超聲液位計硬件開發(fā)

1、超聲液位計硬件開發(fā)超聲液位計硬件開發(fā)院 系：電子工程學(xué)院專業(yè)班級：電氣工程及其自動化姓 名：白海龍指導(dǎo)教師：高煒欣2015 年 5 年 25 日摘錄超聲波由于無輻射、無破壞性、穿透性強(qiáng)，具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以，在利用傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的測液位方案中，價值成本較低，所以超聲波是比較理想的信號源。他廣泛應(yīng)用于防盜、倒車?yán)走_(dá)、水位測量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場。同時超聲波傳感器的體積小，所以需要的硬件電路相比也比較簡單。與其他液位計相比，超聲波測距是目前應(yīng)用最普遍的一種，也更符合國內(nèi)市場。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,超聲波將越來越廣泛應(yīng)用于測距儀。但在目前的

2、技術(shù)水平,人們可以利用特定的測距技術(shù)仍然是有限的,因此,它是一個新興的和無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)。在未來,超聲波液位計作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面會有很大的發(fā)展空間,它將發(fā)展的方向定位精度高,滿足日益發(fā)展的社會需求。毫無疑問,超聲波液位計的未來將與智能自動化、和其他的測距儀集成和融合,形成一個測距儀。隨著測距儀的技術(shù),液面計將開發(fā)的簡單的判斷函數(shù)具有學(xué)習(xí)功能,最終是創(chuàng)造性的。在新的世紀(jì)里,面對一個新的液位計將發(fā)揮更重要的作用。水平測量廣泛應(yīng)用于石油、化工、氣象學(xué)等領(lǐng)域。超聲波液位計是發(fā)展迅速,應(yīng)用程序在許多類型的液面計更多的是一種液位測量儀表。它是使用超聲波傳輸速度相對穩(wěn)定在同一介質(zhì)和

3、遇到的障礙,反映的原則發(fā)展,非接觸式,精度高,成本低,使用方便。近年來，隨著高速數(shù)字信號處理技術(shù)與微處理器技術(shù)的進(jìn)步，超聲波液位計得到了長足的發(fā)展。 本設(shè)計采用AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化和數(shù)字顯示硬件電路和軟件設(shè)計的超聲波液位測量方法。整個電路采用模塊化設(shè)計,由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序模塊。探測器信號由單片機(jī)綜合分析處理,實(shí)現(xiàn)超聲波液位測量的功能的基礎(chǔ)上設(shè)計,系統(tǒng)的總體方案最終通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)各種功能模塊。相關(guān)部分硬件電路圖和程序流程圖。關(guān)鍵詞：AT89c51; 超聲波；液位計。AbstractUltrasonic because no

4、radiation, no destructive, strong penetrability, has the strong directivity, energy consumption is slow, propagation distance far away, so, in the use of sensor technology and automatic control technology with the combination of liquid level measurement scheme, the value of the cost is low, so the u

5、ltrasonic signal source is ideal. He is widely used in security, reversing radar, water level and some industrial field measurement, the construction site. At the same time the size of the ultrasonic sensor is small, so you need to compared to the hardware circuit is simple. Compared with other liqu

6、id level meter, ultrasonic ranging is the one of the most widely used, also conforms to the domestic market.With the rapid development of science and technology, ultrasonic will be more and more widely applied in the range finder. But in one's current level of technology, people can make use of

7、a particular ranging technology is still limited, therefore, it is a new and infinite prospect of technology and industry. In the future, ultrasonic level meter as a new kind of very important useful tool in various aspects will have a lot of room to grow, it will be the development direction of hig

8、h precision and satisfy the social needs of the development of increasingly. There is no doubt that the future of the ultrasonic level meter with intelligent automation, and other rangefinder integration and fusion, form a rangefinder. As the range finder technology, liquid level meter will develop

9、simple judgment function with functions of learning, is creative in the end. In the new century, in the face of a new liquid level meter will play a more important role.Level measurement is widely used in petroleum, chemical industry, meteorology and other fields. Ultrasonic liquid level meter is de

10、veloped rapidly and the application in many types of liquid level gauge is more of a liquid level measuring instrument. It is the use of ultrasonic transmission speed is relatively stable in the same medium and obstacles, and reflect the principle of development, non-contact, high accuracy, low cost

11、, easy to use. In recent years, along with the high speed digital signal processing technology and the progress of microprocessor technology, ultrasonic level meter got rapid development. This design USES AT89C51 as the core of low cost, high precision, miniaturization, and digital display hardware

