基于單片機的超聲波液位檢測系統設計-校級二等獎(共53頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 編 號： 審定成績： 重慶郵電大學畢業(yè)設計（論文）設計（論文）題目： 基于單片機的超聲 波液位檢測系統設計學 院 名 稱 ：自動化學院學 生 姓 名 ：汪xz專 業(yè) ：測控技術與儀器班 級 ：0821xxx學 號 ：xxx指 導 教 師 ： 答辯組 負責人 ： 填表時間： 2014 年 6 月重慶郵電大學教務處制專心-專注-專業(yè)誠信承諾書本人慎重承諾和聲明：本人在畢業(yè)設計（論文）過程中遵守學校有關規(guī)定，恪守學術規(guī)范，在指導教師的指導下獨立完成，沒有剽竊和抄襲他人的學術觀點、思想和成果，未篡改研究數據，若有違規(guī)行為的發(fā)生，我愿接受學校處理，并承擔一切法律責任。論文作者

2、簽名： 年 月 日 摘 要液位測量及控制廣泛應用于工業(yè)、生活等領域，由于許多測量環(huán)境條件及其惡劣，例如對具有腐蝕性的液體的液位測量。顯然，傳統的液位測量設備已不能滿要求。因此，一些基于超聲波的非接觸式液位測量控制技術應運而生。本文利用單片機的強大功能，通過硬件和軟件的完美結合，設計、實現了一種基于超聲波的液位檢測控制系統。系統由液位測量模塊、數據顯示模塊、液位控制模塊、超限報警模塊和參數設置模塊組成，通過HC-SR04超聲波測距模塊采集數據，經過單片機進行數據處理，然后進行實時液位顯示，同時發(fā)出液位控制信號和報警控制信號。最后，對所實現的實物進行了測試。測試結果表明系統功能符合設計要求，能達到

3、易控制、穩(wěn)定性強、測量精度高、安全性高、功耗低的預期目的?！娟P鍵詞】單片機 超聲波 液位測量 液位控制 ABSTRACT Level measurement and control are widely used in the industrial field and other related fields. In the field of industry, many measurement environments are very bad such as the level measurement of corrosive liquids. Obviously, the traditi

4、onal level measurement devices can not satisfy the requirements. As a result, some control based on the non-contact ultrasonic level measurement technology arises at the historic moment. This paper makes use of the powerful features of the SCM and the perfect combination of software and hardware to

5、design and implement an advanced control system for liquid level measurement based on the ultrasonic measurement. The designed system includes level measurement module, data display module, level control module, limit alarm module, and parameter set module. The system collects data through HC-SR04 U

6、ltrasonic Ranging Module, and then process the data, display the level in real-time and issue level control signal and the warning signal. Finally, the system was tested. The tested results show the system functions can meet the designed requirements, which achieve control easily, high stability, hi

7、gh accuracy, and high security.【Key words】 SCM Ultrasonic Level measurement Level control目 錄 第一章 緒論第一節(jié) 課題的提出和意義一、課題的提出在日常生產生活中，常遇到液位測量及控制問題。比如在一些工業(yè)生產自動化系統中對容器中物料位或者液位的測量，又特別是極其惡劣的環(huán)境下的測量，比如對具有腐蝕性的液體液位的測量，傳統的采用差位分布電極的電極法，通過電脈沖去檢測液位高度，電極長期處于這種環(huán)境中，極易被電解、腐蝕，從而很容易在短時間內就失去靈敏性。顯然，在這種檢測環(huán)境對測試設備的抗腐蝕性要求較高。因此傳統的

8、液位測量設備已不能滿足現代工業(yè)生產的需要。超聲波液位檢測系統是一種新興的液位測量系統，它利用了超聲波傳感技術的原理，采取一種非接觸檢測方法，能夠實現對工業(yè)生產自動化系統中液位、物料位等進行檢測。此外，超聲波具有很好的束射性和方向性，一般也不會對人體造成傷害?；诔暡ǖ臋z測控制系統具有實施方便、迅速，測量精度高，易于實時控制，所以有非常廣闊的應用領域。隨著人們生活需求和工業(yè)標準的提高，液位檢測技術愈來愈受到社會的重視，檢測的精度以及實時性要求也愈來愈高，另外還要求檢測系統對被檢測對象具有自動控制功能?？梢哉f，在現在以及今后的很長一段時間里，液位的檢測及控制系統的研究也將依然是一個重要的課題。二

9、、課題的意義為了改善工人的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，節(jié)省財力、物力，避免資源的浪費，降低工業(yè)生產成本，特別是對某些特殊的生產環(huán)境，比如：易爆、高溫、低溫、毒性、腐蝕性、高壓、低壓、有輻射性、易揮發(fā)等液體的液位進行檢測，對于這些對身體健康有一定損害的測量環(huán)境，不易在實地直接進行測量及控制，而這種新興的液位測量及控制技術就顯得特別的重要。在現代工業(yè)自動化生產系統中，對容器中液體的液位測量及控制是必不可少的。一般情況下，在生產過程中主要是通過液位的檢測來確定容器里原料的剩余量，以保證生產過程中的各環(huán)節(jié)物料平衡，以及為進行成本核算提供可靠的依據；另外，在連續(xù)生產情況下，通過液位檢測及控制以保證液位

