基于STC8A單片機的簡易多共功能液體容器設計(電子設計競賽)

1、2019年全國大學生電子設計競賽簡易多功能液體容器（ K 題）2019 年 8 月日摘要水是生命之源， 我們在日常生活中所要飲用的水的比重值應在 12.5 8.5 之 間，比重值的標準是以氫離子的標準定位的，小于 7的是顯酸性的， 大于 7 的是 顯堿性的， 直飲水的標準剛好顯中性， 但是看上去同樣都是無色無味的各種水的 比重值其實是有很大差異的，對人體健康的影響也完全不同。本課題要設計的容器設計一個簡易多功能液體容器。該容器為容量不小于0.5 升、高于 20cm、 帶有（或自制）超聲波標記的透明塑料容器；可以自動測 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）； 可顯示測量數(shù)據(jù)。所有測試項目均要求使用同一 啟動鍵啟動，并且每次啟動只允許按一次啟動鍵。以 STC8A8F122S芯片組為核心， 輔以相關外圍電路， 本設計以單片機為核心 的液體種類的檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)由 12V電池組供電，除單片機外，采用杜邦線來連 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，進行液體密度值測得液體種類。關鍵詞： 液體高度；液體比重；輸出電壓；單片機 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、水位高度的計算 6. HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 3、比重值的計算 6. HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 4、供電電池組電壓的計算 6. HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 三、電路與程序設計 . 7 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 1、電路的設計 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）水位檢測子系統(tǒng)框圖 7. HYPERLINK l bookmark52 o Current Document （3）比重檢測子系統(tǒng)框圖 8. HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 2、程序的設計 8. HYPERLINK l bookmark56 o Current Document （1）程序功能描述與設計思路 8. HYPERLINK l bookmark5

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

7、結果 9. HYPERLINK l bookmark70 o Current Document （2）測試分析與結論 9.五、參考文獻 . 13附錄 1：電路原理圖 14 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 附錄 2：源程序 15、設計任務與要求1、設計任務設計制作一個簡易多功能液體容器，可以自動測量給定液體的液位、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）；可顯示測量數(shù)據(jù) 所有測試項目均要求使用同一啟動鍵啟動，并且每次啟動只允許按一次啟動鍵，否則不 予測試。2、設計要求（ 1）基本要求能檢測液體液位、重量等參數(shù)，

8、可顯示檢測結果。分別裝載一定量（200500mL）的不同液體進行測量， 要求液位測量絕對誤差的絕對值 2mm；重量測量絕對誤差的絕 對值 1g。在以上的測量基礎上，能夠區(qū)分不同濃度的鹽水。要求顯示第二次測量液體 的名稱（根據(jù)兩次測量鹽水的濃度，相對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（限定采用電子測量 技術，傳感器與測量方法不限，可同時采用多種測量方法）。根據(jù)液體特征可分辨出純 凈水和白糖水的種類。（限定采用電子測量技術，傳感器與測量方法不限）。其他。二、系統(tǒng)方案1、系統(tǒng)結構系統(tǒng)包括 STC8A8F64S12 單片機、超聲波傳感器模塊、壓力

9、式傳感器、 AD 采集模 塊、 LCD12864 顯示器，還包括一個陀螺儀模塊。在液體容器上方使用超聲波來測量液 體液位，陀螺儀用于調節(jié)超聲波與測試平面保持水平狀態(tài)。使用壓力式傳感器得到液體 重量，通過重量 /體積可計算出該溶液的濃度，從而判斷相應的溶液的種類。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 16 位定時器 / 計數(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位 的單片機，是以超強抗干擾 /超低價 /高速/低功耗為目標的 8051 單片機，在相同的工作 頻率下 STC8A8F64S12 單片機比傳統(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，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量準確， 因被測介質具有導電性，所以金屬棒電極都有絕緣層覆蓋。 被測液體的介電常數(shù)不穩(wěn) 定會引起誤差，所以方案也不考慮。方案選擇使用超聲波傳感器模塊，精度準方便調節(jié)程序使用，最后選擇方案三、系統(tǒng)理論分析與計算1、系統(tǒng)理論的分析（1） LCD128124 顯示器LCD128124 顯示器顯示原理， 128124LCD 顯示塊是所說的點陣液晶顯示模塊，就 是由 128*124 個液晶顯示點組成的一個 128列*124 行的陣列，所以也就叫成了 128124。 每個顯示點都對應著有一位二進制

12、數(shù)， 0表示滅， 1表示亮。存儲這些點陣信息的 RAM 被稱為顯示數(shù)據(jù)存儲器。 如果要顯示某個圖形或漢字就是將相應的點陣信息寫入到對應 的存儲單元中。圖形或漢字的點陣信息是由自己設計，這時候問題的關鍵是顯示點在液 晶屏上的位置與其在存儲器中的地址之間的關系。顯示點在 124*124 液晶屏上的位置由列號（ line,0123）與行號（ line,0123）確定。 512*8 bits RAM 中某個存儲單元的地址由頁地址 （Xpage,07）和列地址（ Yaddress,0123） 確定。每個存儲單元存儲 8 個液晶點的顯示信息。由于多數(shù)液晶顯示模塊的驅動電路是由一片行驅動器和兩片列驅動器構成

