水位监测报警系统的设计.doc

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1、株洲师范高等专科学校物理与电子工程系毕业论文 水位监测报警系统姓 名 :秦 雄指导老师 :肖利君专 业 :应用电子技术班 级 :07级应用电子班学 号 :04207122时 间 :2010-5-5至 2010-5-28摘 要本水位监测报警器主要目标是使用 5V 低压直流电源(也可以用 3节 5号电池代 替就可以对 515厘米的水位进行监测,用 LED 显示和数码管显示水位,并可 以对不再此范围内的水位发出报警。 主要采用 CD4066、 74LS86、 74LS32、 CD4511芯片,再加上数码管、蜂鸣器、发光二极管、电阻这些器件组成一个简单而灵敏 的监测报警电路, 操作简单, 接通电源即可

2、工作。 因为大部分电路采用数字电路, 所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。关键字:译码电路,报警电路,监测电路AbstractThe water level alarm monitoring the use of 5 V low-voltage DC power (can also use three batteries replaced on the 5th will be able to 5 to 15 centimeters of water level monitoring, with LED display and digital display of water le

3、vel, and this can no longer Within the scope of a water level alarm. Mainly CD4066, 74LS86, 74LS32, CD4511 chips, coupled with digital control, buzzer, light-emitting diode, the resistance of these devices composed of a simple and sensitive monitoring alarm circuits. Because the majority of circuits

4、 using digital circuitry, so the water level monitored alarm system also has low energy consumption, high accuracy of the characteristics.Keyword: Decoding circuit alarm circuit monitoring circuit.目 录摘 要 . I目 录 . II第 1章 绪论 . 1第 2章 总体方案 . 3 2.1系统总方案设计 . 3 2.2各模块电路方案分析与设计 . 3 2.2.1水位信号模块的选择 . 3 2.2.2信

5、号转换模块的选择 . 4 2.2.3编码模块和数码显示模块的选择 . 4第 3章 系统的芯片概述 . 5 3. 1 CD4066双向模拟开关芯片的介绍 . 5 3 1.1 CD4066芯片的内部结构 . 5 3.1.2 CD4066芯片的引脚功能 . 5 3.2. CD4511显示译码器的芯片介绍 . 6 3.3 74LS32和 74LS86芯片的分析 . 8 3 3.1 74LS32和 74LS86芯片的内部方框图 . 8 3.3.2 74LS32芯片的引脚功能介绍 . . 9第 4章 系统电路设计 . 10 4.1 水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块电路设计 . 10 4.1.1

6、三模块主要设计电路图 . 10 4.1.2 电路工作原理 . 11 4.2 数码管显示模块、报警模块、编码模块电路设计 . 12 4.2.1 三模块主要设计电路图 . 12 4.2.2 电路工作原理 . 12 4.3 系统总电路图及工作原理 . 13第 5章 系统调试 . 15 5.1 调试工具:. 15 5.2 调试环境:. 15 5.3 测试过程:. 15总 结 . 17参考文献 . 18致 谢 . 19附 录 . 20附 录 1. 20附 录 2. 21第 1章 绪论现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新 工艺、 新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有

7、的奇迹。 在工业、 国 防、 科研等许多应用领域, 智能检测系统正发挥着越来越大的作用。 检测设备就 像神经和感官, 源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息, 成为人们认 识自然、 改造自然的有力工具。 现代的广义智能检测系统应包括一切以计算机 (单 片机、 PC 机、工控机、系统机为信息处理核心的检测设备。因此,智能检测 系统包括了信息获取、信息传送、信息处理和信息输出等多个硬、软件环节。从 某种程度上来说,智能检测系统的发展水平表现了一个国家的科技和设计水平。 随着我国经济科技的不断发展, 各种智能监测技术都得到长足发展, 智能水位控 制在日常生活及工业领域中应用相当广泛, 比如水塔

8、、 地下水、 水电站等情况下 的水位控制。 而以往水位的检测是由人工完成的, 值班人员全天候地对水位的变 化进行监测, 用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。 然后主控室再开动电 机进行给排水。 很显然上述重复性的工作无论从人员、 时间和资金上都将造成很 大的浪费。 同时也容易出差错。 因此随着自动化技术的发展, 水位监测技术也得 到了突飞猛进,为人们的生产生活带来了许多方便。大到可用于水库、湖泊、池 塘水位的检测, 小的可以用于鱼缸、 锅炉水位等的检测。 水位检测可以有多种实 现方法,如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等,在这里我选择了数模逻辑电 路的方法来监测水位, 利用水的导电性连续地