10、始終在規(guī)定的范圍內，以保證生產的正常進行，也能更好的保證產品產量和產品質量?？梢?，液位測量及控制在現代工業(yè)生產過程中已起著舉足輕重的作用。僅從液位測量這一方面來講，隨著各行業(yè)的不斷發(fā)展，液位測量已應用到愈來愈多的領域，不僅僅是用于各種管道、容器內的液位檢測，還用于水庫水渠、江河湖海等水位的檢測。傳統的液位檢測手段在這些領域中已經無法達到所需要的精確性，因此，超聲波液位測量這種測量方式已經成為一種新方法被廣泛的應用。第二節(jié) 國內外液位檢測控制技術的發(fā)展現狀早期的液位檢測大多采用機械原理。近年來，隨著電子技術應用到越來越廣泛的領域，也逐步向液位檢測及控制方向發(fā)展，并且研究出來了一些新的液位檢測技術

11、。盡管在傳統技術中也滲透了一些先進的電子技術及計算機技術，在結構和功能上也都有很大提升，但總體來說，目前我國的液位檢測技術還是比較落后，液位檢測方法也依然有一些不足之處，如果從國外進口我們所需的高精度液位檢測設備，價格又比較高。因此，分析液位檢測控制技術當前國內外形勢，發(fā)展屬于我們自己國家的液位檢測技術就顯得非常重要。目前，國內外在液位檢測方面采用的技術更多的是傳統檢測技術，按其采用的檢測技術及使用方法分類就已多達十余種。我們常見的液位檢測技術有：浮體式液位測量儀表、人工檢尺儀、磁致伸縮液位儀、差壓式液位測量儀表、激光液位儀、雷達液位儀、超聲波液位測量儀表、伺服式液位測量儀表。超聲波液位檢測儀

12、是我們最常見的一種，也是所有非接觸式液位檢測儀表中用途最廣、發(fā)展最快的一種。它具有一些其它液位測量技術無法比擬的優(yōu)點，它可以適應腐蝕性強、高壓、低壓、有輻射性、有毒性、高溫、低溫、易揮發(fā)、易爆等特殊環(huán)境，因此，能應用的范圍比其它的檢測技術更廣泛。隨著現在科學技術的飛速發(fā)展，液位的檢測方法也變得更先進，精度也有了很大的提高。尤其是傳感器技術和單片機技術的進步使得液位檢測技術得到了更進一步的優(yōu)化。超聲波在液位測量中的應用愈來愈廣，但從現在的發(fā)展水平看來，超聲波在液位檢測控制系統中的應用還存在著一定的限度，因此研究超聲波的液位檢測技術還有更寬更長的路要走，無論是在技術領域還是在產業(yè)領域它都具有極其廣

13、闊的發(fā)展空間。在不遠的將來，基于超聲波的液位檢測控制技術將會有更大更廣的應用范圍。它不但可以幫助人們解決很多生活中的難題，還可以作為一種科學探測和研究的手段。第三節(jié) 本課題主要研究內容本設計以簡易水槽和水泵搭建實驗模型，鑒于單片機的液位測量控制裝置具有工作壽命長、測量精確、耗能低、重復性好等優(yōu)點，設計以單片機為基礎、超聲波測距為核心的液位測量控制系統。本系統具有液位實時檢測、控制、超限報警等功能。設計的內容包括：設計基于超聲波液位檢測控制系統方案，實現液位檢測、數據顯示及閉環(huán)控制等功能；設計、實現檢測控制器相關的軟硬件模塊；實現演示系統開發(fā)。第二章 整體方案設計第一節(jié) 方案設計架構根據實際生產

14、生活需要，結合課題設計要求，本設計應該具有正常液位范圍設定、液位測量、超限報警、液位顯示、液位控制五大功能。方案設計架構如圖2.1所示。單片機LCD1602顯示液位控制HC-SR04 測距水槽液位范圍設定超限報警 圖2.1 液位測量控制系統設計方案正常液位設定在該系統中對應輸入設備，即后文所說的設置系統。可以通過設置系統將人的信息傳遞給系統，使得系統工作具有一定的目的性。實時液位測量是系統數據采集的唯一來源，用HC-SR04 超聲波測距模塊采集的數據經過單片機處理過后將成為后面液位顯示、超限報警、液位控制等功能實現的重要依據，因此，實時液位測量是系統能否正常工作的關鍵所在。

