基于單片機的超聲波液位測量系統(tǒng)

1、本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要超聲波液位測量是一種非接觸式的測量方式,它是利用超聲波在同種介質(zhì)中傳播 速度相對恒定以及碰到障礙物能反射的原理研制而成的。與其它方法相比(如電磁的 或光學的方法),它不受光線、被測對象顏色的影響，對于被測物處于黑暗、有灰塵、 煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力。因此，研究超聲波在高精 度測距系統(tǒng)中的應用具有重要的現(xiàn)實意義。本設(shè)計基于單片機的超聲波液位測量系統(tǒng)主要由硬件與軟件兩部分組成，硬件是 基于 AT89C51 芯片為核心的超聲波液位測量，采用 AT89C51 單片機進行控制及數(shù)據(jù)處 理，給出了超聲波發(fā)射和接收電路，通過盲區(qū)的消除以及環(huán)境溫度的采樣

2、，提高了測 距的精確度。利用超聲波傳輸中距離與時間的關(guān)系，設(shè)計出了能精確測量兩點間距離 的超聲波液位檢測系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測量精度高的優(yōu)點，可實時 檢測液位。 并有超聲波處理模塊 CX20106A、CD4069 組成的超聲波發(fā)射電路、超聲波 接收電路、單片機復位電路、LED 顯示電路、報警電路等。軟件部分由主程序、預置 子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序組成。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分 析處理。最后通過實物的調(diào)試，各項參數(shù)及功能符合設(shè)計要求，能達到預期的目的。關(guān)鍵詞： 單片機;超聲波;溫度控制;高精度測距IAbstractThe ultrasonic liquid le

3、vel measurement is a non-contact measurement method, realized by the principle of ultrasonic wave in the same medium with relatively constant propagation velocity and being reflected when it approaches an obstacle. Compared with other methods (such as electromagnetic or optical method), it has a cer

4、tain of adaptability when objects to be measured are under such harsh environment as darkness, dust, smoke, electromagnetic interference, toxicity, unaffected by the light or the color of the object to be measured. Therefore, it bears important practical significance to conduct research on the appli

5、cation of ultrasonic wave in high precision ranging system.In this project, SCM-based ultrasonic liquid level measuring system is mainly composed of two components, namely the hardware and the software. The hardware is ultrasonic liquid level measurement based on AT89C51 chip as the core; it adopts

6、AT89C51 single chip microcomputer for control and data processing, provides the ultrasonic transmitting and receiving circuit, and improves ranging accuracy through elimination of blind spot and sampling of ambient temperature,. By taking advantage of the relationship between distance and time in ul

7、trasonic transmission, an ultrasonic liquid level detecting system which can accurately measure the distance between two points is designed. This system has these advantages like easy control, reliable operation, high measurement precision, and real-time detection of liquid level. And it has ultraso

8、nic transmitting and receiving circuit, reset circuits of SCM, LED display circuit, alarm circuit composed of ultrasonic processing module CX20106A and CD4069. The software part consists of main program, preset subroutine, transmitting and receiving subroutine, and display subroutine. The probe sign

9、al is processed by SCM through comprehensive analysis.Finally through debugging of real objects, various parameters and functions can meet the project requirements to achieve the desired objective.Key words: single chip microcomputer (SCM); ultrasonic wave; temperature control; high precision rangin

10、gII目 錄第一章 緒 論11.1 課題研究的背景及意義11.2 國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀31.3 液位計的類型31.4 本文的主要工作5第 2 章 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計72.1 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容和功能72.2 課題設(shè)計的任務和要求：72.3 系統(tǒng)方案選擇82.4 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計82.5 超聲波和超聲波傳感器92.6 超聲波傳感器的主要應用102.7 超聲波傳感器測距原理102.8 超聲波測距原理122.9 超聲波發(fā)生器選擇122.10 盲區(qū)處理14第 3 章 各單元硬件電路設(shè)計163.1 單片機最小系統(tǒng)電路163.2 溫度補償電路設(shè)計183.3 超聲波發(fā)射電路設(shè)計193.4 超聲波接收電路設(shè)計203.

