隨著人們生活水平和工業(yè)標準的提高，液位的檢測越來越受到人們重視，檢測的精度和實時性要求也越來越高，另外還要求系統(tǒng)能提供對液位的自動控制功能。今后液位的監(jiān)測和控制系統(tǒng)的研究將是一個重要的課題。

1.1 液位檢測系統(tǒng)的概況

在日常生產(chǎn)和生活中經(jīng)常遇到液位的檢測和控制問題。尤其在許多工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，需要對系統(tǒng)的液位或物料位進行檢測和控制，特別是對具有腐蝕性的液體液位的測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電脈沖來檢測液面，電極長期浸泡在液體中，極易被腐蝕、電解、失去靈敏性，因而對測試設(shè)備的抗腐蝕性要求較高。LM型液壓傳感器采用316L不銹鋼膜片及PVC塑料螺紋頭相結(jié)合，可測量水、其它液體及氣體液位。LM型液壓傳感器采用擁有專利技術(shù)的低成本不銹鋼傳感器，其安裝在PVC塑料過程接頭內(nèi)。監(jiān)控工程實施方便、迅速、易做到實時控制，而且測量精度又能達到工業(yè)實用的要求，所以有廣泛的應(yīng)用前景。為了降低工人的勞動強度，改善工人的工作環(huán)境，節(jié)省財力、物力，避免資源的浪費，特別是對一些具有高溫、高壓、低溫、低壓、有輻射性、毒性、易揮發(fā)易爆等液體，就要對液位進行檢測，而且液位的檢測顯得尤為重要。今后液位的監(jiān)測和控制系統(tǒng)的研究將是一個重要的課題。

1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化高速發(fā)展, 對液位檢測和控制技術(shù)的要求也越來越高。為解決生產(chǎn)中的測量問題, 一方面是采用新的測量原理, 開發(fā)新的液位檢測儀表, 擴大檢測的手段, 另一方面需要朝著實現(xiàn)微機化和智能化的方向發(fā)展。近些年來, 微電子技術(shù)的發(fā)展使得液位檢測技術(shù)發(fā)生了根本性的變化。新的檢測原理與電子部件的應(yīng)用使得液位計更趨向小型化和微型化, 特別是一些小型現(xiàn)場液位開關(guān)發(fā)展極快, 如光纖液位計, 由于沒有可動部件, 所以可靠性高, 不僅可現(xiàn)場顯示, 而且可以發(fā)出控制信號。與此同時, 液位檢測和控制也正向著智能化方向發(fā)展, 在液位測量領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用微處理技術(shù), 以實現(xiàn)故障診斷和報警功能, 提高測量的精確度、可靠性、安全性和多功能化。在應(yīng)用和設(shè)計液位計時盡量實現(xiàn)精確測量,提高液位檢測系統(tǒng)對惡劣環(huán)境的抵抗能力, 以便在惡劣環(huán)境下準確、可靠地工作。

1.3 本次設(shè)計的意義

目前，市面上進行液位測量的儀表種類繁多，但是同時具有測量、監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄及處理的液位測量裝置并不多。在某些工業(yè)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的測量這一基本功能已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，往往需要對大批數(shù)據(jù)進行記錄，對其進行后期處理分析，實現(xiàn)差錯控制、工藝改善、資源優(yōu)化等一系列工作。在液位測量這一領(lǐng)域中，如江河湖海、城市用水等方面，大量數(shù)據(jù)長時間，多網(wǎng)點的采集記錄分析具有普遍的意義。液位的變化分析，有助于人們進一步對自然環(huán)境、天氣變化甚至是災(zāi)害預(yù)警提供可靠的支持。單片微機在許多過程控制設(shè)備和產(chǎn)品中都得到廣泛的應(yīng)用。由于其體積小，價格低，具有邏輯判斷、定時計數(shù)、程序控制等多種功能，在各個領(lǐng)域、各個行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。不僅有常用的8位機，而且4位單片機和16位單片機也得到了普及，隨著過程控制精度要求的增加和運算速度的增快，單片機得到了進一步的應(yīng)用。

