基于單片機的超聲波液位控制器設(shè)計

基于單片機的超聲波液位控制器設(shè)計摘要課題針對液位檢測的實際問題,開發(fā)了一種基于單片機的超聲波液位檢測儀.深入討論了用超聲波作為信號源進(jìn)行液位檢測的可行性及優(yōu)越性，產(chǎn)生誤差的各種原因，提出了相應(yīng)的解決方法。超聲波液位檢測儀以單片機AT89C51單片機最小系統(tǒng)為核心，利用超聲波作為檢測信號的手段，對液位進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)處理，減少了測量過程中的人工干預(yù)，方便了工作人員對液位檢測的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包含了超聲波發(fā)射電路、接收電路、溫度測量電路和液晶顯示電路。軟件設(shè)計中，采用模塊化程序設(shè)計思想，將軟件主要分為超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊、功能模塊兩大模塊。對軟件的這種“自頂向下〞的模塊化軟件編程方法能使軟件的結(jié)構(gòu)清晰，有利于軟件的調(diào)試和修改。在設(shè)計中，由于需要測量的距離范圍從幾米到十幾米，針對超聲波振幅在傳播時呈指數(shù)衰減的特性，最大限度地提高驅(qū)動能力，對回波進(jìn)行多級放大，到達(dá)了設(shè)計要求。由于測量精度要求很高，系統(tǒng)進(jìn)行了溫度補償設(shè)計。實驗結(jié)果說明該設(shè)計方法可以提高超聲波液位檢測儀的測量精度并且硬件開銷不大。目錄第一章緒論.............................................11.1課題背景......................................................11.1.1超聲波液位儀的研究背景與內(nèi)容...............................11.1.2超聲波液位儀的現(xiàn)狀.........................................11.2論文研究內(nèi)容.................................................21.2.1研究內(nèi)容...................................................21.2.2論文的章節(jié)安排.............................................3第二章超聲波的液位測量原理.............................52.1超聲液位儀理論根底...........................................52.1.1超聲波介紹.................................................52.1.2超聲波探頭的結(jié)構(gòu)和原理.....................................52.1.3T/R40-16超聲波探頭........................................72.1.4傳感器的指向角Θ...........................................82.2超聲波液位儀工作原理.........................................92.2.1超聲波液位儀工作原理.......................................92.2.2測量盲區(qū)..................................................102.3本章小結(jié)...................................................11第三章硬件總體設(shè)計....................................123.1超聲液位儀總體設(shè)計..........................................123.2單片機電路..................................................143.2.1復(fù)位電路設(shè)計..............................................153.2.2電源電路設(shè)計..............................................163.2.3時鐘振蕩器................................................173.3發(fā)射電路....................................................183.4接收電路....................................................193.5液晶顯示電路................................................203.6溫度測量電路................................................