11、5 顯示電路設(shè)計223.6 電源電路設(shè)計223.7 LED 顯示系統(tǒng)設(shè)計233.8 報警電路設(shè)計24第 4 章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計264.1 超聲波測距儀的算法設(shè)計264.2 主程序流程圖264.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖294.4 單片機的 C 程序設(shè)計314.5 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試32III4.6 調(diào)試分析374.6.1 LED 顯示程序的調(diào)試374.6.2 溫度測量程序的調(diào)試38第 5 章 結(jié)論39參考文獻40致謝42附錄43附錄52附錄53IV第一章 緒 論1.1 課題研究的背景及意義目前，液位測量技術(shù)已經(jīng)廣泛的運用在工業(yè)部門和日常檢測部門中。例如：液位 測量技術(shù)在石油、化工、氣象等部門的應用。

12、在測量條件和環(huán)境來說，有的測量系統(tǒng) 被運用在十分復雜的條件與環(huán)境中。例如:有的是高溫高壓，有的是低溫或真空，有 的需要防腐蝕、防輻射，有的從安裝上提出苛刻的限制，有的從維護上提出嚴格的要 求等。這些都大大的提高了對測量技術(shù)的要求。所以能實現(xiàn)測量的無接觸與智能化是 液位測量計現(xiàn)在的主要發(fā)展方向。近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，計算機、微電子、傳感器等高新技術(shù)的應用和研究， 液位儀表的研制得到了長足的發(fā)展，以適應越來越高的應用要求。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測量容器中液體的液位。在一般的生產(chǎn)過程中，液 位測量的目的主要是通過液位測量來確定容器里的原料、半成品或產(chǎn)品的數(shù)量，以保 證生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)物料平衡以及

13、為進行經(jīng)濟核算提供可靠的依據(jù);另外還為了在連續(xù) 生產(chǎn)的情況下，通過液位測量，了解液位是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而維持正常生產(chǎn)、 保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量以及保證安全生產(chǎn)。液位的測量在工業(yè)生產(chǎn)過程中的作用已經(jīng) 相當重要。隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，液位測量已應用到越來越多的領(lǐng)域，不僅用于各種容器、 管道內(nèi)液體液位的測量，還用于水渠、水庫、江河、湖海水位的測量。這些領(lǐng)域使用 傳統(tǒng)的液位測量手段已經(jīng)無法滿足對其精確性的要求，所以超聲波液位測量這種新的 測量方向已經(jīng)成為一種新的手段被廣泛的應用。在目前市場上，按測量液位的感應元件與被測液體是否接觸，液位儀表可以分為 接觸型和非接觸型兩大類3。接觸型液位測量主要有:人

14、工檢尺法、浮子測量裝置、 伺服式液位計、電容式液位計以及磁致伸縮液位計等。它們的共同點是測量的感應元 件與被測液體接觸，即都存在著與被測液體相接觸的測量部件且多數(shù)帶有可動部件。 因此存在一定的磨損且容易被液體沾污或粘住，尤其是桿式結(jié)構(gòu)裝置，還需有較大的 安裝空間，不方便安裝和檢修。非接觸型液位測量主要有微波雷達液位計、射線液位計以及激光液位計等。顧名 思義，這類測量儀表的共同特點是測量的感應元件與被測液體不接觸。因此測量部件 不受被測介質(zhì)影響，也不影響被測介質(zhì)，因而其適用范圍較為廣泛，可用于接觸型測 量儀表不能滿足的特殊場合，如粘度高、腐蝕性強、污染性強、易結(jié)晶的介質(zhì)。9超聲波液位測量計就屬于

15、非接觸型液位測量的一種，所以它也有不受被測介質(zhì)影 響，不影響被測介質(zhì)，能適應粘度高、腐蝕性強、污染性強、易結(jié)晶、高溫、高壓、 低溫、低壓、有輻射性、毒性、易揮發(fā)易爆等特殊介質(zhì)的測量的特點，能適應的范圍 比其它的測量手段更廣泛。隨著科學的發(fā)展液位的檢測方法也在變化，精度也有了更 佳的提高。單片機技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展使液位測量方法得到了更進一步的發(fā)展。 超聲波在液位測量中的應用也越來越廣，但是就目前的發(fā)展水平來說，超聲波在測距 系統(tǒng)中的應用還有一定的限度，因此研究超聲波的液位檢測是很有發(fā)展前景的。它在 技術(shù)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間。本次設(shè)計中，通過外界環(huán)境溫度的檢測提高了 超聲波測距的精度。