12、circuit and software design of the ultrasonic level measurement method. The whole circuit USES modular design, by the main program, preset subroutine, launch subroutines, receive subroutine and display subroutine modules. Detector signal by SCM comprehensive analysis processing, the realization of t

13、he function of the ultrasonic level measurement on the basis of the design, the overall scheme of the system through hardware and software implementation of various functional modules. The relevant part of the hardware circuit diagram and program flow chart.Key words: AT89c51; Ultrasound; Level gaug

14、e.目 錄摘 要.I AbstractII 緒論.1I.1 超聲液位計的優(yōu)點(diǎn)I.2 課題設(shè)計的背景及其發(fā)展趨勢 I.2.1 液位計的背景I.2.2 液位計的發(fā)展趨勢 I.4 本次課題的主要研究內(nèi)容及其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)第一章 超聲波液位計的工作原理 1.1 超聲波 1.1.1 超聲波特征 1.1.2 超聲波的衰減1.2 時差法超聲液位計的基本測距原理1.3 超聲波液位計換能器簡介及其激勵要求 第二章 課題設(shè)計思路 2.1 超聲液位計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2 系統(tǒng)軟件主程序流程圖第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 主要選型器件的介紹及說明3.1.1 主控芯片AT89C51性能簡介3.1.2 AT89C51引腳功能說明

15、3.1.3 ADC0808模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 3.1.3 LM016L液晶顯示3.1.4 數(shù)字溫度傳感器DS18B20 3.2 系統(tǒng)電路3.2.1 超聲波發(fā)射電路3.2.2 超聲波接收電路3.2.3 超聲波溫度檢測電路第四章 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)4.1 超聲波測距儀的算法設(shè)計4.2 系統(tǒng)程序設(shè)計4.1.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計4.1.2 系統(tǒng)激勵脈沖信號程序和超聲波接收中斷程序設(shè)計 4.1.3 溫度補(bǔ)償程序設(shè)計4.1.4 顯示程序的設(shè)計第五章 系統(tǒng)仿真5.1 仿真軟件proteus介紹及其運(yùn)行流程5.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)5.3 LM016L液晶顯示5.4 ADC0808模/數(shù)轉(zhuǎn)換器5.5 控制顯示反饋電路5.6

16、系統(tǒng)整體電路結(jié)構(gòu)圖第六章 仿真結(jié)果與調(diào)試6.1 仿真結(jié)果6.2 軟硬件調(diào)試總結(jié)致謝參考文獻(xiàn)附錄一 C語言程序緒 論I.1 超聲液位計的優(yōu)點(diǎn)超聲波可在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠的距離，傳播時方向性強(qiáng)，能量易于集中。超聲波與傳播媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)超聲傳播的媒質(zhì)狀態(tài)信息或?qū)鞑ッ劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)。作為信息載體及能量形式，超聲波由于無輻射、無破壞性、穿透性強(qiáng)，加之成本較低，超聲波技術(shù)與其他電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等相結(jié)合已廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并迅速發(fā)展。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。當(dāng)前的接觸型液位計由

17、于是和被測液體直接接觸，或多或少存在著精度問題，在安裝、維護(hù)方面也有一定的難度。在測量各種容器或管道內(nèi)液體的液位高低和流量大小、水渠、水庫、江河和湖海水位的測量中，尤其是在污水、有腐蝕性的場合，由于污水腐蝕性強(qiáng)，若采用接觸式壓力水位計，探頭很快被腐蝕壞，影響正常的測量。而非接觸型液位計因其不和被測液體直接接觸，且絕大多數(shù)不存在可動部件，精度較高，可以通過現(xiàn)場總線將實(shí)時數(shù)據(jù)采集后直接存儲到電腦，再配合組態(tài)軟件的使用，便可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級工業(yè)控制。超聲波液位儀不僅能夠定點(diǎn)和連續(xù)檢測液位，而且能夠方便地提供遙控或遙控所需的信號。一般說來，超聲波測位技術(shù)不需要有運(yùn)動的部件，所以在安裝和維護(hù)上有很大的優(yōu)越性

18、。除此之外，與其它方法相比（如電磁的或光學(xué)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(yīng)能力。所以在測量要求比較特殊，一般液位測量技術(shù)無法采用時，超聲測位技術(shù)往往仍能適用。因此，超聲波是比較理想的信號源。研究超聲波在高精度測距系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。I.2 課題設(shè)計的背景及其發(fā)展趨勢I.2.1 超聲液位計的背景液位測量儀表中的測量技術(shù)發(fā)展很快，經(jīng)歷了由機(jī)械式向機(jī)電一體化再到自動化的發(fā)展過程。結(jié)合這兩大技術(shù)，尤其是將微處理器引進(jìn)液位測量系統(tǒng)以后，使得液位計的精度越來越高，越來越向智能化、一體化、小型化的方向發(fā)展。從上世