213.7串行通信口電路..............................................233.8本章小結(jié)...................................................25第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計....................................264.1軟件總體設(shè)計..............................................264.1.1軟件設(shè)計流程圖...........................................264.1.2主程序結(jié)構(gòu)流程圖.........................................274.1.3回波接收流程圖...........................................294.1.4中斷程序流程圖...........................................294.1.5串行口通信流程圖.........................................304.1.6DS18B20流程圖...........................................314.2軟件程序調(diào)試..............................................334.2.1復(fù)位電路程序調(diào)試.........................................334.2.2發(fā)送和接收超聲波程序調(diào)試.................................344.2.3顯示程序調(diào)試.............................................354.2.4溫度傳感器程序調(diào)試.......................................364.2.5通訊子程序調(diào)試...........................................384.3本章小結(jié)...................................................39第五章液位測量精度的提高和誤差分析....................405.1提高液位測量精度的主要方法.................................405.1.1溫度測量.................................................405.1.2算術(shù)平均濾波.............................................455.2誤差分析...................................................475.3本章小結(jié)...................................................48總結(jié)....................................................49緒論1.1課題背景1.1.1超聲波液位儀的研究背景與內(nèi)容超聲波液位儀作為一種典型的非接觸測量儀器，在很多場合有廣泛的應(yīng)用，諸如工業(yè)自動控制，建筑工程測量和水面高度測量等方面。與激光測距、微波測距等測量方法相比，由于超聲波在空氣中傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光線和無線電波，時間測量精度的要求也遠(yuǎn)小于激光測距、微波測距等，因而超聲波液位儀電路結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，容易設(shè)計，且超聲波在傳播過程中不易受煙霧、空氣能見度等因素的影響，在各個場合均得到廣泛應(yīng)用。然而超聲波液位儀在實際應(yīng)用中也有很多局限性會對測量數(shù)據(jù)的精確度造成一定的影響。諸如，環(huán)境溫度、風(fēng)速等，使其無法到達(dá)要求。如何解決這些問題，提高超聲波液位儀的精度，具有較大的現(xiàn)實意義。目前，市場上的超聲波液位儀多數(shù)采用單片機作為對液位儀控制和運算的核心，系統(tǒng)的硬件設(shè)計決定著測量結(jié)果的精度。本文在對超聲波傳播特性研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于單片機的超聲波液位儀的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，并對硬件和部分軟件分別進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)試。硬件設(shè)計的總體目標(biāo)是力求在結(jié)構(gòu)簡單、本錢合理的前提下，盡量完善其功能。由于超聲波液位儀需要測量十幾米距離，因此，針對超聲波在傳播時呈指數(shù)衰減的特性，我們采用了最大限度提高驅(qū)動能力、對回波進(jìn)行多級放大等措施，擴(kuò)大了測量范圍。