1、 I毕业设计说明书设计题目： 基于 RS485 水位变送器的设计学 院 计算机科学与信息工程学院 专业年级 10 自动化 3 班 学生姓名 陈娅 学号 2010133326 指导教师 代光辉 职称 讲师 设计地点 重庆工商大学 日 期 2013 年 5 月 14 日 II基于 RS485 水位变送器的设计计信学院 自动化 2010 级三班 陈娅 指导老师 代光辉摘要：在机械、化工、纺织等行业，随着生产规模的不断扩大，以及对生产过程集中监控的迫切要求，现场总线技术应运而生，并成为了当今测控领域研究的热点之一。RS485 作为现场总线的一种，以其开发成本低，简单易用等诸多优点己被工业领域广泛接受。
2、液位作为工业中重要的测量参数之一，本论文题基于 RS485 通信设计了水位变送器。本设计采用 HC-SR04 模块采集液位，由 STC89C51RC 单片机进行控制和RS485 通讯。通讯的物理层采用 RS485 接口，通过拨码开关实现对液位器的编址。最后实现了单个节点和 PC 机的通讯。本文分别从硬件和软件上阐述了该水位变送器的实现方法。关键词： STC89C51RC, HC-SR04 模块，LCD 显示，RS485 通讯IIIAbstract： mechanical, chemical, textile and other industries, with the urgent need
3、to expand production scale, and centralized monitoring of the production process, fieldbus technology came into being and became one of the hot research field monitoring today. As an RS485 fieldbus, with its low development cost, easy to use, and many other advantages have been widely accepted by in
4、dustry. Level as one of the important measurement parameters industry, the essay question based on the RS485 communication design level transmitter. This design uses HC-SR04 module collection level by STC89C51RC MCU control and RS485 communications. The physical layer of communication using the RS48
5、5 interface, to achieve the level is addressing through DIP switch switch. Finally, to achieve a single node communications and PC. This paper describes the implementation of the water level of the transmitter from the hardware and software.Keywords：STC89C51RC, HC-SR04 module, LCD display, RS485 com
6、munication目录一、 绪论 .1二、 设计方案 .21 方案概述 .22 方案论证 .2三、超声波测距介绍 .41 超声波的基本理论 .42 超声波传感器 .5四、硬件电路 .61 最小系统电路 .62 液位检测电路 .73 AD 转换芯片及量程设定电路与调零电路 .84 电源电路 .125 RS485 通讯电路 .126 显示电路 .147 温度检测电路 .15五、软件设计 .151 液位测量程序设计 .162 AD 转换函数 .183 串口中断处理程序设计 .194 RS485 程序设计 .215 串口转并口 .21六、调试 .221 硬件部分 .222 软件部分 .22七、 总结
7、 .23致 谢 .23参考文献 .25基于 RS485 水位变送器的设计1一、 绪论随着计算机技术和网络技术的发展，工业参数的数字采集促进了现场总线技术的发展，目前现场总线已经从以前 的 4-20mA 电流信号升级成为了数字信号，进入了数字通讯，解决了信号长距离高速传输的问题，而且大大提高了抗干扰性的能力，给系统的配置增加了灵活性，省了许多硬件的投资，是未来过程控制和生产自动化的发展方向。目前，较有影响的总线有：LONWORKS，MODBUS，CAN， PROFIBUS 等。虽然这些总线无主从方式工作、速度较快网络支持较完整，但系统造价高，应用受到限制。 而 RS-485 总线有制程简单、成本