15、超限報警是在實時液位與設定正常液位范圍比較之后做出的反應，提示相關工作人員該系統檢測控制的對象正處于一種非正常狀態(tài)（在這里主要指液位過高或過低）。液位顯示是將單片機通過HC-SR04 測距模塊采集回來的實時液位數據顯示出來，便于相關工作人員了解具體情況。液位控制模塊作為該系統唯一的執(zhí)行器，主要功能是通過排水泵和進水泵保證液位始終在人為預先設定的一個正常范圍內。第二節(jié) 超聲波測量技術在第一節(jié)整體方案框圖中可以很明顯的看出，實時液位測量是系統工作的整個流程中的關鍵部分，因此，與此緊密相關的超聲波液位測量技術在這里起著舉足輕重的作用。一、超聲波的定義及特性頻率大于20000Hz的聲波稱之為

16、超聲波。超聲波具有吸收特性、束射特性、聲壓、高功率作用四個基本特性，四個基本特性使超聲波在傳播介質中對應熱學、化學、光學、力學和電學五種效應。超聲波的特點是它能在各種媒質中傳播；波長短，因而分辨率很好；聲束尖銳，因而聲能比較集中；在不同的介質的界面上都會發(fā)生折射、反射、散射等一般現象。利用聲在媒質中的衰減、反射、共振、聲速這些現象可以測量物質的成分、比重、厚度等?？捎糜跍y距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在軍事、醫(yī)學、農業(yè)、工業(yè)上都會有很多的應用。利用超聲波脈沖反射回波這一特點可以實現超聲波測距。二、超聲波測距原理空氣中的超聲波每秒的傳播距離約為340米，因此，若能測出在介質中超聲波的傳

17、播時間，就能計算出超聲波在該介質中傳播的距離。超聲波測距就是通過測定超聲波在測量儀與被測對象間的傳播的時間來計算出聲波傳送的距離的。常用的超聲波測距主要采用以下兩種方法：1、直接式超聲波測距法測量超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波到超聲波接收器接收到超聲波的時間t1，已知超聲波在傳播介質中的傳播速度V，那么超聲波發(fā)射器與被測對象兩者之間的距離S1為： （式2-1）2、反射式超聲波測距法將超聲波發(fā)送器的發(fā)射方向面對被測對象，并發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時計時開始，超聲波在介質中傳播，遇到被測物后就立即反射回來，超聲波接收器在接收到被測對象反射回來的超聲波后計時停止，這樣就可以計算出超聲波從發(fā)射器到被測物間

18、來回傳播的時間t2，超聲波在該傳播介質中的傳播速度V已知，從而發(fā)射器到被測物的距離S2可用下式計算出來： （式2-2）第三節(jié) 本章小結對于任何的系統設計，整體方案的擬定是極其重要的，就如同一篇文章的提綱。本課題是基于單片機的超聲波檢測控制系統設計，其中的各個模塊的選定都必須符合實際情況需要，并且最好能保證成本低廉、選材容易。超聲波測量技術是本次設計中的關鍵所在，由于超聲波具有其傳播距離遠、能量散失緩慢、方向性強等優(yōu)點，因此常常應用于距離的測量。如測距儀和液位測量儀等都可以通過超聲波原理來實現。超聲波測距也廣泛應用于倒車雷達、建筑工地以及井深、液位、管道長度等一些工業(yè)現場，在這些場合利用超聲波測

19、量常常計算簡單、比較快捷，并且容易做到實時控制，能夠保證足夠高的測量精度，因此在測控系統的研制上也得到了極其廣泛的應用。本課題就是做一套以AT89C51單片機和超聲波測距模塊為核心的低成本、高精度、微型化、低能耗、具有數字顯示功能的超聲波液位檢測及控制系統。第三章 硬件設計第一節(jié) 單片機的最小系統組成所謂單片機的最小系統，就是用最少元件組成的能夠工作的單片機系統。MCS-51系列單片機的最小系統至少應該包括單片機、時鐘電路、復位電路、輸入/輸出設備，如圖3.1所示。圖3.1 單片機最小系統在最小系統的時鐘電路中，XTAL1（單片機的19腳）和XTAL2（單片機的18腳）是獨立的輸入、輸出反相放

20、大器，這兩個腳能夠利用石英晶振為單片機配置片內振蕩器，此外，也可以直接通過XTAL1 、XTAL2由外部時鐘驅動。本次設計中采用的是內部時鐘模式，也就是用單片機的內部振蕩電路時鐘。在XTAL1 、XTAL2的引腳上分別外接與需要相匹配元件，即一個石英晶體和兩個電容，內部振蕩器就可以產生自激振蕩。通常情況下，晶振的值可以在1.212MHz 之間任意選擇，在本次設計中采用的是11.0592M 的石英晶振。通過改變和晶振并聯的兩個電容的大小可以微調頻率。如果選用石英晶振，并聯電容可在2040pF之間任意選擇，本此設計使用的是30pF，是單片機設計中常用的一個經典值。復位電路在單片

