大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
目 錄
第1章 緒論………………………………………………………………1
1.1 液位檢測(cè)系統(tǒng)的概況………………………………………………1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)…………………………………………………… 1
1.3 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的意義……………………………………………… 2
1.4 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)……………………………………………… 2
第2章 硬件電路設(shè)計(jì)………………………………………………………3
2.1 硬件電路工作原理………………………………………………… 3
2.2 硬件電路設(shè)計(jì)……………………………………………………… 3
2.2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖…………………………………………… 3
2.2.2 核心芯片的介紹……………………………………………… 4
2.3 硬件電路各模塊設(shè)計(jì)………………………………………………10
2.3.1 電源電路設(shè)計(jì)…………………………………………………10
2.3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)……………………………………10
2.3.3 顯示電路設(shè)計(jì)…………………………………………………11
2.3.4 液位傳感器的接口電路設(shè)計(jì)…………………………………12
2.3.5 AT89C51與ADC0809的接口電路設(shè)計(jì)…………………………13
2.3.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)…………………………………………………14
2.4 硬件電路總結(jié)………………………………………………………14
第3章 軟件設(shè)計(jì)………………………………………………………… 17
3.1 AT89C51的I/O口應(yīng)用…………………………………………… 17
3.1.1 P0口的信號(hào)輸入…………………………………………… 17
3.1.2 P1口的信號(hào)輸入…………………………………………… 17
3.1.3 P2口的信號(hào)輸入…………………………………………… 17
3.1.4 P3口的信號(hào)輸入…………………………………………… 18
3.2 軟件模塊設(shè)計(jì)………………………………………………………19
3.2.1 主程序的設(shè)計(jì)…………………………………………………19
3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)………………………………………………20
3.2.3 顯示子程序的設(shè)計(jì)……………………………………………21
3.2.4 報(bào)警子程序的設(shè)計(jì)……………………………………………24
3.3 軟件設(shè)計(jì)總結(jié)………………………………………………………25
第4章 聯(lián)機(jī)調(diào)試…………………………………………………………28
4.1 仿真電路調(diào)試…………………………………………………… 28
4.2 硬件電路調(diào)試…………………………………………………… 29
4.3 硬件電路調(diào)試出現(xiàn)的問題及解決方法………………………… 30
4.4 軟件程序調(diào)試………………………………………………………30
4.5 軟件程序調(diào)試出現(xiàn)的問題及解決方法………………………… 31
4.6 聯(lián)機(jī)調(diào)試總結(jié)…………………………………………………… 31
第5章 結(jié)論………………………………………………………………32
致謝……………………………………………………………………… 33
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………… 34
附錄……………………………………………………………………… 36
1
大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 緒 論
隨著人們生活水平和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，液位的檢測(cè)越來越受到人們重視，檢測(cè)的精度和實(shí)時(shí)性要求也越來越高，另外還要求系統(tǒng)能提供對(duì)液位的自動(dòng)控制功能。今后液位的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的研究將是一個(gè)重要的課題。
1.1 液位檢測(cè)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(cè)和控制問題。尤其在許多工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，需要對(duì)系統(tǒng)的液位或物料位進(jìn)行檢測(cè)和控制，特別是對(duì)具有腐蝕性的液體液位的測(cè)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(cè)液面，電極長(zhǎng)期浸泡在液體中，極易被腐蝕、電解、失去靈敏性，因而對(duì)測(cè)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(cè)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(shí)施方便、迅速、易做到實(shí)時(shí)控制，而且測(cè)量精度又能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，所以有廣泛的應(yīng)用前景。為了降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人的工作環(huán)境，節(jié)省財(cái)力、物力，避免資源的浪費(fèi)，特別是對(duì)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(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)，而且液位的檢測(cè)顯得尤為重要。今后液位的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的研究將是一個(gè)重要的課題。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)
隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化高速發(fā)展, 對(duì)液位檢測(cè)和控制技術(shù)的要求也越來越高。為解決生產(chǎn)中的測(cè)量問題, 一方面是采用新的測(cè)量原理, 開發(fā)新的液位檢測(cè)儀表, 擴(kuò)大檢測(cè)的手段, 另一方面需要朝著實(shí)現(xiàn)微機(jī)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(cè)技術(shù)發(fā)生了根本性的變化。新的檢測(cè)原理與電子部件的應(yīng)用使得液位計(jì)更趨向小型化和微型化, 特別是一些小型現(xiàn)場(chǎng)液位開關(guān)發(fā)展極快, 如光纖液位計(jì), 由于沒有可動(dòng)部件, 所以可靠性高, 不僅可現(xiàn)場(chǎng)顯示, 而且可以發(fā)出控制信號(hào)。與此同時(shí), 液位檢測(cè)和控制也正向著智能化方向發(fā)展, 在液位測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用微處理技術(shù), 以實(shí)現(xiàn)故障診斷和報(bào)警功能, 提高測(cè)量的精確度、可靠性、安全性和多功能化。在應(yīng)用和設(shè)計(jì)液位計(jì)時(shí)盡量實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量,提高液位檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)惡劣環(huán)境的抵抗能力, 以便在惡劣環(huán)境下準(zhǔn)確、可靠地工作。
