全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計報告

1、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計 報告作者:日期:22017年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽簡易水情檢測系統(tǒng)（P題）20仃年8月12日本設(shè)計的是簡易水情檢測系統(tǒng)以STC89C52芯片為核心，輔以相關(guān)的外圍電路，設(shè)計了以單片機為核心的水情檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由5V電源供電。在硬件電路上在，用總線連接PH值傳感器和水位傳感器，通過傳感器收集到的水情 數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機，單片機存儲實時數(shù)據(jù)，并顯示在12864LCD液晶屏上。在軟件方面，采用C語言編程。通過對單片機程序設(shè)計實現(xiàn)對水情檢測系統(tǒng)的水 情數(shù)據(jù)的采集、顯示和檢測。關(guān)鍵詞：單片機最小系統(tǒng)；PH值傳感器；水位傳感器；AD模塊AbstractThe desig n

2、is a simple water regime detect ion system to STC89C52 chip as the core, suppleme nted by the releva nt exter nal circuit, desig ned to sin gle-chip as the core of the water regime detection system. The system is powered by 5V power supply .In the hardware circuit, with the bus conn ecti on PH sen s

3、or and water level sensor, through the sensor to collect the water data sent to the microcontroller, single-chip storage of real-time data, and displayed on the 12864LCD LCD screen. In software, the use of C Ianguage programming. Through the single-chip program desig n to achieve the water regime de

4、tect ion system of water data collecti on, display and detect ion.Key words: single chip minimum system; PH value sensor; water level sensor; capacita nee簡易水情檢測系統(tǒng)（P題）【?？平M】一、系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由單片機STC89C52模塊、LCD顯示模塊、PCF8591電壓轉(zhuǎn)換模塊、 電源模塊、水位檢測模塊、PH值檢測模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1、單片機的論證與選擇方案一：傳統(tǒng)的51單片機為8位機，價格便宜，控制簡單，但是運算速

5、度慢，片 內(nèi)資源少，存儲容量小，難以存儲大體積的程序和實現(xiàn)快速精準(zhǔn)的反應(yīng)控制。并且受時鐘限制，計時精度不高，外圍電路也增加了系統(tǒng)的不可靠性。方案二：采用STC89C52單片機。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很 多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧 8位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash。綜合以上兩種方案，由于方案二功能多容易使用，且成本較低，選擇方案二。2、LCD顯示模塊的論證與選擇方案一：采用LCD1602。它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液 晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一 個字

6、符，不能很好地顯示圖形（用自定義 CGRAM，顯示效果也不好）。方案二：采用LCD12864，它是一種具有多種接口方式，并含有國標(biāo)一級、二級簡 體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率高、字符多。模塊利用靈活、接口 方式和簡單、操作指令方便，可構(gòu)成全中文人機交換界面。電路或程序簡潔、價格便宜。 通過比較，方案二電路結(jié)構(gòu)明顯比方案一占有更大優(yōu)勢，所以我們選擇方案二。3、超聲波模塊的論證與選擇方案一：US-100超聲波測距模塊，可實現(xiàn)2cm4.5m、探測精度為0.3cm+1%的非 接觸測距，擁有2.45.5V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于 2mA，自帶溫度傳感器對 測距結(jié)果進行校正，同時具有

7、 GPI0,串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定。方案二：HC-SR04超聲波測距模塊，探測距離為 2cm4.5m、探測精度為0.3cm。 擁有5V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于 3mA。綜合以上分析，US-100超聲波測距模塊具有自帶溫度傳感器進行矯正，抗干擾能 力強、可靠性好，所以選擇方案一。4、PH值檢測模塊的論證與選擇L9A4PH值檢測模塊，該PH傳感器模塊適合于復(fù)合PH電極，接口為BNC標(biāo)準(zhǔn)接口，精確度高使用方便。固采用 L9A4PH值檢測模塊。5、AD轉(zhuǎn)換模塊的論證與選擇方案一：PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。輸入輸出接口多。具

8、備可靠性高、用法簡單、體積小等優(yōu)點。方案二：DAC908模塊，它的dac具有高采樣率，速度可達165msps。但價格昂貴。 經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)pcf8591更符合要求，所以采用方案一。6、電源模塊的論證與選擇方案一：L7805穩(wěn)壓模塊：L7805采用三引線帶散熱片塑料，TO-22O的封裝形式封 裝。其主要特點有：輸出電壓：5V、，但是如果模塊設(shè)置不好誤差較大。方案二：L317可調(diào)穩(wěn)壓電源；YW-UTC317是三端可調(diào)正輸出穩(wěn)壓器，1.5A輸出， 壓差范圍是3V至40V。他們非常容易使用，僅用兩個外部電阻就可以設(shè)置輸出電壓， 輸入和輸出調(diào)整率都要比固定穩(wěn)壓器的好，所以選擇L317。二、系統(tǒng)分析與計算1