21、機系統中也是非常關鍵的，當單片機死機或程序跑飛時，就需要進行復位操作。MCS-51系列單片機的復位引腳是RST（第9管腳），當RST出現2個10ms或者更長的高電平時，單片機就會執(zhí)行復位操作。若RST一直為高電平，單片機就將會處于循環(huán)復位的狀態(tài)，當然這種情況沒有什么實際的意義。通常有兩種最基本形式進行單片機的復位操作，即開關復位和上電自動復位，這兩種最基本復位方式都已包含在圖3.1中。上電自動復位過程如下：上電瞬間，有極電容兩端電壓是不會變的，由于此時電容負極和復位引腳RST相連，所以電壓全部加在電阻上，RST的輸入為高電平，芯片進行復位操作，隨之然后5V電源開始給電容充電，電阻上的電壓慢慢減

22、小，最后約為零，芯片就開始正常工作。將復位按鍵并聯在電容的兩端，當復位按鍵沒有按下時電路實現的是以上所說的上電復位。而在芯片正常工作后，可以通過按下復位按鍵使RST管腳出現高電平從而實現手動復位。理論上只要RST 管腳上持續(xù)10ms或者更長的高電平，就可以使單片機進行有效復位操作。以上設計圖中所示的復位電阻和電容均為經典值，實際應用的時候可用同一數量級合適的電阻和電容替換，設計時也可根據自身設計需要自行計算RC充電時間以選取合適的電阻、電容值，以保證單片機的復位電路可靠，符合實際需求。第二節(jié) LCD1602液晶顯示模塊一、LCD1602液晶顯示簡介液晶顯示有多種分類方式，常?？梢园匆?/p>

23、晶顯示器的顯示方式分為字符式、段式、點陣式。除了最簡單的黑白顯示方式外，液晶顯示器還有彩色、多灰度等顯示方式，另外，還可以調節(jié)芯片的特定引腳電壓控制其顯示對比度。如果根據驅動方式來分，還可以分為主動矩陣驅動（Active Matrix）、單純矩陣驅動（Simple Matrix）、靜態(tài)驅動（Static）三種。根據實際情況綜合考慮，本次設計采用的是LCD1602液晶顯示。LCD1602利用液晶的物理特性，用電壓去控制顯示的區(qū)域，有電就有顯示，這樣即可以顯示出與輸出信息相對應的圖形。這種液晶顯示器具有厚度薄、易于實現全彩色顯示、適用于大規(guī)模集成電路直接驅動的特點，目前已經被廣

24、泛應用在便攜式電腦、數字攝像機、移動通信工具等各個領域。本次設計的LCD1602液晶顯示模塊與單片機連接如圖3.2。圖3.2 LCD1602液晶顯示模塊設計圖二 、顯示內容本次設計的液晶顯示模塊顯示內容分為兩行兩列，其內容分別為實時液位（DIS）、設定值的高限（DH）、液位狀態(tài)（U（正常）、H（過高）、L（過低）、設定值的低限（DL）。第三節(jié) 設置模塊設置模塊共設計了四個按鍵，主要任務是設定預設液位的正常范圍（預設正常液位范圍的上、下限）。如圖3.3。圖3.3 設置系統Key1：模式（DH或者DL）選擇，用于設置預設正常液位的范圍；Key2：選擇每次改變值的大小，即每次遞增（減）1或者0.1；

25、Key3：遞加；Key4：遞減。第四節(jié) 報警模塊報警模塊共設置兩個燈光報警器。當液位超過預設范圍的最大值時，led1亮；當液位低于預設范圍的最小值時，led2亮。如圖3.4所示。圖3.4 報警系統第五節(jié) 液位測量模塊一、HC-SR04簡介 HC-SR04超聲波測距模塊的有效測量距離為2cm-400cm，檢測的精度為1 mm，模塊包括信號控制電路、超聲波接收器和超聲波發(fā)射器。其實物圖如圖3.5，原理圖如圖3.6。圖3.5 HC-SR04 實物圖圖3.6 HC-SR04原理圖HC-SR04電氣參數如表3.1：表3.1 HC-SR04電氣參數電氣參數HC-SR04超聲波模塊工作電壓DC 5

26、 V工作電流15mA工作頻率40Hz最遠射程4m最近射程2cm測量角度15度輸入觸發(fā)信號10usTTL脈沖輸出回響信號輸出與射程成比例的TTL電平信號， 規(guī)格尺寸45*20*15mm 二、引腳接線方式VCC：供5V電源；Trig：輸入出發(fā)控制信號；Echo：輸出回響信號；GND：接地。三、模塊工作原理 超聲波測距模塊采用單片機I/O口觸發(fā)測距，給模塊的控制端口一個10us以上的高電平信號，模塊就會啟動工作模式，自動發(fā)送8個40khz的方波，然后在超聲波接收端開始自動檢測是否有返回信號。若有信號返回，就通過一個I/O口輸出高電平，超聲波從超聲波發(fā)射器到被測對象之間來回傳播所用的時間就是這個高電平

