西南交大水位控制实习

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1、第22页西南交通大学电子技术课程设计（报告）第2章电路设计一、整体方案设计1．设计任务设计并制作一种水位显示与控制电路。基本要求：（1）用10个发光二极管作为水位高低的指示（类似于音量指示）（2）可以给出无水，水满等指示信号（3）数字显示水位2.设计说明（1）水位传感器由555电路构成，输出为不同频率的方波。（2）频率/水位Ⅰ实际就是一个并行比较器，这里用CPLD来实现，即粗略给出水位范围再由LEDBAR显示出来。（3）频率/水位Ⅱ主要是除法运算和减法运算，即精确计算出水位,也可以由CPLD完成。（4）根据计算出的水

2、位给出控制信号（如水已满，无水）。（5）根据计算出的水位用7段LED动态显示出来。二、方案设计流程我们小组对于本次课程设计，根据老师提供的设计要求，经过小组讨论，课程设计流程如下：自制的电容式水位传感器的电容会随水的深度变化而变化，电容的变化会引起555振荡电路产生的频率发生变化，由此将水位变化的信号转化为可测的频率变化信号。水位高度与输出的频率满足H=A/f-B，通过测量多组数据求出A，B值后便可根据此式得到水位高度。得到水位高度后，我们利用二进制转换为BCD码通过数码管动态扫描及译码工作，在数码管上动态实现实时水

3、位高度。我们小组在研究水位测量的基本原理后，我们将水位计分成了555振荡电路，频率计数，LED控制，频率—高度转换，二进制-BCD码转换，数码管显示控制6个模块，整体设计方案和各模块间关系如图1。第22页西南交通大学电子技术课程设计（报告）10个发光二极管LED控制555振荡回路电容式水位传感器频率-高度转换频率计数二进制-BCD码转换4位7段数码管数码管显示与控制图1整体设计方案其中水位显示与控制的关键在于测量555振荡电路产生的频率，水位H与电容C公式为C=aH+b。又知和,我们实际测量水位与输出频率数据，计算出

4、A，B即可得到水位高度与555振荡回路输出频率之间的关系。频率计数模块是水位测量的核心，由1秒闸门信号、计数器、锁存器组成通过对于频率的记录，在锁存器中记录当前频率值，并且计数器+1。实现实时测量存储记录频率值。我们在老师提供的芯片板上找到了50MHz有源晶振，利用该晶振产生1s闸门信号对水位产生频率进行计数，得到对应频率的二进制数值。经过实验测试中发现产生频率位数过多，我们采用计数器进行1000分频，将频率信号转换为KHz为单位计数，方便后续处理。频率-高度转换利用并行比较器，根据指定的水位范围，当前水位转换为频率

5、值在此范围内时，输出信号使得LED点亮，利用QuartusII，制作Ｈ与ｆ的关系表达式的电路图，从除法和减法运算中计算出Ｈ的实时数据，将水位与频率的关系的具体数据实时转换返回。由于返回的数据时水位高度的二进制码，需要将此二进制码转换为BCD码后再由数码管动态扫描译码显示实时水位数据，我们便可以直接读出水位的高度，二进制-BCD码转换模块及数码管动态扫描及译码模块由VerilogHDL编程实现。频率计数、LED灯控制、频率-高度转换、二进制-BCD码转换模块和数码管显示控制这五个模块都是在CPLD中实现的。下面我们对上

6、述每个模块的电路进行详细解释说明。2.1555振荡电路555振荡电路由555定时器和外部的电容式水位传感器组成,在MultiMultisim11.0中进行仿真，第22页西南交通大学电子技术课程设计（报告）电路如下图2，其中1,2所接的电容即是我们制作的电容式水位传感器，下图3和图4为该传感器的原理图和我们制作的实物图，其电容C与水位H之间的关系为:C=aH+b，水位越高电容越大。图2555振荡回路模拟电路图3水位传感器原理图图4水位传感器实物图555振荡电路输出波形为一矩形波，波形占空比和频率与传感器电容有如下关系：

7、第22页西南交通大学电子技术课程设计（报告）图5555振荡电路输出频率与水位传感器电容的仿真波形由上式可知，振荡电路的输出频率与传感器电容成反比，仿真波形如图5，因此输出频率与水位高度成负相关，根据公式换算可得水位高度H与振荡电路输出波形的频率f的关系：H=A/f-B，我们记录一些特定水位及该水位时555振荡回路的输出频率得到一组数据，通过软件模拟曲线得出A=74846.3，B=21.2，2.2频率计数频率计数模块由计数器，锁存器，D触发器3部分组成。本次课程设计中，芯片可提供50MHz的信号，我们通过分频得到1s的

8、闸门信号，此信号上升沿时对555振荡电路输出的信号进行周期计数，并由锁存器存储前一秒波形的频率，在下一秒计数前对计数器进行清零处理。在电路图设计中，我们采用对于50MHz频率进行23000分频，实现对于555输出频率信号以KHz为单位的计数，减少了采集数据的位数，便于并行比较器和数码管显示的编程实现。频率计数部分的模拟电路图由QuartusII