基于STC8A單片機(jī)的簡(jiǎn)易多共功能液體容器設(shè)計(jì)(電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽)

1、2019年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽簡(jiǎn)易多功能液體容器（ K 題）2019 年 8 月日摘要水是生命之源， 我們?cè)谌粘Ｉ钪兴嬘玫乃谋戎刂祽?yīng)在 12.5 8.5 之 間，比重值的標(biāo)準(zhǔn)是以氫離子的標(biāo)準(zhǔn)定位的，小于 7的是顯酸性的， 大于 7 的是 顯堿性的， 直飲水的標(biāo)準(zhǔn)剛好顯中性， 但是看上去同樣都是無(wú)色無(wú)味的各種水的 比重值其實(shí)是有很大差異的，對(duì)人體健康的影響也完全不同。本課題要設(shè)計(jì)的容器設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易多功能液體容器。該容器為容量不小于0.5 升、高于 20cm、 帶有（或自制）超聲波標(biāo)記的透明塑料容器；可以自動(dòng)測(cè) 量給定液體的超聲波、重量 等參數(shù)；可判別給定液體的種類（如純凈水、白糖 水、

2、鹽水、牛奶、白醋等）； 可顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。所有測(cè)試項(xiàng)目均要求使用同一 啟動(dòng)鍵啟動(dòng)，并且每次啟動(dòng)只允許按一次啟動(dòng)鍵。以 STC8A8F122S芯片組為核心， 輔以相關(guān)外圍電路， 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心 的液體種類的檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)由 12V電池組供電，除單片機(jī)外，采用杜邦線來(lái)連 接 LCD128124顯示器、 HX7111模塊、超聲波傳感器，比重器傳感器。本系統(tǒng)可以檢查液體的種類、 濃度、比重等，進(jìn)行液體密度值測(cè)得液體種類。關(guān)鍵詞： 液體高度；液體比重；輸出電壓；單片機(jī) STC8A8F122S目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark16 o Current Docum

3、ent 一、系統(tǒng)方案 11、方案的論證與選擇 2. HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 . 4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 1、系統(tǒng)理論的分析 4. HYPERLINK l bookmark30 o Current Document （1）LCD128124 顯示器4.（2）水位傳感器 5. HYPERLINK l bookmark34 o Current Document （3）液體比重值測(cè)量 5. HYPERLINK l bookmark36 o Current

4、Document （4）電池組 6. HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 2、水位高度的計(jì)算 6. HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 3、比重值的計(jì)算 6. HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 4、供電電池組電壓的計(jì)算 6. HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 三、電路與程序設(shè)計(jì) . 7 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 1、電路的設(shè)計(jì) 7. HYPER

5、LINK l bookmark48 o Current Document （1）系統(tǒng)總體框圖 7. HYPERLINK l bookmark50 o Current Document （2）水位檢測(cè)子系統(tǒng)框圖 7. HYPERLINK l bookmark52 o Current Document （3）比重檢測(cè)子系統(tǒng)框圖 8. HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 2、程序的設(shè)計(jì) 8. HYPERLINK l bookmark56 o Current Document （1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路 8. HYPERLINK l bookmark5

6、8 o Current Document （2）程序流程圖 8. HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 . 9 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 1、測(cè)試方案 9. HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 2、測(cè)試條件與儀器 9. HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 3、測(cè)試結(jié)果及分析 9. HYPERLINK l bookmark68 o Current Document （1）測(cè)試

7、結(jié)果 9. HYPERLINK l bookmark70 o Current Document （2）測(cè)試分析與結(jié)論 9.五、參考文獻(xiàn) . 13附錄 1：電路原理圖 14 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 附錄 2：源程序 15、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)簡(jiǎn)易多功能液體容器，可以自動(dòng)測(cè)量給定液體的液位、重量等參數(shù)； 可判別給定液體的種類（如純凈水、白糖水、鹽水、牛奶、白醋等）；可顯示測(cè)量數(shù)據(jù) 所有測(cè)試項(xiàng)目均要求使用同一啟動(dòng)鍵啟動(dòng)，并且每次啟動(dòng)只允許按一次啟動(dòng)鍵，否則不 予測(cè)試。2、設(shè)計(jì)要求（ 1）基本要求能檢測(cè)液體液位、重量等參數(shù)，