本設(shè)計運用單片機系統(tǒng)控制超聲波的發(fā)射、接收、溫度測量以及其它的各種功能。在軟件設(shè)計中，我們采用模塊化程序設(shè)計思想，將軟件主要分為超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊。這有利于軟件的調(diào)試和修改。因為對計算的精度要求較高，所以本設(shè)計采用溫度補償和數(shù)字平均濾波的方法提高計算精度。另外，對設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)和存在的一些問題〔從軟、硬件兩方面〕，分析了原因并提出了一些解決的措施和改良的方法，為研制更加完善的超聲波液位儀打下了根底。1.1.2超聲波液位儀的現(xiàn)狀經(jīng)過不斷的努力和探索，科技工作者己開發(fā)出了種類繁多、各具特色的液位儀。尤其是近二十年來，隨著微處理器的引入，測量儀表更是發(fā)生了革命性的變化。液位儀的量程從幾米到十幾米，測量精度亦大大提高。根據(jù)液位測量所涉及的液體存儲容器、被測介質(zhì)以及工藝過程的不同，選擇不同類型的液位儀。在進(jìn)行液位測量前，必須充分了解液位測量的工藝特點，以此作為液位儀設(shè)計過程中的參考因素[5]。目前，進(jìn)口的智能化超聲波液位儀能夠?qū)邮招盘栕鼍_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(jìn)行精確的測量。超聲波液位儀不僅能定點和連續(xù)測量液位，而且能方便地提供遙測所需的信號。同時，超聲波液位儀不存在可動部件，所以在安裝和維護(hù)上相應(yīng)比擬方便。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(yīng)性。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的超聲波探頭可測量十幾米的液位[3]。1.2論文研究內(nèi)容1.2.1研究內(nèi)容進(jìn)口的液位儀功能齊全，精度較高，但是價格比擬昂貴且維修不是很方便。對于小型用戶來說，不是理想之選。而國內(nèi)自行研制生產(chǎn)的液位儀價格相對廉價，但精度不高，功能相對單一。為了設(shè)計出價格廉價，精度較高的超聲波液位儀，本設(shè)計采用89C51為核心的單片機電路，同時使用雙探頭的方式發(fā)射和接收聲波，基于超聲波測距的原理，算出液位的高度。由于在戶外測距，受到天氣的干擾因素比擬多，因此采取溫度補償?shù)姆绞剑瑏韽浹a外部因素造成的誤差。除此之外，也可以使用數(shù)字平均濾波的方式來提高數(shù)據(jù)的精確度。因為超聲波在空氣中的傳播速度大約為334m/s(常溫下)，在同一介質(zhì)中其傳播速度相對恒定，與激光的速度(3×108m/s)相比，它的傳播速度要慢得多，所以對超聲波信號的處較為容易。因此，這也表達(dá)了超聲波測距的獨到之處，加之其本錢較低，所以超聲波是比擬理想的信號源[2]。超聲波液位測量方法與其它的液位測量方法相比不易受光線、被測對象顏色等因素影響，利用這樣的特性，一般將儀器放置于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境之中。同時超聲波探頭具有結(jié)構(gòu)簡單、價格廉價、體積小、信號處理可靠等特點。綜合而言，超聲波液位儀具有非接觸、精度較高、實時測量、可靠性強等優(yōu)點，較為適合國內(nèi)市場。本篇論文研究的主要內(nèi)容是基于超聲波液位儀的設(shè)計和提高精度方面的研究。為了提高數(shù)據(jù)的精確度，重點探討超聲波在測量水平面高度時所受到諸如溫度，氣候以及超聲波強度衰減等因素的影響，以及采取相應(yīng)的措施來減少誤差。速度的影響：超聲波在工業(yè)應(yīng)用中的頻率為5kHz-5MHz，超聲波探頭到介質(zhì)外表距離的計算公式如下：D=t×2/CD：探頭到介質(zhì)外表的距離t1：聲波的傳播時間C：波的傳播速率由此可知，除了聲波的傳播時間的測量準(zhǔn)確性，聲波的傳播速度起著決定性的作用，聲速的變化取決于傳播媒介的不同。在實際應(yīng)用中，多種因素影響著傳播媒介及聲速。為了獲得更加準(zhǔn)確的測量結(jié)果，超聲波液位儀可以由所處環(huán)境的不同來設(shè)定不同媒介的聲速[6]。溫度的影響：如下表1.1，溫度的變化影響著聲速的變化，在正常環(huán)境中溫度的變化帶給聲速的變化為0.17%℃。在實際應(yīng)用中，由于探頭周圍環(huán)境，超聲波傳播媒介的溫度以及被測介質(zhì)的溫度不盡相同。因此，可以使用溫度補償這樣的方式來提高數(shù)據(jù)的精確度。1.2.2論文的章節(jié)安排本文首先介紹了超聲波液位儀測距的工作原理。接著基于測距原理，介紹了硬件設(shè)計。為了提高測量精度，我們又設(shè)計了一種以51單片機為核心的低本錢、高精度、微型化數(shù)字的超聲波液位儀系統(tǒng)。針對測量環(huán)境的改變，介紹溫度補償和平均濾波這兩種方法來提高超聲波液位儀精度。論文研究內(nèi)容和章節(jié)安排如下：第一章：介紹本課題的背景與意義，研究的歷史和現(xiàn)狀。