13、，所以 128124 液晶屏實際上是由左右兩塊獨立的 124*124 液晶屏拼接而成，每半屏有一個 512*8 bits顯示數(shù)據(jù) RAM 。左右半屏驅動電路及存儲器分別由片選信號 CS1和 CS2選 擇。（少數(shù)廠商為了簡化用戶設計，在模塊中增加譯碼電路，使得 128*124 液晶屏就是 一個整屏，只需一個片選信號。）如果點亮 128124的屏中（ 20，30）位置上的液晶點，因列地址 30小于 124，該點 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，該點在 RAM 中頁地址為 2，在字節(jié)中的序號為 4；所以將二進制數(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 的存儲單元中即點亮（ 20，30） 上的液晶點。這是為了為了使液晶點位置信息與存儲地址的對應關系更直觀關， 將 124*124 液晶 屏從上至下 8等分為 8個顯示塊，每塊包括 8行*124列個點陣。每列中的 8行點陣信息 構成一個 8bits 二進制數(shù)，存儲在一個存儲單元中。（需要注意：二進制的高低有效位 順序與行號對應關系因不同商家而不同）存放一個顯示塊的 RAM 區(qū)稱為存儲頁。即 124*124 液晶屏的點陣信息存儲在 8 個存儲頁中，每頁 124 個字節(jié)，每個字節(jié)存儲一列（8 行）點陣信息。因此存儲單元地址包

15、括列地址 （ Yaddress,0123）和頁地址（ Xpage,07）（2）超聲波傳感器超聲波傳感器工作原理，用靜壓測量原理：當超聲波變送器投入到被測液體中某一 深度時，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 ：被測液體密度 g ：當?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，通過導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 與傳感器的負壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po ，使傳感器測得壓力為： .g.H ，顯然 , 通過測取壓力 P ，可以得到超聲波深度。 功能特點：穩(wěn)定性好， 滿度、零位長期

16、穩(wěn)定性可達 0.%FS/ 年。在補償溫度 0 70 范圍內，溫度飄移低于 0.%FS ，在整個允許工作溫度范圍內低于 0.%FS 。具有反向保護、限流保護電路，在安裝時正負極接反不會損壞變送器，異常時 送器會自動限流在 35MA 以內。固態(tài)結構，無可動部件，高可靠性，使用壽命長。 安裝方便、結構簡單、經濟耐用。（3）比重值測量比重值傳感器工作原理， 在傳感器內部的比重放大器是一個能通過數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測 的有標準 比重 電極的電路。傳感器連接線的末端是一個 BTA 插頭或一個 5-針的 DIN 插頭來與數(shù)據(jù)采集器連接。在比重 7 的緩沖溶液中，它將產生一個 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 個凍膠填充的 比重 值傳感器的設計測量范圍為： 0 到 14。它在玻璃感應電極頭延長出一個凍膠體，是初中、高中、大學中進行科學研究、環(huán)境測量的良好的設備。凍膠填 充的參考半電化池是密封的，所以它無需重充。4）電池組干電池屬于化學電源中的原電池，是一種一次性電池，它碳棒以為正極，以鋅 筒為負極，把化學能轉變?yōu)殡娔芄┙o外電路。在化學反應中由于鋅比錳活潑，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糊 ,其構成是

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 ,也就是負極 ,電池放電就是氯化氨與鋅的電解反應 ,釋放出的電 荷由石墨傳導給正極碳棒 ,鋅的電解反應是會釋放氫氣的 ,這氣體是會增加電池內阻的 ,而 和石墨相混的二氧化錳就是用來吸收氫氣的 .但若電池連續(xù)工作或是用的太久 ,二氧化錳 就來不及或已近飽和沒能力再吸收了 ,此時電池就會因內阻太大而輸出電流太小而失去 作用 .但此時若將電池加熱 ,或放置一段時間 ,它內部的聚集氫氣就會受熱放出或緩慢放出 . 二氧化錳也到了還原恢復 ,那電池就又有活力了 !雖然干電池的應用范圍這么廣，在使用完后若不妥善處理好，它對環(huán)境也會造 成不可挽回

19、的污染，一節(jié)電池可能會污染數(shù)十立方米的水。因此在使用完干電池后，一 定要將電池進行回收，而不能隨處弄丟。2、水位高度的計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 位傳感器檢測數(shù)據(jù) +150mm 為最終結果，具體高度以 128124液晶顯示屏顯示為準。3、比重值的計算在比重 7 的緩沖溶液中，它將產生一個 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 電阻對其進行分壓，使

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

21、液位檢測子程序流程圖3、比重檢測子程序流程圖4、電壓檢測子程序流程圖四、測試方案與測試結果1、測試方案（1）硬件測試 搭建基本框架，將各個模塊連接在 STC89C52 單片機上。（2）軟件仿真測試 根據(jù)題目要求，用 ISIS 仿真軟件畫出原理圖，進行仿真。（3）硬件軟件聯(lián)調 將總程序錄在 STC89C52單片機芯片中， 把所有需要的元器件都接在系統(tǒng)上， 測 試各部分功能。2、測試條件與儀器測試條件： 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 無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：水位傳感器、比重傳感器、鋼尺、比重試紙、萬用表。3、測試結果及分析（1）測試結果經稱重和液體體

22、積、鋼尺、和萬用表檢測結果與水位、比重、電壓傳感器檢測結果 的對比，誤差均沒有超過題目要求的最大允許誤差。2）測試分析與結論根據(jù)測試數(shù)據(jù)，可以得出以下結論：1、加入液體后，在 1 分鐘內可以完成水位測量并顯示，誤差小于 5mm2、在 2 分鐘內可以完成比重值的測量，并顯示出來，誤差小于0.5。3、電池組輸出電壓可以準確測量并顯示，誤差不大于 0.01V。 綜上所述，本設計達到設計要求。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 4-5 個微秒void delay_1ms(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-)void start()/ 開始信號SDA=1;delay1();SCL=1;delay1();SDA=0;delay1();void stop() /停止信號 SDA=0;delay1();SCL=1;delay1();SDA=1;delay1();void respons()/ 應答 相當于一個智能的延時函數(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