19、紀(jì)八十年代開始，一些發(fā)達(dá)國家就借助微電子、計算機(jī)、光纖、超聲波、傳感器等高科技的研究成果，將各種新技術(shù)、新方法應(yīng)用到儲罐液位測量領(lǐng)域。電子式測量方法便是其中的重要成果之一。在電子式液位測量方法中，有許多新的測量原理，包括壓電式、應(yīng)變式、雷達(dá)式、超聲波式、浮球式、電容式、磁致伸縮式、伺服式、混合式等二十多種測量技術(shù)。由于該方法測量精度高，可靠性強(qiáng)，持續(xù)時間長，安裝維護(hù)簡單，因而正在逐步取代舊的機(jī)械式液位測量方法。用于儲罐液位測量的眾多電子式技術(shù)中，壓電式、超聲波式、應(yīng)變式、浮球式、電容式五種測量技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，約占總數(shù)D的60%以上。其中，超聲波式測量技術(shù)的應(yīng)用份額最大。I.2.2 超聲液位計

20、的發(fā)展趨勢目前，液位測量儀表向具有大量程、高精度、功能全等特點(diǎn)的方向發(fā)展，而且隨著現(xiàn)場總線的發(fā)展，現(xiàn)場總線接口被引入了液位測量儀表，這些也是液位計在今后的發(fā)展趨勢。例如E+H公司研制生產(chǎn)系列超聲液位測量儀最具代表性。其中，Prosonic FMLI130/230量程高達(dá)15m，盲區(qū)0. 25m;另外其新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的Prosonic FMU860/861/862超聲液位計相對精度可達(dá)0. 2%,輸出信號符合 HART協(xié)議或Profibus總線標(biāo)準(zhǔn)或FF總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種適用于各種過程控制系統(tǒng)的智能型一體化非接觸式連續(xù)物位測量儀，代表了液位測量儀表的發(fā)展方向。就液位測量儀表的類型米看，磁致伸

21、縮式液位計是比較理想的接觸式測量儀表，超聲波式液位計是比較理想的非接觸式測量儀表。磁致仲縮式液位汁的最大特點(diǎn)足測L精度高，其誤差可以維持在0. 2%左右。而且價格便宜，安裝成本較低。和其他的接觸型液位儀表相比，磁致伸縮式液位計的日常維護(hù)工作量較小。由于采用波導(dǎo)管來傳播電磁脈沖，因此，測量介質(zhì)的霧化、蒸汽和介質(zhì)表面的泡沫等都不會對測量精度造成較大的影響。近年來，基于高速數(shù)字信號的處理技術(shù)與微處理器技術(shù)的進(jìn)步，以及新型探頭材料與工藝的研究，超聲液位測量技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，顯示出強(qiáng)勁的技術(shù)優(yōu)勢，形成了迅猛的發(fā)展勢頭，己成功應(yīng)用于江河水位、污水處理、化學(xué)和制藥工業(yè)、食品加工、罐裝液位等多種領(lǐng)域，并日

22、益顯示其在非接觸測量中的巨大優(yōu)勢s10。I.3 本次課題的主要研究內(nèi)容及及其相關(guān)技術(shù)目標(biāo)通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料以及對液位計的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的分析，MCS一51系列單片機(jī)內(nèi)部的串行口使得單片機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)和設(shè)備通信變的簡單。因此，本課題準(zhǔn)備在利用51單片機(jī)對超聲波傳播原理研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件編程和仿真，對超聲波接收信號進(jìn)行有效處理，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。注重完成超聲波液位計的軟件電路的設(shè)計，硬件設(shè)計的總體目標(biāo)是力求在結(jié)構(gòu)簡單、成本合理的前提下，盡量完善其功能。主要技術(shù)指標(biāo)（1）液位量程: 0.075.5m；（2）測量誤差:±0.2%；（不超過1cm）（3）顯示分辨率:lcm；（4）環(huán)境溫度

23、:-1060；（5）顯示方式:LM016L液晶第一章 超聲波液位計的工作原理 1.1 超聲波及其特征超聲波是指頻率超過2萬Hz即超過人耳聽閾高限的聲波，屬于機(jī)械波。自然界的機(jī)械波以頻率可分為三大類：次聲波、聲波和超聲波。頻率低于20 Hz的波動稱為次聲；頻率在20 Hz到20 kHz之間的波動稱為聲波，頻率在20kHz以上的波動稱為超聲。人耳可聽到聲，但聽不見次聲與超聲。一般診斷用超聲波頻率為l M-10 MHz，而最常用的是2.5 M-5MH。1.1.1 超聲波特征超聲波用于液位檢測時，主要利用了它的以下性質(zhì)：和其他聲波一樣，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，并有各自的傳播速度。例如，在常

