本系統由前級采集電路和運算放大電路等信號處理模塊,A/D轉換模塊和數據顯示模塊三部分組成。單片機模塊以STC15F60S2為核心,利用PH傳感器檢測液體PH值,超聲波傳感器檢測水位。本系統主要實現PH值測量,液位情況測量和電壓測量三個功能,經過最終級聯、調試,結果表明,PH值測量誤差低于0.3,液位測量誤差低于1mm,因此達到很高的準確度,各項指標均優于題目要求。
一系統方案1.1 PH傳感器選擇【方案一】采用無溫度檢測的PH傳感器 該方案電路簡單,易于實現,但是在溫度變化大的情況下,易受溫度影響,測量值波動較大,誤差較大不易修正。 【方案二】采用自帶溫度監測的PH傳感器 該方案克服了環境溫度與液體溫度相差較小時,PH檢測誤差較小,易于檢測,穩定性好,誤差易于修正。 【方案三】采用液體溫度檢測與PH傳感器相結合 該方案電路相對來說比較復雜,可實現性不大,穩定性不高。 考慮到電路的穩定性及可實現性,我們選擇方案二。 1.2 液位測量選擇【方案一】光電監測 該方法對于定位測量效果好、精度高。但不適合對水位高度的測量,無法實時檢測液面高度。 【方案二】超聲波監測 此方法測量時間短,對實時測量液面精度高。測量范圍取決于高頻脈沖的頻率及聲波的大小,對于近距離測量精確都高,價格實惠。 【方案三】平行導線線跡測量 此方法測量精度高,但測量范圍小、易沾被測物,不適合強酸性或強堿性液體測量。 考慮到測量精度和系統的可行性,我們選擇方案二。 二系統理論分析與計算
2.1 水情信號處理的分析2.1.1 PH值處理的分析 本系統利用PH傳感器檢測液體酸堿度。PH檢測電路由前置120dB緩沖放大部分與后級高增益部分構成。本模塊的PH檢測采取TLC4502進行放大。最終系統將輸出信號與標準信號源的輸出值進行比較,得出PH值,并計算出相對精度。 2.1.2 液位處理的分析 采用超聲波傳感器對水和白醋、純凈水進行液位檢測,運用TI公司的高速比較器TL047對前級放大電路輸出信號進行處理。通過超聲波發射裝置發出超聲波,根據接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離。超聲波發射器向某一方向發射超聲波,在發射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。返回信號通過IO口ECHO輸出一個高電平,高電平持續的時間就是超聲波發射到返回的時間,測試距離=(高電平持續時間*聲速(340M/S))/2,最后將測量值與系統所得值進行對比,并計算得到相對誤差。 2.2 電壓檢測方法的分析利用STC15F60S2單片機采用A/D轉換電路將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率),然后由定時器/計數器獲得數字值。與萬用表所測結果進行對比,并計算精度。
三電路與程序設計
3.1 總體方案設計該水情檢測系統由PH傳感器和超聲波傳感器組成。PH傳感器用于液體酸堿度測量,超聲波傳感器用于液體高度測量。信號經過前級的放大整形后進入A/D轉換,A/D轉換后將數據傳輸給單片機,單片機對數據進行整理和計算,并將結果顯示出來。系統總體實現框圖如圖1.1所示。
3.2 電路設計
3.2.1PH檢測電路設計 PH檢測電路由前置120dB緩沖放大部分與后級高增益部分構成。本模塊的PH檢測采取TLC4502進行放大,可有效抑制噪聲。本模塊采用的溫度傳感器為熱敏電阻,其阻值隨溫度變化而變化。采用惠斯登電橋保證后續的差分放大時,運算放大器的正反向輸入電壓值為正值,則在此極限溫度下,電橋處于平衡狀態,差分放大輸入電壓差為0。如圖3.2所示。
3.2.2液位檢測電路運用TI公司的高速比較器TL047對前級放大電路輸出信號進行處理。同時采用了EM78小型微處理器進行信號轉換使其更加準確,并且很好的抑制了噪聲干擾。如圖3.3所示。
3.3 軟件設計STC15F60S2單片機在該系統主要完成數據計算,功能切換和顯示功能。主程序流程圖如圖3.4所示。
四測試方案與測試結果
4.1 測試方法與儀器4.1.1測試方法 1)PH值的測量方法:通過對水和白醋、純凈水進行多次測量,采取TLC4502進行放大,最終將系統的輸出信號與標準信號源的輸出值進行比較,得出PH值,并計算出相對精度。 2) 液位的測量方法:采用超聲波傳感器對水和白醋、純凈水進行液位檢測,運用TI公司的高速比較器TL047對前級放大電路輸出信號進行處理。如有信號返回,通過IO口ECHO輸出一個高電平,高電平持續的時間就是超聲波發射到返回的時間,測試距離=(高電平持續時間*聲速(340M/S)) /2,最后將測量值與系統所得值進行對比,并計算得到相對誤差。 3) 電壓的測量方法:將萬用表測量值與單片機所測值進行對比,得到相對精度。 4.1.2 測試儀器 表4.1 測試儀器 序號 | | | | | | | Agileat 33600A(DDS函數信號發生器) | | | | | | | |
4.2 測試結果4.2.1 PH值的測量測量結果:使用信號源輸出不同幅度的直流電壓信號,記錄實際測量值。測試結果如表4.2所示 表4.2 PH測量 結論:向塑料容器中注入若干毫升的水和白醋,可以在規定時間內完成PH值測量并顯示,測量偏差遠小于0.5;多次向純凈水中注入若干白醋,能在2分鐘內穩定顯示每次的PH值,同時測量偏差不大于0.1。 4.2.2 液位的測量 不同待測物液位測試結果如表4.3所示。 表4.3 液位測量 結論:向塑料容器中注入若干毫升的水和白醋,在1分鐘內完成水位測量并顯示,測量偏差不大于5mm;將塑料容器清空,多次向塑料容器注入若干純凈水,在1分鐘內穩定顯示,每次的水位值偏差不大于2mm。 4.2.3 電壓的測量 供電電池的電壓測試結果如表4.4所示。 表4.4 電壓測量 結論:可以完成供電電池的輸出電壓測量并顯示,測量偏差小于0.01V。 綜上所述,本設計已達到要求。 五總結該系統以STC15F60S2為核心測量器件,配合放大電路設計了高精度水情檢測系統。經過最終的調試,實現了不同情況下水位、PH值及電壓的測量。本系統性能優良,工作可靠,操作簡單,使用方便,完全滿足題目中所有的指標要求。在設計過程中要注意以下問題:電壓小于5V時,采用光耦元器件誤差較大,當電壓高于5V時,應采用A/D轉換電路減小誤差。