16、通過延時避免了接收未經(jīng)液面反射的超聲波，其次利用溫度傳感 器檢測外界溫度，采用當前溫度下的超聲波速度去計算，從而提高了距離計算的精度。在未來，超聲波的液位測量將有更大的用途，更大的應用范圍。它不但可以幫助 人們解決很多生活中的困難，還可以作為科學探測和研究的手段。特別是水位的測量， 可以幫助確定水位的高度，以便于其他工作的順利進行。本設(shè)計中采用反射式的方式，超聲波傳感器發(fā)射超聲波，遇到液面后超聲波被反 射回來，超聲波接收探頭接收超聲波。其間通過單片機的控制，P1.0 口輸出控制信 號從 555 振蕩器輸入到驅(qū)動電路驅(qū)動超聲波發(fā)射電路，超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生 40KHz 的調(diào)制脈沖，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超

17、聲波信號向前方空間發(fā)射。經(jīng)過液面反射后超聲波接 收探頭將接收到的超聲波送到單片機進行處理。單片機通過各個引腳來實現(xiàn)和各電路 模塊的接口連接。并通過軟件的設(shè)計來控制整個檢測過程。一步一步，從發(fā)射到接收 超聲波，定時器的初始化，中斷程序的編寫，溫度的采樣，距離的計算，單片機都發(fā) 揮了重要的最用。它是整個檢測系統(tǒng)的內(nèi)部核心。這次對超聲波液位檢測的設(shè)計獲得了具有很大的成果和意義，在這個科學技術(shù)是 第一生產(chǎn)力的時代，應用科學技術(shù)去解決生活中和工作的困難變得具有更高的價值。 在設(shè)計中，我加深了對超聲波的認識，對它的原理掌握的更好了。目前超聲波已廣泛 運用于診斷學、治療學、工程學、生物學等領(lǐng)域。此外我認識到

18、單片機在各方面都有 很大的應用潛能，在自動控制領(lǐng)域它更是發(fā)揮了不可替代的作用。本設(shè)計利用超聲波 實現(xiàn)液位的測量，檢測方便，易于實時控制，達到了工業(yè)的要求，因此具有實際的意 義和廣泛的應用前景。1.2 國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了微波雷達測距、激光測距及超聲波測距。前 2 種方法 由于技術(shù)難度大成本高一般僅用于軍事工業(yè)而超聲波測距則由于其技術(shù)難度相對較 低且成本低廉適于民用推廣。這項技術(shù)也可用于工業(yè)測量領(lǐng)域。由于超聲波指向性強， 能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波常常用于距離的測量，如測距 儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、 計算

19、簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在 移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。隨著自動測量和微機技術(shù)的發(fā)展，超聲波 測距的理論已經(jīng)成熟，超聲波測距的應用也非常廣泛。超聲測距是一種非接觸式的檢 測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學的方法，它不受光芒、被測對象顏色等影 響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的 適應能力。因此在液位測量、機單片機畢業(yè)論文械手控制、車輛自動導航、物體識別 等方面有廣泛應用。特殊是應用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包 含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很輕易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其正確度

20、也 較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點。 因此本設(shè)計也是利用超聲波來測量距離。1.3 液位計的類型按測量液位的感應元件與被測液體是否接觸，液位儀表可以分為接觸型和非接觸 型兩大類。一、接觸型液位儀表： 接觸型液位儀表主要有:人工檢尺法、浮子測量裝置、伺服式液位計、電容式液位計以及磁致伸縮液位計。它們的共同特點是測量的感應元件與被測液體接觸。 1.人工檢尺法：計量員上到罐頂，自計量孔投放測深鋼卷尺，然后取出尺子，觀測液面浸濕尺子的刻度，此為人工檢尺法。人工檢尺法具有測量簡單、直觀、成本低 等特點，但由于其是人工測量，故不適合在惡劣的情況下使用，另外需要較長的

21、測量 時間，難以實現(xiàn)在線實時測量，不僅如此，還容易造成人為的測量誤差。2.浮子測量裝置：它是由浮子、傳感器和二次儀表組成，是通過用浮子測量浮力 的大小定量測量液位，將該裝置固定在罐中，使浮子立于罐中處于相對靜止狀態(tài)，浮 子在罐中所受浮力的大小等于液體的排出量。當浮力的大小發(fā)生變化時，變化值通過 浮子傳遞給傳感器，經(jīng)過二次儀表顯示出液位的數(shù)值。浮子式液位裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、 價格便宜等優(yōu)點，但是浮子會隨著液面的波動而波動，從而造成讀數(shù)誤差。浮子測量 裝置的適用范圍為非腐蝕液體的測量。3.伺服式液位計：伺服式液位計基于浮力平衡的原理，由微伺服電動機驅(qū)動體積 較小的浮子，能精確地測出液位等參數(shù)?，F(xiàn)代伺