24、溫下空氣中的聲速約為334m/s，在水中的聲速約為1440m/s，而在鋼鐵中約為5000m/s。聲速不僅與介質(zhì)有關(guān)，還與介質(zhì)所處的狀態(tài)(如溫度)有關(guān)。超聲波在空氣中傳播是由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，所以空氣分子受到振子振動面交替的壓縮與擴(kuò)張時，氣體分子具有恢復(fù)力，即氣體反抗壓縮變化力的作用而實(shí)現(xiàn)彈性波德傳播。因此，聲波在大氣中的傳播速度受氣體密度、濕度、分子成分等因素的影響。v= *R*TM (2-1)其中， 是氣體定壓熱容和定容熱容的比值，對空氣是1.40; R是氣體普適常量，M是氣體分子量;這三者對于空氣來說都是定值，因此，理想氣體的聲速與絕對溫度T的平方根成正比，對于空氣來說，

25、影響聲速的主要因素是溫度并可用下式計算聲速v的近似值。V=20.067T 1 (2-2)由式2-2可知，超聲波聲速隨溫度的升高而增大，一般溫度侮升高10C，聲速變化約為0.6m/s。而在許多固體和液體中的聲速一般隨溫度的增高而降低。(2)聲波在介質(zhì)中傳播時會被吸收而衰減，氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大，液體其次，固體吸收最小而衰減最小。因此，對于一給定強(qiáng)度的聲波，在氣體中傳播的距離會明顯比在液體和固體中傳播的距離短。另外，聲波在介質(zhì)中傳播時衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大，因此，超聲波比其他聲波在傳播時的衰減更明顯。 (3)聲波傳播時的方向性隨聲波的頻率的升高而變強(qiáng)，發(fā)射的聲束

26、也越尖銳，超聲波可近似為直線傳播，具有很好的方向性。(4)當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，因?yàn)閮煞N介質(zhì)密度不同及聲波在其中傳播的速度不同，在分界面上聲波會產(chǎn)生反射和折射，其反射系數(shù)R為：R=IR/IO =(Z2cos-Z1cos)2/(Z2cos+Z1cos)2 式中，IR 、 IO 分別是反射和入射聲波的聲強(qiáng);反射角、分別是兩種介質(zhì)的聲阻抗，其值Z1=1V1, Z2=2V2聲波垂直入射時 =0，=0;則反射系數(shù)R為： R= (Z2-Z1)2/(Z2+Z1)2 (2-4)由上式可以看出， Z2、Z1相差越小，R值也越小，說明反射越弱，當(dāng)Z2-Z1時R=0，說明這時沒有反射，聲波全部透射。當(dāng)

27、反射介質(zhì)聲阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射聲阻抗時，即所謂的硬邊界。這時，入射波的介質(zhì)速度在碰到分界面時好像彈性碰撞一樣，變成一個反向速度，反射波質(zhì)點(diǎn)速度與入射波質(zhì)點(diǎn)速度相位改變1800，反射聲壓與入射聲壓同相位。比如，當(dāng)聲波從水傳播到空氣，在常溫下它們的聲阻抗約為Z1=1.44 X 106 Z2=4 X 102，代入公式(2-3)可得，R=0.999這說明聲波從液體傳播到氣體或相反的情況下，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗相差懸殊聲波幾乎全部被反射。1.1.2 超聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時，會發(fā)生衰減。發(fā)生衰減的原因有:傳播介質(zhì)的吸收、散射和聲波擴(kuò)散。其中，傳播介質(zhì)對聲波的吸收是衰減的主要原因。聲波的吸收是由介質(zhì)的熱

28、傳導(dǎo)、粘滯性及微觀吸收引起的，聲吸收將聲能轉(zhuǎn)換成熱能，導(dǎo)致聲波衰減。聲波散射引起的衰減是由于大量尺寸遠(yuǎn)小于波長的散射粒子引起的。由于散射引起的衰減非常復(fù)雜，所以可將散射粒子簡化為半徑a的小球，而且a<<s，假設(shè)單位體積內(nèi)有n。個散射粒子，那么散射衰減系數(shù)為s=89 (ka)4a2n0=89(a2)(2a )4n0 即s 與頻率的四次方成正比。該公式?jīng)]有考慮粒子與周圍介質(zhì)間的粘滯力引起的衰減。 不考慮聲波擴(kuò)散的衰減系數(shù)a為吸收衰減系數(shù)s和散射衰減系數(shù)s之和。在平面波情況下，聲壓隨傳播距離x的變化關(guān)系是:p=p0e-ax式中P0為距聲源為零時的聲壓，P為距聲壓x時的聲壓，X為離聲源距離