第二章：重點講解往返時間檢測法測距的理論,以及對超聲波探頭的工作原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。第三章：超聲波液位儀的主控制電路，重點介紹51單片機和外圍電路的設(shè)計，以及各種器件的選擇。特別是對相關(guān)傳感器的介紹。第四章：超聲波液位儀的軟件設(shè)計，包括軟件流程圖，以及程序代碼的關(guān)鍵局部。系統(tǒng)軟件程序使用C語言編寫。第五章：通過溫度補償和數(shù)字平均濾波的方式來提高超聲波液位儀的精確度。同時對產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析。第二章超聲波的液位測量原理2.1超聲液位儀理論根底2.1.1超聲波介紹超聲波是一種人耳無法聽到的、頻率一般超過20kHz的聲音,它具有以下特性：〔1〕波長與輻射:傳播速度是用頻率乘以波長來表示。電磁波的傳播速度是3×108m/s,而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為344m/s。在這種比擬低的傳播速度下，長很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進(jìn)行測量時獲得很高的精確度。〔2〕反射：要探測某個物體是否存在，超聲波應(yīng)能夠在該物體上得到反射，由于金屬、木材、混凝土、橡膠和紙等可以反射近乎100﹪的超聲波，因此我們可以很容易地探測到這些物體。由于布、棉花等可以吸收超聲波，探測到他們將十分困難。另外，由于不規(guī)那么反射，通?？赡芎茈y探測到外表震動幅度很大的物體。〔3〕溫度:聲波傳播的速度“V〞可以用以下公式〔2.1〕表示：V=331.5+0.607t(m/s)〔2.1〕式中，t=溫度〔C〕，也就是說，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化有所不同。因此，要精確的測量與某個物體之間的距離時，始終檢查周圍溫度是十分必要的?！?〕衰減:傳播到空氣中的超聲波強度隨距離的變化成比例地減弱，這是由于衍射現(xiàn)象上的擴(kuò)散損失，和介質(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。2.1.2超聲波探頭的結(jié)構(gòu)和原理超聲波探頭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，由換能芯片在電壓的鼓勵下發(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、能夠定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透能力很大，尤其是在不透明的固體中，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，從而形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此這項技術(shù)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以這種檢測手段，必須發(fā)射超聲波和接收超聲波。能同時完成這種功能的裝置就是超聲波探頭，也稱為超聲換能器[10]。對應(yīng)用于工業(yè)的超聲波探頭而言，要求其精確度要到達(dá)1mm，并且具有較強的超聲波輻射。利用常規(guī)雙壓電芯片組件振動器的彎曲振動，在頻率高于70kHz的情況下，是不可能到達(dá)此目的。所以，在高頻率探測中，必須使用垂直振動模式的壓電陶瓷。壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就顯得十分重要，它的聲阻抗為2.6×107kg/m2s,而空氣的聲阻抗為4.3×102kg/m2s。5個冪的差異會導(dǎo)致在壓電陶瓷震動輻射外表上的大量損失。負(fù)載壓電陶瓷，它可以使超聲波探頭在高達(dá)數(shù)百kHz頻率的情況下，仍能夠正常工作。壓電型超聲波探頭的工作原理：它是借助于壓電晶體的諧振來工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。超聲波探頭有兩塊壓電晶片和一塊共振板，給它的兩級加上脈沖信號，當(dāng)其頻率等于晶片固有頻率的時候，壓電晶片就會產(chǎn)生共振，并帶動共振板一起振動，從而產(chǎn)生超聲波。反之，如果電極間未加電壓，那么當(dāng)共振板接收到回波信號時。將壓迫兩片電晶片振動，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電能，此時的探頭就成了超聲波接收器。如圖2.1所示，一個復(fù)合式振動器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動器是由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芯片構(gòu)成。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射，并且可以使超聲波聚集在振動器的中央部位[12]。