電容式油量測量系統(tǒng)設計案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u10193電容式油量測量系統(tǒng)設計案例概述 1165551.1各硬件模塊的設計 1220591.1.1電源模塊的設計 1229681.1.2信號采集與轉換模塊的設計 257171.1.3數(shù)據(jù)處理模塊介紹 541911.1.4顯示模塊的介紹 7167861.1.5報警模塊的設計 88171.2電容式油量測量系統(tǒng)程序設計 8258891.2.1電容式油量測量系統(tǒng)程序設計說明 860471.2.2電容式油量測量系統(tǒng)主程序 9207791.2.3電容式油量測量系統(tǒng)中斷程序 10255051.2.4電容式油量測量系統(tǒng)顯示程序 111.1各硬件模塊的設計1.1.1電源模塊的設計生活中的電源一般是220V的交流電源，而需要用到的各電子元器件得用5V的直流電源，則需要設計一個將220V的交流電降壓、整流變?yōu)橹绷麟?，并使之穩(wěn)定在5V的供電模塊。該模塊的設計首先要得到一個低壓的交流電，主要是通過降壓變壓器的降壓作用實現(xiàn)的，本設計選擇生成的低壓交流電是12V，再交由全橋型的整流電路完成交流變直流的過程，其中一般會有雜波進入，之后需要濾波電容將這些干擾源過濾掉，得到的直流電電壓為原交流電電壓的1.2倍，大約為14V，最后經(jīng)由LM7805三端穩(wěn)壓器可得到穩(wěn)定的5V直流電。設計原理圖如下圖3-1所示：圖3-1電源模塊仿真原理圖這里選用輸出功率為10W的降壓變壓器，進入穩(wěn)壓器的電流大約為1.2A在其最大限值1.5A內，剛好合適。整流部分采用的是較為普遍的全橋型整流電路，電路中有四個單向導通的二極管，每兩個串聯(lián)在一起，中間引出的兩路為輸入，再并聯(lián)起來，并聯(lián)的兩路線為輸出。整流后的濾波則由一個濾波電容完成，它可以將整流后波紋較大的波形濾波為波紋較小的波形，由于負載不是太大，這個濾波電容用470μF的就夠了。最后由LM7805三端穩(wěn)壓器將濾波后的電壓穩(wěn)壓到5V，穩(wěn)壓器輸入和輸出的壓差足夠大，自身功耗較大，得給LM7805三端穩(wěn)壓器加一個散熱器以保證其工作良好。穩(wěn)壓器后面的電容是為了給負載電路提供一個回路，有時接一個電阻也行。設計的這個供電的模塊考慮了很多環(huán)節(jié)，它可以直接讓變壓器的高壓端接插頭來與220V交流電相連，簡單快速地轉換成5V直流電來使用。這個模塊的電路將強弱電隔離開，對人體起到保護作用，降壓簡單快捷，濾波作用還能有效降噪了，穩(wěn)壓也保證了電壓的穩(wěn)定供給，原理上適合大多數(shù)的小型系統(tǒng)。1.1.2信號采集與轉換模塊的設計由于電容值和燃油液面高度有一定的關系，一般可以確定電容值和液面高度的變化是成正比的。但是，在燃油液位過高和過低時，電容和液位的變化可能不會按照正比變化，這里用采用多諧振蕩電路處理，以測量中間段液位變化來代替，并嚴格按照理論公式計算。因為多諧振蕩電路中的充放電時間是由電容決定的，所以只要得到了多諧振蕩電路輸出信號的周期，處理器就可反向推導出多諧振蕩電路所連傳感器電容的大小。又因為電容和液面高度互為單調函數(shù)，是正比關系，液面高度也就可以得出來了。