單片機源程序如下:
- #include <stc15f2k60s2.h>
- #include <intrins.h>
- #include <lcd12864.h>
- //引腳定義
- sbit RX = P4^2;
- sbit TX = P4^4;
- #define FOSC 11059200L
- #define BAUD 9600
- #define uchar unsigned char
- #define uint unsigned int
- #define ulong unsigned long
- #define URMD 0 //0:使用定時器2作為波特率發生器
- //1:使用定時器1的模式0(16位自動重載模式)作為波特率發生器
- //2:使用定時器1的模式2(8位自動重載模式)作為波特率發生器
-
- #define ADC_POWER 0x80 //ADC電源控制位
- #define ADC_FLAG 0x10 //ADC完成標志
- #define ADC_START 0x08 //ADC起始控制位
- #define ADC_SPEEDLL 0x00 //540個時鐘
- #define ADC_SPEEDL 0x20 //360個時鐘
- #define ADC_SPEEDH 0x40 //180個時鐘
- #define ADC_SPEEDHH 0x60 //90個時鐘
- /*---全局變量聲明---*/
- uchar code CharCode1[]="**水情監測系統**";
- uchar code CharCode2[]="液位值:";
- uchar code CharCode3[]="PH值:";
- uchar code CharCode4[]="電壓值:";
- uchar number0[5]; //水位值儲存
- uchar number1[5]; //PH值儲存
- uchar number2[7]; //電壓值儲存
- uchar Test0; //標志
- uint ad_data1; //十位AD值
- unsigned int time=0;
- long S=0;
- bit flag =0;
- ulong distance; //距離顯示
- /*---函數聲明---*/
- void InitUart();
- void InitADC();
- void Timer0Init(void); //10毫秒@11.0592MHz
- void Timer2Init(void); //10毫秒@11.0592MHz
- ulong GetADCResult(uchar ch);
- void Delay(uint n);
- void IO_Init(); //I/O口初始
- void LCD12864(); //LCD初始化顯示
- void PH_Value(); //PH監測化
- ulong PH_read(long PH); //PH值轉換
- void Voltag_read(); //電壓監測
- /*---液位---*/
- void Conut(void);
- void Distance_Value(); //液位監測
- void delayms(unsigned int ms);
- void Timer_Count(void);
- void StartModule(); //T1中斷用來掃描數碼管和計800MS啟動模塊
- ulong datas_Value(long datas); //數據修正
- /*---主函數---*/
- void main()
- {
- IO_Init(); //I/O口初始化
- LCD12864_Init(); //LCD初始化
- InitUart(); //初始化串口
- InitADC(); //初始化ADC
- Timer0Init(); //定時器0初始化
- Timer2Init(); //定時器2初始化
- while (1)
- {
- LCD12864();
- if(Test0==1)
- {
- Test0=0;
- PH_Value();
- Voltag_read();
- Distance_Value();
- }
- }
- }
- void IO_Init() //I/O口模式選擇
- {
- P0M0 = 0x00;P0M1 = 0x00;P1M0 = 0x00;P1M1 = 0x00;
- P2M0 = 0x00;P2M1 = 0x00;P3M0 = 0x00;P3M1 = 0x00;
- P4M0 = 0x00;P4M1 = 0x00;P5M0 = 0x00;P5M1 = 0x00;
- P6M0 = 0x00;P6M1 = 0x00;P7M0 = 0x00;P7M1 = 0x00;
- }
- void LCD12864() //LCD初始化顯示
- {
- uchar i=0;
- uchar j=0;
- uchar k=0;
- uchar t=0;
- LCD12864_SetWindow(0, 0); //系統名稱顯示
- while(CharCode1[i]!='\0')
- {
- LCD12864_WriteData(CharCode1[i]);
- i++;
- if(i==16)
- {
- i=0;
- break;
- }
- }