22、服液位計的測量精度己達到 40m 范圍 內(nèi)小于士 1 mm。但是，由于伺服式液位計仍屬于機械測量裝置，存在機械磨損，影 響了測量的精度，因此需要定期維修和重新定標且安裝困難。4.電容式液位計：電容液位傳感器是利用被測對象物質(zhì)的導電率，將液位變化轉(zhuǎn) 換成電容變化來進行測量的一種液位計。與其他液位傳感器相比，電容液位傳感器具 有靈敏性好、輸出電壓高、誤差小、動態(tài)響應好、無自熱現(xiàn)象、對惡劣環(huán)境的適用性 強等優(yōu)點。常見的電容傳感器測量電路有變壓器電橋式、運算放大器式及脈沖寬度式 等。這類儀表適用于腐蝕性液體、沉淀性液體以及其它化工工藝液體液面的連續(xù)測量 與位式測量，或單一液面的液位測量。5.磁致伸縮液

23、位計：磁致伸縮液位計采用磁致伸縮技術(shù)來測量大罐的油水界面和 油氣界面。通常情況下，磁致伸縮液位計安裝有兩個浮子，其中一個浮子的密度小一 于油品的密度，另一個浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它們分別用來檢 測油氣界面和油水界面。磁致伸縮液位計安裝容易，不需要定期維修和重新定標，工 作壽命較長。其測量精度較高，測量的重復精度也較高，是比較理想的接觸型液位計。 但是磁致伸縮液位計與被測液體接觸，儀器容易受到腐蝕，且液體的密度變化會帶來 測量誤差。此外，浮子裝置沿著波導管的護導管上下移動，容易被卡死，從而影響液 位的止確測量。二、非接觸型液位儀表： 非接觸型測量儀表主要包括超聲波液位計、雷達液

24、位計、射線液位計、激光液位計以及光纖液位計等。這類液位測量儀表的共同特點是測量的敏感元件與被測液體不 接觸，因此不受被測介質(zhì)影響，也不影響被測介質(zhì)，因而適用范圍較為廣泛，可用于 接觸式測量儀表不能滿足的特殊場合，如粘度高、腐蝕性強、污染性強、易結(jié)晶的介 質(zhì)。1.超聲波液位計：超聲波液位計是由微處理器控制的數(shù)字物位儀表。在測量中脈 沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)液體表面反射后被同一種傳感器接收，轉(zhuǎn) 換成電信號。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時間來計算傳感器到被測物體的距離。由 于采用非接觸的測量，被測介質(zhì)幾乎不受限制，可廣泛用于各種液體和固體物料高度 的測量。目前，智能化的超聲波液位計能夠?qū)?/p>

25、接收信號做精確的處理和分析：可以將 各種干擾信號過濾出來;識別多重回波；分析信號強度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息。這樣 即便在有外界干擾的情況下，也能夠進行精確的測量。超聲波液位計不僅能定點和連 續(xù)測量，而且能方便地提供遙測和遙控所需的信號。同時，超聲波液位計不存在可動 部件，所以在安裝和維護上相應比較方便。超聲測位技術(shù)可適用于氣體、液體或固體 等多種測量介質(zhì)，因而具有較大的適應性且價格較為便宜。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的超聲波傳感器可測量高達 15m 的液位。 2.雷達液位計：在罐頂安裝天線，天線發(fā)射的微波是頻率波線性調(diào)制的連續(xù)波，當回波被天線接收到時，天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)回波與發(fā)射波的頻率差可以