1.4 本次設(shè)計的任務(wù)

本文的主要任務(wù)是以單片機為主控制器，開發(fā)一個基于液位傳感器的液位監(jiān)控系統(tǒng)，可測量并顯示液位高度。設(shè)定最高液位和最低液位，當液位高于最高液位或低于最低液位時發(fā)出報警信號，提醒工作人員液位信息。研究設(shè)計內(nèi)容包括：

（一）液位檢測的基本原理與方法；

（二）液位檢測系統(tǒng)的整體方案設(shè)計；

（三）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計；

（四）顯示電路設(shè)計；

（五）系統(tǒng)軟件流程設(shè)計；

（六）電源電路的設(shè)計；

（七）PCB布線及硬件抗干擾設(shè)計。

設(shè)計完成之后提供一個可以應(yīng)用于一般工業(yè)的液位檢測及顯示系統(tǒng)的設(shè)計方案，測量范圍和測量精度滿足一般工業(yè)應(yīng)用需要。通過設(shè)計的整個過程，可以綜合運用傳感器、單片機、電子電路和程序設(shè)計等方面的知識，鍛煉和提高科研的能力。

第2章  硬件電路設(shè)計

2.1 硬件電路工作原理

該系統(tǒng)以AT89C51作為核心控制部件，外加傳感器，一片A/D轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)碼管來完成系統(tǒng)的預(yù)期任務(wù)，即液位的檢測、顯示和超限報警。傳感器實現(xiàn)液位信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換，再由8位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實現(xiàn)液位信息的輸入，AT89C51從ADC0809讀取液位信息后進行數(shù)據(jù)處理和超限判斷，隨后將處理過的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)碼管顯示，設(shè)置最高液位和最低液位，若液位超限則由單片機報警。

2.2  硬件電路設(shè)計

圖2—1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

各部分功能：

單片機應(yīng)用系統(tǒng)的基本構(gòu)成：

圖2—2 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的基本構(gòu)成

AT89C51主要參數(shù)：

圖2—3 AT89C51主要參數(shù)

AT89C51含 E2PROM電可編閃速存儲器。有兩級或三級程序存儲器保密系統(tǒng)，防止E2PROM中的程序被非法復(fù)制。不用紫外線擦除，提高了編程效率。程序存儲器E2PROM容量可達20K字節(jié)。

AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。

1. AT89C51主要特性：

與MCS-51兼容，4K字節(jié)可編程閃爍存儲器，壽命：1000寫/擦循環(huán)，全靜態(tài)工作：0HZ-24HZ，三級程序存儲器鎖定8位CPU；振蕩頻率1.2-12MHz;128個字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（片內(nèi)RAM）;21個專用寄存器；4KB的片內(nèi)程序存儲器；8位并行I/O口P0,P1,P2,P3;一個全雙工串行I/O口；2個16位定時器/計數(shù)器；5個中斷源，分為2個優(yōu)先級。

2. I/O口引腳：

a:P0口，雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用；

b:P1口，8位準雙向I/O口

c:p2口，8位準雙向I/O口，與地址總線（高8位）復(fù)用；

d:P3口，8位準雙向I/O口，雙功能復(fù)用。

A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809為8路模擬信號的分時采集，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為100μs左右。

圖2—4 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖

圖中多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C 3個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，

圖2—5 ADC0809的通道選擇表         圖2—6 ADC0809引腳圖

分辨率為8位；最大不可調(diào)誤差小于+_1LSB；單一+5V供電，模擬輸入范圍0~5V；具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)；可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容；功耗為15mw；不必進行零點和滿度調(diào)整；轉(zhuǎn)換速度取決芯片的始終頻率，它的時鐘為10kHZ~1.2MHZ.當時鐘為500KHZ，轉(zhuǎn)換速度為100us。