1.3 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的意義
目前，市面上進(jìn)行液位測(cè)量的儀表種類繁多，但是同時(shí)具有測(cè)量、監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄及處理的液位測(cè)量裝置并不多。在某些工業(yè)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的測(cè)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(duì)大批數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對(duì)其進(jìn)行后期處理分析，實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制、工藝改善、資源優(yōu)化等一系列工作。在液位測(cè)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(zhǎng)時(shí)間，多網(wǎng)點(diǎn)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(jìn)一步對(duì)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(jī)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(jià)格低，具有邏輯判斷、定時(shí)計(jì)數(shù)、程序控制等多種功能，在各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。不僅有常用的8位機(jī)，而且4位單片機(jī)和16位單片機(jī)也得到了普及，隨著過程控制精度要求的增加和運(yùn)算速度的增快，單片機(jī)得到了進(jìn)一步的應(yīng)用。
1.4 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)
本文的主要任務(wù)是以單片機(jī)為主控制器，開發(fā)一個(gè)基于液位傳感器的液位監(jiān)控系統(tǒng)，可測(cè)量并顯示液位高度。設(shè)定最高液位和最低液位，當(dāng)液位高于最高液位或低于最低液位時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒工作人員液位信息。研究設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：
（一）液位檢測(cè)的基本原理與方法；
（二）液位檢測(cè)系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)；
（三）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)；
（四）顯示電路設(shè)計(jì)；
（五）系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)；
（六）電源電路的設(shè)計(jì)；
（七）PCB布線及硬件抗干擾設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)完成之后提供一個(gè)可以應(yīng)用于一般工業(yè)的液位檢測(cè)及顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，測(cè)量范圍和測(cè)量精度滿足一般工業(yè)應(yīng)用需要。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，可以綜合運(yùn)用傳感器、單片機(jī)、電子電路和程序設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)，鍛煉和提高科研的能力。
第2章 硬件電路設(shè)計(jì)
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(cè)、顯示和超限報(bào)警。傳感器實(shí)現(xiàn)液位信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再由8位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)液位信息的輸入，AT89C51從ADC0809讀取液位信息后進(jìn)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(jī)報(bào)警。
2.2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖
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圖2—1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖
各部分功能：
- 電源部分提供+5V電壓供系統(tǒng)各部分使用。
- LM傳感器實(shí)現(xiàn)液位信息到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
- ADC0809將傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)。
- AT89C51為處理器，實(shí)現(xiàn)液位信息的接收、數(shù)據(jù)處理、和輸出到數(shù)碼管。
- 蜂鳴器部分在單片機(jī)檢測(cè)到液位超限是由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED燈亮滅報(bào)警。
- 單片機(jī)對(duì)液位數(shù)據(jù)處理后輸出，數(shù)碼管顯示。
2.2.2 核心芯片的介紹
（1）單片機(jī)AT89C51
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基本構(gòu)成：
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圖2—2 單片機(jī)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(chǔ)器。有兩級(jí)或三級(jí)程序存儲(chǔ)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(chǔ)器E2PROM容量可達(dá)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(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)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(chǔ)器，壽命：1000寫/擦循環(huán)，全靜態(tài)工作：0HZ-24HZ，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定8位CPU；振蕩頻率1.2-12MHz;128個(gè)字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（片內(nèi)RAM）;21個(gè)專用寄存器；4KB的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；8位并行I/O口P0,P1,P2,P3;一個(gè)全雙工串行I/O口；2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源，分為2個(gè)優(yōu)先級(jí)。