8、可顯示檢測(cè)結(jié)果。分別裝載一定量（200500mL）的不同液體進(jìn)行測(cè)量， 要求液位測(cè)量絕對(duì)誤差的絕對(duì)值 2mm；重量測(cè)量絕對(duì)誤差的絕 對(duì)值 1g。在以上的測(cè)量基礎(chǔ)上，能夠區(qū)分不同濃度的鹽水。要求顯示第二次測(cè)量液體 的名稱（根據(jù)兩次測(cè)量鹽水的濃度，相對(duì)顯示是濃鹽水或淡鹽水）。2）發(fā)揮部分根據(jù)液體特征可分辨純凈水、鹽水、牛奶、白醋四種液體種類（限定采用電子測(cè)量 技術(shù)，傳感器與測(cè)量方法不限，可同時(shí)采用多種測(cè)量方法）。根據(jù)液體特征可分辨出純 凈水和白糖水的種類。（限定采用電子測(cè)量技術(shù)，傳感器與測(cè)量方法不限）。其他。二、系統(tǒng)方案1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括 STC8A8F64S12 單片機(jī)、超聲波傳感器模塊、壓力

9、式傳感器、 AD 采集模 塊、 LCD12864 顯示器，還包括一個(gè)陀螺儀模塊。在液體容器上方使用超聲波來(lái)測(cè)量液 體液位，陀螺儀用于調(diào)節(jié)超聲波與測(cè)試平面保持水平狀態(tài)。使用壓力式傳感器得到液體 重量，通過(guò)重量 /體積可計(jì)算出該溶液的濃度，從而判斷相應(yīng)的溶液的種類。2、方案的比較與選擇（1）處理器芯片方案比較與選擇方案選擇 AT89C51芯片，AT89C51用戶的程序空間是 4K、是 12T模式，速度較 慢。 AT89C51沒有集成了 512或 1280字節(jié)的 RAM 。方案選擇 STC89C51 芯片， STC89C51 用戶的程序空間從 4K 到 64K 不等、 STC89C51具有6T模式，

10、速度更快； STC89C51集成了 512或1280字節(jié)的 RAM 。有2 個(gè) 16 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器，相比方案的芯片較優(yōu)良。方案選擇 STC8A8F64S12 芯片，STC8A8F64S12芯片不需要外部晶振和外部復(fù)位 的單片機(jī)，是以超強(qiáng)抗干擾 /超低價(jià) /高速/低功耗為目標(biāo)的 8051 單片機(jī)，在相同的工作 頻率下 STC8A8F64S12 單片機(jī)比傳統(tǒng)的 8051約快 12 倍。采集高精度數(shù)據(jù)較適合， 速度 快，抗干擾能力強(qiáng)，可選擇。（2）傳感器方案比較與選擇方案選擇使用激光傳感器， 但激光傳感器在天氣的影響下產(chǎn)生誤差， 精確度下降， 所以放棄方案。方案選擇使用超聲波傳感器，電容式超

11、聲波傳感器，電容超聲波計(jì)的靈敏度主要 取決于兩種介電常數(shù) 的差值，而且，只有 1和 2的 恒定才能保證超聲波測(cè)量準(zhǔn)確， 因被測(cè)介質(zhì)具有導(dǎo)電性，所以金屬棒電極都有絕緣層覆蓋。 被測(cè)液體的介電常數(shù)不穩(wěn) 定會(huì)引起誤差，所以方案也不考慮。方案選擇使用超聲波傳感器模塊，精度準(zhǔn)方便調(diào)節(jié)程序使用，最后選擇方案三、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算1、系統(tǒng)理論的分析（1） LCD128124 顯示器LCD128124 顯示器顯示原理， 128124LCD 顯示塊是所說(shuō)的點(diǎn)陣液晶顯示模塊，就 是由 128*124 個(gè)液晶顯示點(diǎn)組成的一個(gè) 128列*124 行的陣列，所以也就叫成了 128124。 每個(gè)顯示點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著有一位二進(jìn)制

12、數(shù)， 0表示滅， 1表示亮。存儲(chǔ)這些點(diǎn)陣信息的 RAM 被稱為顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 如果要顯示某個(gè)圖形或漢字就是將相應(yīng)的點(diǎn)陣信息寫入到對(duì)應(yīng) 的存儲(chǔ)單元中。圖形或漢字的點(diǎn)陣信息是由自己設(shè)計(jì)，這時(shí)候問(wèn)題的關(guān)鍵是顯示點(diǎn)在液 晶屏上的位置與其在存儲(chǔ)器中的地址之間的關(guān)系。顯示點(diǎn)在 124*124 液晶屏上的位置由列號(hào)（ line,0123）與行號(hào)（ line,0123）確定。 512*8 bits RAM 中某個(gè)存儲(chǔ)單元的地址由頁(yè)地址 （Xpage,07）和列地址（ Yaddress,0123） 確定。每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ) 8 個(gè)液晶點(diǎn)的顯示信息。由于多數(shù)液晶顯示模塊的驅(qū)動(dòng)電路是由一片行驅(qū)動(dòng)器和兩片列驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成