29、，a是衰減系數(shù)(a=aa+as)。平面波時聲束擴(kuò)散較少，可將擴(kuò)散引起的聲壓看成指數(shù)衰減。如圖2-5所示。 圖2-5聲束擴(kuò)散如聲源半徑為a，在離聲源近場區(qū)終端為x處，聲波主瓣的半徑由a擴(kuò)大到a+xtan，設(shè)聲壓的變化僅由聲束擴(kuò)散引起，則聲壓PX:將是PX=P0aa+xtan當(dāng)角很小時tansin=0.61, /a<<1PX=P011+0.61Xa×aP0(1-0.61Xa×a) P0e-0.61X/(a×a)成立條件8角很小，且 Xa×a <<1 引進(jìn)符號 aD=0.61a×a，aD稱為擴(kuò)散衰減系數(shù)。此時，a=aa+as+

30、aD,超聲波頻率越高，其方向性就越強(qiáng)，由于擴(kuò)散引起的超聲波衰減就越小。因此，超聲波的頻率不能太小。然而，超聲波頻率越高，由于介質(zhì)吸收造成衰減就越大。因此，超聲波的頻率也不能太大。 1.2 超聲液位計的基本測距原理：本設(shè)計采用超聲脈沖回波法測液位。超聲脈沖回波法的基本原理是由超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時會被反射，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時，利用單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時間和接收到回波的時間。超聲波在空氣中的傳播速度為v ,而根據(jù)計時器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時間差t ,就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S ,即: S = v·t /2 式中 S 為被測

31、距離，C 為超聲波的傳播速度，t 為回波時間，t=Tl+T2。超聲波測距原理圖這就是所謂的時間差測距法。由于超聲波也是一種聲波, 其聲速C與溫度有關(guān),表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時,如果溫度變化不大, 則可認(rèn)為聲速是基本不變的。常溫下超聲波的傳播速度是334 米/秒,但其傳播速度V 易受空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響,其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1 , 聲速增加約0. 6 米/ 秒。如果測距精度要求很高, 則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕū鞠到y(tǒng)正是采用了溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎＲ阎F(xiàn)場環(huán)境溫度T 時, 超聲波傳播速度V 的計算公式為：V = 331.45 + 0.607T 表1-

32、1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（）-30-20-100102030100聲速（ms）313319325323338344349386H 為超聲波探頭到容器底的距離，需要提前測定，h 為所要測的液位高度。超聲波液位檢測原理圖1.3 液位計換能器簡介及其激勵要求 應(yīng)用超聲波進(jìn)行測量，首先要解決的問題是如何發(fā)射和接收超聲波，這就要用到超聲波換能器33。超聲波換能器是整個電路中最關(guān)鍵的器件，又稱為超聲波探頭。它的作用是完成電能與聲能的相互轉(zhuǎn)換。發(fā)射換能器將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲能量，接收換能器將超聲能量轉(zhuǎn)換成其他易于檢測的能量。本課設(shè)的超聲波發(fā)射和接收采用實(shí)驗(yàn)所用的超聲波探頭為T/R40-16型，

33、該超聲波探頭參數(shù)如下表所示：傳感電路聲壓電平接收靈敏度工作頻率發(fā)送寬帶接收寬帶電容115 dB-64 dB40±1KHz5/103 dB KHz6/-71 dB KHz2500±25Pf超聲波探頭使用最多的是由壓電晶片(或壓電陶瓷)制成的換能器。超聲波的接收和反射是基于壓電晶片的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。其工作原理是:當(dāng)壓電晶片受發(fā)射脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即前發(fā)射聲脈沖，此即逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，此為正壓電效應(yīng)。前者是超聲波的發(fā)射，后者為超聲波的接收。其性能指標(biāo):中心頻率40±1 KHZ，發(fā)射聲壓大于115dB，接

34、收靈敏度大于-64Db/v/ubar，-6dB指向?yàn)?0deg，電容2400-25 %PF，允許輸入電壓20v。其發(fā)射換能器頻率特性曲線圖如下圖所示。超聲發(fā)射換能器頻率特性由圖可知，在中心頻率40kHz處，超聲發(fā)射器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，即在fo處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高。而在fo兩側(cè)，聲壓能級迅速衰減，因此超聲波發(fā)射時要用非常接近中心頻率fo的交流電壓來驅(qū)動。同樣，接收換能器在中心頻率fo處輸出電信號的幅度最大，即在fo處接收靈敏度最高。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的40KHz方波信號，利用外中斷0口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號。超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成,單片機(jī)P1.0端口輸