26、計 算出物料面的距離。FMCW 方式測量線路較復雜，從而測量精確度較高，同時干擾回 波也較易去除，一般用于較高端的測量方案，但是安裝比較復雜且價格不菲。3.射線液位計：核輻射放出的射線(如丫射線等)具有較強的穿透能力，且穿過不 同厚度的介質(zhì)有不同的衰減特性，核輻射式液位計正是利用這一原理來測量液位的。 核輻射式液位計的核輻射源用點式或狹長型結(jié)構(gòu)安裝在油罐的外面，狹長型核輻射源 檢測元件也安裝在油罐外面，可實現(xiàn)對液位動態(tài)變化的檢測。除利用核輻射射線來測 量之外，還可采用中子射線來測量液位。射線液位計安裝非常方便，測量精度較高。 因為它沒有任何部件與被測物體直接接觸，特別適用于傳統(tǒng)測量儀表不能解決

27、的測量 問顆。4.激光液位計：其測量原理類似于超聲波液位計，只是采用光波代替了超聲波。 發(fā)射傳感器發(fā)射出激光，照射到被測液面，在液面處發(fā)生反射，接收傳感器接收反射 光，將從發(fā)射至接收的時間換算成液位。激光的光束很窄，在液位計中通過光學系統(tǒng) 轉(zhuǎn)換成約 20mm 寬的光束，這樣即使被測物面很粗糙，漫反射光也能被傳感器接收。 激光液位計非常適用于開口很狹窄的容器以及高溫、高粘度的測量對象。而缺點是對 液面的波動很敏感，大罐內(nèi)的油蒸汽，水氣等微粒對測量不利，且光學鏡頭必須定期 保持清潔。5.光纖液位計：光纖液位檢測是近年來出現(xiàn)的一種新技術(shù)。根據(jù)光導纖維中光在 不同介質(zhì)中傳輸特性的改變對液位進行測量。這

28、類檢測儀表一般具有體積小、重量輕、 無動作部件、安裝方便等優(yōu)點、大多可適用于任何液體液位高度的檢測與控制，特別 適用于易燃、易爆、腐蝕性液體的檢測。這類檢測儀表檢測精度高但正處于發(fā)展階段 尚未成熟。1.4 本文的主要工作本文主要是針對類似油罐等封閉式液體的液位的測量，在考慮了各種液位測量 方式后，根據(jù)前文所述，決定要超聲波作為主要手段，采用脈沖回波測量法。此次設(shè) 計采用反射波方式,超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、 超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用 AT89C51 或其兼容系列。 采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片

29、機用 P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電 路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 LED 數(shù)碼管。超聲波發(fā)射電路主要由反相器 CD4069 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，單片機 P1.0 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另 一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加 到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用 以提高驅(qū)動能力。上位電阻 R2、R3 一方面可以提高反相器 CD4069 輸出高電平的驅(qū)動 能力，另一方面可以增

30、加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩時間。壓電式超 聲波換能器是利用壓電晶體管的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和 一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓 電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器； 反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動， 將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收 換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。超聲波檢測接收電路主要是由集成電路 CX20106A 組成，它是一款紅外線檢波接 收的專用芯片，常用于電視機紅外

31、遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38kHz 與測距的超聲波頻率 40kHz 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。 實驗證明用 CX20106A 接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強 的抗干擾能力。適當更改電容 C16 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、超聲波接收中斷程序 及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則 具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序有較復雜的 計算（計算距離時），所以控制程序可采用 C 語言編程。超聲波測距儀主程

32、序利用外 中斷 1 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平）， 立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關(guān)閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標志 字賦值 1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷 將外中斷 0 關(guān)閉，并將測距成功標志字賦值 2 以表示此次測距不成功。超聲波測距的算法設(shè)計原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號， 當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計 算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射 物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動

33、單片機內(nèi)部的定時器 T0，利用定時器的計 數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電 路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在 INT0 端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷 請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。第 2 章 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容和功能本設(shè)計中采用反射式的方式，超聲波傳感器發(fā)射超聲波，遇到液面后超聲波被反 射回來，超聲波接收探頭接收超聲波。其間通過單片機的控制，I/O 口輸出控制信號 從 NE555 振蕩器輸入到 CD4069 驅(qū)動電路驅(qū)動超聲波發(fā)射電路，超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生 40KHz 的調(diào)制脈沖，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號