2.1.3T/R40-16超聲波探頭超聲波探頭選用40kHz的T/R40-16型壓電陶瓷傳感器，如圖2.3所示。當(dāng)T/R40-16超聲波探頭在輸入頻率為40kHz時，各種特性呈現(xiàn)最正確狀態(tài)。因此為了得到最正確效果必須使單片機輸出方波的頻率為40kHz[7]。超聲波探頭的性能指標(biāo)：中心頻率40kHz，發(fā)射聲壓大于115dB，電容2400pF，允許輸入電壓12V。其發(fā)射探頭頻率特性曲線圖在中心頻率40kHz處，超聲發(fā)射器所產(chǎn)生的超聲機械波最強，即在f0處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高。而在f0兩側(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f0的交流電壓來驅(qū)動。同樣，接收探頭器在中心頻率f0處輸出電信號的幅度最大，即在f0處探頭的靈敏度最高。2.1.4傳感器的指向角θ超聲波探頭的指向角是聲束半功率點的夾角，是影響液位儀的一個重要技術(shù)參數(shù)，它直接影響測量的分辨率。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長λ，圓形傳感器半徑r有關(guān)。指向角θ越小，空間分辨越高，那么要求傳感器半徑r越大。由公式〔2.2〕，可知θ。〔2λ/π)×r×sin(θ/2)=1.615〔2.2〕選f0=40kHz時，λ＝C/f0=8.5mm。當(dāng)f0選定后，指向角θ近似與傳感器半徑成反比。指向角θ愈小，空間分辨率愈高，那么要求傳感器半徑r愈大。鑒于目前電子市場的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低本錢，在不降低空間分辨率的條件下，選用國產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑r=6.3mm，故θ=2×arcsin(21.615λ×π×r)=75°，超聲傳感器的指向圖由一個主瓣和幾個副瓣構(gòu)成，其物理意義是0°時聲壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為40°～80°，如圖2.4所示。2.2超聲波液位儀工作原理2.2.1超聲波液位儀工作原理超聲波液位儀的根本工作原理是利用超聲波傳播時間和傳播速度來確定液面距離。即所謂的脈沖——回波方式[14]。如圖2.5所示，由超聲波的入射和反射之間的夾角θ，可以計算出探頭距液面垂直高度L=Scos(θ/2),L為超聲波到液面的垂直距離，S為實際距離，液位高度計算公式為:L=vt/2*cos(θ/2)〔2.3〕其中，v表示超聲波聲速，t表示超聲波傳播時間。單片機根據(jù)脈沖發(fā)射時間和接收的時間計算出時間差t，即超聲波在空氣中傳播的時間，并由式：S=1/2Ct〔2.4〕計算出距離S，式中參數(shù)C是超聲波在空氣中傳播速度，因而設(shè)置溫度傳感器進(jìn)行修正。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。在精密的液位測量中需要到達(dá)毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波液位儀專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過溫度補償和數(shù)字平均濾波的方法，可以將數(shù)據(jù)提高到毫米級。2.2.2測量盲區(qū)由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)。用脈沖回波測量距離時，液面與超聲波探頭間的距離既不能太遠(yuǎn)也不能太近，存在著近限和遠(yuǎn)限。距離過遠(yuǎn)時，接收到的信號太弱，以致無法從噪聲信號中分辨出來，這是遠(yuǎn)限所以存在的原因。在距離過近時，接收信號將落進(jìn)盲區(qū)中而無法分辨，這是近限所以存在的原因[17]。超聲波液位儀在使用一個探頭情況下，同時發(fā)射和接收超聲波，由于在探頭上施加的發(fā)射電壓強達(dá)幾十伏甚至上百伏以上，雖然發(fā)射信號只維持一個極短的時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定的余振，因此在一段較長時間內(nèi)，加載接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍是相當(dāng)強的，可以到達(dá)限幅電路，引起探頭振動，不能進(jìn)行正確的測量，在這種情況下，選用兩個探頭分別用于發(fā)送和接收。雙探頭方式，不僅可以增加探測距離，還可以減小盲區(qū)。由于發(fā)射探頭上并不直接施加發(fā)射電壓，所以，從理論上說，可以沒有盲區(qū)。但是，由于接收電路多少會受到發(fā)射電路的感應(yīng)，并且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有局部直接繞道接收探頭，因此實際上仍存在一定的盲區(qū)，不過他要比單探頭方式的盲區(qū)小很多。所以，在本設(shè)計中，選取了雙探頭的工作方式，減小盲區(qū)，同時提高檢測的距離。