2017全国大学生电子设计竞赛设计报告

2017年全国大学生电子设计竞赛 简易水情检测系统（P题） 2017年8月12日 摘    要 本设计的是简易水情检测系统以STC89C52芯片为核心，辅以相关的外围电路，设计了以单片机为核心的水情检测系统。系统主要由5V电源供电。在硬件电路上在，用总线连接PH值传感器和水位传感器，通过传感器收集到的水情数据发送到单片机，单片机存储实时数据，并显示在12864LCD液晶屏上。在软件方面，采用C语言编程。通过对单片机程序设计实现对水情检测系统的水情数据的采集、显示和检测。 关键词：单片机最小系统；PH值传感器；水位传感器；AD模块 Abstract The design is a simple water regime detection system to STC89C52 chip as the core, supplemented by the relevant external circuit, designed to single-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 connection PH sensor 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 language programming. Through the single-chip program design to achieve the water regime detection system of water data collection, display and detection. Key words: single chip minimum system; PH value sensor; water level sensor; capacitance 简易水情检测系统（P题） 【专科组】 一、系统 本系统主要由单片机STC89C52模块、LCD显示模块、PCF8591电压转换模块、电源模块、水位检测模块、PH值检测模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1、单片机的论证与选择 方案一：传统的51单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。 方案二：采用 STC89C52单片机。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧8位CPU 和在系统可编程Flash。 综合以上两种方案，由于方案二功能多容易使用，且成本较低，选择方案二。 2、LCD显示模块的论证与选择 方案一：采用LCD1602。它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。 方案二：采用LCD12864，它是一种具有多种接口方式，并含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率高、字符多。模块利用灵活、接口方式和简单、操作指令方便，可构成全中文人机交换界面。电路或程序简洁、价格便宜。 通过比较，方案二电路结构明显比方案一占有更大优势，所以我们选择方案二。 3、超声波模块的论证与选择 方案一：US-100超声波测距模块，可实现2cm~4.5m、探测精度为0.3cm+1%的非接触测距，拥有2.4~5.5V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定。 方案二：HC-SR04超声波测距模块，探测距离为2cm~4.5m、探测精度为0.3cm。拥有5V的宽电压输入范围，静态功耗低于3mA。 综合以上分析，US-100超声波测距模块具有自带温度传感器进行矫正，抗干扰能力强、可靠性好，所以选择方案一。 4、PH值检测模块的论证与选择 L9A4PH值检测模块，该PH传感器模块适合于复合PH电极，接口为BNC标准接口，精确度高使用方便。固采用L9A4PH值检测模块。 5、AD转换模块的论证与选择 方案一：PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。输入输出接口多。具备可靠性高、用法简单、体积小等优点。 方案二：DAC908模块，它的dac具有高采样率，速度可达165msps。但价格昂贵。 经过对比发现pcf8591更符合要求，所以采用方案一。 6、电源模块的论证与选择 方案一：L7805稳压模块:L7805采用三引线带散热片塑料，TO-220的封装形式封装。其主要特点有：输出电压：5V、，但是如果模块设置不好误差较大。 方案二：L317可调稳压电源;YW-UTC317是三端可调正输出稳压器，1.5A输出，压差范围是3V至40V。他们非常容易使用，仅用两个外部电阻就可以设置输出电压，输入和输出调整率都要比固定稳压器的好，所以选择L317。 二、系统分析与计算 1、水情处理信号的分析  （1）超声波测距方法 超声（超音波学）的定义：声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。超声波通常指1秒内振动20000次以上的高频声波。 超声波的特点是它能在各种媒质中传播；波长短，因而分辨率很好；声束尖锐， 声能集中；在不同物质界面上会有反射、折射、散射等现象；可获得较高声强。利用声在媒质中的声速、衰减、共振、反射等现象可测量物质的成分、比重、厚度等。超声波测距就是利用超声波脉冲反射回波法实现的。 超声波在空气中的传播速度为340米/秒，因此，如果能测出超声波在空气中传播时间，就能算出其传播的距离。超声波测距就是通过测定超声波传播的时间间隔来测出声波传送的距离，这就是所谓的时间差测距法。