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(shí)復(fù)用；
b:P1口，8位準(zhǔn)雙向I/O口
c:p2口，8位準(zhǔn)雙向I/O口，與地址總線（高8位）復(fù)用；
d:P3口，8位準(zhǔn)雙向I/O口，雙功能復(fù)用。
（2）A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809
A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809為8路模擬信號(hào)的分時(shí)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(shí)間為100μs左右。
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ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：
圖2—4 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖
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圖中多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì)A、B、C 3個(gè)地址位進(jìn)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(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整；轉(zhuǎn)換速度取決芯片的始終頻率，它的時(shí)鐘為10kHZ~1.2MHZ.當(dāng)時(shí)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(gè)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(jìn)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(jìn)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(shí)，SAR內(nèi)容就是對(duì)應(yīng)的輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。
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圖2—7 ADC0809的工作時(shí)序圖
（3）LM型液壓傳感器
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(cè)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)輸出為0.5～4.5V，供電為5V。
特 點(diǎn)： 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(biāo)：
類 型： 表壓
量 程： 0～1,2,5,15,30,50,150(psi)
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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(diǎn)： 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(chǔ)和水回收系統(tǒng)，小罐體液位，冷凝器，蒸發(fā)冷卻塔
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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(jì)
2.3.1 電源電路設(shè)計(jì)
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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(dòng)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。
2.3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
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圖2—12 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路
RST：復(fù)位輸入。在單片機(jī)工作期間，當(dāng)此引腳上出現(xiàn)連接2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)可實(shí)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(dāng)系統(tǒng)通電時(shí)，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(shí)間（2個(gè)機(jī)械周期），單片機(jī)才可以進(jìn)行復(fù)位操作 。
時(shí)鐘電路采用12MHz的晶振，因?yàn)锳DC0809的工作時(shí)鐘最高允許值為12MHz,單片機(jī)ALE管腳2分頻后為500KHz,可以作為ADC0809轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號(hào)CLK。XTAL1:反向放大振蕩器的輸入及內(nèi)部時(shí)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(gè)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?yàn)?2PF對(duì)于工作于1MHZ以上的晶振都能獲得良好的效果。
2.3.3 顯示電路設(shè)計(jì)
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圖2—13 顯示電路
本設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)十進(jìn)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(jì)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(dòng)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(jī)P1口的上拉電阻。
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2.3.4 液位傳感器的接口電路設(shè)計(jì) 圖2—14 電位器RV1與ADC0809接口
設(shè)計(jì)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(yuǎn)距離傳輸。由于芯片ADC0809的輸入為0~5V的電壓，仿真時(shí)需要將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，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(jì)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。