2.3本章小結(jié)本章介紹了超聲波的特性，對超聲波在傳播過程中的衰減與聲波所在介質(zhì)等關(guān)系進(jìn)行了分析，在超聲波測量工作原理中，分析指出把超聲波往返時間的測量轉(zhuǎn)化對計數(shù)脈沖個數(shù)的測量。第三章硬件總體設(shè)計3.1超聲液位儀總體設(shè)計超聲波液位系統(tǒng)由單片機、超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、閘門控制、時鐘發(fā)生等局部組成。通過對系統(tǒng)各局部所需要的電壓和電流的計算，來選擇不同的電子器件，經(jīng)過不斷地測試，到達(dá)了硬件總體設(shè)計的要求。3.2單片機電路作為超聲波液位儀系統(tǒng)的核心部件，單片機的選擇對整個系統(tǒng)功能的優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。面向工控領(lǐng)域的單片處理器，目前廣泛應(yīng)用的有51系列的8位單片機及面向大量數(shù)字信號處理領(lǐng)域的數(shù)字信號處理器(DSP)。DSP器件在工控領(lǐng)域的應(yīng)用，從長遠(yuǎn)看是一個必然的趨勢，但目前DSP件的使用偏重于高端應(yīng)用領(lǐng)域，對于智能儀表所開發(fā)的功能得不到充分利用，不能很好的表達(dá)器件優(yōu)勢。51單片機具有開發(fā)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，尤其是在ATMEL公司將Flash存儲技術(shù)應(yīng)用到單片機產(chǎn)品中，將Flash存儲技術(shù)與Intel公司的MCS-51核心技術(shù)相結(jié)合，形成了AT89系列單片機[16]。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能，CMOS8位單片機，片內(nèi)含4Kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和128位的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器〔RAM〕,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用8位中央處理器〔CPU〕和Flash存儲單元，功能強大A。T89C51單片機的高性價比，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。3.2.1復(fù)位電路設(shè)計工業(yè)環(huán)境中的干擾大多是以窄脈沖的形式出現(xiàn)，而最終造成微機系統(tǒng)故障的多數(shù)現(xiàn)象為“死機〞。究其原因是CPU在執(zhí)行某條指令時，受干擾的沖擊，使它的操作碼或地址碼發(fā)生改變，致使該條指令出錯。這時，CPU執(zhí)行隨機拼寫的指令，甚至將操作數(shù)作為操作碼執(zhí)行，導(dǎo)致程序“跑飛〞或進(jìn)入“死循環(huán)〞。為使這種“跑飛〞或進(jìn)入“死循環(huán)〞的程序自動恢復(fù)，重新正常工作，一種有效的辦法是采用硬件“看門狗〞技術(shù)。用“看門狗〞來監(jiān)視程序的運行。假設(shè)程序發(fā)生“死機〞，那么看門狗產(chǎn)生復(fù)位信號，引導(dǎo)單片機程序重新進(jìn)入正常運行。3.2.2電源電路設(shè)計電源是整個系統(tǒng)的能源中心，系統(tǒng)中所有器件的運作都需要電源來提供能量，因此系統(tǒng)電源的質(zhì)量在很大程度上影響到單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。交流電經(jīng)過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。直流電源的輸入為220V的電網(wǎng)電壓，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而需要通過電源變壓降壓后，再對交流電壓進(jìn)行處理。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1=η，η是變壓器的效率。濾波的任務(wù)，就是把整流器輸出電壓中的波動成分減少，輸出恒穩(wěn)的直流電。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。各濾波電容C滿足公式〔3.1〕：RC=〔3～5〕T/2(3.1)式中T為輸入交流信號周期，RC為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻[21]。3.2.3時鐘振蕩器晶體振蕩器,以下簡稱晶振,是基于晶體的壓電效應(yīng)原理制造而成的。當(dāng)在晶片的兩面上加交變電壓時，晶片因反復(fù)的機械變形產(chǎn)生振動，而這種機械振動又會反過來產(chǎn)生交變電壓。當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其它頻率下的振幅大得多，并且產(chǎn)生共振，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振.