9、全天候地测量水位的变化, 把测量 到的水位变化转换成相应的电信号, 再通过总体电路, 完成相应的水位显示控制 和报警功能。具体设计内容如下 :首先, 自己对系统的总体方案进行了设计, 经过几天的思考论证, 根据设计 要求, 本系统主要由六个大的模块组成, 分别是:水位信号模块, 信号转换模块, 发光管显示模块, 数码管显示模块, 报警模块, 编码模块。 总体方案设计好以后, 然后自己分别对各模块的电路进行了分析与设计。首先对水位信号模块的分析, 考虑到分辨率要求不高和信号处理的难度,我决定采用触点的方法 , 即在每个水 位点放置一个触点, 当水位达到该触点时就可得到一个信号。 然后是对信号模块

10、 的分析选择,考虑到系统工作时的稳定性,决定使用 CD4066双向模拟开关,把1微弱的水位信号转换为稳定的电位信号。最后对于编码模块和数码模块的选择, 考虑到电路的可靠性和各种芯片的常用程度,自己使用了异或门 74LS86和或门 74LS32组成一个特殊的编码电路对个位的数进行编码。当对各模块分析选择完 成以后, 接下来就是对系统中各主要芯片的概述, 自己通过查阅图书馆的资料和 在网上收集资料,分别对 CD40066双向模拟开关芯片, CD4511显示译码器芯片, 74LS32和 74LS86芯片的各引脚功能进行了图表概述。当做完这些工作以后,然 后就是对系统电路的设计。 首先是对水位信号模块

11、、 信号转换模块、 发光管显示 模块的电路设计(图 4.1 。接下来是对数码管显示模块、报警模块、编码模块 的电路设计(图 4.2 。接下来就是对系统的主要工作原理的概述。当以上工作 完成以后,最后就是对整个系统的做了一个简单调试,调试基本成功。第 2章 总体方案2.1系统总方案设计根据设计要求, 本系统主要由水位信号模块、 信号转换模块、 发光管显示模 块、数码管显示模块、报警模块、编码模块等模块构成。其系统方案框图如下图 所示: 图 2.1.1系统方案方框图2.2各模块电路方案分析与设计2.2.1水位信号模块的选择方案 1:采用电容的原理,用两块平行的长方形铜板作为电极放在水中,可 以通过

12、检测两电极间的电信号可知水位的变化情况。 优点:结构简单、 水位分辨 率可大大提高 ; 缺点:容易受水质的影响产生误差,信号为模拟信号,不方便处 理。方案 2:采用触点的方法,在每个水位点放置一个触点,当水到达该触点时 就可得到一个信号。优点:灵敏度高、得出的时数字信号容易处理;缺点:分辨 率不好提高,分辨率越高触点越多,越难编码。考虑到分辨率要求不高和信号处理的难度,排除干扰因素,采用方案 2。2.2.2信号转换模块的选择方案 1:使用三极管把微弱的水位信号放大以驱动其他模块的工作。 优点:成 本低;缺点:工作不够稳定,使用数量多。方案 2:使用 CD4066双向模拟开关,把微弱的水位信号引

13、到 CD4066的控 制端, CD4066的输入端都接电源,这样就能把微弱的水位信号转换为稳定的电 位信号。优点:工作稳定可靠,便于集成化 ; 缺点:成本高。信号转换模块的工作影响的各个模块的正常工作采用方案 2。2.2.3编码模块和数码显示模块的选择方案 1:使用 2块 8 3线编码器组合构成 16 4的编码电路,再经过一个 显示译码器直接驱动数码管显示。优点:电路结构简单;缺点:要编码的信号不 够 16个,造成浪费,显示译码器不好找。方案 2:使用异或门 74LS86和或门 74LS32组成一个特殊的编码电路对个 位的数进行编码,当水位高于 10厘米时,十厘米信号直接驱动十位数码管显示 “

14、 1” ,在经 CD4511显示译码器驱动个位数码管显示。 (详细个位编码见附录 优点:电路可靠,稳定 ; 缺点 :电路较复杂。由于 74LS86、 74LS32、 CD4511都是常用的电子芯片,因此采用了方案 2 .第 3章 系统的芯片概述3. 1 CD4066双向模拟开关芯片的介绍3 1.1 CD4066 芯片的内部结构图 3.1.1CD4066芯片的内部结构方框图3.1.2 CD4066芯片的引脚功能CD4066是四双向模拟开关,主要用作模拟或数字信号的多路传输。引出端 排列与 CC4016一致,但具有比较低的导通阻抗。另外,导通阻抗在整个输入信 号范围内基本不变。 CD4066由四个