13、，所以 128124 液晶屏實(shí)際上是由左右兩塊獨(dú)立的 124*124 液晶屏拼接而成，每半屏有一個(gè) 512*8 bits顯示數(shù)據(jù) RAM 。左右半屏驅(qū)動(dòng)電路及存儲(chǔ)器分別由片選信號(hào) CS1和 CS2選 擇。（少數(shù)廠商為了簡(jiǎn)化用戶設(shè)計(jì)，在模塊中增加譯碼電路，使得 128*124 液晶屏就是 一個(gè)整屏，只需一個(gè)片選信號(hào)。）如果點(diǎn)亮 128124的屏中（ 20，30）位置上的液晶點(diǎn)，因列地址 30小于 124，該點(diǎn) 在左半屏第 29列，所以CS1有效；行地址 20除以8取整得 2，取余得 4，該點(diǎn)在 RAM 中頁(yè)地址為 2，在字節(jié)中的序號(hào)為 4；所以將二進(jìn)制數(shù)據(jù) 00010000（也可能是 00001

14、000， 高低順序取決于制造商）寫入 Xpage=2，Yaddress=29 的存儲(chǔ)單元中即點(diǎn)亮（ 20，30） 上的液晶點(diǎn)。這是為了為了使液晶點(diǎn)位置信息與存儲(chǔ)地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系更直觀關(guān)， 將 124*124 液晶 屏從上至下 8等分為 8個(gè)顯示塊，每塊包括 8行*124列個(gè)點(diǎn)陣。每列中的 8行點(diǎn)陣信息 構(gòu)成一個(gè) 8bits 二進(jìn)制數(shù)，存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)單元中。（需要注意：二進(jìn)制的高低有效位 順序與行號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系因不同商家而不同）存放一個(gè)顯示塊的 RAM 區(qū)稱為存儲(chǔ)頁(yè)。即 124*124 液晶屏的點(diǎn)陣信息存儲(chǔ)在 8 個(gè)存儲(chǔ)頁(yè)中，每頁(yè) 124 個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)一列（8 行）點(diǎn)陣信息。因此存儲(chǔ)單元地址包

15、括列地址 （ Yaddress,0123）和頁(yè)地址（ Xpage,07）（2）超聲波傳感器超聲波傳感器工作原理，用靜壓測(cè)量原理：當(dāng)超聲波變送器投入到被測(cè)液體中某一 深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓力公式為： = .g.H + Po 式中：P ：變送器迎液面所受壓力 ：被測(cè)液體密度 g ：當(dāng)?shù)刂亓铀俣萈o ：液面上大氣壓H ：變送器投入液體的深度 同時(shí)，通過(guò)導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大 氣壓 Po 與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po ，使傳感器測(cè)得壓力為： .g.H ，顯然 , 通過(guò)測(cè)取壓力 P ，可以得到超聲波深度。 功能特點(diǎn)：穩(wěn)定性好， 滿度、零位長(zhǎng)期

16、穩(wěn)定性可達(dá) 0.%FS/ 年。在補(bǔ)償溫度 0 70 范圍內(nèi)，溫度飄移低于 0.%FS ，在整個(gè)允許工作溫度范圍內(nèi)低于 0.%FS 。具有反向保護(hù)、限流保護(hù)電路，在安裝時(shí)正負(fù)極接反不會(huì)損壞變送器，異常時(shí) 送器會(huì)自動(dòng)限流在 35MA 以內(nèi)。固態(tài)結(jié)構(gòu)，無(wú)可動(dòng)部件，高可靠性，使用壽命長(zhǎng)。 安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)耐用。（3）比重值測(cè)量比重值傳感器工作原理， 在傳感器內(nèi)部的比重放大器是一個(gè)能通過(guò)數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測(cè) 的有標(biāo)準(zhǔn) 比重 電極的電路。傳感器連接線的末端是一個(gè) BTA 插頭或一個(gè) 5-針的 DIN 插頭來(lái)與數(shù)據(jù)采集器連接。在比重 7 的緩沖溶液中，它將產(chǎn)生一個(gè) 1.75 伏特的電 壓。比重 值每增加