34、向前方空間發(fā)射。經(jīng)過液面反射后超 聲波接收探頭將接收到的超聲波送到單片機進行處理。輸出由 LED 數(shù)碼管顯示，通過 盲區(qū)的消除以及環(huán)境溫度的采樣，提高了測距的精確度。利用超聲波傳輸中距離與時 間的關(guān)系，采用 AT89C51 單片機進行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計出了能精確測量兩點間距 離的超聲波液位檢測系統(tǒng)。利用所設(shè)計出的超聲波液位檢測系統(tǒng)，對液面進行了測試， 采集當時的環(huán)境溫度獲得精確的速度，計算出液面距離。此系統(tǒng)具有易控制、工作可 靠、測量精度高的優(yōu)點，可實時檢測液位。設(shè)計具體內(nèi)容： (1)AT89C51 主控單元電路 (2)超聲波發(fā)射電路 (3)超聲波接收電路 (4)溫度補償電路 (5)報警及顯

35、示電路2.2 課題設(shè)計的任務和要求：(1) 測量距離范圍要求為9.99 m；(2) 精度要求 1 cm；(3) 有溫度補償；(4) 顯示方式為數(shù)碼管顯示；(5) 具有較強的抗干擾能力。(6) 盲區(qū)問題有一定的解決方法。2.3 系統(tǒng)方案選擇為使基于單片機的超聲波液位測量控制系統(tǒng)具有較好的實用性，并且具有較高的 性能/價格比，對該系統(tǒng)的硬件電路作了精心設(shè)計。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用了模塊化 的設(shè)計方法。按實現(xiàn)的功能來分可分為以下幾個部分。其中 AT89C51 單片機是整個 電路的核心，它控制其他模塊來完成各種復雜的操作。外圍電路包括溫度補償電路、 超聲波發(fā)射及接收電路、報警及顯示電路等等。方案一:我們

36、可以用 NE555 振蕩產(chǎn)生 40KH 的方波信號，它是基于硬件的基礎(chǔ)上， 便于我們可以通過示波器觀察到 40KH 的方波，具有直觀且易于觀察的特點，有利于 電路的檢測。方案二:我們可以通過單片機產(chǎn)生 40KH 的脈沖信號，在通過 CD4069 驅(qū)動，將 40KH 的脈沖信號發(fā)射出去，由于是軟件控制，準確度比較高。經(jīng)過比較我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射電路中方案一的設(shè)計是比較經(jīng)濟實惠而且比較方便， 但方案二中的軟件設(shè)計使發(fā)射超聲波時間比較容易控制，而且超聲波的頻率準確度比 較高，本設(shè)計要求測量精度在 1cm 以內(nèi)，在方案二中我們通過采用 CX20106 可以將信 號進行放大和整形處理，在 CX20106 的

37、 5 腳和 7 腳串聯(lián)一個 200K 的電阻可以將頻率 穩(wěn)定在 40KH。因此在本次設(shè)計中，我們選用的是方案二，以提高測量結(jié)果的準確度， 并且在整個系統(tǒng)中我們都會采用單片機做計算和顯示。2.4 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計本設(shè)計基于單片機的超聲波液位測量系統(tǒng)主要由單片機、溫度檢測電路、超聲波 發(fā)射電路、超聲波接收電路、LED 顯示電路、報警電路等組成。本設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，以單片機 AT89C51 為核心，將其他模塊有機的整 合在一起，形成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)的框圖如圖 2.1 所示。LED 顯示超聲波接收AT89C51單片機報警系統(tǒng)超聲波發(fā)送555電路溫度檢測圖 2.1 超聲波液位測量系統(tǒng)框圖

38、2.5 超聲波和超聲波傳感器科學家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗?能聽到的聲波頻率為 2020000 赫茲。當聲波的振動頻率大于 20000 赫茲或小于 20赫茲時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于 20000 赫茲的聲波稱為“超聲波”。 超聲波的兩個主要參數(shù)： 頻率：F20K/Hz； 功率密度：p=發(fā)射功率(W)/ 發(fā)射面積(cm2);通常 p0.3w/cm2; 在液體中傳播的超聲波能對物體表面的污物進 行清洗，其原理可用“空化”現(xiàn)象來解釋：超聲波振動在液體中傳播的音波壓強 達到一個大氣壓時，其功率密度為 0.35w/cm2，這時超聲波的音波壓強峰值就可