- LCD12864_SetWindow(1, 0); //液位顯示
- while(CharCode2[j]!='\0')
- {
- LCD12864_WriteData(CharCode2[j]);
- j++;
- if(j==15)
- {
- j=0;
- break;
- }
- }
- LCD12864_SetWindow(2, 0); //PH值顯示
- while(CharCode3[k]!='\0')
- {
- LCD12864_WriteData(CharCode3[k]);
- k++;
- if(k==8)
- {
- k=0;
- break;
- }
- }
- LCD12864_SetWindow(3, 0); //電壓值顯示
- while(CharCode4[t]!='\0')
- {
- LCD12864_WriteData(CharCode4[t]);
- t++;
- if(t==13)
- {
- t=0;
- break;
- }
- }
- }
- void PH_Value() //PH監測
- {
- long PH;
- long datas;
- long num;
- uint i;
- datas=GetADCResult(0);
- // num=datas*(4.5/1.0240);
- num=datas_Value(datas*(4.5/1.024));
- PH=PH_read(num); //PH-Value對比
- number0[0]=PH/1000; //求十位
- number0[1]=PH%1000/100; //求個位
- number0[2]='.';
- number0[3]=PH%100/10; //求十分位
- number0[4]=PH%10; //求百分位
- LCD12864_SetWindow(2,3);
- for(i=0;i<5;i++)
- {
- if(i==2)
- LCD12864_WriteData(number0[i]);
- else
- LCD12864_WriteData(number0[i]+48);
- }
- }
- ulong PH_read(long PH) //PH值轉換
- {
- long datas;
- if(PH>4242)
- {
- datas=0;
- }else if(PH>4065)
- {
- datas=0+(PH-4065)/177.00;
- }else if(PH>3885)
- {
- datas=1+(PH-3885)/180.00;
- }else if(PH>3709.8)
- {
- datas=2+(PH-3709.8)/175.20;
- }else if(PH>3532.5)
- {
- datas=3+(PH-3532.5)/177.30;
- }else if(PH>3354)
- {
- datas=4+(PH-3354)/178.50;
- }else if(PH>3177.5)
- {
- datas=5+(PH-3177.5)/176.50;
- }else if(PH>3000)
- {
- datas=6+(PH-3000)/177.50;
- }else if(PH>2822.5)
- {
- datas=7+(PH-2822.5)/177.50;
- }else if(PH>2646)
- {
- datas=8+(PH-2646)/176.50;
- }else if(PH>2467.5)
- {
- datas=9+(PH-2467.5)/178.50;
- }else if(PH>2292)
- {
- datas=10+(PH-2292)/175.50;
- }else if(PH>2115)
- {
- datas=11+(PH-2115)/177.00;
- }else if(PH>1938)
- {
- datas=12+(PH-1938)/177.00;
- }else if(PH>1758)
- {
- datas=13+(PH-1758)/180.00;
- }
- else
- {
- datas=14;
- }
- datas=datas*100;
- return datas;
- }
- void Voltag_read() //電壓監測
- {
- long voltag;
- long datas;
- uint i;
- datas=GetADCResult(1);
- // voltag=datas*(4.5/1.024);
- voltag=datas_Value(datas*(4.5/1.024));
- number1[0]=voltag/1000; //求個位
- number1[1]='.';
- number1[2]=voltag%1000/100; //求十分位
- number1[3]=voltag%100/10; //求百分位
- number1[4]='V';
- LCD12864_SetWindow(3, 4);
- for(i=0;i<5;i++)
- {
- if(i==1|i==4)
- LCD12864_WriteData(number1[i]);
- else
- LCD12864_WriteData(number1[i]+48);
- }
- }
- /*---液位---*/
- void Conut(void)
- {
- int i;
- time=TH0*256+TL0;
- TH0=0;
- TL0=0;
- S=(time*1.8)/10; //算出來是mm
- S=280-S;
- if((S>=7000)||flag==1) //超出測量范圍顯示“-”
- flag=0;
- else
- {
- number2[0]=S/1000;
- number2[1]=S/100%10;
