水位显示与控制

Water Level Meter

内容提要

设计任务

设计原理

设计与制作步骤

进度安排

报告要求

参考文献

设计任务1. 基本要求：

（ 1 ）给出有水，无水等指示信号。（ 2 ）用 10 只发光二极管显示水位高低。2. 提高部分：（ 1 ）数字显示水位（ 2 ）用水泵进行抽水和蓄水控制（ 3 ）根据湿度进行水位控制

设计原理

系统框图

自制

水位传感器

4 位 7 段 LED 显示

控制信号

频率计

频率 / 水位Ⅰ

10 位LED

驱动电路

提高部分

频率 / 水位 Ⅱ

电容 /频率

扫描与驱动二进制 /

BCD

水位传感器原理1. 传感器的选择

压力式水位传感器，浮子式水位计以及电容式水位传感器，本次采用易于自己制作的导线式电容水位传感器。

水位传感器原理2. 水位传感器电容与水位关系

水位 H 与电容 C 公式为 C=aH+b, 其中 a,b 需要通过实验测得。

水位传感器原理3. 水位 - 频率转换

水位传感器原理

如图所示为由 NE555 构成多谐振荡电路。 2,6 脚接电容传感器

1 2

1

0.7( 2 )f

R R C

2 ln 2plT R C

1 2 ln 2phT R R C

AH B

f 水位 A， B要自己测定

水位传感器原理一组测量值如下表

实际水位（ mm ） 555 振荡电路输出频率（ Hz）

0 2163614 1843818 1371537 1187546 1065962 872271 6954由此可得出水位 H 与频率 f 关系为： H=79800/f-29

频率计模块 1 秒闸门信号 + 计数器 + 锁存器 :

1秒闸门信号

清 0

下降沿锁存计数值

频率 / 水位 Ⅰ模块

频率 / 水位Ⅰ实际就是一个并行比较器，可由Verilog HDL 编程实现，即粗略给出水位范围

再由 LED BAR 显示出来。

频率 / 水位 Ⅰ模块仿真波形

频率值

比较器输出

顶层原理图层次化设计 （教材 3.4 节） a1 200 Signed Integer

a2 300 Signed Integera3 400 Signed Integera4 500 Signed Integera5 1000 Signed Integera6 2000 Signed Integera7 3000 Signed Integera8 4000 Signed Integera9 5000 Signed Integera10 6000 Signed Integer

Parameter Value Type

f requency [15..0] Led[9..0]

compare

inst

555_output

1MHz_clk

frquency[15..0]

clk_1sec

COUNT

counter

inst1

VCCSensor INPUT

VCCclk INPUT

out[9..0]OUTPUT

LED Bar 显示与驱动电路

LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 LED7 LED8 LED9 LED10LED1

Q1

2N2222A

Q2

2N2222A

Q3

2N2222A

Q4

2N2222A

Q5

2N2222A

Q6

2N2222A

Q7

2N2222A

Q8

2N2222A

Q9

2N2222A

Q10

2N2222A

R1510

R2510

R3510

R4510

R5510

R6510

R7510

R8510

R9510

R10510

R115.1k

R125.1k

R135.1k

R145.1k

R155.1k

R165.1k

R175.1k

R185.1k

R195.1k

R205.1k

VCC5V

VCC5V

频率 / 水位 Ⅱ模块 除法运算，减法运算

除法：调用 Quartus II 宏功能模块 , 在原理图编缉窗的元件库 megafunctions 中选“ arithmetic” 的“ lpm_divide” ，设置参数即可 .

AH B

f

VCCcontance[9..0] INPUT

VCCf requency [5..0] INPUT

height[9..0]OUTPUT

Denom is UNSIGNED

Numer is UNSIGNED

numer[9..0]

denom[5..0]

quotient[9..0]

remain[5..0]

lpm_divide0

inst

二进制– BCD 转换 前面的运算部分得到的结果是二进制 , 为了能够按人们方便的形式读数，需要将二进制结果转换成 BCD 码，这个模块将实现这个功能。 用 4 位二进制数来表示 1 位十进制数中的 0~9 这10 个数码，简称 BCD 码 （ Binary-Coded

Decimal ）。 具体算法见参考资料

LED 阵列 --- 静态显示

LED 阵列 --- 动态显示

LED 阵列 --- 动态显示

4 位动态显示驱动电路

由于 CPLD的输出信号的驱动电流不够大，

不足以点亮或者不能点亮数码管，所以在

这里利用 NPN三极管反相驱动数码管，如

图所示

DISPLAY 模块 这个模块是为数码管的显示做准备，由于采用的四位

共阴极的扫描显示数码管，所以这个模块需要包括两个模块一个是用来扫描显示数据的扫描模块，一个是用来为数码管显示译码的模块

在 SCAN扫描模块基础上后面另接一个译码电路，将 BCD 码译成数码管可以显示的值

扫描时序图

高电平选中 100Hz—1kHz

输入的 4位数据

每选中一位，准备好一位数据

水位计实物

水位计实物

水位计实物

水泵控制

水泵

设计制作步骤1. 设计仿真 （ 1 ）查芯片资料，设计电路 （ 2 ）用 MULTISM 进行仿真，给出各主要点波形； （ 3 ） Quartus 编程及仿真 （ 4 ）用 Protel 画详细电路图：标明元件值 （ 5 ）列元件清单（要用的所有器件），经指导教师检查（仿 真结果及电路）后领器件 2. 领元器件 3. 调试 在实验箱上搭建并调试电路， 修改调试电路，修改调试程序 经老师检查验收并登记后进行下一步。

设计制作步骤4. 制作 （ 1 ）领接线柱，集成电路插座，电路板等。 （ 2 ）制作 PCB ，焊接，安装 （ 3 ）调试 （ 4 ）测试数据5. 完成报告 问题陈述，总体方案，各单元电路设计，彷真波形， PCB 图 实际电装图，测试结果等，实物照片，使用说明等6.最后验收 验收实物作品（标有题目，组号，成员姓名，班级，学号） 电子文档（设计文件，照片，视频） 验收报告 交还仪器等

进度表

报告要求 报告封面（包括：题目，姓名，学号，班级，日期） 摘要 目录 问题陈述，总体方案 各单元电路设计 软件设计（包括流程和源程序等），彷真波形， 完整电路图， PCB 图，实际电装图 测试 实物照片，使用说明等 结论与收获体会 参考文献（如果有）

实验室提供的元器件 TLC555 1 只 粗铜丝（漆包线），直径 1.5mm 左右 三极管 10 只 8050 LM7805 1 只 有源晶振（产生方波） 1MHz 1 只 普通发光二极管 10 只 （兰色） 普通发光二极管 1 只 （红色） 电阻： 5.1k ， 10k ， 51Ω ， 510Ω 电容： 1nF ， 10nF ， 100nF 电源小插座（装在 PCB 上那种 , 接稳压电源的输出） 四位（动态） 7 段 LED （共阴）型号 SR420561K

参考文献

[1] RC Oscillators and Measurement.DOC

[2] Binary_to_BCD_Converter.PDF[3] L298.PDF