超声波测距方法发送器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播途中遇到对象物就立即返回来，接收器接收到反射波就立即停止计时，这时计时器就计下了超声波从发射到对象物间的来回传播时间t，从而发送器到对象物的距离可用下式计算出来： S=Vt/2 具体的超声波传感器检查方法为： 1)采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；    2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；    3)有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间．测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。 （2）电压检测方法 本系统的电压检测选用Pcf8591AD/DA转换模块，PCF8591 为单一电源供电（2.56V）典型值为5V，CMOS工艺PCF8591有4路8位A/D输入，属逐次比较型，内含采样保持电路；1路8位D/A 输出，内含有DAC的数据寄存器A/D、D/A的最大转换速率约为11kHz。 具体工作原理为转换模块电压输入端采集稳压电源输出端电压信号，与单片机连接的输出接口连接，将数字信号传给单片机。 用51单片机串口显示 AD 采集值得程序 说明如下： 编译环境：keil4；测试单片机 STC89C52串口波特率：9600 AD 模块与单片机连接:SCL- P2.0 SDA-P2.1    VCC-VCC    GND-GND 三、电路与程序设计 1、电路的设计 （1）系统总体框图 系统总体框图如图1所示，简易水情系统框图 12864LCD液晶显示 超声波测距 STC89C52单片机系统 AD转换           PH检测 图3-1  系统总体框图 （2）超声波测距子系统框图与电路原理图 1、超声波子系统框图 控制电路 接收器 超声波发射器       图3-2  超声波子系统框图 2、超声波测距子系统电路 见附录图3-3 （3）PH检测系统框图与电路原理图 1、PH检测子系统框图 MSF P6.0 43C F149 P6.1 PH 电 极 PH传感器接口电路 温度传感器接口电路 图3-4  PH检测子系统框图 2、PH检测子系统电路 见附录图3-5 （4）电源 电源由4节干电池、稳压部分组成。为整个系统提供5V，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。 2、程序的设计 （1）程序功能描述与设计思路 1、程序功能描述 根据题目要求软件部分主要实现四行显示“水情检测系统”和水情测量结果。 1）传感器和AD转换实现功能：数据采集、电压值输出信号。 2）显示部分：第一行显示“水情检测系统”；第二行显示水位测量高度值及单位“mm”； 第三行显示PH测量值，保留1位小数；第四行显示电池输出电压值及单位“V”，电压值不相差0.01V。 2、程序设计思路 （2）程序流程图 1、主程序流程图 开始 看门狗，定时器，中断初始化 电压信号处理 超声波信号处理及温度补偿 PH信号处理及温度补偿 显示 显示 图3-6主程序流程图 2、超声波子程序流程图 定时中断入口 开始 定时初始化 单片机初始化 发射超声波 定时中断子程序 N 是否发射完 有无回波信号 N N Y Y 停止发射 外部中断子程序 返回 结束 图3-7超生波子程序流程图 3、PH检测子程序流程图 开始 中断开始 串口，看门狗，定时器，中断初始化 A/D转换初始化 执行校正子程序 单车 A/D转换 中断返回 PH信号处理及温度补偿n'g 显示 返回 图3-8 PH检测子程序流程图 四、测试方案与测试结果 1、测试方案 硬件测试 4-1 水情测试结果 模块 任务 结果 A/D转换模块 完成供电电池电压输出并测量差不大于0.01v 超声波测距模块 在一分钟之内完成水位测量偏差不大于5mm PH值检测模块 在2分钟内完成PH值检测测量偏差值不大于0.5 显示模块 分四行显示 2、测试条件与仪器 测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。 测试仪器：高精度的数字毫伏表，数字万用表，指针式万用表，刻度尺，PH计。 3、测试结果及分析 （1）测试结果(数据) 表4-2水位测试结果 水量高度（单位mm） 刻度尺测量值 显示值 表4-3PH值测试结果 PH值 PH计检测值 显示值 表4-4电压测试结果 电压值（单位V） 万用表检测值 显示值 （2）测试分析与结论 根据上述测试数据，本系统完成了题目的基本要求，由此可以得出以下结论： 1、在一分钟之内完成水位测量偏差不大于5mm。 2、在2分钟内完成PH值检测测量偏差值不大于0.5。 3、供电电池电压输出测量差不大于0.01v 。 综上所述，本设计达到设计要求。 五、参考文献 [1]蔡振江.单片机原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2011   [2]谭浩强.C语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2012   [3]陈莹.基于单片机的超声测距系统[J].华中科技大学,2004 [4]杨华庭.具有自动温度补偿的PH测量装置[J].仪器仪表学报,1997 [5]杨振江.A/D、D/A转换器技术[M].西安电子科技大学出版社,1998 [6]朱清慧.Proteus教程—电子线路设计、制版与仿真[M].清华大学出版社,2008 附录1：电路原理图 图3  超声波测距子系统电路 图5  PH检测子系统电路 附录2：源程序