设计是通过按键的方式，因为这样，我们就可以通过按键来避免死机的时候能够认为的重新启动。复位电路如图3-11所示。a）上电复位电路 b）按键复位电路图3-11复位电路3.6 晶振电路和系统设计的复位电路一样，其中的晶振电路也是整个设计必不可少的电路。没有必须的晶振电路，整个系统就没有相应的周期，这样一来，核心单片机都无法工作，继而导致整个设计电路就瘫痪了。因此，如果整个系统中的晶振电路选取不好的话，很有可能会影响所选取的单片机的工作效率，严重的，可能会使得系统设计中的单片机不工作。本系统采用的晶振频率为12MHz。晶振电路一般可以分为内部时钟方式和外部时钟方式。本系统采用内部时钟方式的晶振电路，其电路如图3-12所示。图3-12晶振电路3.7 蜂鸣器部分本次设计所用到的蜂鸣器模块是一种压电式蜂鸣器的一种常见的模块，我们在使用这种蜂鸣器的过程时，必须注意它的正负极，引脚较长的一端为正，另一端为负，应在设计和焊接的时候清楚的区分开来，不能所编乱猜，不能接反，不然会出现蜂鸣器不响，严重的话可能会烧坏蜂鸣器。其设计原理图如图3-13所示。图3-13声音报警电路图4 软件设计4.1 软件设计应用环境 本次毕业设计采用KEIL软件进行代码编写，它是现在流行的一种代码编写软件。这款软件囊括了大多数的市面上的芯片，当然也包括本文所采用的单片机，这款软件也有利于本设计的移植工作。当然整个系统设计过程中还需要对软件进行相关的设置，首先是修改晶振频率为本系统所需要的频率。最后，需要输出一个HEX文件，如果没有这个设计，最后是不会有文件生成的。最后本系统需要将生成文件烧写到单片机中去。4.2 主程序工作流程图通过上面所叙述的内容，通过系统严谨的模块化设计后，就可以清楚的通过指导一步步去做，系统的工作流程图如图4-1所示。当系统的程序开始执行时，第一步，系统首先进行相应的初始化，然后由超声波测距 得到水位数据，然后单片机得到数据后开始处理。最终与所得的数据进行比较，超过阀值就会报警。图4-1 主程序工作流程图4.3 软件介绍本文所用的编写代码的软件是KEIL,KEIL在现在市场上 的应用比较广泛，而且用以学，可以节约不少时间，所以在现在社会的单片机代码编写上面，绝大多数都是用KEIL来编写，它的软件界面如图4-2所示。4-2 KEIL界面图首先建立工程，然后通过工程建立文件，在选择相应的单片机型号，从而才能进行 相应的代码编写。我们要熟练的掌握这个过程，不然写的代码不能生成相应的代码，单片机不一定能够这行成功，界面如图4-3所示。4-3 单片机选型界面在配置好这些以后，就可以进行代码的编写了。对代码的编写需要严格遵守编写规则。对于电路图的设计，本设计使用的是AD，AD画图方便，使用起来也比较容易上手，它的界面如图4-4所示。4-4 AD界面图通过此模块也就能够画出所设计的原理图和PCB图。PCB的制作也是整个制作过程的重要部分，只有设计中的PCB做的正确，才能在接下来的编写代码等方面可以节省不少时间，如果硬件的PCB如果有问题的话，很难发现，会耽误不少时间。使得本系统的整个设计过程时间更长。4.4 代码解析本文水位监测系统就是通过超声波对水位进行测定，用超声波遇到障碍物就会返回的功能，从而实现对水位的高低的测量。通过这种方式得到水位的高低，对于超声波返回时间的计时是通过定时器来得到的。代码如下：static u8 Time_count=0; TR0=0;/关定时器Time_count+;if(Time_count>=50)Time_count = 0;Light_flag=Light_flag;Control+;if(Timer0_start)Times+;if(Times > (50*shijian)Timer0_start = 0;Times = 0;TR0=1;/开定时器通过对定时器的计时和声音在空气中的传播速度就可以得到测量的距离。在显示模块当中，设计中首先要对1602进行命令的写入，这样才能完成对1602液晶显示的初始化。具体代码如下所示。