多諧振蕩電路的關鍵器件是555定時器，它的內部前級是一個分壓器，由三個等值的電阻串聯(lián)而成，中間電阻的兩端為輸出，這兩端分別接一個比較器，高電壓的一端與比較器的反相輸入端相連，低電壓的一端與另一個比較器的同相輸入端相連，然后兩個比較器輸出又與RS觸發(fā)器相連，再經(jīng)過一個起開關作用的三極管，最后連一個功率輸出級。其內部原理電路如下圖3-2所示：圖3-2555定時器內部結構圖555定時器的的芯片引腳有八個，每個都有其特定的作用。引腳1和8分別是接電源負極和正極的腳，一般接的是5V的電源。引腳2和6分別是低觸發(fā)端和高觸發(fā)端，實際用時會把它們連在一起。引腳3為信號輸出端，引腳4則是清零端口，不使用時接高電平。引腳5是控制電壓的腳，不用時應該串一個0.01μF的電容并接地。而引腳7與內部三極管相連的放電端口。該芯片的引腳圖如下圖3-3所示：圖3-3555定時器芯片引腳圖最后整個電容信號采集與轉換模塊由555芯片、電阻、接地電容和傳感電容組成，如下圖3-4所示：圖3-4信號采集與轉換模塊仿真原理圖決定該模塊功能的主要是通過外部電容充放電的過程實現(xiàn)的。一旦讓定時器接上電源后，外部電源VCC會經(jīng)過R1和R2對待測電容CX持續(xù)充電。而電壓控制端口不會對電壓產生影響相當于懸空，由于分壓器的作用，電壓比較器A1的反向輸入端電壓會保持在電源電壓的三分之二，電壓比較器A2的同相輸入端電壓會保持在電源電壓的三分之一。因為電壓比較器的工作原理是輸入端電壓同相大于反向時輸出為高電平，反之為低電平，所以當?shù)陀|發(fā)端電壓低于電源電壓的三分之一時，電壓比較器A1輸出為低電平，電壓比較器A2輸出為高電平，RS觸發(fā)器變?yōu)閺臀粻顟B(tài)，三級管截止，CX繼續(xù)充電，功率輸出級的輸出為高電平。REF_Ref566\w\h[4]當高觸發(fā)端電壓高于電源電壓的三分之二時，電壓比較器A1輸出為高電平，A2輸出為低電平，RS觸發(fā)器則會發(fā)生翻轉，三極管導通，CX通過三級管這一通路放電，功率輸出級的輸出為低電平。如循環(huán)往復，在輸出端就可以得到以一定頻率連續(xù)變化的方波信號。REF_Ref5350\w\h[5]輸出高電平時間：輸出低電平時間：方波信號周期:可以得到： （3-1）其中CX為待測電容，f為方波信號的頻率。該轉多諧振蕩電路輸出的是方波信號，而這個方波信號的頻率與待測電容值有關，可以通過頻率推出待測電容值，但頻率變化率太快，不易采集。由于頻率與周期為反比關系，記錄下方波信號的周期一樣可以得到頻率，從而得到電容值并推出液面高度。因此，單片機記錄下方波信號的周期就行了，也就是得到方波信號最近兩個下降沿間隔的時間。一般的轉換電路需要用到的器件較多，放大、濾波和A/D轉換這些過程連在一起線路很多，還比較復雜。本設計中并沒有采用這種方法對電容值進行轉換，而是直接用555多諧振蕩電路進行代替，直接在555定時器芯片的一些管腳處接幾個電阻和電容就可以實現(xiàn)轉換作用，不需要過多考慮外接因素對電路的影響，線路更為簡單且更易實現(xiàn)。1.1.3數(shù)據(jù)處理模塊介紹數(shù)據(jù)處理模塊的處理器使用的是最為基本的AT89C51單片機，這種單片機是一種8位的處理器，它性能較高，功耗還很低，實用性很強。由于該類單片機采用了一種高密度且非易失性存儲技術，MCS-51指令系統(tǒng)與其能夠很好地兼容。由于高性能、廉價和實用性這些優(yōu)點，AT89C51單片機成為在各個領域的應用的主要芯片之一。