15、相互独立的双向开关组成,每个开关有一个 控制信号, 开关中的 p 和 n 器件在控制信号作用下同时开关。 这种结构消除了开 关晶体管阈值电压随输入信号的变化, 因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较 低。 与单通道开关相比, 具有输入信号峰值电压范围等于电源电压以及在输入信 号范围内导通阻抗比较稳定等优点。但若应用于采保电路,仍推荐 CD4016。 当模拟开关的电源电压采用双电源时,例如 = 5V , = 5V (均对地 0V 而言 , 则输入电压对称于 0V 的正、负信号电压( 5V 5V 均能传输。这时要求控 制信号 C=“1”为 +5V, C=“0”为 -5V , 否则只能传输正极性的信号

16、电压。 CD4066芯片的引脚功能图如下 图 3.1.2 CD4066引脚分布图3.2. CD4511显示译码器的芯片介绍IC CD4511是一个用来驱动共阴极 LED (数码管 BCD 码 -七段码译码器 图 3.2.1与真值表图 3.2-1所示,其各引脚功能如下:LT :做灯 泡测试 用, 当 LT=0, 则不论其它输入状态为何, 其输出 abcdefg=1111111, 使七段显示器全亮,即显示 8,以便观测七段显示器是否正常。当 LT=1,则正 常解码。BI :空白输入控制,当 BI=0 (LT 为 1 时 则不论 DCBA 之输入为何,其输出 abcdefg皆为 0,即七段显示器完全

17、不亮,此脚可供使用者控制仅对有效数据译码,避免 在无意义的数据输入时显示出来造成字型的系乱。LE :数据栓锁致能控制;在 CD4511 中,不但具译码功能,更具有数据栓锁的记 忆功能。 当 LE=0 时 (LT=1 且 BI=1, DCBA 数据会被送入 IC 的缓存器中保存, 以供 译码器码; 当 LE=1 时, 则 IC 中的暂存器会关闭, 仅保存原来在 LE=0 时的 DCBA数据供译码器译码。换句话说当 LE=1 时,不论 DCBA 的输入数据为何,皆不影 响其输出,其输出 abcdefg 仍保留原来在 LE 由 0转为 1以前的资料。 图 3.2.1 CD4511引脚功能图 7 表

18、3.2-1 CD4511真值表3.3 74LS32和 74LS86芯片的分析3 3.1 74LS32和 74LS86芯片的内部方框图 图 3.3.174LS32芯片内部结构方框图 图 3.3.2 74LS86芯片内部结构方框图 83.3.2 74LS32芯片的引脚功能介绍74LS32是通用数字电路:四 2输入或门。Y=A+B以集成块的一侧有缺口的为左起:左下 1-1A , 2-1B ,3-1Y ; 4-2A , 5-2B , 6-2Y ; 7-GND ;右起:右上 8 Y3, 9-3A , 10 B3; 11 Y4, 12-A4,13 B4; 14-VCC其中 A , B 为输入端, Y 为输

19、出端, GND 为电源负极, VCC 为电源正极74LS86是常用的 TTL 2输入端四异或门,在数字电路中常用。它的电源电压是 4.75 5.25V ,能与 7486, CT4086, DG74LS86, LH74LS86等元件互换。9物理与电子工程系毕业设计第 4章 系统电路设计4.1 水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块电路设计 4.1.1 三模块主要设计电路图 图 4.1.1三模块主要设计电路图10第 4章 系统电路设计4.1.2 电路工作原理左端的 P1是水位触点, 由一个 VCC 和 11个触点组成, 用水的导电性, 让接 触到水的触点出高电位;U1U3是 CD4066双向模

20、拟开关,将微弱的信号进行转换;R12R22是下拉电阻,用于水位没到管脚悬空时 CD4066输入端的处理, R1R11时发光二极管的限流电阻;P2是数码管显示模块、报警模块、编码模块的连接口。与 P1相比多了 13脚,其直接从 10厘米水位信号引出用于驱动十位的数码管显示。11物理与电子工程系毕业设计4.2 数码管显示模块、报警模块、编码模块电路设计4.2.1 三模块主要设计电路图 4.2.1三模块主要设计电路图4.2.2 电路工作原理P1是连接水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块的接口;R1R11是编码模块的下拉电阻,应为 CD4066是一个双向虚拟开关,当它断 开时编码模块的管脚相当与