35、出的40kHz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.用這種推挽形式將方波信號加到換能器的兩端,可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度.輸出端采用兩個反向器并聯(lián),以提高驅(qū)動能力.可選用反向器74LS04來實(shí)現(xiàn)?？稍谠O(shè)計中加上拉電阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力,另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果,縮短其自由振蕩的時間.安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小

36、，以獲得合適的接收度和抗干擾能力。第二章 課題設(shè)計思路2.1 超聲液位計系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 超聲波液位測量系統(tǒng)基于“回波測距”的原理。由超聲波的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，聲波遇到障礙物后反射，由超聲波接收探頭接收。測出從超聲波發(fā)射脈沖串至接收到回波信號的傳輸時間，及超聲波在介質(zhì)中的實(shí)際傳輸速度，就可算出液位高度。 由上述章節(jié)可知，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度不是固定值，隨溫度的變化而變化，因此很多超聲波液位計測量系統(tǒng)通過溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)高精度的測量。探頭是以80C51為核心， 能完成超聲波的發(fā)射、接收、超聲波傳輸時間計算等任務(wù)。根據(jù)液位測量原理，超聲液位測量系統(tǒng)以C51型單片機(jī)為控制核心，其外圍硬件電路包括超聲波發(fā)

37、射電路、超聲波接收電路、液晶顯示電路以及溫度測量補(bǔ)償電路等。液位測量系統(tǒng)原理框圖如下圖所示。超聲波傳感器液晶顯示按鍵信號轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)單片機(jī)溫度測量補(bǔ)償2.2 系統(tǒng)軟件主程序流程圖： 超聲波液位計的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、溫度檢測補(bǔ)償子程序、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(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計算程序運(yùn)行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計算本次編譯使用的是Keil uVision軟件，Keil uVision軟件是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功

38、能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。根據(jù)上述液位計的基本功能和工作過程，系統(tǒng)的軟件流程圖如下圖所示。軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖3-1（a）（b） (c) 所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。（a）主程序流程圖 (b)定時中斷服務(wù)子程序 (c)外部服務(wù)中斷子程序第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 主要選型器件的介紹及說明3.1.1 主控芯片AT89C51引腳功能 AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)由AT89C51單片機(jī)及其外圍電路組成

39、，是整個超聲波液位計的核心電路。 AT89S51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。AT89S51系列單片機(jī)屬標(biāo)準(zhǔn)型，其特點(diǎn)是:(1) 與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容;(2) 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器;(3) 1000次擦寫周期;(4) 全靜態(tài)操作:OHz一33Hz;(5) 三級加密程序存儲器;(6) 32個可編程I/0口線;(7) 三個16位定時器/計數(shù)器;(8) 八個中斷源;(9) 全雙工DART串行通道;(10) 低功耗空閑

40、和掉電模式;(11) 掉電后中斷可喚醒;(12) 看門狗定時器;(13) 雙數(shù)據(jù)指針;(14) 掉電標(biāo)識符。AT89S51系列單片機(jī)為許多控制提供高度靈活和低成本的解決辦法。充分利的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)，所以單片機(jī)選用AT89S51單片機(jī)，空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位。3.1.2 ADC0808模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 因?yàn)槌暡▊鞲衅鹘邮盏降男盘柺浅暡ㄐ盘枺ㄕ倚盘枺?，而單片機(jī)處理的是脈沖信號，所以信號需要一個AD轉(zhuǎn)換的

41、過程，于是選擇模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0808ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0808是ADC0809的簡化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真時采用ADC0808進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)際使用時采用ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0808芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝。各引腳功能如下：15和2628（IN0IN7）：8路模擬量輸入端。8、14、15和1721：8位數(shù)字量輸出端。 22（ALE）：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 6（STAR

42、T）： A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 7（EOC）： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 9（OE）：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 10（CLK）：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 12（VREF（+）和16（VREF（-）：參考電壓輸入端 11（Vcc）：主電源輸入端。 13（GND）：地。 2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址輸入線，用