17、1，電壓增加 0.25 伏。比重 值每減少 1，電壓降低 0.25 伏。 這 個(gè)凍膠填充的 比重 值傳感器的設(shè)計(jì)測(cè)量范圍為： 0 到 14。它在玻璃感應(yīng)電極頭延長(zhǎng)出一個(gè)凍膠體，是初中、高中、大學(xué)中進(jìn)行科學(xué)研究、環(huán)境測(cè)量的良好的設(shè)備。凍膠填 充的參考半電化池是密封的，所以它無(wú)需重充。4）電池組干電池屬于化學(xué)電源中的原電池，是一種一次性電池，它碳棒以為正極，以鋅 筒為負(fù)極，把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄┙o外電路。在化學(xué)反應(yīng)中由于鋅比錳活潑，鋅失去電 子被氧化，錳得到電子被還原。普通干電池大都是錳鋅電池 ,中間是正極碳棒 ,外包石墨和二氧化錳的混合物 ,再 外是一層纖維網(wǎng) .網(wǎng)上涂有很厚的電解質(zhì)糊 ,其構(gòu)成是

18、氯化氨溶液和淀粉 ,另有少量防腐劑 . 最外層是金屬鋅皮做的筒 ,也就是負(fù)極 ,電池放電就是氯化氨與鋅的電解反應(yīng) ,釋放出的電 荷由石墨傳導(dǎo)給正極碳棒 ,鋅的電解反應(yīng)是會(huì)釋放氫氣的 ,這氣體是會(huì)增加電池內(nèi)阻的 ,而 和石墨相混的二氧化錳就是用來(lái)吸收氫氣的 .但若電池連續(xù)工作或是用的太久 ,二氧化錳 就來(lái)不及或已近飽和沒能力再吸收了 ,此時(shí)電池就會(huì)因內(nèi)阻太大而輸出電流太小而失去 作用 .但此時(shí)若將電池加熱 ,或放置一段時(shí)間 ,它內(nèi)部的聚集氫氣就會(huì)受熱放出或緩慢放出 . 二氧化錳也到了還原恢復(fù) ,那電池就又有活力了 !雖然干電池的應(yīng)用范圍這么廣，在使用完后若不妥善處理好，它對(duì)環(huán)境也會(huì)造 成不可挽回

19、的污染，一節(jié)電池可能會(huì)污染數(shù)十立方米的水。因此在使用完干電池后，一 定要將電池進(jìn)行回收，而不能隨處弄丟。2、水位高度的計(jì)算由于本次使用的水位傳感器量程有限，故以容器 150mm高度線做為 0 刻度線，水 位傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù) +150mm 為最終結(jié)果，具體高度以 128124液晶顯示屏顯示為準(zhǔn)。3、比重值的計(jì)算在比重 7 的緩沖溶液中，它將產(chǎn)生一個(gè) 1.75 伏特的電壓。比重 值每增加 1，電 壓增加 0.25 伏。比重 值每減少 1，電壓降低 0.25 伏。4、供電電池組電壓的計(jì)算本次電池組由 4 節(jié)干電池組成，電壓為 12V，因部分元器件最高工作電壓為 5V，故使用 1K 電阻對(duì)其進(jìn)行分壓，使

20、其最后輸出電壓降為 5V四、電路與程序設(shè)計(jì)1、電路的設(shè)計(jì)1）系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖所示被測(cè)參量PH值檢測(cè)水位檢測(cè)單片機(jī)控制處理器LCD12864顯示STC89C52輸出電壓電池組供電系統(tǒng)總體框圖2）水位檢測(cè)子系統(tǒng)框圖1、水位檢測(cè)子系統(tǒng)框圖水位檢測(cè)子系統(tǒng)框圖3）比重檢測(cè)子系統(tǒng)框圖1、比重檢測(cè)子系統(tǒng)框圖比重檢測(cè)子系統(tǒng)框圖2、程序的設(shè)計(jì)1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述 根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)鍵盤的設(shè)置和顯示。 1）鍵盤實(shí)現(xiàn)功能：設(shè)置頻率值、頻段、電壓值以及設(shè)置輸出信號(hào)類型 2）顯示部分：顯示電壓值、頻段、步進(jìn)值、信號(hào)類型、頻率。2、程序設(shè)計(jì)思路2）程序流程圖1、主程序流程圖2、