27、的保持時間，這個過程時序圖如圖3.7。 圖3.7 HC-SR04模塊工作時序圖第六節(jié) 液位控制模塊液位控制模塊分為進水系統和排水系統。當液位超過預設液位范圍的最大值時，排水系統運行，通過微型水泵將槽內的水陸續(xù)排除，直到槽內液位低于預設范圍的最大值；當液位低于預設液位范圍的最小值時，進水系統運行，通過微型水泵向槽內加水，直到槽內液位高于預設范圍的最小值?？刂颇K的設計如圖3.8所示。 a b圖3.8 液位控制模塊第七節(jié) 本章小結一個大的系統總是可以分為多個模塊的，每個模塊又是這個系統正常實現所有功能不可缺少的部分。在最初的系統設計中常常用這種化大為小的設計方式，從而使得設計過程變得更有條理。特別

28、是每個模塊可以分給不同的人進行設計時，這樣就加快了方案的設計進度。第四章 軟件設計第一節(jié) 編譯語言與編譯思想匯編語言和C語言是目前單片機的兩種主流編程語言。匯編語言的優(yōu)點是代碼短、程序效率高，但存在可移植性可讀性差的缺點；C語言的優(yōu)點是可移植性好、可讀性好，但存在代碼較長、代碼效率較低的缺點。考慮到本次設計的超聲波液位測量控制系統要求不太高，本次超聲波液位測量控制系統的設計采用C語言編寫。本次軟件設計采用程序設計模塊化的思想，對實現不同功能的程序進行分段編程，這樣不但使得整個程序有比較清晰的層次和結構，而且還很有利于軟件的后期調試和修改。按本次設計的需要，單片機主要任務是發(fā)出控制信號使超聲波模

29、塊開始工作并自動發(fā)出40kHz的脈沖，控制信號驅動超聲波探頭器發(fā)射超聲波，同時單片機通過一個I/O口檢測回波，該I/O口在有回波時輸出高電平，高電平持續(xù)時間即是超聲波的傳播時間，由此得出超聲波在測距系統與被測物間的往返傳輸時間t，再用前文推導的公式（式2-2）可求出待測距離S。第二節(jié) 軟件設計一、 總體設計 單片機液位控制系統的軟件首要功能是控制超聲波的發(fā)射和接收，測量介質中超聲波的傳播時間，再根據介質中超聲波的傳輸傳播速度來計算出被測對象與測量儀器之間的距離，并將計算出來的數據加上相關標識用LCD1602液晶顯示器顯示出來，同時使單片機輸出控制信號以控制報警系統和液位控制系統。要實現上述功能

30、，軟件具體來說應該包含初始化、參數讀入、超聲波發(fā)射、超聲波傳接收、計時、距離計算、數據顯示、超限報警、液位控制等功能模塊。程序設計流程圖如圖4.1所示。 初始化參數設置液位測量數據顯示進水排水結束過高 過低圖4.1 程序設計流程圖二、關鍵模塊程序設計1、超聲波測距子程序通過測量超聲波模塊與液面的傳播時間來計算液面高度，流程圖如圖4.2。圖4.2 超聲波測距程序設計流程圖測距程序如下：void CJ(void) Trig=1; /啟動一次檢測模塊 delay_20us(); Trig=0; /停止向檢測模塊Trig端發(fā)送高電平 while(!Echo); /無回波時等待 TR0=1; /計時開始

31、 while(Echo); /有回波是計數并繼續(xù)等待 TR0=0; time=TH0*256+TL0; /計算超聲波的傳播時間 TH0=0; TL0=0; distance=145.05-time*0.172;/ 計算距離，算出來的單位是mm if(distance<=0)distance=0; if(distance>=145.05)distance=145.05;/ distance=(int)(distance*100)/100; /強制保留2位小數2、按鍵控制子程序通過按鍵控制程序實現參數設定，其中主要是正常液位范圍的設定。包括設置參數的模式選擇、單次遞增（減）值大?。?或

32、0.1）、遞減、遞增。程序如下：float set_distance(float set_dis) if(!key3) delay(10); if(!key3) while(!key3); set_dis=set_dis+b; if(set_dis>=99) set_dis=99; return set_dis;3、顯示子程序顯示程序實現數據的實時顯示，包括實時液位，允許的最高液位和最低液位，液位正常與否的狀態(tài)。程序如下：void display(uchar x,uchar y,uchar sz,uint num)/x：位置 y：第幾排 sz:位數 num:值 uchar a5=0; u

33、char i=0; uint Temp=num; while(Temp) ai = Temp%10; Temp = Temp/10; i+; if(y%2=1) write_Com(0x80+x-1); else write_Com(0xc0+x-1);for(i=sz;i>0;i-) write_Data(0x30+ai-1); 4、主程序 主程序通過調用個子程序實現各功能。主程序如下： void main()uint w;init();while(1) w+;if(w=5)w=0;CJ();BJ();display_Init();5、延時子程序在系統編程中，延時程序的應用是極其普遍的