- number2[2]=S/10%10;
- number2[3]=S%10;
- number2[4]='m';
- number2[5]='m';
- LCD12864_SetWindow(1,4);
- for(i=0;i<6;i++)
- {
- if(i==4|i==5)
- LCD12864_WriteData(number2[i]);
- else
- LCD12864_WriteData(number2[i]+48);
- }
- }
- }
- void delayms(unsigned int ms)
- {
- unsigned char i=100,j;
- for(;ms;ms--)
- {
- while(--i)
- {
- j=10;
- while(--j);
- }
- }
- }
- void Timer_Count(void)
- {
- TR0=1; //開啟計數
- while(RX); //當RX為1計數并等待
- TR0=0; //關閉計數
- Conut(); //計算
- }
- void StartModule() //T1中斷用來掃描數碼管和計800MS啟動模塊
- {
- TX=1; //800MS 啟動一次模塊
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- TX=0;
- }
- void Distance_Value()
- {
- unsigned int valA;
- delayms(60);
- RX=1;
- StartModule();
- for(valA=7510;valA>0;valA--)
- {
- if(RX==1)
- {
- Timer_Count();
- }
- }
- }
- ulong datas_Value(long datas) //數據修正
- {
- int i;
- long v,sum,value[20];
- for(i=0;i<20;i++)
- {
- value[i]=datas;
- sum+=value[i];
- }
- v=sum/50.00;
- return v;
- }
- /*---發送ADC結果到PC---*/
- /*
- void ShowResult(char ch)
- {
- // SendData(ch); //顯示通道號
- // SendData(GetADCResult(ch)); //顯示ADC高8位結果
- // SendData(ADC_RESL); //顯示低2位結果
- }
- */
- /*---讀取ADC結果---*/
- unsigned long GetADCResult(uchar ch)
- {
- ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDLL | ch | ADC_START;
- _nop_(); //等待4個NOP
- _nop_();
- _nop_();
- _nop_();
- while (!(ADC_CONTR & ADC_FLAG));//等待ADC轉換完成
- ADC_CONTR &= ~ADC_FLAG; //Close ADC
- ad_data1=ADC_RES<<2; //因為是10位的AD,因此需要把AD轉換后的低8位向高位移動2位
- ad_data1=ad_data1|ADC_RESL&0x03; //再把高8位和低2位相加。
- ad_data1=ad_data1/1.024;
- return ad_data1; //返回ADC結果
- }
- /*---初始化ADC---*/
- void InitADC()
- {
- P1ASF = 0xff; //設置P1口為AD口
- CLK_DIV &=0xdf;
- ADC_RES = 0; //清除結果寄存器
- ADC_RESL= 0;
- ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDH;
- Delay(2); //ADC上電并延時
- }
- /*---初始化串口---*/
- void InitUart()
- {
- SCON = 0x5a; //設置串口為8位可變波特率
- #if URMD == 0
- T2L = 0xd8; //設置波特率重裝值
- T2H = 0xff; //115200 bps(65536-18432000/4/115200)
- AUXR = 0x14; //T2為1T模式, 并啟動定時器2
- AUXR |= 0x01; //選擇定時器2為串口1的波特率發生器
- #elif URMD == 1
- AUXR = 0x40; //定時器1為1T模式
- TMOD = 0x00; //定時器1為模式0(16位自動重載)
- TL1 = 0xd8; //設置波特率重裝值
- TH1 = 0xff; //115200 bps(65536-18432000/4/115200)
- TR1 = 1; //定時器1開始啟動
- #else
- TMOD = 0x20; //設置定時器1為8位自動重裝載模式
- AUXR = 0x40; //定時器1為1T模式
- TH1 = TL1 = 0xfb; //115200 bps(256 - 18432000/32/115200)
- TR1 = 1;
- #endif
- }
- /*---發送串口數據---*/
- /*
- void SendData(uchar dat)
- {
- while (!TI); //等待前一個數據發送完成
- ……………………
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