21、悬空会引起逻辑混乱,因此加了下拉电阻。个位的编码电路与报警电路共用 74LS86和 74LS32芯片,这也是设计是将它们放到同一块板上的原因之一。与个位编码电路相连的是 CD4511显示编码器直接驱动个位数码管显示。 4.3 系统总电路图及工作原理 图 4.3.1系统总电路图上面的仿真图中 J1、 J2相当于放置在水中的触点 (已含下拉电阻 , 以获取 不同水位的信号,将信号引到 CD4066, CD4066芯片是一种双向模拟开关,在 集成电路内有 4个独立的能控制数字及模拟信号传送的模拟开关。 当触点没接触 水的时候由 470K 电阻的下拉作用使的四个开关的控制端为低电平,开关断开。 但是当

22、触点接触到水时候,由于水的导电性,使的四个开关导通。随着水位的升高, CD4066中的虚拟开关逐个开启,把经过水出来后的微弱 信号转换成与电源电压相同的电位信号, 以驱动发光二极管显示当前水位, 水上 升到那,对应的发光二极管就发光。将 CD4066的 5厘米水位的对位信号引到一 个异或门的一个脚上, 其另外一个脚接高电平, 使得 5厘米的水位信号反向输出, 方向输出的信号再和 10厘米水位对应的 CD4066的信号经过一或门由三极管放大 之后驱动蜂鸣器报警。数码管显示模块的信号也是来自 CD4066,分为十位和个位的显示,由于水 位高过 10厘米后, 10厘米的触点一直在水中,对应的 CD4

23、066的 10厘米信号也 一直处于高电位,因此只需将 CD4066对应的 10厘米处信号接到十位数码管的 bc 段以显示“ 1” ,无需编码就可实现十位显示而且十分可靠。而个位的显示需 要经过由 74LS86和 74LS32组成的特殊的编码电路后再经 CD4511显示译码器驱 动个位的数码管显示。 (详细个位编码见附录第 5章 系统调试5.1 调试工具:(1万用表(2 5V 直流电源(3水槽5.2 调试环境:(1地点:实验室(2室温:28 5.3 测试过程:首先将水位触点放置在水槽中,再使用 5V 电源接通电路,此时听到“嘀” 的报警声, 第 5、 6、 9、 11号 LED 发光, 数码管显

24、示 “ 7” 。 此结果与预计的不符, 断开数码管显示模块、报警模块、编码模块的连接,使电路易于检测,这时看到 LED 全灭,符合预计结果,接着向水槽内加水, LED 逐个亮起,用万用表测量了 LED 工作电压 3.2V 和信号输出口的工作电压 5V ,证明水位信号模块、信号转换 模块、发光管显示模块没问题。再把数码管显示模块、报警模块、编码模块连接上,以检查此模块的错误, 连上时立刻又出现刚才的错误,用万用表测量与水位信号模块、信号转换模块、 发光管显示模块的接口发现有 4个接口的电位与预计不符,就怀疑是不是 CMOS 与 TTL 不兼容的问题。测试到这便进行不下去了。之后又想 CD4066

25、是个虚拟开关,不应该有什么问题,又上网查资料,并对 此用电子试验箱做了专项的模拟试验, 发现什么问题都没有, 与预计结果完全相 同。后来又对数码管显示模块、 报警模块、 编码模块的连接进行仔细的检查, 最 后才发现原来是芯片的管脚连接不对, 输入信号连接再了芯片的输出端上。 于是 自己再从新做了一块新板, 问题解决了。 再用万用表测量芯片工作电压 (低电位 0.2V 、高电位 3.6V 工作正常了。最后再次用整体检测水位, 当水位低于 5厘米时, LED 全灭, 蜂鸣器发出 “嘀” 的声音,数码管显示“ 0” ,随着水位的升高蜂鸣器停止发声, LED 逐个亮起,数 码管对应显示 “ 514”,

26、 当水位到达 15厘米时红色的 LED 亮起, 数码管显示 “ 15” , 蜂鸣器发声报警,达到了预计的结果,调试圆满结束。总 结随着毕业日子的到来, 毕业设计也接近了尾声。 经过几周的奋战我们的毕业 设计终于完成了。 在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识 的单纯总结, 但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。 毕业设计不 仅是对前面所学知识的一种检验, 而且也是对自己能力的一种提高。 通过这次毕 业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。 自己要学习的东西还太多, 以前老 是觉得自己什么东西都会,什么东西都懂,有点眼高手低。通过这次毕业设计, 我们才明白学习是一个长期