ADC0809是一款8位AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵部分是它的8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。這個部分主要由N位逐次逼近寄存器SAR,D/A轉(zhuǎn)換器，比較器，置數(shù)選擇電路組成。轉(zhuǎn)換過程如下：

A．選選置數(shù)電路置SAR的最高位為“1”，其余位為“0”，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓Uo與輸入模擬電壓Ui在電壓比較器進行比較，若Ui大于等于Uo,則保留最高位“1”，若Ui小于Uo，則最高位為“0”。

B．置次高位為“1”，低位全為“0”，按上述步驟進行轉(zhuǎn)換，比較，判斷。

C．重復(fù)此過程，直到確定SAR的最低位的值取“1”，還是“0”為止。此時，SAR內(nèi)容就是對應(yīng)的輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。

圖2—7 ADC0809的工作時序圖

LM系列液壓傳感器采用316L不銹鋼膜片及PVC塑料螺紋頭相結(jié)合，可測量水、其它液體及氣體液位。LM系列液壓傳感器采用擁有專利技術(shù)的低成本不銹鋼傳感器安裝在PVC塑料過程接頭內(nèi)。該設(shè)計可使傳感器具有多種外形，方便客戶應(yīng)用于需要高性能、小尺寸的壓力和真空系統(tǒng)。傳感器標準輸出為0.5～4.5V，供電為5V。

特    點： 螺紋接口式，-20～85℃工作溫度范圍，±0.1%非線性，±3.0%總誤差，固態(tài)結(jié)構(gòu)

應(yīng)    用： 灌溉系統(tǒng)，RV和船舶水位保持，蓄水和水循環(huán)系統(tǒng)，小型罐體液位，冷卻器&蒸氣冷凝設(shè)備

技術(shù)指標：

類   型： 表壓

量   程： 0～1,2,5,15,30,50,150(psi)

精 確 度： ±5%(<5Psi);±3%(>5Psi)

輸   出： 0.5～4.5V

電氣連接： 電纜                       

工作溫度： -35℃～85℃

供電電源： 5VDC                       圖2—8 LM系列液壓傳感器

特   點： 低成本，微量程（最佳量程1Psi～15Psi），適于OEM客戶批量應(yīng)用。

典型應(yīng)用： 灌溉，RV和船用郵箱液位，水存儲和水回收系統(tǒng)，小罐體液位，冷凝器，蒸發(fā)冷卻塔

  

圖2—9  LM傳感器尺寸外形圖        圖2—10  LM傳感器電氣連接圖

2.3 硬件電路各模塊設(shè)計

圖2—11  電源電路

本系統(tǒng)供電為市電AC220v，經(jīng)變壓器TR1降為交流6v，經(jīng)整流橋堆BR1整流后得到脈動直流電壓6v，再經(jīng)三端穩(wěn)壓器LM7805得到VCC(+5v) ,其中電解電容C4、C6、起濾波作用，C5、C7是旁路電容，起抑制干擾的作用。

圖2—12  單片機最小系統(tǒng)電路

RST：復(fù)位輸入。在單片機工作期間，當此引腳上出現(xiàn)連接2個機器周期的高電平時可實現(xiàn)復(fù)位操作。復(fù)位電路除了具有上電復(fù)位功能外，還可通過復(fù)位鍵迫使RESET為高電平。當系統(tǒng)通電時，RESET引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RESET引腳的高電平將逐漸下降。RESET的高電平只有保持足夠的時間（2個機械周期），單片機才可以進行復(fù)位操作 。

時鐘電路采用12MHz的晶振，因為ADC0809的工作時鐘最高允許值為12MHz,單片機ALE管腳2分頻后為500KHz,可以作為ADC0809轉(zhuǎn)換器的時鐘信號CLK。XTAL1:反向放大振蕩器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。XTAL1腳是內(nèi)部反相放大器的輸入端，而XTAL2腳是該放大器的輸出端。在晶體振蕩中，晶體工作于基本響應(yīng)模式，它作為一個感抗與外部電容形成并聯(lián)諧振，使正反饋放大器維持震蕩。所選電容為瓷片電容22PF，因為22PF對于工作于1MHZ以上的晶振都能獲得良好的效果。