39、達到真空或負壓，但實際上無負壓存在，因此在液體中產(chǎn)生一個很大的壓力， 將液體分子拉裂成空洞空化核。此空洞非常接近真空，它在超聲波壓強反向 達到最大時破裂，由于破裂而產(chǎn)生的強烈沖擊將物體表面的污物撞擊下來。這 種由無數(shù)細小的空化氣泡破裂而產(chǎn)生的沖擊波現(xiàn)象稱為“空化”現(xiàn)象。 太小的聲 強無法產(chǎn)生空化效應。一 、超聲波的特性（1）超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。（2）超聲波可傳遞很強的能量。（3）超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。（4）超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。 二 、超聲波的特點（1）超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中。（2）超聲波

40、能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠的距離。（3）超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應）。 超聲波是一種波動形式，它可以作為探測與負載信息的載體或媒介（如 B 超等用作診斷）；超聲波同時又是一種能量形式，當其強度超過一定值時，它就可以通過 與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用 作治療）。2.6 超聲波傳感器的主要應用超聲波傳感技術(shù)應用在生產(chǎn)實踐的不同方面，而醫(yī)學應用是其最主要的應用之 一，下面以醫(yī)學為例子說明超聲波傳感技術(shù)的應用。超聲波在醫(yī)學上的應用主要是診 斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學中不可缺少的診

41、斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受 檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。因而推廣容易，受 到醫(yī)務工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學原理，我們來看看其中 有代表性的一種所謂的 A 型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當超聲波在人體 組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一 個反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲 的振幅的高低。在工業(yè)方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去， 許多技術(shù)因為無法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這 種狀況。當然更多的超聲

42、波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測 人們所需要的信號。在未來的應用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來， 將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。2.7 超聲波傳感器測距原理超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高 于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長 短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、 固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲 波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效 應。因此超聲波檢測

43、廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就 是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。一 、超聲波傳感器的性能指標 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同19的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓 的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用

44、超聲波探頭 使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不會失效。醫(yī)療用的超聲 探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之， 靈敏度低。二、 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu) 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭 姆波探頭、雙探頭等。當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形。另一方面， 當振動壓電陶瓷時，則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片 壓電陶瓷和一個金屬片構(gòu)成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元

45、件，施加一個電信號時， 就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產(chǎn) 生一個電信號?；谝陨献饔茫憧梢詫弘娞沾捎米鞒暡▊鞲衅?。如超聲波傳感器，一個復合式振動器被靈活地固定在底座上。該復合式振動器是 諧振器以及，由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一個結(jié) 合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有 效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的 侵入。壓電陶瓷被固定在金屬盒體的頂部內(nèi)側(cè)。底座固定在盒體的開口端，并且使用 樹脂進行覆蓋。對應用于工業(yè)機器

46、人的超聲波傳感器而言，要求其精確度要達到 1mm，并且具有較強的超聲波輻射。利用常規(guī)雙壓電晶片元件振動器的彎曲振動，在頻率高于 70kHz 的情況下，是 不可能達到此目的的。所以，在高頻率探測中，必須使用垂直厚度振動模式的壓電陶 瓷。在這種情況下，壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就變得十分重要。壓電陶瓷的聲 阻抗為 2.6107kg/m2s，而空氣的聲阻抗為 4.3102kg/m2s。5 個冪的差異會導致在 壓電陶瓷振動輻射表面上的大量損失。一種特殊材料粘附在壓電陶瓷上，作為聲匹 配層，可實現(xiàn)與空氣的聲阻抗相匹配。這種結(jié)構(gòu)可以使超聲波傳感器在高達數(shù) 百 kHz 頻率的情況下，仍然能夠正常工作。2.

47、8超聲波測距原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲 波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就 立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時間 差測距法。圖 2.2 超聲波液位測量示意圖超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在 發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到 障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。測距的公式表示為：L=CT式中 L 為測量的

48、距離長度；C 為超聲波在空氣中的傳播速度； T 為測量距 離傳播的時間差(T 為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖 然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要 直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。2.9超聲波發(fā)生器選擇超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式 產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出 傳播距離

49、。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式， 適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效 應的傳感器，常用材料是壓電式陶瓷。由于超聲波在空氣傳播時會有相當?shù)乃p，衰 減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應選擇高頻率 的傳感器，而長距離測量時應用低頻率的傳感器。一 、超聲波接收傳感器及處理芯片 CX20106A超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料 可以有許多種。晶片的大小，如

50、直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同 的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率 和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功 率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫 度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度 低。因此超聲波接受傳感器應該應用集成電路 CX20106A，CX20106A 是一款紅外線 檢波接收的專用芯