34、，按鍵的延時去抖就是一個很好的例子。本次設計的演示程序如下：void delay(uint x)uint i,j;for(j=0;j<x;j+) for(i=0;i<123;i+); 第三節(jié) 本章小結程序是一個系統運行必不可少的一部分，如果沒有程序，硬件設備就如同虛設。因此，程序的編寫及變得極其重要。本次程序設計語言選用我們比較熟悉的是C語言，而且編寫過程中又采用了模塊化方法，從而更易于編寫和理解，也有助于后期的修改和調試。第五章 仿真及調試第一節(jié) 仿真結合Protues和Keil軟件，將設計的程序與電路在電腦上仿真，由于超聲波液位測距模塊沒有相應的仿真元件，故超聲波液位測距模塊無

35、法進行仿真，現將實時液位設為一固定值，通過改變設定正常液位的上下限來實現仿真。如圖5.1，實時液位為25.0mm，上限為25.5mm，下限為24.5mm，即當實時液位在正常液位范圍內時，報警系統和水位控制系統均無異常。圖5.1 仿真（液位正常）如圖5.2，實時液位為25.0mm，上限為24.5mm，下限為23.5mm，即當實時液位高于正常液位范圍內時，報警系統led1亮，排水系統啟動。圖5.2 仿真（液位過高）通過以上仿真，可以說明編寫的程序是正確的，并且能夠實現預期的所有功能，這也有利于后面的實物功能實現。第二節(jié) 系統測試在程序編譯完成并仿真調試成功和硬件電路制作完成之后，將編譯好的程序下載

36、到本次設計所用的單片機上，進行下一步的綜合調試。綜合調試成功后對檢測控制的重復一致性和誤差進行相關分析，從而進一步優(yōu)化該系統的性能，以達到預期設計的檢測及控制要求。硬件實物圖如5.3所示?，F在設置正常液位下限為80.5mm，上限為99.5mm。當實時液位為72.2mm，即液位小于80.5mm時，系統紅色水位過低報警燈亮啟，并啟動進水系統，使得液面逐漸升高。實物運行圖5.4。LCD1602顯示模塊設置系統電源開關5V供電接口單片機復位按鍵報警信號燈水泵控制繼電器水泵電源接口圖5.3 硬件實物圖圖5.4 系統調試圖（一）當實時液位為88.8mm，即液位大于80.5mm且小于99.5時，液位在正常范

37、圍之內，報警系統和水位控制系統均無異常。實物運行圖如圖5.5。圖5.5 系統調試圖（二）當實時液位為110.4mm，大于99.5mm時，系統綠色水位過高報警燈亮啟，并啟動排水系統，使得液面逐漸下降，直到在正常液位范圍內。實物運行圖如圖5.6。圖5.6 系統調試圖（三）第三節(jié) 本章小結在仿真及調試中總會遇到一些或大或小的問題，在本次設計的仿真及調試中主要遇到以下三個問題：控制電機起停的繼電器不工作。問題分析及解決方案：記過反復實驗發(fā)現造成上問題的原因是單片機發(fā)出的控制信號經過一個功率放大器后仍然太弱，不足以能夠控制繼電器。于是在之前的基礎上再加一個功率放大器，最后實現了單片機輸出控制信號通過繼電

38、器控制進、排水泵的起停。用一個電源為該系統中所有模塊時，系統不能正常工作。問題分析及解決方案：查明是水泵負載過大導致系統出現上述問題。解決辦法是為液位控制模塊單獨供電。并且設計水泵的額定電壓為3.3V，系統提供的電壓為5V不適合為該水泵供電。在液位控制系統的作用下，液位在設置的上限和下限附近時出現抖動（進（排）水系統時而運行時而停止、報警燈持續(xù)閃爍）。問題分析及解決方案：通過反復試驗觀察發(fā)現是由于液位采集頻率過高，水泵停止時水管中還未排出的那段水返回原來的水槽內。以液位在上限處為例：液位從超出設定上限在排水泵的作用下剛好低于設定上限時，排水泵停止工作，此時排水管中還未排出的那段水又會在重力作用

39、下回到被測液位的水槽中，導致水槽中的水位再一次上升，從而又會再次啟動排水泵，如此循環(huán)。解決辦法是通過改變控制程序降低液位采集頻率，增大兩次液位檢測的時間間隔，從而增大兩次水泵控制信號發(fā)出的間隔時間，從而增大這期間水泵的排水量，使得水泵停止后水管中為排出的那段水即使回到水槽中也不會超過設定的液位上限。 結 論本設計以單片機為核心，利用超聲波測距原理，通過軟件程序的編寫、實物的制作、以及軟硬件的綜合調試，最終實現系統的液位測量及控制功能。系統的實物包括超聲波發(fā)射及接收模塊、報警模塊、顯示模塊、設置模塊、液位控制模塊等；在軟件設計上采用了模塊化的程序設計思想，提高了程序編寫的效率。本設計能夠對2cm