圖2—13  顯示電路

本設(shè)計由P1口控制七段發(fā)光二極管亮或滅，使用共陰極8段數(shù)碼管，由圖2.9可知，要使七段顯示器的某一段亮，則應(yīng)該是與該段相連的段選寄存器即P1口的某位線輸出為1。若使某段熄滅，則必須輸出0。例如要顯示數(shù)字4。則應(yīng)使P1口的P1.7-P1.0輸出為11100110B，若用一個字節(jié)表示該輸出值，即字形代碼為66H，依此類推，可以得到0—9一共10個十進制數(shù)的字形代碼依次為3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，7FH，6FH。

本設(shè)計由P2.0，P2.1，P2.2，P2.3做位選，以控制哪一位七段數(shù)碼管顯示，例如，要求第一位數(shù)碼管顯示，則應(yīng)設(shè)置P2.0為“1”，P2.1，P2.2,P2.3為“0”。

PNP型三極管9012起到增加驅(qū)動電流的目的。電阻R12~R19控制通過數(shù)碼管的電流，R20~R23控制通過三極管9012的電流，R4~R11為單片機P1口的上拉電阻。

2.3.4  液位傳感器的接口電路設(shè)計

圖2—14  電位器RV1與ADC0809接口

設(shè)計所選LM型液位傳感器能夠根據(jù)不同的液位產(chǎn)生不同的電壓，電壓值大小范圍為0.5~4.5V，且能夠便于遠距離傳輸。由于芯片ADC0809的輸入為0~5V的電壓，仿真時需要將輸入信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，為此外接一電位器R=1kΩ，把電壓轉(zhuǎn)換成0~5V電壓。在設(shè)計中，把電位器的1，3腳接+5V電壓和地線，調(diào)節(jié)滑鈕2能夠很好的得到0~5V電壓，因此可以用電位器模擬液位傳感器。

2.3.5  AT89C51與ADC0809的接口電路設(shè)計

圖2—15  AT89C51與ADC0809的接口電路

ADC0809與AT89C51相連接，ADC0809中的START與ALE相連通，ALE——地址鎖存允許信號，對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START——轉(zhuǎn)換啟動信號。START上升沿時，復(fù)位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持 低電平。當ALE上升沿時，ALE鎖存數(shù)據(jù)，A/D轉(zhuǎn)換截止，當ALE下降沿時，START低電平，ALE低電平，不鎖存，A/D轉(zhuǎn)換開始。P2.4，P2.5，P2.6，P2.7分別控制CLK，START和ALE，EOC，OE信號，其控制A/D轉(zhuǎn)換的開始和截止。CLK使用AT89C51內(nèi)部時鐘信號。

ADDA，ADDB，ADDC相連通接地，信號輸入為000，表示輸入通道選擇為IN0口。8位數(shù)據(jù)信號線2-1~2-8與單片機的P1.0~P1.7相連，實現(xiàn)ADC0809與AT89C51的數(shù)據(jù)傳輸。

Vref——參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=0V)。

圖2—16  報警電路

本電路的P3.0，P3.1作為高位和低位的報警控制線，通過設(shè)置高低液位報警線來實現(xiàn)報警功能。如果當前液位高于設(shè)置的高位報警線時，P3.0置低電平，高位報警燈亮。如果當前液位低于于設(shè)置的低位報警線時，P3.1置低電平，低位報警燈亮。如果當前液位低于設(shè)置的高位液位且高于低位液位時，高位報警燈和低位報警燈滅。

2.4 硬件電路總結(jié)

在本章中主要講述了硬件電路的結(jié)構(gòu)，電路原理和部分芯片的功能，根據(jù)電路組成情況分成六個電路模塊，分別介紹了各個電路模塊的工作原理和功能，通過本次設(shè)計掌握了更多的基本硬件電路設(shè)計原理及其工作特點。并自行繪制電路原理圖，PCB封裝圖，為做PCB板做準備。下面是電路的一些照片。