43、于選通8路模擬輸入中的一路。 ADC0808引腳圖 LM016L引腳圖3.1.3 LM016L液晶顯示液晶顯示器（LCD）具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、功耗小的特點(diǎn)。點(diǎn)陣字符型液晶顯示器把 LCD控制器、點(diǎn)陣驅(qū)動器、字符存儲器集成在一塊印刷電路板上，構(gòu)成便于應(yīng)用的液晶模塊。這類液晶模塊不僅可以顯示數(shù)字、字符，還可以顯示各種圖形符號以及少量自定義符號，并且可以實(shí)現(xiàn)屏幕的上下左右滾動、文字的閃爍等功能；人機(jī)界面友好，使用操作也更加靈活、方便，使其日益成為各種儀器儀表等設(shè)備的首選。LM016L液晶模塊采用 HD44780控制器。 HD44780具有簡單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動、閃爍等功能。

44、LM016L與單片機(jī) MCU通訊可采用 8位或者 4位并行傳輸兩種方式。 HD44780控制器由兩個 8位寄存器、指令寄存器（ IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）、忙標(biāo)志（BF）、顯示數(shù)據(jù) RAM（DDRAM）、字符發(fā)生器ROM（CGROM）、字符發(fā)生器 RAM（CGRAM）、地址計數(shù)器（ AC）。IR用于寄存指令碼，只能寫入不能讀出；DR用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內(nèi)部操作自動寫入 DDRAM和CGRAM，或者暫存從DDRAM和 CGRAM讀出的數(shù)據(jù)。BF為 1時，液晶模塊處于內(nèi)部處理模式，不響應(yīng)外部操作指令和接受數(shù)據(jù)。 DDRAM用來存儲顯示的字符，能存儲 80個字符碼。 CGROM由 8位字符碼生成 5

45、*7點(diǎn)陣字符 160種和 5*10點(diǎn)陣字符 32種，8位字符編碼和字符的對應(yīng)關(guān)系.CGRAM是為用戶編寫特殊字符留用的，它的容量僅 64字節(jié)?？梢宰远x 8個 5*7點(diǎn)陣字符或者 4個 5*10點(diǎn)陣字符。 AC可以存儲 DDRAM和 CGRAM 的地址，如果地址碼隨指令寫入 IR，則 IR自動把地址碼裝入 AC，同時選擇DDRAM或CGRAM單元。LM016L引腳圖如下圖所示。3.1.4 數(shù)字溫度傳感器DS18B20DS18B20是一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，測溫范圍為55+125，最大分辨率可達(dá)0.0625?？梢灾苯幼x出被測溫度值，而且采用了一線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本

46、和易使用的特點(diǎn)。DS18B20的主要特性a. 適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍:3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù) 據(jù)線供電b. 獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊c. DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫d. DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)e. 溫范圍-55+125，在-10+85時精度為±0.5f. 可編程 的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.062

47、5，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫g. 在9位分辨率時最多在 93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快h. 測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一 線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力i. 負(fù)壓特性:電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成:64位光刻ROM 、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管腳排列如下圖所示。DS18B20引腳定義:(1)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端;

48、(2)GND為電源地;(3)VDD為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地)。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20的外形及管腳 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20工作原理DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s 減為750ms。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對 低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝

49、入，計數(shù)器1重 新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即 為所測溫度。圖3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。3.2 系統(tǒng)電路3.2.1 超聲波發(fā)射電路發(fā)射電路的主要目的是驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭內(nèi)的壓電晶片振動，使之發(fā)出超聲波，并且發(fā)射的超聲波具有一定的能量，可傳播較遠(yuǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)測量的目的。驅(qū)動超聲發(fā)射探頭工作的方式很多，只要在探頭上施加一串其頻率與探頭中心頻率一致且能量足夠大的脈沖即可。發(fā)射脈沖可以由單片機(jī)或振動器來實(shí)現(xiàn)。而要獲得足夠大的能量，則可用三極管、場效應(yīng)管

50、、變壓器等實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計中采用的是由單片機(jī)發(fā)出40kHz的方波，并由三極管和變壓器對其升壓放大，驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射出能量足夠大的超聲波。實(shí)驗(yàn)所用的超聲波探頭為，T/R40-16型，它在頻率40kHz，幅值20V的電壓驅(qū)動下，才能發(fā)揮最佳性能。由于單片機(jī)P2.3管腳輸出的方波電壓只有SV其驅(qū)動能力無法達(dá)到驅(qū)動超聲波換能器的要求，系統(tǒng)選用三極管9013對單片機(jī)發(fā)出的方波信號進(jìn)行放大，并用變壓器升壓，使得加在超聲波發(fā)射探頭上的電壓達(dá)到驅(qū)動其工作的能力，并且發(fā)射出的超聲波能量足夠大，可傳播較遠(yuǎn)的距離，達(dá)到測量的目的發(fā)射電路如圖3-3所示。發(fā)射電路 由單片機(jī)AT89S52的p2.3管腳發(fā)出頻率40kH