void LCD_Write_Com(unsigned char com) / while(LCD_Check_Busy(); /忙则等待 DelayMs(5); RS_CLR; RW_CLR; EN_SET; DataPort= com; _nop_(); EN_CLR;然后对1602进行水位数据的写入，从而让它显示相应的数据值，也就是当前的水位情况。具体的代码如下所示。void LCD_Write_Data(unsigned char Data) /while(LCD_Check_Busy(); /忙则等待 DelayMs(5); RS_SET; RW_CLR; EN_SET; DataPort= Data; _nop_(); EN_CLR;5 测试结果经过上述的了解和实物的制作，做种完成了整个系统的调试，实现了整个设计。整个设计的最终外观如图所示。包括了1602显示模块、按键模块、GSM模块、蜂鸣器模块、电源模块、复位电路和晶振电路。整个设计耗时半年左右，整个外观看上去还是比较简洁大方，实用性也是非常好的。接下来，我就对整个系统进行调试，进行相应的硬件是否能够完成程序所运行的那样。整个硬件设计如图5-1所示。当其上电后，整个电路效果如图5-2所示。图5-1 系统硬件图图5-2 电路效果图当整个系统上电复位，完成相应的配置以后，就会在液晶显示屏上面显示当前的水位和设定的阀值，因为1602只能显示符号，所以显示的时候水位和阀值的名称都是用英文来写的。液位显示如图5-3所示。整个显示过程简洁大方。让人能够一下子就可以看清楚。图5-3 液位显示通过按键模块，就可以通过系统实现对水位阀值的设定进行改变，从而可以根据不同的情况，实现水位的测量的要求。做到不同的环境，水位报警值是不一样的。如图5-4所示，改变阀值后的结果。可以看出来，本设计能够完成对阀值的设计，能够显示阀值的改变以及水位高低的改变。图5-4 改变设定值以上就是程序测试的结果，整个过程运行正常，达到了自己理想的状态，当然可能其中还存在一些不足的地方，但是整体功能还是满足了，对设计的要求也是达到了。基本达到了老师的要求。本次设计所用到的材料都是比较简单的，设计精度也是粗糙的，但是基本完成了设计的要求。结语本次设计过程受益匪浅，从初始的迷惘，到后来的解惑、充实自我，我了解了学习的过程是如何令人愉悦。本次水位监测的设计始终，从硬件的规划设计到软件的编程和写入，我通过了不断翻阅相关资料、上网浏览基本原理、询问老师和同学们的问题，这些种种逐渐使我掌握了相关知识点，然后一笔笔写下，终于在程序调试成功的一刹那，令我欣喜万分。这个课题让我有所感悟，不真正去做，我们永远不知道我们能做的很多。在遇见短信模块程序调试遇到难题时，我沉下心，仔细检查端口设定、参数设定，上网咨询相关问题，终于解决。在硬件连接出现差错，我清醒自我，有条不紊的按着步骤一步步的连接，终于成功亮起。我相信在现代社会的不断发展中，现代化的设备中，我们会越来越使用这种智能设备，并且这种设备会越来越智能，帮助我们完成一些危险的事情。在今后的生活学习中，我会努力学习这个专业的知识，希望能够更加深入的了解它。使得自己能够拥有更丰富的知识和才学。参考文献1 张红莲.基于单片机的超声波测距系统的设计J.可编程控制器与工厂自动化,2014,9:89-91.2 张波，王朋亮.基于STC89C51单片机超声波测距系统的设计J.机床与液压， 2010,38(18):56-58. 3 张红莲.基于单片机的超声波测距系统的设计J.可编程控制器与工厂自动化,2014,9:89-91.4 孙晓松，黄勇，超声波液位远程监控系统J，工业控制计算机，2010-5.5 廖先芸.电子技术实践与训练M.高等教育出版社.2007.45-95.6 赵明.工厂电气控制设备M.机械工业出版.2012.56-68.7 何希才.传感器及其应用电路M.电子工业出版社.2013.12-24.8 李万臣.模拟电子技术基础实验与课程设计M.哈尔滨工业大学出版社.2001.24-35.9 王磊.基于单片机STC90C516的超声波红外报警系统设计J.兰州工业学院学报.2013,20（05）:1-4.10 章小宝.基于STC89C516的家用报警器电路设计J.科技广场.2012，07:133-135.11 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