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2.3.5 AT89C51與ADC0809的接口電路設(shè)計(jì) 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(hào)，對(duì)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(dòng)信號(hào)。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持 低電平。當(dāng)ALE上升沿時(shí)，ALE鎖存數(shù)據(jù)，A/D轉(zhuǎn)換截止，當(dāng)ALE下降沿時(shí)，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(hào)，其控制A/D轉(zhuǎn)換的開始和截止。CLK使用AT89C51內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)。
ADDA，ADDB，ADDC相連通接地，信號(hào)輸入為000，表示輸入通道選擇為IN0口。8位數(shù)據(jù)信號(hào)線2-1~2-8與單片機(jī)的P1.0~P1.7相連，實(shí)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(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=0V)。
2.3.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)
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圖2—16 報(bào)警電路
本電路的P3.0，P3.1作為高位和低位的報(bào)警控制線，通過設(shè)置高低液位報(bào)警線來實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。如果當(dāng)前液位高于設(shè)置的高位報(bào)警線時(shí)，P3.0置低電平，高位報(bào)警燈亮。如果當(dāng)前液位低于于設(shè)置的低位報(bào)警線時(shí)，P3.1置低電平，低位報(bào)警燈亮。如果當(dāng)前液位低于設(shè)置的高位液位且高于低位液位時(shí)，高位報(bào)警燈和低位報(bào)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(gè)電路模塊，分別介紹了各個(gè)電路模塊的工作原理和功能，通過本次設(shè)計(jì)掌握了更多的基本硬件電路設(shè)計(jì)原理及其工作特點(diǎn)。并自行繪制電路原理圖，PCB封裝圖，為做PCB板做準(zhǔn)備。下面是電路的一些照片。
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圖2—17 電路原理圖
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圖2—18 PCB封裝圖
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圖2—19 硬件電路圖
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圖2—20 液位在3.00米時(shí)的實(shí)物圖
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圖2—21 液位在4.01米時(shí)的實(shí)物圖
第3章 軟件設(shè)計(jì)
3.1 AT89C51的I/O口應(yīng)用
AT89C51共有P0,P1,P2,P3，4個(gè)8位的并行雙向I/O口。各個(gè)I/O口實(shí)現(xiàn)不同的功能，詳細(xì)情況如下。
3.1.1 P0口的信號(hào)輸入
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(hào)，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
3.1.2 P1口的信號(hào)輸入
在程序中將P0口作為輸入口，用來讀A/D轉(zhuǎn)換值。設(shè)計(jì)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
3.1.3 P2口的信號(hào)輸入
P2.0,P2.1,P2.2,P2.3做數(shù)碼管的位選信號(hào)用，要哪個(gè)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(gè)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(hào)，P2.5作為開始A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)，P2.6作為查詢A/D轉(zhuǎn)換是否完成的判斷信號(hào)，P2.7作為輸出A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量允許信號(hào)。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
3.1.4 P3口的信號(hào)輸入
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(bào)警信號(hào)，如果當(dāng)前液位高于設(shè)置的高位報(bào)警線時(shí)，P3.0置低電平，高位報(bào)警燈亮。如果當(dāng)前液位低于于設(shè)置的低位報(bào)警線時(shí)，P3.1置低電平，低位報(bào)警燈亮。如果當(dāng)前液位低于設(shè)置的高位液位且高于低位液位時(shí)，高位報(bào)警燈和低位報(bào)警燈滅。
H_ALM BIT P3.0
L_ALM BIT P3.1
LALM: CLR L_ALM ;低位報(bào)警
SETB TR1
CLR FLAG
LJMP PROC
HALM: CLR H_ALM ;高位報(bào)警
SETB TR1
SETB FLAG
LJMP PROC
3.2 軟件模塊設(shè)計(jì)
3.2.1 主程序的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)分為初始化，A/D轉(zhuǎn)換，十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，LED顯示，電機(jī)控制和報(bào)警電路。因此整個(gè)程序需要包含上述六個(gè)子程序。
其中，LED_0 定義地址30H，以存放顯示十進(jìn)制的小數(shù)點(diǎn)后十位數(shù)字。
LED_1 定義地址31H，以存放顯示十進(jìn)制的小數(shù)點(diǎn)后個(gè)位數(shù)字。
LED_2 定義地址32H，以存放顯示十進(jìn)制的個(gè)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：
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圖3—1 主程序流程圖
3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)
ADC0809芯片實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間為0.1ms左右，A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量應(yīng)及時(shí)傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理。