AT89C51單片機還有很多實用的特性，它有適于較強工作強度的8位處理器和足夠容量的存儲器，有定時器和計數(shù)器，內部還含有中斷源，足夠的數(shù)據(jù)輸入輸出雙向口，還有專門用于通信的串行通信口，以及振蕩器和時鐘電路。REF_Ref22471\w\h[6]想要實現(xiàn)上述功能特性，計算機還是得依賴控制器、運算器、存儲器和I/O接口等，而控制器和運算器組合起來就是CPU（CentralProcessingUnit）。其中，控制器主要控制的是指令的執(zhí)行過程，包括用于下一指令地址計數(shù)的程序計數(shù)器、指令的寄存器和譯碼器。特殊的是控制器還包含一個振蕩器和定時電路，單片機會按照它所產生信號的頻率節(jié)奏進行工作。運算器有很多，包括含有算術運算和邏輯運算的基本運算單元、相當于休息區(qū)的暫存器、計算過程中需要用到的累加器和寄存器以及狀態(tài)信息存儲的程序狀態(tài)寄存器。而存儲器僅僅分兩種，一種是程序存儲器，它總共能存儲的數(shù)據(jù)為4K字節(jié)，那些原始程序都是存在這里面的；另一種則是數(shù)據(jù)存儲器，它能存儲的數(shù)據(jù)比程序存儲器少很多，僅僅為128字節(jié)，與暫存器有些相似，用于存放那些中間數(shù)據(jù)。最后還有用于數(shù)據(jù)傳輸核對其他裝置進行控制的I/O口，總共32個引腳都可用于程序編程，由8位數(shù)據(jù)總線與其他部分相連。REF_Ref22471\w\h[6]AT89C51芯片的引腳會與硬件電路連接，引腳結構如下圖3-5所示：圖3-5AT89C51芯片引腳圖VCC和GND分別供電端口和接地端口。P0口、P1口、P2口和P3口都是8位的雙向I/O口，皆有內部上拉電阻，既可做輸出又可作輸入，通過吸收和輸出電流的方式來驅動四個TTL邏輯電路。由于內部存在上拉電阻的緣故，給這些端口一個高電平會被拉高作輸入端口，而外部信號將其拉低時會讓它們輸出電流。不一樣的是，P2口在用于外部數(shù)據(jù)的讀和寫時，它輸出的是一些特別的寄存器里的數(shù)據(jù)。REF_Ref14382\w\h[7]更為特殊的是，P3口的每個引腳都有其不一樣的功能。引腳P1.0可作串行輸入口，用于串口通信，其為輸入端，引腳P1.1也是用于串口通信的，其為輸出端，作串行輸出口，引腳P1.2和引腳P1.3都是用作外部中斷的端口，而引腳P1.4和引腳P1.5都是用作的定時/計數(shù)器的端口，引腳P1.6是外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通口，引腳P1.7則可用作外部輸入存儲器讀選通口。可見，P3口個引腳的功能較多且起到的作用還比較重要。REF_Ref22471\w\h[6]RST為復位輸入口，該端口一般外接復位電路，需要復位操作只需按下外部電路里的復位按鍵即可，正常情況下該端口在兩個以上的高電平時間才有效。本設計的外部復位電路如下圖3-6所示，在RST復位輸入口接一個電容到電源處，接一個電阻到地處，再由復位按鍵和一電阻與電容并聯(lián)來進行控制，它主要的作用就是讓電路回到最開始的計算狀態(tài)。圖3-6單片機外部復位電路圖ALE/EQ\*jc0\*"Font:Calibri"\*hps12\o\ad(\s\up11(￣￣￣￣),PROG)和EQ\*jc0\*"Font:Calibri"\*hps12\o\ad(\s\up11(￣￣￣￣),PSEN)分別是地址鎖存使能信號輸出端口和外部程序存儲器讀選通信號端口。