圖2—17  電路原理圖

圖2—18  PCB封裝圖

圖2—19  硬件電路圖

圖2—20  液位在3.00米時的實物圖

圖2—21  液位在4.01米時的實物圖

第3章  軟件設(shè)計

3.1 AT89C51的I/O口應(yīng)用

AT89C51共有P0,P1,P2,P3，4個8位的并行雙向I/O口。各個I/O口實現(xiàn)不同的功能，詳細情況如下。

在程序中將P0口做為段選口使用，顯示十位數(shù)字的段選信號，下例為顯示十位數(shù)字的指令：

MOV DPTR,#TABLE            ；取段碼表首址。

MOV A,LED_2                ；取顯示的十位數(shù)字。

MOVC A,@A+DPTR             ；取段碼。

MOV P0,A                   ；輸出段碼的顯示。

TABLE:   DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H        ;共陰極數(shù)碼管表

DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH

在程序中將P0口作為輸入口，用來讀A/D轉(zhuǎn)換值。設(shè)計中，要求選通通道0，并把轉(zhuǎn)化后得到數(shù)字量存入內(nèi)部RAM的35H單元中，下例為把轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量存入內(nèi)部RAM中的指令：

CLR P2.5，   ；SRART置0，

MOV A,P1     ；

MOV R7,A

MOV 35H,R7

P2.0,P2.1,P2.2,P2.3做數(shù)碼管的位選信號用，要哪個數(shù)碼管亮，則置相應(yīng)位高電平，就可將其選中。例如要求顯示第一個數(shù)碼管，端口設(shè)置指令為：

CLR P2.0

CLR P2.1

CLR P2.2

CLR P2.3

P2.4,P2.5,P2.6,P2.7作為通用I/O口使用，與ADC0809連接。P2.4作為A/D轉(zhuǎn)換的CLK信號，P2.5作為開始A/D轉(zhuǎn)換的啟動信號，P2.6作為查詢A/D轉(zhuǎn)換是否完成的判斷信號，P2.7作為輸出A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量允許信號。下例為P2.4,P2.5,P2.6,P2.7作為通用I/O口使用的指令：

CLOCK   BIT  P2.4

ST       BIT  P2.5

EOC     BIT  P2.6

OE      BIT  P2.7

P3.0、P3.1、P3.7作為通用I/O口使用,與LED燈和蜂鳴器相連，輸出報警信號，如果當前液位高于設(shè)置的高位報警線時，P3.0置低電平，高位報警燈亮。如果當前液位低于于設(shè)置的低位報警線時，P3.1置低電平，低位報警燈亮。如果當前液位低于設(shè)置的高位液位且高于低位液位時，高位報警燈和低位報警燈滅。

H_ALM    BIT    P3.0

L_ALM    BIT    P3.1

LALM:    CLR    L_ALM          ;低位報警

         SETB   TR1

         CLR    FLAG

        LJMP   PROC

HALM:    CLR    H_ALM          ;高位報警

        SETB   TR1

         SETB   FLAG

         LJMP   PROC

3.2 軟件模塊設(shè)計

系統(tǒng)分為初始化，A/D轉(zhuǎn)換，十進制轉(zhuǎn)換，LED顯示，電機控制和報警電路。因此整個程序需要包含上述六個子程序。

其中，LED_0   定義地址30H，以存放顯示十進制的小數(shù)點后十位數(shù)字。

LED_1   定義地址31H，以存放顯示十進制的小數(shù)點后個位數(shù)字。

LED_2   定義地址32H，以存放顯示十進制的個位數(shù)字。

ADC     定義地址35H，以存放經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字。

流程圖如下：

圖3—1  主程序流程圖

ADC0809芯片實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的時間為0.1ms左右，A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量應(yīng)及時傳送到單片機進行處理。