OE——輸出允許信號(hào)。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)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(hào)。對(duì)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(dòng)信號(hào)。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開始進(jìn)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(hào)有時(shí)簡(jiǎn)寫為ST。
CLK——時(shí)鐘信號(hào)。ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有時(shí)鐘信號(hào)引腳。通常使用頻率為500KHz的時(shí)鐘信號(hào)。
EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號(hào)即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)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(dòng)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
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圖3—2 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖
3.2.3 顯示子程序的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)掃描法，實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，并顯示小數(shù)點(diǎn)。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)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(gè)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(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)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(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r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(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)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(huì)有閃爍感，動(dòng)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(jìn)制的相應(yīng)字段碼給P1口，并延時(shí)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(diǎn)
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(shí)5ms
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圖3—4 顯示子程序流程圖
3.2.4 報(bào)警子程序的設(shè)計(jì)
本電路的P3.0，P3.1作為高位和低位的報(bào)警控制線，通過設(shè)置高低液位報(bào)警線來實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。本設(shè)計(jì)要求為：液位在小于1.5米時(shí)低位報(bào)警燈亮進(jìn)行低位報(bào)警，液位在1.5～4米時(shí)燈都不亮，液位在大于4米時(shí)高位報(bào)警燈亮進(jìn)行高位報(bào)警。
報(bào)警程序：
MOV H_TEMP,#153 ;204/255=0.6 高于80%報(bào)警
MOV L_TEMP,#77 ;77/255=0.3 低于30%報(bào)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(bào)警
SETB TR1
CLR FLAG
LJMP PROC
HALM: CLR H_ALM ;高位報(bào)警
SETB TR1
SETB FLAG
LJMP PROC
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圖3—5 報(bào)警子程序流程圖
3.3 軟件設(shè)計(jì)總結(jié)
在本章中主要講述了軟件設(shè)計(jì)的一些情況，對(duì)軟件的一些功能進(jìn)行了解釋，根據(jù)程序組成情況分成六個(gè)程序模塊，分別介紹了各個(gè)程序模塊的工作原理和功能，對(duì)部分程序進(jìn)行了簡(jiǎn)單的注釋，通過流程圖直觀的表現(xiàn)出各個(gè)模塊的作用及程序運(yùn)行過程。在本次的軟件設(shè)計(jì)中，運(yùn)用Keil進(jìn)行編程，將編輯好的程序進(jìn)行編譯，查看是否語(yǔ)法錯(cuò)誤，如果沒有錯(cuò)誤，設(shè)置晶振頻率，編譯生成.Hex文件，進(jìn)行仿真。在此過程中，我收益良多，熟悉了單片機(jī)匯編語(yǔ)言的使用，對(duì)單片機(jī)的編程有了進(jìn)一步的理解，通過和同學(xué)的交流，學(xué)會(huì)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(jìn)行調(diào)試，（調(diào)試程序見附錄I）
1．建立工程文件
1)點(diǎn)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(shí)會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框,選擇單片機(jī)的型號(hào),你可以根據(jù)你使用的單片機(jī)來選擇,keil c51幾乎支持所有要求你的51核的單片機(jī),這里選AT89S51。
這時(shí)要新建一個(gè)源程序文件,建立一個(gè)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(kuò)展名,這里有匯編語(yǔ)言，文件名為：yang.asm。
2. 調(diào)試程序
(1)點(diǎn)擊Target 1前面的+號(hào),展開里面的內(nèi)容source Group1:
(2)用右鍵點(diǎn)擊Sourece Group 1(注意用鼠標(biāo)的右鍵,而不是左鍵),將彈出一個(gè)菜單,選擇Add Files to Guoup'Source Group 1'.
(3)選擇剛才的文件yang.asm.這時(shí)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(xiàng)（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
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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(shí)低位報(bào)警燈報(bào)警，液位在1.5米到4.0米時(shí)不報(bào)警，液位大于4.0米時(shí)高位報(bào)警燈報(bào)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(shí)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(wàn)用表檢測(cè)電路是否有短路、斷路現(xiàn)象發(fā)生，檢測(cè)地線和電源線是否短路。
