基于單片機的超聲波液位測量系統(tǒng)本科生畢業(yè)設計論文

1、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，提高了測距的精確度。利用超聲波傳輸中距

2、離與時間的關系，設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。最后通過實物的調試，各項參數(shù)及功能符合設計要求，能達到預期的目的。 關鍵詞： 單片機;超聲波;溫度控制;高精度測距abstractthe ultrasonic liquid level measurement is a non-cont

3、act 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 certain of adaptability when obj

4、ects 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 application of ultrasonic wave in

5、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 at89c51 single chip microcomp

6、uter 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 ultrasonic transmission, an ult

7、rasonic 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 ultrasonic transmitting and receivin

8、g 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 signal is processed by scm throug

9、h 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 ranging畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本

10、人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印

11、、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權

12、 大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日指導教師評閱書指導教師評價：一、撰寫（設計）過程1、學生在論文（設計）過程中的治學態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、學生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學生綜合運用所學知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 優(yōu) 良 中 及格 不及格4、研究方法的科學性；技術線路的可行性；設計方案的合理性 優(yōu) 良 中 及格 不及格5、完成畢業(yè)論文（設計）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 及

13、格 不及格二、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內(nèi)畫“”）指導教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符

14、合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內(nèi)畫“”）評閱教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日教研室（或答辯小組）及教學系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設計）的基本要點和見解的敘述情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格

15、2、對答辯問題的反應、理解、表達情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學生答辯過程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格評定成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內(nèi)畫“”）教研室主任（或答辯小組

16、組長）： （簽名）年 月 日教學系意見：系主任： （簽名）年 月 日目 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)的總體方案設計72.1 系統(tǒng)設計內(nèi)容和功能72.2 課題設計的任務和要求：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 各單元硬件電路設計163.1 單片機最小系統(tǒng)電路163.2 溫度補償電路設計183.3 超

17、聲波發(fā)射電路設計193.4 超聲波接收電路設計203.5 顯示電路設計223.6 電源電路設計223.7 led顯示系統(tǒng)設計233.8 報警電路設計24第4章 系統(tǒng)軟件的設計264.1 超聲波測距儀的算法設計264.2 主程序流程圖264.3 系統(tǒng)軟件設計框圖294.4 單片機的c程序設計314.5 系統(tǒng)的軟硬件的調試394.6 調試分析394.6.1 led顯示程序的調試394.6.2 溫度測量程序的調試40第5章 結論41參考文獻42致謝44附錄45附錄54附錄55第1章第一章 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

18、術在石油、化工、氣象等部門的應用。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

19、程各環(huán)節(jié)物料平衡以及為進行經(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

20、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，尤其是桿式結構裝置，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影響，也不影響被測介質，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、易結晶的介質。超聲波液位測量計就屬于非接觸型液

21、位測量的一種，所以它也有不受被測介質影響，不影響被測介質，能適應粘度高、腐蝕性強、污染性強、易結晶、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。單片機技術和傳感器技術的發(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。它在技術和產(chǎn)業(yè)領域具有廣闊的發(fā)展空間。本次設計中，通過外界環(huán)境溫度的檢測提高了超聲波測距的精度。通過延時避免了接收未經(jīng)液面

22、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振蕩器輸入到驅動電路驅動超聲波發(fā)射電路，超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生40khz的調制脈沖，經(jīng)換能器轉換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。經(jīng)過液面反射后超聲波接

23、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計獲得了具有很大的成果和意義，在這個科學技術是第一生產(chǎn)力的時代，應用科學技術去解決生活中和工作的困難變得具有更高的價值。在設計中，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、生物學等領域。此外我認識到單片機在各方面都有很大的應用潛能，在自動控制領域它更是發(fā)揮了

24、不可替代的作用。本設計利用超聲波實現(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難度相對較低且成本低廉適于民用推廣。這項技術也可用于工業(yè)測量領域。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，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

25、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構信息很輕易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其正確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結構簡單、體積小、信號處理可靠等特點。因此本設計也是利

26、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

27、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構簡單、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，由微伺服電動機驅動體積較小的浮子，能精確地測出液位等參數(shù)?，F(xiàn)代伺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

28、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的導電率，將液位變化轉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.磁致伸縮液位計：磁致伸縮液位計采用磁致伸縮技術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

29、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，因此不受被測介質影響，也不影響被測介質，因而適用

30、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、易結晶的介質。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對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

31、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。超聲測位技術可適用于氣體、液體或固體等多種測量介質，因而具有較大的適應性且價格較為便宜。新型氣密結構、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

32、丫射線等)具有較強的穿透能力，且穿過不同厚度的介質有不同的衰減特性，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構安裝在油罐的外面，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

33、的光束很窄，在液位計中通過光學系統(tǒng)轉換成約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。根據(jù)光導纖維中光在不同介質中傳輸特性的改變對液位進行測量。這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

34、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。此次設計采用反射波方式,超聲波測距儀硬件電路的設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構成，單片機p1.0端口輸出的40k

35、hz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輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增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

36、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構上稍有不同，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計主

37、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計原理為超聲波發(fā)生器t在

38、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)的總體方案設計2.1 系統(tǒng)設計內(nèi)容和功能本設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

39、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驅動電路驅動超聲波發(fā)射電路，超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生40khz的調制脈沖，經(jīng)換能器轉換為超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。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系，采用at89c51單片機進行控制及數(shù)據(jù)處理，設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

40、度高的優(yōu)點，可實時檢測液位。設計具體內(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)報警及顯示電路2.2 課題設計的任務和要求：(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計。該系統(tǒng)的硬件設計采用了模塊化的設計方法。按實現(xiàn)的功能來分可分為以下幾個部分。其中at89c51 單片

41、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:我們可以用ne555振蕩產(chǎn)生40kh的方波信號，它是基于硬件的基礎上，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計是比較經(jīng)濟實惠而且比較方便，但方案二中的軟件設計使發(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，本設計要求測量精度在1cm

42、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。因此在本次設計中，我們選用的是方案二，以提高測量結果的準確度，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)總體方案的設計本設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。本設計采用模塊化設計思想，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。報警系統(tǒng)超聲波接收超聲波發(fā)送 at89c51 單片機l

43、ed顯示溫度檢測555電路圖2.1 超聲波液位測量系統(tǒng)框圖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淠苈牭降穆暡l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

44、，這時超聲波的音波壓強峰值就可達到真空或負壓，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

45、強，能量易于集中。 （2）超聲波能在各種不同媒質中傳播，且可傳播足夠遠的距離。 （3） 超聲波與傳聲媒質的相互作用適中，易于攜帶有關傳聲媒質狀態(tài)的信息（診斷或對傳聲媒質產(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的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質及結構（用作治療）。2.6 超聲波傳感器的主要應用超聲波傳感技術應用在生產(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

46、臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。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，超聲波傳感技術的出現(xiàn)改變了這種狀況。當然更多的

47、超聲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、新材料技術結合起來，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。因此超聲波檢測廣泛應用在

48、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，特別是診斷用超聲波探頭使用

49、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、 超聲波傳感器的結構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。它有許多不同的結構，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成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會

50、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。基于以上作用，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。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。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)機器人的超聲波傳感器而言，要求其精確度要達到

51、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。這種結構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。2.8 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

52、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(wèi)為測量的距離長度；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

53、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。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；

54、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40kh