8、低、软硬件较为丰富、以及可以主从方式工作等特点。现如今仍然是中小控制系统的主要形式。距离测量模块作为一种重要的设备，在诸多工业生产过程中得到了广泛应用。自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展，并在智能化、自适应等方面取得显著成果。在这方面，以口本、美国、德国、瑞典等国的技术领先，生产出了很多商品化的、性能优异的液位测控器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。目前，国外液位测控系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。基于单片机的 RS485 产品一般由单片机芯片为核心和外围辅助逻辑元器件组成，它充分利用单片机的硬件资源和软件资源，同时合理配置特
9、定的功能元器件来实现产品的功用，外围元器件一部分是用来实现通讯的串行接口元件，具有电平转换的功能，这使得 RS485 产品具有组成工业网络的能力；另一部分是功能器件，如：地址编码、LED 显示器等，能够实现很多的特定功能。由于产品的硬件构成比较简单，性能比较稳定，功能比较强且造价比较低成为该产品的主要特点。本设计实现了单节点与 PC 机的 RS485 的通讯，通过单片机的功能模块进行液位采集，数据保存，通过 RS485 和上位机通讯，实现节点上液位的测试。本论文第一章是绪论，概述了现场总线的发展及工业应用的发展趋势，分析了液位测控模块在国内应用的现状，然后对基于单片机的 RS485 产品的特点
10、进行介绍。第二章是设计方案介绍，通过对比不同的液位测试方案，论证了设计的可靠性，并概述定了设计了系统实现的功能和设计的思路，并确的方案。第三章是超声波测量距离的介绍。第四章是硬件电路的设计和实现，主要对设计方案的硬件部分进行分模块的介绍，包括硬件结构、接口设计以及元器件功能的介绍说明。基于 RS485 水位变送器的设计2第五章是节点软件设计，首先概述了软件实现的功能和主要设计模块，分别介绍了个子程序的设计，重点描述了 RS485 通讯实现的过程。第六章主要是调试部分，包括了硬件和软件两个部分的调试。二、 设计方案 1 方案概述本方案采用 HC-SR04 作为采集现场环境液位的传感器，单片机选用
11、性价比较高的 STC89C51RC。8 位拨码开关用来设置 RS485 节点的 ID 号。RS485 通讯电路实现节点和 PC 的 RS485 通讯，并在调试时 USB 转 RS485 作为 ISP 烧录程序的接口。RS485电路实现节点与节点之间的 RS485 通讯接口。LCD1602 显示器来显示现场液位。如 2.1图：2.1 设计方案图2 方案论证（1）通讯可靠性本设计中，主要包括 RS485 电路。RS485 电路适用于节点之间的通讯，其通讯速率预设低于 1Mb/s，距离小于 1000 米，RS-485 接口用于平衡驱动器和查分接收器的组合，共模干扰抵抗能力增强，即噪声干扰性好。 由于
12、本通讯采用了 RS485 通信，可以保证数据链路层和应用层数据传输的可靠性。调零地址编码RS485单片机 Lcd 显示测距模块电源模块 温度采集调量程基于 RS485 水位变送器的设计3（2）液位检测方法的选择及可靠性液位包括液位的连续测量和液位信号器两种。液位信号器是针对几个固定位置的液位展开的测量，用于液位的上、下限报警等。液位的连续测量是对液位进行连续的测量，它广泛应用于化工、食品加工、石油等许多领域，有十分重要的意义。文中对几种连续液位测量方法进行比较分析。 a. 玻璃管法、玻璃板法、双色水位法、人工检尺法。上述 4 种方法都是手工测量的方法，这种测量方法具有简单、可靠性高、直观以及成
13、本较低的优点。b. 电容法：电容式液位的仪价格比较低，易于安装，液位计可应用于高温、高压的情况。但是电容液位仪测量可重复性较低，需要经常维修和重新标定，而且它的工作寿命不是特别长。c.电阻法：最适用于测量液体的导电率，敏感器的电阻，它的电阻值跟随液位的变化而产生变化，因此将电阻变化值传传送给二次电路便可以得到液位。液位传感器的电参数产生变化的方法来测量液位的。 d.超声波法：天线（大多为口径天线，也有平面天线）辐射出去，经液面反射后被天线接收，然后由二次电路计算发射信号与接收信号的时间差得液位。通过分析发射信号与和接收信号混频后得到的差额信号，从而得到微波传输的时间，然后计算出液位来。选择液位
14、检测的原则：液位检测选择的原则：除了满足设计的要求，按照电路的设计简单可靠，性价比高路。在高精度、高可靠性的场合中，HC-SR04 液位传感器更适用。其具有体积小，硬件开消低，抗干扰能力强 ，精度高等特点。本设计选择该传感器来测量液位。（3）系统电源稳定性电源是一个系统动力源，其设计的好坏会直接影响到该设备的稳定性。结合本题实际，在仔细分析了各个模块的供电需求后，本文设计了一个完全可以满足本题要求的电源系统。必须比较稳定。考虑到工业上常用直流电源为 24V，并且估算系统的最大工作电流小于 1A。通过查阅相关技术文档，单片机电源最初选择了 LM7805 电路和LM22680 电路。LM7805