51、z的方波，經(jīng)由2.2千歐的電阻與三極管9013基極相連，組成共射基放大電路將信號放大，再利用變壓器為其升壓。驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭T40發(fā)出能量足夠大的超聲波，并傳播較遠(yuǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)測量的目的。3.2.2 超聲波接收電路 超聲波接收探頭在接收到回波信號后，壓電晶片將信號轉(zhuǎn)換成了電壓信號(正弦波)。因此需要將正弦波轉(zhuǎn)換為方波信號，所以這里使用了電壓比較器LM311輸出方波信號控制D觸發(fā)器的時鐘端，D觸發(fā)器將中斷信號送至單片機(jī)在中斷服務(wù)程序停止定時器T，從而獲得超聲波傳播時間，進(jìn)而計算出液位高度。超聲波信號在傳播過程中，由于介質(zhì)吸收、聲束擴(kuò)散等原因會發(fā)生衰減，因此接收到的回波信號很弱，需要先經(jīng)運(yùn)算放大

52、器LM833N組成的比例放大電路實(shí)現(xiàn)信號兩級放大。所以接收電路實(shí)現(xiàn)超聲回波信號的濾波放大、整形及產(chǎn)生中斷信號的功能，以滿足長距離測量的要求。放大電路圖與超聲波接收電路原理框圖如圖所示。在放大電路與電壓比較器之間連接一個變阻器，這是由于隨著超聲波傳播距離的增加，回波信號由于衰減變?nèi)?，近距離回波信號與遠(yuǎn)距離回波信號電壓相差很大，可通過調(diào)節(jié)變阻器來調(diào)節(jié)輸入信號電壓值。回波信號經(jīng)放大電路放大后，由電壓比較器LM311將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，其輸出信號作為D觸發(fā)器的時鐘信號。D觸發(fā)器的D端接單片機(jī)的P1.2管腳。平時該管腳置成高電平，當(dāng)單片機(jī)發(fā)送完方波信號后，在允許外部中斷0中斷的同時，將P1.2置成低電平

53、;當(dāng)接收到回波信號，并將其轉(zhuǎn)換成D觸發(fā)器的時鐘信號后，D管腳的低電平將通過觸發(fā)器的Q端送出，作為單片機(jī)的外部中斷信號，實(shí)現(xiàn)對回波信號計時的目的。集成電壓比較器LM311的工作原理圖如圖所示。接收電路原理圖接收電路放大部分電路圖 LM311工作原理圖3.2.3 超聲波溫度檢測電路由于超聲波的聲速受溫度影響，為了提高測量精度，超聲波在空氣中的傳播速度需要修正，本文采用溫度傳感器為DS 18B20 o DS 18B20是美國D alls公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度傳感器，供電電壓范圍為3.OS.SV，測溫范圍為一55+1250C，能夠直接將被測溫度轉(zhuǎn)換成9一12位的數(shù)字值，9位分辨率時的最大轉(zhuǎn)換時間為

54、93.75ms，可分辨的最小溫度為0.50C 12位分辨率時的最大轉(zhuǎn)換時間為750ms，可分辨的最小溫度為0.06250Co DS18B20的主要特點(diǎn)是僅需一條輸入輸出線就能與TMS320C5402進(jìn)行雙向通訊，測量范圍寬，精度高，價格低廉。DS18B20溫度傳感器只有三個引腳，分別為CND, DQ和VDD o GND為接地引腳，DQ為數(shù)據(jù)線引腳，與TMS320C5402的DB 10相連，同時接上拉電阻，VDD接SV電源，圖3.18為連接示意圖。溫度檢測電路第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 超聲波測距儀的算法設(shè)計  超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)

55、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。距離的計算公式為：  d=s/2=(c×t)/2 （1）  其中，d為被測物與測距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間。 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機(jī)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(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。其部分源程序如下： RECEIVE： PUSH PSW ；中斷現(xiàn)場保護(hù) PUSH A CLR EXO ；關(guān)閉外部中斷INTO MOV R0，TL0 ；讀取時間 MOV R1，TH0 LCALL MULD ；調(diào)用乘法子程序計算機(jī)距離 LCALL ADJ ；調(diào)用十進(jìn)制調(diào)整子程序 LCALL DISP SETB EX0 ；打開外部中斷INT0 POP A POP PSW RETI4.2 系統(tǒng)程序設(shè)計軟件設(shè)計運(yùn)用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進(jìn)行分別編程，這樣不但