OE——輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。

ALE——地址鎖存允許信號。對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。

START——轉(zhuǎn)換啟動信號。START上升沿時，復(fù)位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持 低電平。本信號有時簡寫為ST。

CLK——時鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz的時鐘信號。

EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0,正在進行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。

CLOCK    BIT    P2.4

ST         BIT    P2.5

EOC      BIT    P2.6

OE       BIT    P2.7

CLR       ST

SETB      ST

CLR       ST         ;啟動轉(zhuǎn)換

JNB       EOC,$      ;等待輸出結(jié)果

SETB      OE         ;允許輸出

MOV      ADC,P1     ;讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

CLR       OE         ;關(guān)閉輸出

MOV      A,ADC       ;將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換成BCD碼

圖3—2  A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖

設(shè)計中采用動態(tài)掃描法，實現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，并顯示小數(shù)點。數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低

通過逐次選通P2.0，P2.1 ,P2.2，P2.3依次送十進制的相應(yīng)字段碼給P1口，并延時5ms完成顯示。

顯示程序：

MOV    LED_0,#00H

MOV    LED_1,#00H

MOV    LED_2,#00H

MOV    LED_3,#00H

MOV    DPTR,#TABLE      ;送段碼表首地址

DISP:    MOV    A,LED_2

         MOVC   A,@A+DPTR

ORL    A,#80H                                                ;顯示小數(shù)點

                   MOV    BUFFER+2,A       ;送顯示緩存

         CLR    P2.1

         MOV    P0,A

         LCALL  DELAY

         SETB   P2.1

SETB   P2.0

         MOV    A,LED_1

         MOVC   A,@A+DPTR

         CLR    P2.0

         MOV    P0,A

         LCALL  DELAY

         RET

DELAY:  MOV    R6,#10            ;延時5ms

圖3—4  顯示子程序流程圖

本電路的P3.0，P3.1作為高位和低位的報警控制線，通過設(shè)置高低液位報警線來實現(xiàn)報警功能。本設(shè)計要求為：液位在小于1.5米時低位報警燈亮進行低位報警，液位在1.5～4米時燈都不亮，液位在大于4米時高位報警燈亮進行高位報警。

報警程序：

MOV    H_TEMP,#153           ;204/255=0.6  高于80%報警

MOV    L_TEMP,#77            ;77/255=0.3   低于30%報警

MOV    A,ADC                 ;將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換成BCD碼

         SUBB   A,L_TEMP      ;判斷是否低于下限

         JC     LALM

         MOV    A,H_TEMP

         MOV    R0,ADC

         SUBB   A,R0           ;判斷是否高于上限

         JC     HALM

         CLR    TR1

         LJMP   PROC

LALM:   CLR    L_ALM          ;低位報警

         SETB   TR1

         CLR    FLAG

         LJMP   PROC

HALM:   CLR    H_ALM          ;高位報警

         SETB   TR1

         SETB   FLAG

         LJMP   PROC

圖3—5  報警子程序流程圖

3.3 軟件設(shè)計總結(jié)

在本章中主要講述了軟件設(shè)計的一些情況，對軟件的一些功能進行了解釋，根據(jù)程序組成情況分成六個程序模塊，分別介紹了各個程序模塊的工作原理和功能，對部分程序進行了簡單的注釋，通過流程圖直觀的表現(xiàn)出各個模塊的作用及程序運行過程。在本次的軟件設(shè)計中，運用Keil進行編程，將編輯好的程序進行編譯，查看是否語法錯誤，如果沒有錯誤，設(shè)置晶振頻率，編譯生成.Hex文件，進行仿真。在此過程中，我收益良多，熟悉了單片機匯編語言的使用，對單片機的編程有了進一步的理解，通過和同學的交流，學會了很多以前自己不能解決的問題。

第4章  調(diào)  試

4.1 仿真電路調(diào)試

在仿真程序中通過模塊編程，用Proteus軟件與Keil軟件相結(jié)合進行調(diào)試，（調(diào)試程序見附錄I）

1．建立工程文件

1)點擊菜單project,選擇new project:

2)然后選擇要保存的路徑,輸入工程文件的名字,比如保存到論文目錄里,工程文件的名字為yang.uv2.