15、为线性稳压器。它的成本相对于其他电源来说更低，而且体积小、工作更为可靠、性能也非常好，目前，它是运用较为广泛的集成稳压器件。LM22680 为开关稳压器，其输入电压范围为 4.5V 至 42V，可以驱动电流高达 2A基于 RS485 水位变送器的设计4的负载，具有超过 90%的高开关转换效率，发热量很小，并且其输出直流纹波和交流纹波都很小，可以满足单片机设计需求。根据上述，我们可以任选一电源器件，考虑到各种因素，本设计选择的是LM7805 作为电源电路。三、超声波测距介绍采用单片机来控制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚之上，再通过超声
16、波发射器向某个方向发射出超声波，在发射的同时就开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到了障碍物就会即刻返回来，当超声波接收器收到了反射波的时候，就立即停止计时。在空气中，超声波的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：S=vt/2 ，原理框图如 3.1 所示。图 3.1 超声波的测距原理1 超声波的基本理论超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。超声技术是
17、通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。超声波具定向及反射、投射、有聚束等特性。按照超声波振动辐射的大小的不同我们大致可以分成：利用超声波使得物体或物性变化的功率应用，称它为功率超声；用超声波获取信息，称它检测超声。超声波是听觉阈值之外的振动，其频率范围在 10 10 Hz，其中通常的频412率大约在 10 3 之间。超声波在超声场（被超声波充满的范围）传播时，4106障碍物超声波发射超声波接收ts基于 RS485 水位变送器的设计5如果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处于一种无限介质中，超声波自由地向外部扩散；与之相反，如果超声波的波长和相邻介质的尺寸基本一样，那么超
18、声波受到界面限制而不能自由的向外部扩散。于是超声波在传播过程中有如下的特性和作用：超声波的传播速度超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波：横波质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波质点振动方向与传播方向一致的波；表面波质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。超声波的频率越高，越与光波某些特性相似。超声波与气其他声波一样，其传播速度与介质密度和弹性特性有关。 超声波在气体和液体中，其传播速度 C =（ ）gLaB12式中 介质的密度； 绝对压缩系数。可以推导出超
19、声波在空气种传播速度 。 （T 为环境温度） 。G61.043 超声波的物理性质当超声波传播到两种特性不同的介质的平面上时，一部分被反射；另一部分透射过界面，在相邻的介质内部继续传播；这样的两种情况称之为超声波的反射和折射，如图 3.2 所示：图 3.2 声波反射与折射2 超声波传感器超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，具有可逆特性。压电陶瓷片具有以下特性：当在其两端加上方向和大小不断变化的交流电压的基于 RS485 水位变送器的设计6时候，就会产生“压电效应”，使得压电陶瓷也会产生机械变形，这种机械变形的方向以及大小和外加电压的方向和大小成正。也就是说，
20、若在压电晶片两边加以频率为 的交流电电压时，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气0f的张弛，当 落在音频范围内时便会发出声音。与之相反，如果由超声波机械振f动作用于陶瓷片使它发生微小形变的时候，则压电晶片同样也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。超声波传感器结构如下：图 3.3 元件内部结构 图 3.4 超声波外部结构四、硬件电路1 最小系统电路STC89C51RC 单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周期可以任意选择。选用 STC89C51RC 单片机完全可以满足本设计需求。
21、由图 4.1 可以看出单片机最小电路包括了三个部分：第一部分是晶振，包含了C1 和 C2 两个电容器，X1 是晶振；第二部分是复位电路，当电路充电的时候，C3 两端的电压不会发生突变，在 RST 引脚上的电压接近五伏，随着充电时间的加长，电流就会减小，引脚电位也会随之下降。当 C3 两端电压接近五伏时，引脚也会变成低电平，只要它能保持在 10ms 的高电平，就可以使单片机复位，此复位电路为上电自动复位电路；第三部分是单片机，自单片机问世以来，已经经历了五个发展阶段，分别是：萌芽、初级、高性能、八位以及十六位单片机推出、在集成度，速度，功能等方面向更高水平发展的阶段。其内部结构包括：中央处理器，并行口，串行口，存储器，定时/计数器和中断系统。