9、、水情處理信號的分析（1）超聲波測距方法超聲（超音波學(xué)）的定義：聲音是與人類生活緊密相聯(lián)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)聲的頻 率高到超過人耳聽覺的頻率極限時， 人們就覺察不出聲的存在，因而稱這種高頻率的聲 為 超”聲。超聲波通常指1秒內(nèi)振動20000次以上的高頻聲波。超聲波的特點是它能在各種媒質(zhì)中傳播；波長短，因而分辨率很好；聲束尖銳， 聲能集中；在不同物質(zhì)界面上會有反射、折射、散射等現(xiàn)象；可獲得較高聲強。利用聲 在媒質(zhì)中的聲速、衰減、共振、反射等現(xiàn)象可測量物質(zhì)的成分、比重、厚度等。超聲波 測距就是利用超聲波脈沖反射回波法實現(xiàn)的。超聲波在空氣中的傳播速度為 340米/秒，因此，如果能測出超聲波在空氣中傳播

10、 時間，就能算出其傳播的距離。超聲波測距就是通過測定超聲波傳播的時間間隔來測出 聲波傳送的距離，這就是所謂的時間差測距法。超聲波測距方法發(fā)送器向某一方向發(fā)射 超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播途中遇到對象物就立即返回 來，接收器接收到反射波就立即停止計時，這時計時器就計下了超聲波從發(fā)射到對象物間的來回傳播時間t,從而發(fā)送器到對象物的距離可用下式計算出來：S=Vt/2具體的超聲波傳感器檢查方法為：1) 采用IO觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號；2) 模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；3) 有信號返回，通過10輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從

11、發(fā)射到返 回的時間測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S)/2。(2) 電壓檢測方法本系統(tǒng)的電壓檢測選用Pcf8591AD/DA轉(zhuǎn)換模塊，PCF8591為單一電源供電(2.56V)典型值為5V，CMOS工藝PCF8591有4路8位A/D輸入，屬逐次比較型， 內(nèi)含采樣保持電路；1路8位D/A輸出，內(nèi)含有DAC的數(shù)據(jù)寄存器A/D、D/A的最大 轉(zhuǎn)換速率約為11kHz。具體工作原理為轉(zhuǎn)換模塊電壓輸入端采集穩(wěn)壓電源輸出端電壓信號，與單片機連接的輸出接口連接，將數(shù)字信號傳給單片機。用51單片機串口顯示 AD采集值得程序 說明如下： 編譯環(huán)境：keil4;測試單片機 STC89C52串口波特率：960

12、0AD 模塊與單片機連接:SCL- P2.0 SDA-P2.1 VCC-VCC GND-GND三、電路與程序設(shè)計1、電路的設(shè)計(1)系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，簡易水情系統(tǒng)框圖超聲波AD轉(zhuǎn)換 PH檢測STC89圖3-1系統(tǒng)總體框圖1286491、(2)超聲波測距子系統(tǒng)框圖與電路原理圖 超聲波子系統(tǒng)框圖3-2超聲波子系統(tǒng)框圖2、超聲波測距子系統(tǒng)電路見附錄圖3-3(3) PH檢測系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、PH檢測子系統(tǒng)框圖2、PH檢測子系統(tǒng)電路見附錄圖3-5(4) 電源電源由4節(jié)干電池、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供 二5V，確保電路的正常穩(wěn)定 工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實現(xiàn)，

13、故不作詳述。2、程序的設(shè)計(1)程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)四行顯示 水情檢測系統(tǒng)”和水情測量結(jié)果。1) 傳感器和AD轉(zhuǎn)換實現(xiàn)功能：數(shù)據(jù)采集、電壓值輸出信號。2) 顯示部分：第一行顯示“水情檢測系統(tǒng)”；第二行顯示水位測量高度值及單位 “ mr” 第三行顯示PH測量值，保留1位小數(shù)；第四行顯示電池輸出電壓值及單位 “V；電壓 值不相差0.01V。2、程序設(shè)計思路(2)程序流程圖1、主程序流程圖圖3-6主程序流程圖2、超聲波子程序流程圖定時中斷定時初始定時丄中斷N夕卜部中斷子程結(jié)束圖3-7超生波子程序流程圖3、PH檢測子程序流程圖串口，看門狗L定時AD轉(zhuǎn)換初A

14、/D轉(zhuǎn)換IPH 信號處理1_顯示1返回圖3-8 PH檢測子程序流程圖四、測試方案與測試結(jié)果1、測試方案硬件測試表4-1水情測試結(jié)果模塊任務(wù)結(jié)果A/D轉(zhuǎn)換模塊完成供電電池電壓輸出并測量差不大于0.01v超聲波測距模塊在一分鐘之內(nèi)完成水位測量偏差不大于5mmPH值檢測模塊在2分鐘內(nèi)完成PH值檢測測量偏差值不大于0.5顯示模塊分四行顯示2、測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢 查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，數(shù)字萬用表，指針式萬用表，刻度尺，PH計3、測試結(jié)果及分析（1）測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）表4-2水位測試結(jié)果水量高度（單位 mm）刻度尺測量值顯示值表4-3PH值測試結(jié)果PH值PH計檢測值顯示值表4-4電壓測試結(jié)果電壓值（單位V）萬用表檢測值顯示值（2）測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)完成了題目的基本要求，由此可以得出以下結(jié)論:1、 在一分鐘之內(nèi)完成水位測量偏差不大于 5mm。2、 在2分鐘內(nèi)完成PH值檢測測量偏差值不大于 0.5。3、 供電電池電壓輸出測量差不大于0.01v。綜上所述，本設(shè)計達到設(shè)計要求。五、參考文獻1