27、积累的过程, 在以后的工作、 生活中都应该不断的学 习,努力提高自己知识和综合素质。此次设计自己在理论上、 仿真上都很成功, 但是在实际的调试过程中显示部 分却出现了问题。 原因是芯片的封装与设计时的不同, 结果引起显示部分个芯片 管脚的电位混乱,再处理这些问题时自己显的不冷静,出现很多没必要的错误, 因设计过程中耗费了大量时间, 所以没有足够的时间调试和改进, 这让自己懂得 了, 做任何学问都要一丝不苟, 对出现的任何问题和偏差都不能轻视, 要通过正 确的途径区解决,做事情的时候要有耐心和毅力,不要一遇到困难就打退堂鼓, 只要坚持下去就能找到解决问题的思路和办法, 在工作中要学会与人合作,

28、认真 听取别人的意见, 这样做事也会事半功倍。 当然整个实验过程中自己也收获颇多, 对电路的设计有一大致的了解并能自己动手完成一些简单的电路设计、 制板及调 试的过程, 极大地提高了自己的动手能力, 也让自己懂的了实践才是检验真理的 唯一标准, 当然也是检验学习成果的标准。 在经过一段时间的学习之后, 我们需 要了解自己的所学应该如何应用在实践中, 因为任何知识都源于实践, 归于实践, 所以要将所学的知识在实践中来检验。此次毕业设计的完成既为大学划上了一个完美的句号, 脚踏实地, 认真严谨, 实事求是的学习态度, 不怕困难, 坚持不懈, 吃苦耐劳的精神是我在这次毕业设 计中的最大收益。 我想这

29、是一次意志的磨练, 是对我实际能力的一次提升, 会对 我未来的学习和工作有很大帮助,也是为将来的人生做了一个很好的铺垫。参考文献1 中国电子技术网 .2 康华光 . 电子技术基础模拟部分(第五版 2006年 1月第 5版,北京:高 等教育出版社 .3 康华光 . 电子技术基础数字部分(第五版 2006年 1月第 5版,北京:高 等教育出版社 .4 李小坚 . 赵山林 . 冯晓君 . 龙怀冰 . Protel DXP 电路设计与制版使用教程 (第 2版 2009年 2月第 2版,北京:人民邮电出版社 .5 志刚 . 吴海彬 . Protel DXP使用教程 北京:清华大学出版社 2004.6 胡

30、宴如 . 耿苏燕 . 高频电子线路 2004年 12月第 1版,北京:高等教育出 版社 .7 原著 :邱关源 . 修订 :罗先觉 . 电路 (第 5版 2006年 5月第 5版,北京:高 等教育出版社 .致 谢这次毕业设计得到了很多老师、 同学和同事的帮助, 其中我的导师肖利君老 师对我的关心和支持尤为重要, 每次遇到难题, 我最先做的就是向肖老师寻求帮 助, 而肖老师每次不管忙或闲, 总会抽空来给我们大家上课面谈, 然后一起商量 解决的办法。在这里再次谢谢肖老师,肖老师您辛苦了!感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的伍远露、 陈相、 高阳、 王益南等同 学, 特别是伍远露同学, 他在本次设计中

31、给予我的无私帮助和厚爱, 不只一次地 帮助我, 倾尽了他的所有心血给我提供技术上的指导, 在这里再次谢谢伍远露同 学, 伍远露同学你辛苦了! 和曾经在各个方面给予过我帮助的兄弟们, 在大学生 活即将结束的最后的日子里, 我们再一次演绎了团结合作的童话, 把一个比较复 杂的,从来没有上手的课题,圆满地完成了。正是因为有了你们的帮助,才让我 不仅学到了本次课题所涉及的新知识, 更让我感觉到了知识以外的东西, 那就是 团结的力量。“ 不积跬步无以至千里”, 这次毕业论文能够最终顺利完成, 归功于各位 任课老师三年间的认真负责, 使我能够很好的掌握专业知识, 并在毕业论文中得 以体现。也正是你们长期不

32、懈的支持和帮助才使得我的毕业论文最终顺利完成。 最后, 向湖南工业大学物理与电子工程系的全体老师们再次表示衷心感谢:谢谢 你们,谢谢你们三年的辛勤栽培!附 录附 录 1 由于水位信号从 11111111111是累积增加的,个位的数由 59再由 05,BCD码分为 ABCD 四列, A 列为 1和 0的交替变化,可对应水位信号单个 “ 1”是出“ 1” ,双个“ 1”出“ 0” ,因此用 5个异或门和 5个或门构成 A 位编 码, B 列根据“ 0”和“ 1”的变化,从“ 0”变到“ 1”时, “ 1”的信号接异或门 门的一个脚, 再由 “ 1”变到 “ 0” 时, “ 0” 的信号接同一个异或门的另外一个脚, 再把 B 列中的所有异或门用或门连起来构成 B 位的编码, C 、 D 列的接法与 B 列相同。从而得出个位的特殊编码电路。附 录 附 录 221 / 21