51、片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻 率 38kHz 與測距的超聲波頻率 40kHz 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電 路。實驗證明用 CX20106A 接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和 較強的抗干擾能力。適當更改電容 C6 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上二 、溫度傳感器的選擇 大家知道，聲音在不同溫度的空氣中傳播速度是不同的，所以這里要考慮到溫度補償?shù)膯栴}。溫度傳感器有很多種，例如溫度傳感器 AD590。AD590 是美國模擬器件公司生 產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的

52、熱力學 溫度（開爾文）度數(shù)。AD590 的測溫范圍為-55+150。AD590 的電源電壓范圍 為 4V30V。電源電壓可在 4V-6V 范圍變化，電流變化 1mA，相當于溫度變化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。輸出 電阻為 710WM。它的精度高。AD590 共有 I、J、K、L、M 五檔，其中 M 檔精度最 高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為0.3。但是考慮到成本問題我選用TS-18B20 數(shù)字溫度傳感器。 該產(chǎn)品采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰， 體積小，使用方

53、便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用無 需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為 3.0V 至 5.5V 無需備用電源測量。溫度范 圍為-55C 至+125 。-10C 至+85C 范圍內(nèi)精度為0.5C溫度傳感器可編程的分辨率為 912 位溫度轉(zhuǎn)換為 12 位數(shù)字格式最大值為 750 毫秒用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置應用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費電 子產(chǎn)品溫度計，或任何熱敏感系統(tǒng)。2.10 盲區(qū)處理超聲波是由壓電晶片振動產(chǎn)生的，壓電晶片的振動是由信號控制的，當信號停止 的同時，晶片由于慣性要等一

54、段時間才能停下來，之后才能接收回波信號，這段時間 內(nèi)超聲波傳感器仍然在發(fā)射信號，因此不能接收回波信號，故稱之為盲區(qū)。 當發(fā)射超聲波時，雖然發(fā)射信號只保持一個很短的時間，但停止發(fā)射信號后，超聲波 探頭上還存在一定的余振，因此在發(fā)射信號停止后的一段時間內(nèi)，加在回波檢測電路 輸入端的發(fā)射信號幅值仍是相當強的，可以達到電路的限幅電平。另一方面超聲波探 頭上接收到的反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近處的障礙物發(fā)射信號也 達不到電路的限幅電平。當障礙物離探頭越來越遠時，接收信號與發(fā)射信號相隔時間 越來越長，發(fā)射信號的幅值也相應地越來越小。在超聲波檢測中，接收信號的衰減程 度設(shè)計的比發(fā)射信號余振的衰

55、減慢得多，如圖中實線所示。圖 2.3 測量盲區(qū)示意圖為了保證有一定的信噪比，接收信號的幅值規(guī)定了一個閥值Vm ，也就是說接收信號 的幅值必須大于這一閥值時才能使回波接收電路有輸入信號。從圖中可見，從 b 點以后接收信號將低于閥值，這相當于所測距離的最大值。從圖中的 a 點以后，接收信號 才開始比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信號相互迭加，較難分辨，因此這段時間內(nèi)不能進行測量。從圖中的 c 點以后，發(fā)射信號己低于閥值Vm ，接收信號才基本上擺脫了 發(fā)射信號的影響而能明顯地分辨出來。所以在要求較高時，把 oc 這段時間規(guī)定為盲 區(qū)時間。從距離上說，可根據(jù)盲區(qū)時間和聲速，求得盲區(qū)距離。因此，oc 為盲區(qū)時

56、 間，cb 為可測范圍，b 為可測距離的最遠點。對盲區(qū)問題普遍處理辦法是對繞射虛假信號作屏蔽，而屏蔽辦法多種多樣?？梢?從硬件上屏蔽，也可以從軟件上采用信號濾波，或者延時接收。如果從發(fā)射開始一直 到“虛假反射波”結(jié)束這段時間，采取關(guān)閉中斷的方法，從而不會發(fā)生中斷申請，躲避 繞射干擾。這種方法優(yōu)點是處理簡潔，故本系統(tǒng)就選用這種辦法。第 3 章 各單元硬件電路設(shè)計3.1 單片機最小系統(tǒng)電路AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器（FPEROMFlash Programmabl e and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器， 俗稱單片機。AT89C51 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片 機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高 密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相 兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中