EQ\*jc0\*"Font:Calibri"\*hps12\o\ad(\s\up11(￣￣),EA)/VPP是一個選擇口。內部的程序存儲器有指令需要處理器執(zhí)行時，這個端口必須是高電平；而外部的程序存儲器有指令要處理器執(zhí)行時，該端口為低電平位。若是此端口被鎖存為RESET，則是因為加密位在被編程。REF_Ref22471\w\h[6]XTAL2和XTAL1是同時和外部的晶振電路相連的，這個晶振電路圖如下圖3-7所示：圖3-7單片機外部晶振電路圖1.1.4顯示模塊的介紹顯示模塊使用的是LCD1602液晶顯示屏，它通過與單片機通信來顯示數(shù)據(jù)。LCD1602可以顯示兩行數(shù)據(jù)，每行顯示的都是字符數(shù)據(jù)，而字符由里面的點陣方塊來顯示，這種方塊上下各16個，即可以同時顯示32個字符。REF_Ref23879\w\h[8]電壓會對字符的顯示產生影響，只要改變電壓就可以對字符的顯示進行控制，讓其顯示需要的數(shù)據(jù)，這主要是基于液晶的物理特性而實現(xiàn)的。顯示器里顯示字符的點陣方塊都是一樣大小的，若是排在一起，字符會不易認出，因此間距對點陣方塊來說必不可少，位和位之間要有間距，行之間也要有間距，但這也讓其不適用于對圖片的顯示。LCD1602液晶顯示屏的管腳不多，對少量字符的顯示非常實用，除了含轉接板的只有4腳外，它的管腳普遍是16個。引腳1和2分別是電源的負極接口和電源的正極接口。引腳3可以懸空也可以接電位器，該腳接地對比度太弱，顯示不明顯，若是接上電源正極，顯示屏的對比度又太高了，這容易產生“鬼影”，想要對對比度進行調節(jié)就可以在該端口外接一個電位器，普遍接的都是10K的電位器。引腳4和5分別為寄存器的選擇口和讀寫操作的選擇口，高電平時選數(shù)據(jù)寄存器和讀操作，相反，低電平時選指令寄存器和寫操作。引腳6則為使能端口，該端口高電平時才有效，此時為讀信息狀態(tài)，鎖存到復位狀態(tài)時執(zhí)行指令。引腳7~14是標為D0~D7的接口，為數(shù)據(jù)傳輸端口，用于數(shù)據(jù)的傳輸。引腳15~16是BL+和BL-，分別為背光正極接口和背光負極接口，一般不用接電源，讓其懸空。REF_Ref25737\w\h[9]其管腳圖如下圖3-8所示：圖3-8LCD1602管腳圖1.1.5報警模塊的設計報警模塊有兩個部分，燈光報警為第一部分，它是由三極管和發(fā)光二極管組成，而構成聲音報警那部分的是三極管和蜂鳴器。在這個模塊里三極管只起開關作用，兩個NPN型的三極管為了正常工作都需要接上電源，它的集電極接的是電源的正極以此來獲電，基極則是與單片機相連，用于獲取單片機給的報警電流，發(fā)射極分別與發(fā)光二極管和蜂鳴器串起來接地。當燃油液位超出設定的值時，單片機會給出報警的信號，主要通過電流來控制三極管的導通，三極管的基極得到這個電流信號后，發(fā)光二極管會發(fā)出光亮以作警告同時蜂鳴器也會發(fā)出響聲報警。原理構成如下圖3-9所示：圖3-9報警模塊仿真原理圖1.2電容式油量測量系統(tǒng)程序設計1.2.1電容式油量測量系統(tǒng)程序設計說明所設計系統(tǒng)的控制中心是89C51芯片，用通用的C語言就可以進行程序編寫。該油量測量系統(tǒng)包括主程序、中斷程序和顯示程序。燃油油量的測量一般嚴要求較高，測量結果需要在短時間里得到，準確性也要較高，通過硬件電路或器件直接測量的模擬測量系統(tǒng)準