40、400cm的距離內進行有效的測量，其精度可以達到1mm，并達到了低成本、高精度、低功耗、微型化、美觀的預期設計目的?？梢娀趩纹瑱C設計的超聲波液位測量控制系統具有硬件結構簡單、工作可靠等特點。本系統不僅可以用于液位檢測，距離測量，還可廣泛應用于諸如移動機器人精確定位等各種檢測控制系統中。致 謝經過約一個學期的時間，這次畢業(yè)設計終將圓滿結束。我深刻的體會到，實踐是檢驗理論最好的工具。從選題后的資料收集，到軟件、硬件的設計及仿真，再到論文的撰寫及定稿，感覺收獲不少。本次設計是對大學四年來所學知識的一次綜合性應用，極大的提高了動手能力，也豐富了理論知識。在完成這次畢業(yè)設計的過程中，我遇到了很多困難，

41、在此感謝所有幫助我完成畢業(yè)設計的人。首先，感謝我的畢業(yè)設計指導老師xxx副教授，感謝您對我在畢業(yè)設計中的無私指導和幫助，感謝您對我在設計論文中的耐心修改，讓我的畢業(yè)設計得以完成和改進。然后，感謝為我提供資料的網站和所有參考論文涉及到的學者，感謝你們給了我啟發(fā)。另外，還要感謝陪伴我這四年大學生活的同學們，謝謝你們陪我一起走過人生中最為難忘的歲月，是你們給了我豐富多彩的大學生活。最后，感謝所有教過我的老師，感謝答辯組的老師，謝謝你們在這四年之中傳授給我知識，教給我做人的道理，衷心感謝你們！ 參考文獻1 何離慶，張壽明，朱文嘉過程控制系統與裝置M重慶：重慶大學出版社，20037.2 譚浩強C語言程序

42、設計（第三版）M北京：清華大學出版社，2005（2007重?。? 勒達單片機應用系統開發(fā)實例導航M北京：人民郵電出版社，2003104 胡向東，劉京誠，余成波等傳感器與檢測技術M北京：機械工業(yè)出版社，20095 郭天祥51單片機C語言教程M北京：電子工業(yè)出版社，20096李群芳，張士軍，黃建單片微型計算機與接口技術M北京：電子工業(yè)出版社，20107 眭碧霞單片機及其應用M西安電子科技大學出版社8 劉勇數字電路M電子工業(yè)出版社，20049 楊子文單片機原理及應用M西安電子科技大學出版社，200610 沈精虎電路設計與制版Protel99入門與提高M人民郵電出版社，200411 范風強，蘭嬋麗單片

43、機語言C51應用實戰(zhàn)集錦M電子工業(yè)出版社，2001 12 向敏，程安宇，羅志勇等微控制器原理及應用M北京：人民郵電出版社，2012413 趙新民王祁智能儀器設計基礎M哈爾濱：哈爾濱工業(yè)出版社，1999.7（2012.7重?。?4 徐士良，葛兵計算機軟件技術基礎M北京：清華大學出版社，2007715 楊素行模擬電子技術基礎簡明教程（第三版）M北京：高等教育出版社，20065（2010重?。└?錄一、英文原文二、英文翻譯 一項超聲波距離測量中可行且精確的確定飛行時間的技術Tarik Namas and Murat Dogruel Sarajevo國際大學自然科學工程系 電子郵箱: 摘要這篇文章提出

44、了一種關于在空中高精度超聲波距離測量的高效算法的數字信號處理技術。開始發(fā)射脈沖和響應峰值之間的時差用于確定飛行時間(TOF)。過濾后的峰值響應決定于使用Hilbert變換和適當的拋物線插值處理過的一個特殊的復雜信號的幅值。該方法有效地消除了接收信號中的噪聲和干擾,使得TOF與接收到的信號強度無關。實驗結果表明精度優(yōu)于千分之一?！娟P鍵詞】 超聲波測距 飛行時間 Hilbert變換 拋物線插值1、簡介許多科學和工業(yè)應用需要距離測量，一些地方需要非接觸式測量?？諝庵械木嚯x通常通過使用超聲波傳感器測量，這類系統價格便宜并能提供很好的性能。根據不同的應用程序中,有很多使用超聲波技術來測量距離1。它主要測

45、量原理是根據估計飛行時間(TOF)來計算距離。接收機和發(fā)射機之間的距離d = v×TOF ,v是聲音在傳播介質中的速度(通常情況下是空氣速度) 2。一個簡單而快速典型的方法來確定TOF是閾值方法3，然而，這種方法不是首選，因為由于噪聲和錯誤的振幅，所以接收到的信號并不是固定的。確定TOF的另一種方法是互相關技術4。時間在接收和傳輸信號之間的哪個地方互相關的最大，就在這里取得TOF。在距離測量中，一個不同的概念就是相移法。通過測量信號發(fā)射和接收之間的相移計算距離5。組合這兩個以前的概念被認為是第三個甚至更準確的概念6。我們采用一種新方法確定TOF，即使用時間(樣本)的峰值(接收信號)和