21、液位檢測(cè)子程序流程圖3、比重檢測(cè)子程序流程圖4、電壓檢測(cè)子程序流程圖四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、測(cè)試方案（1）硬件測(cè)試 搭建基本框架，將各個(gè)模塊連接在 STC89C52 單片機(jī)上。（2）軟件仿真測(cè)試 根據(jù)題目要求，用 ISIS 仿真軟件畫出原理圖，進(jìn)行仿真。（3）硬件軟件聯(lián)調(diào) 將總程序錄在 STC89C52單片機(jī)芯片中， 把所有需要的元器件都接在系統(tǒng)上， 測(cè) 試各部分功能。2、測(cè)試條件與儀器測(cè)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(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。測(cè)試儀器：水位傳感器、比重傳感器、鋼尺、比重試紙、萬(wàn)用表。3、測(cè)試結(jié)果及分析（1）測(cè)試結(jié)果經(jīng)稱重和液體體

22、積、鋼尺、和萬(wàn)用表檢測(cè)結(jié)果與水位、比重、電壓傳感器檢測(cè)結(jié)果 的對(duì)比，誤差均沒有超過(guò)題目要求的最大允許誤差。2）測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：1、加入液體后，在 1 分鐘內(nèi)可以完成水位測(cè)量并顯示，誤差小于 5mm2、在 2 分鐘內(nèi)可以完成比重值的測(cè)量，并顯示出來(lái)，誤差小于0.5。3、電池組輸出電壓可以準(zhǔn)確測(cè)量并顯示，誤差不大于 0.01V。 綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。附錄 1：電路原理圖附錄 2：部分源程序#include #include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define

23、 uchar unsigned char#define uint unsigned int#define HX7111 0 x90 /HX7111 地址bit write=0; /寫 24c02 的標(biāo)志 /串行數(shù)據(jù)輸入端typedef unsigned char uint8;typedef unsigned int uint112;#define HX7111 0 x90 /HX7111 地址unsigned char code smg1=01234512789.mmVV;unsigned int val;unsigned char ge,shi,bai;#define SLAVEADDR 0

24、 x98/定義器件地址定義空指#define nops() do_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); while(0) / 令/I2C 時(shí)鐘/I2C 數(shù)據(jù)sbit SCL = P21; sbit SDA = P20;sbit RS=P212;sbit RW=P25;sbit EN=P27;uchar code table1 = 水情檢測(cè)系統(tǒng) ;uchar code table2 = 水位： ;uchar code table3 = 比重值： ;uchar code table4 = 電壓： ;void delay(uint112 n)while (n

25、-);void delay1() /延時(shí) 4-5 個(gè)微秒void delay_1ms(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-)void start()/ 開始信號(hào)SDA=1;delay1();SCL=1;delay1();SDA=0;delay1();void stop() /停止信號(hào) SDA=0;delay1();SCL=1;delay1();SDA=1;delay1();void respons()/ 應(yīng)答 相當(dāng)于一個(gè)智能的延時(shí)函數(shù) uchar i;SCL=1; delay1();while(SDA=1)&(i250) i+;SCL=0

26、; delay1();void init()/初始化SDA=1; delay1();SCL=1; delay1();uchar read_byte() uchar i,k;SCL=0;delay1();SDA=1;delay1();for(i=0;i4;i+)SCL=1; delay1();k=(k1)|SDA;/ 先左移一位，再在最低位接受當(dāng)前位 SCL=0;delay1();return k;void write_byte(uchar date)/寫一字節(jié)數(shù)據(jù)uchar i,temp; temp=date;for(i=0;i4;i+)temp=temp0;i-) for(j=110;j0;

27、j-);void write_com(uchar com)RS=0;RW=0;EN=0; delayms(1);P0=com;delayms(1);EN=1;delayms(5);EN=0;delayms(5);void write_dat(uchar dat)RS=1;RW=0;EN=0; delayms(1);P0=dat;delayms(1);EN=1;delayms(5);EN=0;delayms(5);void init1()delayms(100); write_com(0 x30); write_com(0 x30);delayms(1);write_com(0 x0e);delayms(1); write_com(0 x0c);delayms(1); write_com(0 x012);delayms(1); write_com(0 x01);delayms(1);void hanzi(uchar *ch)while(*ch!=0) write_dat(*ch+);delayms(50);void display