晶振發(fā)生振蕩必須附加外部時鐘電路,一般是一個放大反應(yīng)電路,只有一片晶振是不能實現(xiàn)震蕩的，于是就有了時鐘振蕩器。將外部時鐘電路跟晶振放在同一個封裝里面,一般都有4個引腳,兩條電源線為里面的時鐘電路提供電源,又叫做有源晶振,時鐘振蕩器,或簡稱鐘振.好多鐘振一般還要做一些溫度補償電路在里面,讓振蕩頻率能更準(zhǔn)確。設(shè)計中使用12MHz的晶振，通過單片機內(nèi)部6分頻，發(fā)生2MHz的ALE信號，經(jīng)過超聲波發(fā)射電路，獲得探頭所需的40kHz的頻率。3.3發(fā)射電路超聲波液位儀是基于反射超聲波的測距原理來確定液位，因此，它在工作時為了能夠接收到回波信號，就需要發(fā)射出具有一定強度的超聲波信號，并且發(fā)射局部為超聲波探頭提供一個具有一定頻率的電壓信號。兩片十進(jìn)制計數(shù)器74LS90和74LS00觸發(fā)器組成的超聲波發(fā)射電路，如圖3.6。由于單片機使用12MHz時鐘晶體，經(jīng)過89C51單片機內(nèi)部的6分頻，發(fā)出ALE信號為2MHz，要產(chǎn)生40kHz的信號，需要對ALE信號進(jìn)行2000/40=50分頻,74LS90不僅是十進(jìn)制計數(shù)器，也可以將兩片74LS90，實現(xiàn)對ALE信號50分頻的效果，當(dāng)單片機的P1.5管腳發(fā)射的時間信號脈沖處于高電平時，使74LS90發(fā)出的40kHz頻率通過74LS00，經(jīng)過上下電平轉(zhuǎn)換，傳到發(fā)射探頭，引起共振，驅(qū)動超聲波探測器發(fā)出超聲波，如圖3.4。3.4接收電路超聲波接收電路設(shè)計由反向比例運算電路,濾波電路和閾值電壓比擬三局部組成，超聲波在傳播的傳播中不可防止地衰減，再經(jīng)過物體外表的吸收、散射后，反射回來的回波信號已經(jīng)極其微弱，要想測到回波，必須對其進(jìn)行濾波放大，放大調(diào)節(jié)后的信號作為輸入信號，變成直流電平。接收超聲波的放大電路，采用的是反向比例運算電路，如圖3.8所示，由于輸入電壓通過電阻R4作用于集成運放的反向輸入端，故輸出電壓與輸入電壓反向。根據(jù)運算放大器的放大倍數(shù)公式：Avf1=-(R1/R4)=20(3.2)Avf2=-(R2/R5)=10(3.3)Avf=Avf1×Avf2=200(3.4)可知，第一級放大電路反向放大20倍，同理二級放大電路放大10倍，經(jīng)過濾波電路，恢復(fù)了正向波形，接收信號被放大200倍。接收探頭采用與發(fā)射探頭相同的T/R40超聲波探頭。超聲波液位儀接收局部的任務(wù)是通過適當(dāng)?shù)臑V波將超聲波探頭接收到的微弱信號經(jīng)濾波放大和檢波后送至信號處理器。它的主要組成局部是：濾波放大、放大調(diào)節(jié)、檢波和信號處理。再和電壓比擬器設(shè)定的閾值電壓進(jìn)行比擬，獲得低電平信號，傳給單片機的外中斷，單片機內(nèi)的計數(shù)器停止計數(shù)。從而得到超聲波從發(fā)射到返回時間，最后把時間量與聲速相乘，轉(zhuǎn)換為距離量,顯示值直接為距離值。3.5液晶顯示電路液晶顯示電路使用的是128×64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國標(biāo)GB2312碼簡體中文字庫〔16×16點陣〕、128個字符〔8×16點陣〕可與CPU直接連接，并且提供兩種接口來連接微處理機即8位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面位移、睡眠模式等。3.6溫度測量電路由于超聲波在空氣中的傳播速度和溫度有關(guān)，為了修正超聲波的速度，就需要測量溫度，以便獲得準(zhǔn)確的超聲波速度。溫度測量就是為了實現(xiàn)這一目的。溫度測量采用DALLAS公司的DS18B20芯片，該芯片的性能指標(biāo)如下：〔1〕獨特的單線接口，只需1個接口引腳即可通信〔2〕多點能力使分布式溫度檢測應(yīng)用得以簡化〔3〕不需要外部組件〔4〕可用數(shù)據(jù)線供電〔5〕不需要備份電源〔6〕測量范圍從-55℃～+125℃，增量值為0.5℃〔7〕以9位數(shù)字值方式讀出溫度〔8〕用戶可定義的，非易失性溫度告警設(shè)置〔9〕告警搜索命令識別和尋址溫度,溫度在編定的極限之外的器件3.7串行通信口電路由于單片機提供的是TTL的電平，而計算機提供的是RS232電平，要實現(xiàn)單片機與計算機的通信，必須對它們的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可用MAX232芯片來實現(xiàn)，如圖3.10。89C51單片機本身的串行接口TxD，RxD為TTL電平，信號幅值較低，易受干擾只適合很近距離的通訊，因此，廣泛采用RS－232C串行接口與TTL間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。電壓改變的速度必須和接收端的接收速度保持一致。完RS-232接口需要22根線，采用標(biāo)準(zhǔn)的25芯插頭。