46、開始發(fā)射脈沖的不同響應。避免使用被噪聲影響的閾值水平，超聲波前置放大器的峰值轉換成舉行脈沖，從而決定TOF。2、建議方法。從理論上講,一個典型雙二階系統的振蕩響應如圖1。這個信號大約代表當一個發(fā)射機發(fā)射脈沖信號時超聲波接收器接收信號的期望值。 圖1 超聲換能器的預期響應 圖2 一個典型的超聲收發(fā)短脈沖的實際響應另一方面，超聲波收發(fā)器的實際響應是短脈沖，如圖2所示。由于非線性影響，這個形狀足夠接近,但不完全與圖1中的理論情況下相同。這種方法介紹了輕松、準確地找到在脈沖開始和響應峰值間的時差,可以概括為如下：1使用數據采集設備，在延遲之間傳輸大量短脈沖；2獲得傳播的信號和收到的信號,確定開始脈沖的

47、樣本；3消除噪聲的影響，從接收到的信號Sh n獲得的帶通過濾過的信號Sbn；4找到相應的由Shn 到Sbn 的Hilbert變換；5使用確定超聲波的包絡響應；6獲得平滑的包絡信號，Ebn，在E上使用零相位正向和反向帶通濾波；7在Ebn的峰值處應用拋物線插值來確定相應的拋物線的最大峰值實際樣本的位置；8計算實際樣品差別，在脈沖和高峰值獲得相應的TOF；9找到所有其他脈沖TOF值脈沖序列,找出TOF的平均水平值準確地確定距離。3、實驗裝置實驗的設置是圖3和圖4所示。使用一個IOtech PCI-DAQboard / 3000產生脈沖序列和獲取響應。操作在最大1 MHz 16位分辨率。發(fā)射脈沖獲得一

48、個數量10伏特樣本，總寬度為12個微秒。 圖3 一般的實驗設置 圖4 發(fā)射機和接收機設置商業(yè)超聲換能器使用40 KHz的中心頻率，發(fā)射器與接收器相對。如圖5所示。使用MATLAB進行重復的獲取和算法實現。發(fā)射機和接收機安裝在圖4中使用，所以只有一個模擬輸入通道可以用于發(fā)送和接收信號。另一種替代方法是使用兩個模擬輸入獲取信號和接收信號。在這種情況下不需要使用發(fā)射機和接收機之間的電阻（鏈接點見圖4)。用于測量羅盤實驗平均誤差為0.05毫米。因為這項工作中使用的采樣率是1MHz，聲音在空氣中傳播速度大概是330米/秒，這個誤差相當于一個采樣間隔是0.33毫米。圖5 測量系統設置4、結果在圖6中，10

49、個傳播的脈沖和對應的接收信號顯示在一起。圖7顯示了一個放大了的脈沖部分。圖6 超聲波脈沖序列 圖7 圖6中的一部分放大根據所述方法，可以發(fā)現信號的包絡E如圖8所示。平滑的包絡信號Eb通過應用零相位數字濾波如圖9所示。 圖8 超聲波響應的包絡 圖9 過濾后的包絡信號對于每一個距離測量實驗，都用20個離散的脈沖延時16毫秒。每次測量計算的平均樣本不同。平均各種距離結果描繪在圖10中，平均樣本差異和實際距離呈現非常準確的線性關系。圖10 平均樣本差異和實際距離之間的線性關系表1中，實際的測量距離，平均樣本差異，標準偏差的測量。從中可以看出標準偏差值非常小，表明測量非常粗略。獲得相應的距離測量,平均樣

50、本差異和距離之間形成了一個仿射關系，在毫米校準測量系統距離在75.5毫米和146.3毫米之間。在表2中,實際的距離和相應的超聲測量的距離,獲得相應的測量誤差。與用1 MHz超聲波測量一個采樣間隔距離產生0.33毫米的誤差相比,相應的測量誤差獲得相當小,表明所使用的測量方法的準確性和魯棒性。表1 樣本差異和標準差 表2 實際和測量距離 5、結論研究提出利用包絡的峰值時間值的超聲短脈沖響應這一新方法計算飛行時間。提出了實驗裝置搭建方式和算法，一個可行的和準確的超聲波距離測量系統就可以通過中等大小單片機有效地實現，不需要復雜的電子設備和其他方法。參考文獻1 B. Barshan, “Fast Pro

51、cessing Techniques for Accurate Ultrasonic Range Measurements”, Measurement Science Technology, vol. 11, 2000, pp. 45502 D. Marioli, “Digital time-of-flight measurements for ultrasonic sensors”, IEEE Trans. Iinst. & Meas., vol. 41, February 1992, pp. 93-94. 3 R. Queir´os, P. S. Girao, A. Cr

52、uz Serra, “Cross-correlation and Sine-Fitting Techniques for High Resolution Ultrasonic Ranging”, IMTC 2006- Instrumentation and Measurement Technology Conference, Sorrento, Italy April 2006,pp.552-556. 4 G. Andria, F. Attivissimo, N. Giaquinto, “Digital signal processing techniques for accurate ultrasonic sensor measurement”, Elsevier Measurement. vol. 30, 2001, pp. 105114 , Vol. 1. 5 F.E. Gueuning, M. Varlan, C.E. Eugene, P.