3)這時會彈出一個對話框,選擇單片機的型號,你可以根據(jù)你使用的單片機來選擇,keil c51幾乎支持所有要求你的51核的單片機,這里選AT89S51。

這時要新建一個源程序文件,建立一個匯編文件，輸入編寫好的程序。

保存。選擇要保存的路徑,在文件名里輸入文件名,注意一定要輸入擴展名,這里有匯編語言，文件名為：yang.asm。

2. 調(diào)試程序

(1)點擊Target 1前面的+號,展開里面的內(nèi)容source Group1:

(2)用右鍵點擊Sourece Group 1(注意用鼠標的右鍵,而不是左鍵),將彈出一個菜單,選擇Add Files to Guoup'Source Group 1'.

(3)選擇剛才的文件yang.asm.這時在source group 1 里就有yang.asm文件

(4)單擊“Project”菜單，再在下拉菜單中單擊“Built Target”選項（或者使用快捷鍵F7），編譯成功后，再單擊“Project”菜單，在下拉菜單中單擊“Start/Stop Debug Session”（或者使用快捷鍵Ctrl+F5）。硬件仿真原理圖如下圖

圖4—1  仿真原理圖

3. 仿真結(jié)果

通過改變電位器阻值的變化來模擬液位的變化，液位數(shù)值在數(shù)碼管上顯示，液位在小于1.5米時低位報警燈報警，液位在1.5米到4.0米時不報警，液位大于4.0米時高位報警燈報警。芯片ADC0809的轉(zhuǎn)換精度為1/256，所以本電路的最小分辨率為0.05V。

4.2 硬件電路調(diào)試

1．焊接電路時注意布局是否合適，芯片擺放是否正確，元器件是否齊全。

2．焊接好電路后，用萬用表檢測電路是否有短路、斷路現(xiàn)象發(fā)生，檢測地線和電源線是否短路。

3．用萬用表按照電路原理圖重新檢查電路，檢查是否有焊接錯誤的情況發(fā)生，檢查元器件是否虛焊。

4．插上芯片，注意管腳方向是否與PCB設(shè)計一致。

5．連通電源，檢查電路在沒有程序時是否與仿真結(jié)果一致。

4.3 硬件電路出現(xiàn)的問題及解決方法

1．電源接通后，發(fā)現(xiàn)ADC0809芯片發(fā)燙。

解決過程：開始考慮是否是電源接錯了，導(dǎo)致接在ADC0809兩端的電壓過大導(dǎo)致的，用萬用表檢測后發(fā)現(xiàn)電源正確，后經(jīng)老師指導(dǎo)找出問題是使用雙電源供電，兩個電源電壓有偏差，導(dǎo)致芯片發(fā)燙，后改正后芯片正常工作。

2．調(diào)試電路時，數(shù)碼管有第一個不顯示。

解決過程：開始考慮是否是程序的問題導(dǎo)致數(shù)碼管不顯示，仔細檢查程序后，經(jīng)proteus仿真證明程序沒有問題，后考慮是不是數(shù)碼管出現(xiàn)問題，交換數(shù)碼管控制信號線后，發(fā)現(xiàn)第一個數(shù)碼管的信號線能使其他數(shù)碼管顯示，后用萬用表檢測發(fā)現(xiàn)它的兩個管腳短路，證明第一個數(shù)碼管已損壞，不能顯示，于是重新?lián)Q取數(shù)碼管后，數(shù)碼管顯示正常。