設(shè)計中實現(xiàn)了超聲波液位儀的遠(yuǎn)程通訊功能，將單片機獲得的液位數(shù)據(jù)傳送到上位機，以便于工作人員的監(jiān)控和操作，并可將歷史數(shù)據(jù)存儲在PC機內(nèi)，尤其適用于室外測量或惡劣環(huán)境下的測量，由此使得系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣。本系統(tǒng)采用的是9芯的D型RS-232連接器串行通訊，通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)15m。RS232封裝如圖3.11所示。MAX232需要外界4只0.1uF電容，或者1uF的電解電容。之所以需要電容，是因為RS232電平是工作在大約-9V～+9V之間，需要把將5V電壓轉(zhuǎn)換成RS-232電平所需要的+10V和-10V。電路上形象地稱為電荷泵[31]。設(shè)計中選用了9針的D型連接器，如圖3.11所示，并給出了9個引腳的功能。說明：引腳1：DCD，方向I，載波檢測引腳2：RXD，方向I,數(shù)據(jù)輸入引腳3：TXD，方向O，數(shù)據(jù)輸出引腳4：DTR,方向O,數(shù)據(jù)終端就緒引腳5：GND,地引腳6：DSR,方向I，數(shù)據(jù)設(shè)備就緒引腳7：KTS,方向O，請求發(fā)送引腳8：CTS,方向I，去除發(fā)送引腳9：RI,方向I,振鈴指示第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1軟件總體設(shè)計4.1.1軟件設(shè)計流程圖單片機液位儀的軟件功能是控制超聲波的發(fā)射和接收，對超聲波的傳輸時間進(jìn)行測量，結(jié)合超聲波的傳播速度，計算出距離，并把數(shù)字濾波后的結(jié)果顯示出來。要實現(xiàn)上述功能，軟件包含初始化、參數(shù)讀入、超聲波發(fā)射、超聲波傳輸計時、聲速計算、超聲波傳輸距離計算、數(shù)字濾波、計算結(jié)果顯示等功能模塊。軟件總體流程圖,如圖4.1所示。目前單片機的主流編程語言有匯編語言和C語言兩種。匯編語言的優(yōu)點是程序效率高、代碼短，但存在可讀性可移植性差的缺點。C語言的優(yōu)點是可讀性好、可移植性好的優(yōu)點，但存在代碼效率較低、代碼較長的缺點。考慮超聲波液位測量系統(tǒng)測量速度要求不高，數(shù)據(jù)計算量大的特點，超聲波液位測量系統(tǒng)采用C語言編寫。軟件設(shè)計運用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進(jìn)行分別編程，這樣不但使得整個軟件的層次和結(jié)構(gòu)比擬清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。按照液位測量儀的需要，超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊主要任務(wù)是用單片機產(chǎn)生40kHz的脈沖，驅(qū)動超聲波探頭器發(fā)射超聲波，同時采用計數(shù)器計時；當(dāng)超聲波接收器接收到回波信號時停止計時，由此得出超聲波的傳輸時間T,再利用第二章所介紹的公式，可求出待測距離h，由此算出液體的高度[33]。?4.1.2主程序結(jié)構(gòu)流程圖主程序是單片機程序的主體，它負(fù)責(zé)調(diào)用系統(tǒng)的子程序，中斷程序等各個功能轉(zhuǎn)換。如下圖為系統(tǒng)的主程序流程。程序首先完成初始化過程，然后是一個重復(fù)的控制發(fā)射信號，而且每次發(fā)射周期結(jié)束都會判斷在發(fā)射信號后延時等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即回波是否到達(dá)。由于采用了單片機89C51并考慮整個系統(tǒng)的控制流程，整個系統(tǒng)軟件都由89C51系列單片機C語言實現(xiàn)。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。在中斷響應(yīng)之后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)計數(shù)值與距離值換算子程序，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序后顯示輸出。如圖4.2。4.1.3回波接收流程圖4.1.4中斷程序流程圖中斷效勞程序是響應(yīng)單片機的外部中斷。在系統(tǒng)硬件中，發(fā)射的40KHz脈沖信號遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測電路產(chǎn)生外中斷信號至單片機。在中斷效勞程序中，要從把進(jìn)入中斷效勞程序處的計數(shù)值讀出并保存在RAM中，再對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算得到相應(yīng)的距離值，并轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，最后顯示輸出。如圖4.4和圖4.5。4.1.5串行口通信流程圖為了便于數(shù)據(jù)的