3．用萬(wàn)用表按照電路原理圖重新檢查電路，檢查是否有焊接錯(cuò)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(jì)一致。
5．連通電源，檢查電路在沒有程序時(shí)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(cuò)了，導(dǎo)致接在ADC0809兩端的電壓過大導(dǎo)致的，用萬(wàn)用表檢測(cè)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(gè)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(shí)，數(shù)碼管有第一個(gè)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(xì)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(hào)線后，發(fā)現(xiàn)第一個(gè)數(shù)碼管的信號(hào)線能使其他數(shù)碼管顯示，后用萬(wàn)用表檢測(cè)發(fā)現(xiàn)它的兩個(gè)管腳短路，證明第一個(gè)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(jì)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(jìn)行編譯，檢查程序是否有語(yǔ)法上的錯(cuò)誤。在編譯、連接無(wú)錯(cuò)誤和警告后，把程序進(jìn)行分塊調(diào)試。然后用單步調(diào)試的方法進(jìn)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(duì)比顯示的數(shù)據(jù)就可以知道是否正確。
運(yùn)行編譯生成.hex文件，然后在Proteus中加入.hex文件，進(jìn)行仿真，查看顯示是否正確，能否達(dá)到要求。進(jìn)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(jìn)單片機(jī)中，與硬件相連接。通電后，用萬(wàn)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(yàn)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(shí)，ADC0809不能進(jìn)行仿真。
解決方法：在仿真時(shí)使用Proteus軟件，芯片ADC0809不能進(jìn)行仿真，系統(tǒng)提示是沒有模型，于是仿真時(shí)采用ADC0808芯片進(jìn)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(jìn)行仿真，ADC0809用在實(shí)物電路上。
2．在Keil中編輯程序時(shí)，程序出現(xiàn)有錯(cuò)誤，其不能運(yùn)行。
解決方法：在Keil中運(yùn)行后雙擊出現(xiàn)的錯(cuò)誤，錯(cuò)誤行被指出來，根據(jù)程序的上下文，改正出現(xiàn)的錯(cuò)誤。由于在程序中START后少添加了“：”，使得程序不能運(yùn)行，改正后程序運(yùn)行正常。
4.6 聯(lián)機(jī)調(diào)試總結(jié)
聯(lián)機(jī)調(diào)試是做硬件電路中的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，它的調(diào)試結(jié)果直接體現(xiàn)出對(duì)硬件和軟件的熟悉程度，對(duì)任務(wù)的理解。
在整個(gè)調(diào)試過程中對(duì)Keil編譯軟件，STC_ISP_V3.1燒寫軟件和Proteus仿真軟件有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)AT89C51單片機(jī)的匯編語(yǔ)言有了更進(jìn)一步的了解，和同學(xué)的交流更進(jìn)一步的提高自己。通過對(duì)調(diào)試軟件和硬件時(shí)出現(xiàn)的一些問題的討論，使我能更好的對(duì)電路、程序有個(gè)更深的認(rèn)識(shí)，使我學(xué)會(huì)了分析電路的方法和技巧。
第5章 結(jié) 論
在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中完成了電路原理圖設(shè)計(jì)，PCB板設(shè)計(jì)，電路焊接，程序的設(shè)計(jì)，軟、硬件的聯(lián)機(jī)調(diào)試。硬件電路的各個(gè)模塊，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，數(shù)碼管顯示電路，報(bào)警電路等都能夠正常工作。在與軟件進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，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(shí)低位報(bào)警燈報(bào)警，液位在1.5米到4.0米時(shí)不報(bào)警，液位大于4.0米時(shí)高位報(bào)警燈報(bào)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。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了任務(wù)書下達(dá)的所有任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了液位的檢測(cè)及液位的顯示，并實(shí)現(xiàn)了超限報(bào)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(gè)可以應(yīng)用于一般工業(yè)的液位檢測(cè)及顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，測(cè)量范圍和測(cè)量精度滿足一般工業(yè)應(yīng)用需要。
致 謝
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在寧耀斌老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在論文設(shè)計(jì)期間受到寧老師很大的幫助和指導(dǎo)，在這里衷心的感謝寧老師在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給予的關(guān)心和支持。
同時(shí)，在這次設(shè)計(jì)過程中還受到姬軍鵬老師的指導(dǎo)和幫助。在此，謹(jǐn)向他們?cè)诎倜Ξ?dāng)中給予的指導(dǎo)和幫助表示衷心的感謝。
同時(shí)，本課題能順利完成還得到了孟杰、彭世業(yè)、白禮絨、孟環(huán)等同學(xué)的大力幫助，感謝他們?cè)诒菊n題的設(shè)計(jì)過程中給予了許多寶貴意見和幫助，在此一并向他們致謝！
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- 8-Bit Microcontroller with 4K Bytes Flash AT89c51
附 錄
附錄1：電路原理圖
1.026.jpg (66.22 KB, 下載次數(shù): 165)
下載附件
2016-6-6 18:12 上傳
附錄2：參考程序
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