4.4 軟件程序調(diào)試

本設(shè)計調(diào)試程序使用的是Keil編譯軟件和Proteus仿真軟件。先將編輯好的程序進行編譯，檢查程序是否有語法上的錯誤。在編譯、連接無錯誤和警告后，把程序進行分塊調(diào)試。然后用單步調(diào)試的方法進行檢查寄存器中的內(nèi)容是否與預(yù)期結(jié)果一致。例如：顯示部分，在調(diào)試中，可以用相關(guān)窗口查看相應(yīng)寄存器的內(nèi)容，35H單元存放采樣值，30H，31H，32H，33H單元內(nèi)容則為其轉(zhuǎn)換值，再對比顯示的數(shù)據(jù)就可以知道是否正確。

運行編譯生成.hex文件，然后在Proteus中加入.hex文件，進行仿真，查看顯示是否正確，能否達到要求。進行單步調(diào)試，查看硬件電路的電平是否和預(yù)期結(jié)果一致。

用STC_ISP_V3.1軟件將.hex文件燒寫進單片機中，與硬件相連接。通電后，用萬用表檢查電路的電壓是否與仿真圖中的電壓一致，用仿真結(jié)果驗證硬件電路是否正確。

4.5 軟件程序調(diào)試出現(xiàn)的問題及解決方法

1．在仿真時，ADC0809不能進行仿真。

解決方法：在仿真時使用Proteus軟件，芯片ADC0809不能進行仿真，系統(tǒng)提示是沒有模型，于是仿真時采用ADC0808芯片進行。由于ADC0809與ADC0808的區(qū)別在于：ADC0808的輸出數(shù)據(jù)線D0~D7是從高位依次到低位，ADC0809的輸出數(shù)據(jù)線D0~D7是從低位依次到高位。于是采用ADC0808進行仿真，ADC0809用在實物電路上。

2．在Keil中編輯程序時，程序出現(xiàn)有錯誤，其不能運行。

解決方法：在Keil中運行后雙擊出現(xiàn)的錯誤，錯誤行被指出來，根據(jù)程序的上下文，改正出現(xiàn)的錯誤。由于在程序中START后少添加了“：”，使得程序不能運行，改正后程序運行正常。

4.6 聯(lián)機調(diào)試總結(jié)

聯(lián)機調(diào)試是做硬件電路中的一個很重要的環(huán)節(jié)，它的調(diào)試結(jié)果直接體現(xiàn)出對硬件和軟件的熟悉程度，對任務(wù)的理解。

在整個調(diào)試過程中對Keil編譯軟件，STC_ISP_V3.1燒寫軟件和Proteus仿真軟件有了進一步的認識和理解，對AT89C51單片機的匯編語言有了更進一步的了解，和同學的交流更進一步的提高自己。通過對調(diào)試軟件和硬件時出現(xiàn)的一些問題的討論，使我能更好的對電路、程序有個更深的認識，使我學會了分析電路的方法和技巧。

第5章  結(jié)  論

在本次設(shè)計中完成了電路原理圖設(shè)計，PCB板設(shè)計，電路焊接，程序的設(shè)計，軟、硬件的聯(lián)機調(diào)試。硬件電路的各個模塊，包括單片機最小系統(tǒng)電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，數(shù)碼管顯示電路，報警電路等都能夠正常工作。在與軟件進行聯(lián)機調(diào)試時，通過改變電位器阻值的變化來模擬液位的變化，液位數(shù)值在數(shù)碼管上顯示，液位在小于1.5米時低位報警燈報警，液位在1.5米到4.0米時不報警，液位大于4.0米時高位報警燈報警。芯片ADC0809的轉(zhuǎn)換精度為1/256，所以本電路的最小分辨率為1/256V。

本次設(shè)計完成了任務(wù)書下達的所有任務(wù)，實現(xiàn)了液位的檢測及液位的顯示，并實現(xiàn)了超限報警。顯示液位范圍為0~5m,顯示的最小分辨率為1/256V。它是一個可以應(yīng)用于一般工業(yè)的液位檢測及顯示系統(tǒng)的設(shè)計方案，測量范圍和測量精度滿足一般工業(yè)應(yīng)用需要。

附 錄

附錄1：電路原理圖

單片機源程序如下: