基于單片機(jī)的超聲波水箱液位檢測(cè)系統(tǒng)

第1章緒論課題研究的意義大型水箱是很多公司生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的部件，它的性能和工作質(zhì)量的優(yōu)良不僅僅對(duì)生產(chǎn)有著巨大的影響，而且也關(guān)系著生產(chǎn)的平安。在過(guò)去，大量的對(duì)水箱操作是由相應(yīng)的人員進(jìn)行操作的，這樣的人工方式帶來(lái)了很大的弊端，比方水位的控制，時(shí)刻監(jiān)控水箱的環(huán)境，夜間的監(jiān)控等等，操作員稍有疏忽，或者簡(jiǎn)易的監(jiān)那么器件損壞，將帶來(lái)無(wú)法彌補(bǔ)的損失，更嚴(yán)重的會(huì)危機(jī)到生產(chǎn)人員的人身平安等。所以，對(duì)水箱控制，如果能夠使用精密的而且完全會(huì)嚴(yán)格按照生產(chǎn)規(guī)定運(yùn)行的自動(dòng)化系統(tǒng)，可以最大限度的防止事故的幾率，同時(shí)也能節(jié)省資源并能有效提高生產(chǎn)的效率。從水資源節(jié)約方面考慮，以往的人工控制在很多情況下，造成資源不必要的浪費(fèi)，大局部原因是水箱內(nèi)部水位沒(méi)有及時(shí)的反響信息到操作員，從而使控制上有一定的延遲，從而造成了水量過(guò)多或者沒(méi)能及時(shí)補(bǔ)水而導(dǎo)致資源的浪費(fèi)或生產(chǎn)出現(xiàn)異常。而對(duì)水箱水位的監(jiān)控以及自動(dòng)化的引入可以很好的改善補(bǔ)水過(guò)多和及時(shí)補(bǔ)水的情況，可以很好的節(jié)約資源有效的降低本錢(qián)。單片機(jī)，一小塊芯片上集成了一個(gè)微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成局部，它的誕生使眾多自動(dòng)化控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。80C51以它功能強(qiáng)大，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制造廉價(jià)，支持指令集較多。所以應(yīng)用到眾多嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中。綜上所述，可以看出對(duì)本課題水箱液位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的研究有著重要的意義。研究現(xiàn)狀目前，水箱控制系統(tǒng)已不僅僅局限于大型的電廠、煤炭、鋼鐵等大型企業(yè)領(lǐng)域，它以自身的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的平安優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)慢慢深入到一些民用水箱產(chǎn)品。但是目前階段，它的本錢(qián)還很高。比方把一臺(tái)純手工家用水箱設(shè)計(jì)成自動(dòng)化控制的水箱，從硬件的設(shè)計(jì)和鋪設(shè)，對(duì)于民用化產(chǎn)品實(shí)施的性?xún)r(jià)比擬高。因此大規(guī)模的使用仍受到經(jīng)濟(jì)上的限制。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著自動(dòng)化技術(shù)的改良和硬件本錢(qián)的降低，以及人們對(duì)資源浪費(fèi)的重視。水箱控制系統(tǒng)仍然有大規(guī)模推廣的前景。我國(guó)仍然處于生產(chǎn)型開(kāi)展中國(guó)家，所有幾乎在能源相關(guān)的所有領(lǐng)域中，水箱是比不可少的部件，即使是興旺國(guó)家也不例外。它性能的優(yōu)良與否關(guān)系直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)平安和效益。隨著我國(guó)嵌入式技術(shù)的開(kāi)展，我國(guó)控制系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)到達(dá)國(guó)際水平，但是在中小型企業(yè)以及民用產(chǎn)品，大量的水箱控制任然通過(guò)專(zhuān)職的人員進(jìn)行控制。隨著我國(guó)單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)的逐漸成熟，以及單片機(jī)生產(chǎn)本錢(qián)的下降，基于單片機(jī)的水箱控制系統(tǒng)應(yīng)用到中小型以及民用產(chǎn)品有著交大的開(kāi)展空間。而且越來(lái)越多的水箱生產(chǎn)廠商開(kāi)始聘用單片機(jī)開(kāi)發(fā)人員和電路設(shè)計(jì)人員，將控制系統(tǒng)成為水箱設(shè)計(jì)的一局部，以提高自身產(chǎn)品的平安性能和科技含量來(lái)提高產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。一些興旺國(guó)家在單片機(jī)新型系統(tǒng)研究、制造和應(yīng)用上，已經(jīng)積累了很多的經(jīng)驗(yàn)，奠定了根底，進(jìn)入了國(guó)際市場(chǎng)。我國(guó)在新型測(cè)控裝置與系統(tǒng)研究、制造、應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)上，與其他興旺國(guó)家相比還存在差距，但是我國(guó)研究人員已經(jīng)克服很多困難，并在不斷摸索中前進(jìn)，有望在相關(guān)領(lǐng)域趕上甚至超越興旺國(guó)家的技術(shù)水平，這是開(kāi)展趨勢(shì)。1.3主要研究?jī)?nèi)容和要求一個(gè)水箱液位檢測(cè)系統(tǒng)，本文以單片機(jī)為主控制器，將受到的信號(hào)送到單片機(jī)中進(jìn)行處理，能夠?qū)λ涞撵o態(tài)或動(dòng)態(tài)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，顯示被測(cè)液位值，當(dāng)液位超限后進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒工作人員進(jìn)行手動(dòng)控制。本設(shè)計(jì)的要求：1.液位測(cè)量范圍0.0-24.0cm；2.制作簡(jiǎn)易的液位測(cè)量裝置；第2章系統(tǒng)的方案論證方案一：本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心的，利用傳感器來(lái)采集水位信號(hào)。利用水的導(dǎo)電性，有水那么導(dǎo)電的特性，在固定水位高度安插節(jié)點(diǎn)。如圖2-1所示：圖2-1水箱節(jié)點(diǎn)示意圖電路共有五個(gè)發(fā)光二極管，如果發(fā)光二極管全部亮，表示水箱中的水已充滿(mǎn)。12V電源送到水箱底部的水中，晶體管(T1～T5)只要得到基極電壓，就會(huì)導(dǎo)通并點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管(LED1～LED5)。當(dāng)水箱中的水到達(dá)最低水位C時(shí)，晶體管T1導(dǎo)通，LEDl點(diǎn)亮；當(dāng)水位上升到水箱的1/4時(shí)，晶體管T2導(dǎo)通，LEDl與LED2點(diǎn)亮；當(dāng)水位升到水箱的一半時(shí)，晶體管T3導(dǎo)通，那么LEDl、LED2和LED3點(diǎn)亮；當(dāng)水位升到水箱的3/4時(shí)，晶體管T4導(dǎo)通，那么LEDl～LED4均點(diǎn)亮；當(dāng)水箱的水充滿(mǎn)，晶體管T5導(dǎo)通，五個(gè)發(fā)光二極管全亮，同時(shí)使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲響。因此從發(fā)光二極管點(diǎn)亮的狀態(tài)，就能知道水箱中的水位。發(fā)光二極管與水箱中的水位對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示。發(fā)光二極管應(yīng)安裝在容易監(jiān)視的位置。此方案，器件易于腐蝕，易產(chǎn)生誤差。表二極管和水位的對(duì)應(yīng)關(guān)系水箱中的水位發(fā)光的LED最高水位LED1、LED2、LED3、LED4、LED5水位LED1、LED2、LED3、LED4水位LED1、LED2、LED3水位LED1、LED2最低水位LED1方案二：浮子式水位傳感器其主要產(chǎn)品有上海精浦機(jī)電的GEMPLEGPH500，正天科技的FYC-3型浮子式水位傳感器等。工作原理：它利用液體浮力測(cè)液位的原理，靠浮子隨水面升降的位移反映水位變化。漂浮通過(guò)繩索經(jīng)滑輪與編碼器相連，編碼器的數(shù)字輸出即為水位高度。為防止錯(cuò)碼的出現(xiàn)，其編碼器的編碼為格雷碼。機(jī)械浮子式和光電浮子式都是來(lái)用機(jī)械齒輪減速產(chǎn)生進(jìn)位和退位的方法來(lái)形成編碼。其工作示意圖如圖2-2所示:圖2-2浮子式水位計(jì)工作示意圖其主要技術(shù)參數(shù)：測(cè)量范圍：5m10m20mm40mm80mm分辨率：1cm1mm精度：±1cm回差：≤±1cm使用環(huán)境：溫度-5℃---+50℃根據(jù)其參數(shù)此方案適合測(cè)量范圍大的，且測(cè)量誤差比擬大。方案三：基于超聲波的水位傳感器超聲波水位傳感器是利用空氣聲學(xué)回聲測(cè)距原理來(lái)進(jìn)行水位變化測(cè)量的新型水位測(cè)量?jī)x器。由收發(fā)共用換能器發(fā)射一聲脈沖、經(jīng)聲管傳聲遇水界面產(chǎn)生反射，回波經(jīng)由同一換能器接收。測(cè)得聲波在空氣中的傳播時(shí)間及現(xiàn)場(chǎng)聲速，算出換能器發(fā)射面至水面的距離，依據(jù)換能器安裝基準(zhǔn)面及水位零點(diǎn)得到水位值。特點(diǎn)是非接觸測(cè)量，無(wú)需建造水位測(cè)井，安裝方便，自動(dòng)測(cè)量；具有聲速補(bǔ)償；RS-485數(shù)據(jù)輸出。其水位測(cè)量原理如圖2-3所示：圖2-3水位測(cè)量原理圖方案四：電子類(lèi)液位傳感器測(cè)量原理是把液位的變化轉(zhuǎn)化為電氣參數(shù)的變化，利用一定的測(cè)量電路將電參數(shù)檢測(cè)出來(lái)，從而到達(dá)測(cè)量液位的目的。其中最常用且最成熟的是電容式液位傳感器。電容式液位計(jì)它是利用空氣和液體作電容器兩極極板間的電介質(zhì)，將液位變化轉(zhuǎn)換成靜電電容變化，用電子學(xué)方法測(cè)量電容值，從而探測(cè)液體高度信息。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高，而且量程廣，適合于測(cè)量各種介質(zhì)(導(dǎo)電介質(zhì)、非導(dǎo)電介質(zhì))的液位，但是要求液體具有相同、穩(wěn)定的介電常數(shù)，需要有溫度的補(bǔ)償。尤其用長(zhǎng)電纜連接時(shí)，對(duì)電纜中的干擾和寄生電容很敏感，精度較差，且對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)或粘性介質(zhì)，誤差較大、易受干擾，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。電阻式液位計(jì)探測(cè)器在空氣中的阻值要比它浸在液體中的阻值大得多，通過(guò)電子學(xué)方法測(cè)量液體容器底部與頂部之間的電阻，從中可探知液位信息。其測(cè)量精度受液體污染情況的影響較大，探針的污染和沉積物，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的輸出，在直流工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電解，響應(yīng)速度慢。比照以上幾個(gè)方案，方案三安裝方便，操作簡(jiǎn)單符合設(shè)計(jì)要求?？傮w系統(tǒng)框圖根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，采用單片機(jī)為主控芯片，該系統(tǒng)主要由傳感器模塊，液晶顯示器模塊，控制鍵盤(pán)，報(bào)警電路等模塊組成，其系統(tǒng)框圖如圖2-4所示：?jiǎn)螁纹瑱C(jī)LCD顯示電路電路控制鍵盤(pán)圖2-4液位檢測(cè)系統(tǒng)框圖報(bào)警電路超聲波傳感器模塊功能：超聲波傳感器模塊：發(fā)送與接收信號(hào)。單片機(jī)：記錄從超聲波傳感器發(fā)送信號(hào)到超聲波傳感器接收信號(hào)的時(shí)間及主體控制。LCD顯示器：顯示所測(cè)液面到瓶口〔超聲波傳感器〕的液位值。報(bào)警電路：低于設(shè)定值的最低限或高于設(shè)定值的最高限時(shí)，發(fā)生聲光報(bào)警?？刂奇I盤(pán)：設(shè)定初始值及控制液位值。第3章系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)STC89C52單片機(jī)STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改良使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)〔兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)〕，全雙工串行口。另外STC89X52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)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(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選。STC89C52的管腳說(shuō)明圖3-1單片機(jī)引腳P～P0.7：P0口8位雙向口線(xiàn)。P～P1.7：P1口8位準(zhǔn)雙向口線(xiàn)。P～P2.7：P2口8位準(zhǔn)雙向口線(xiàn)。P～P3.7：P3口8位準(zhǔn)雙向口線(xiàn)。訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)：當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；而當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，那么對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。ALE地址鎖存控制信號(hào)：在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口輸出低8位地址鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外由于ALE是以晶振六分之一的固定頻率輸出的正脈沖，因此可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖作用。外部程序存儲(chǔ)器讀選取通信號(hào)：在讀外部ROM時(shí)有效〔低電平〕，以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。XTAL1和XTAL2外接晶體引線(xiàn)端：當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，這兩個(gè)引線(xiàn)端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于拉外部的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。RST復(fù)位信號(hào)：當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。VSS：電源地。VCC：+5V電源。.3P3口的第二功能表如下所示：表3-1P3口的第二功能表口線(xiàn)第二功能替代的專(zhuān)用功能PRXD串行輸入口PTXD串行輸出口P外部中斷0P外部中斷1PT0定時(shí)器0的外部輸入PT1定時(shí)器1的外部輸入P外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通3.2單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路是使單片機(jī)的CPU或系統(tǒng)中的其他部件處于某一確定的初始狀態(tài)，并從這上狀態(tài)開(kāi)始工作。.1通常單片機(jī)復(fù)位電路有兩種：上電復(fù)位電路，鍵盤(pán)復(fù)位電路。上電復(fù)位電路：上電復(fù)位是單片機(jī)上電時(shí)復(fù)位操作，保證單片機(jī)上電后立即進(jìn)入規(guī)定的復(fù)位狀態(tài)。它利用的是電容充電的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。鍵盤(pán)復(fù)位電路：它不僅具有上電復(fù)位電路的功能，同時(shí)它的操作比上電復(fù)位電路的操作要簡(jiǎn)單的多。如果要實(shí)現(xiàn)復(fù)位的話(huà)，只要按下RESET鍵即可。它主要是利用電阻的分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在此設(shè)計(jì)中，采用的鍵盤(pán)復(fù)位電路，鍵盤(pán)復(fù)位電路如圖3-2所示:圖3-2復(fù)位電路3.2上電復(fù)位要求接通電源后，單片機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降。RST引腳的高電平只要能保持足夠的時(shí)間〔2個(gè)機(jī)器周期〕，單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。上電與鍵盤(pán)均有效的復(fù)位電路不僅在上電時(shí)可以自動(dòng)復(fù)位，而且在單片機(jī)運(yùn)行期間，利用鍵盤(pán)也可以完成復(fù)位操作。故本設(shè)計(jì)選用第二種上電復(fù)位與鍵盤(pán)均有效的電路。晶振電路設(shè)計(jì)晶振電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互關(guān)系。單片機(jī)本身就如一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地運(yùn)作。.1時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。電容器C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值的范圍在5pF-30pF,典型值為30pF。晶振的頻率通常選擇兩種6MHz和12MHz。只要在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳外接晶體振蕩器就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。3.3.2時(shí)鐘振蕩電路如圖3-3所示：圖3-3時(shí)鐘電路超聲波傳感器超聲波的定義人們所感覺(jué)到的聲音是機(jī)械波傳到人耳引起耳膜振動(dòng)的反響，能引起人們聽(tīng)覺(jué)的機(jī)械波頻率在20Hz~20KHz，超聲波是頻率大于20KHz的機(jī)械波。在通常的超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，用電脈沖鼓勵(lì)超聲探頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，這種振動(dòng)在與其接觸的介質(zhì)中傳播，形成超聲波。超聲波液位測(cè)量原理超聲波物位測(cè)量其實(shí)就是要測(cè)量超聲波測(cè)距儀到物位的距離，如果超聲波測(cè)距儀安裝在底部，測(cè)得的距離即為物位高度，如果超聲波測(cè)距儀安裝在物位上方，需要通過(guò)換算來(lái)算得物位高度〔儲(chǔ)物罐總高度減去測(cè)得的距離即為物位高度〕。本文選擇把測(cè)距儀安裝在物位上方，測(cè)距儀安裝相對(duì)方便些。超聲波回波檢測(cè)法超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限，聲波幅值法易受反射波的影響。在超聲檢測(cè)技術(shù)，特別是超聲測(cè)量技術(shù)中使用最廣泛的是超聲波回波檢測(cè)法，通過(guò)測(cè)量超聲波經(jīng)反射放大后到達(dá)接收端的時(shí)間與發(fā)射時(shí)間之差，實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，稱(chēng)為T(mén)OF(TimeofFlight)方法，也叫渡越時(shí)間法。渡越時(shí)間法簡(jiǎn)單，被廣泛的應(yīng)用于聲學(xué)測(cè)距系統(tǒng)。它的原理是：超聲波發(fā)射器發(fā)出單個(gè)或一組超聲波脈沖，在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中遇到被測(cè)目標(biāo)，經(jīng)過(guò)反射到達(dá)超聲波接收端，此時(shí)停止計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，得到的時(shí)間t就是超聲波在發(fā)射器和被測(cè)目標(biāo)之間來(lái)回傳播的時(shí)間。發(fā)射脈沖波形超聲測(cè)距常用的發(fā)射脈沖波形如圖3-4所示有：?jiǎn)蝹€(gè)尖脈沖、衰減振蕩脈沖、窄等幅波列脈沖和寬等幅波列脈沖。圖3-4超聲波測(cè)距常用發(fā)射脈沖波形.5超聲波渡越時(shí)間的計(jì)量方法分析根據(jù)超聲波測(cè)距的原理，發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，在媒介中傳播到物體外表，經(jīng)過(guò)反射后再通過(guò)媒介返回到接收換能器，通過(guò)測(cè)量超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間()，根據(jù)媒介中的聲速(v)，就能計(jì)算出從換能器到物體外表之間的距離(L)。被測(cè)距離的表達(dá)式：v：聲速值。單位：m/s。L：超聲波探頭距所測(cè)液位距離。單位：m。t：測(cè)量范圍內(nèi)聲波的運(yùn)行時(shí)間。單位：s。采用脈沖計(jì)數(shù)的方法間接測(cè)量被測(cè)時(shí)間，可以滿(mǎn)足高精度要求。ｖ與環(huán)境溫度有關(guān),在測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合要考慮溫度影響,可由軟件進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償;在測(cè)量精度要求不是很?chē)?yán)格的情況下,可以忽略溫度的影響,超聲波波速與溫度的關(guān)系如下表：表3-2超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度〔℃〕-30-20-100102030100聲速〔m／s〕313319325323338344349386.6超聲波接收發(fā)射裝置超聲波包括發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電量輸出的裝置稱(chēng)為超聲波傳感器，習(xí)慣上稱(chēng)為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器或稱(chēng)壓電式超聲波探頭)和磁致伸縮式超聲波傳感器。本論文采用的是壓電式超聲波傳感器，主要由超聲波發(fā)射器(或稱(chēng)發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱(chēng)接收探頭)兩局部組成，它們都是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以此作為超聲波的接收器。一般壓電式超聲波換能器有兩個(gè)共振頻率:低頻共振頻率叫串聯(lián)共振頻率(?τ)，此時(shí)阻耗(R)最小，用于發(fā)送超聲波;高頻的共振頻率稱(chēng)為逆共振頻率(?a)，主要是產(chǎn)生共振，用于接收超聲波。而在串聯(lián)共振頻率(?τ)處發(fā)送靈敏度最高，在逆共振頻率(?a)處接收靈敏度最高。所以選用一對(duì)超聲波換能器，使其效率最高。超聲波傳感器產(chǎn)生振蕩的方法很多，主要有以下幾種：1.由外部電路產(chǎn)生振蕩，如NE555低頻振蕩器調(diào)制40KHz的高頻信號(hào)，高頻信號(hào)通過(guò)超聲波傳感器以聲能形式輻射出去。2.使用工業(yè)用小功率超聲波收發(fā)控制集成電路LM1812驅(qū)動(dòng)發(fā)送超聲波傳感器振蕩。3.采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器或直接使用程序產(chǎn)生固定的脈沖，通過(guò)放大處理后驅(qū)動(dòng)發(fā)送超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波。本文采用的是超聲波外部電路產(chǎn)生振蕩。超聲波發(fā)射電路聲波在空氣中傳播受空氣介質(zhì)影響，距離越大衰減越大。為能接收遠(yuǎn)距離得回波，采取有效措施有：增加驅(qū)動(dòng)功率，減小聲波頻率(頻率越低，衰減越慢)。超聲波發(fā)射電路由NE555振蕩電路、晶體管放大電路、變壓器以及壓電超聲波傳感器組成。40KHz振蕩信號(hào)由NE555集成塊和周?chē)娐樊a(chǎn)生,然后送至放大電路驅(qū)動(dòng)壓電傳感器發(fā)出一系列的脈沖群,每一個(gè)脈沖群持續(xù)時(shí)間大約為0.15ms左右。信號(hào)經(jīng)過(guò)三級(jí)管放大,再經(jīng)過(guò)阻抗匹配電路即變壓器(變壓器輸入輸出比1∶10)后,驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭,發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓,內(nèi)部的壓電晶片開(kāi)始震動(dòng),經(jīng)過(guò)壓電換能器將發(fā)出40KHZ的脈沖超聲波。具體電路如圖3-5所示：圖3-5超聲波發(fā)射電路原理圖超聲波檢測(cè)接收電路微弱信號(hào)需要放大整形，超聲波發(fā)射器在發(fā)射超聲波時(shí)，有一局部聲波從發(fā)射器直接傳到接收器，這局部信號(hào)直接加到回波信號(hào)中，干擾回波信號(hào)的檢測(cè)。超聲波接收電路將接收換能器輸出的微弱信號(hào)，進(jìn)行濾波、放大、檢波、整形，得到大幅值電信號(hào)，供單片P1.6口辨識(shí)。具體電路如圖3-6所示：圖3-6324超聲波接收電路原理圖顯示電路設(shè)計(jì).11602LCD液晶顯示屏本文用1602LCD液晶顯示屏顯示，在日常生活中，我們對(duì)液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過(guò)器件，如在計(jì)算器、萬(wàn)用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專(zhuān)用符號(hào)和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1.顯示質(zhì)量高由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線(xiàn)管顯示器〔CRT〕那樣需要不斷刷新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器畫(huà)質(zhì)高且不會(huì)閃爍。2.數(shù)字式接口液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。3.體積小、重量輕液晶顯示器通過(guò)顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來(lái)到達(dá)顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。4.功耗低相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。.21602字符型LCD簡(jiǎn)介字符型液晶顯示模塊是一種專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式LCD，目前常用16X1，16X2，20X2和40X2行等的模塊。一般1602字符型液晶顯示器實(shí)物如圖3-7所示：圖3-71602字符型液晶顯示器實(shí)物圖1602LCD主要技術(shù)參數(shù)1.顯示容量:16×2個(gè)字符。—5.5V。3.工作電流:2.0mA(5.0V)。4.模塊最正確工作電壓:5.0V?！?.35(W×H)mm。引腳功能說(shuō)明1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳〔無(wú)背光〕或16腳〔帶背光〕接口，各引腳接口說(shuō)明如表3-3所示：表3-31602LCD引腳功能說(shuō)明表編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VO液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫(xiě)選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極引腳接口說(shuō)明：第1腳：VSS為電源地。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器比照度調(diào)整端，接正電源時(shí)比照度最弱，接地時(shí)比照度最高，比照度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影〞，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整比照度。第4腳：RS為存放器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平時(shí)選擇指令存放器。第5腳：R/W為讀寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫(xiě)入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負(fù)極。鍵盤(pán)控制電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)分為增加設(shè)定高度值鍵盤(pán)和降低設(shè)定高度值鍵盤(pán)以及確定鍵，分別接在接單片機(jī)、、接口，由程序掃P1口判斷按下的是那個(gè)鍵盤(pán)，執(zhí)行相應(yīng)的功能。具體電路如圖3-8所示：圖3-8鍵盤(pán)控制電路報(bào)警電路設(shè)計(jì).1LED燈顯示LED指示燈分為紅燈和綠燈，紅燈亮代表低于設(shè)定的液位最低值或高于設(shè)定液位的最高值，綠燈亮代表液位在設(shè)定的最低值和最高值之間。電路由LED，電阻組成，分別接在單片機(jī)和腳由軟件程序進(jìn)行控制。具體電路如圖3-9所示：圖3-9LED顯示電路.2報(bào)警電路報(bào)警電路由一個(gè)蜂鳴器、三極管〔PNP〕、電容組成，由單片機(jī)的腳控制，經(jīng)過(guò)三極管放大驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。測(cè)量的距離超出設(shè)定的距離后由程序?qū)纹瑱C(jī)的置1，蜂鳴器開(kāi)始發(fā)聲。具體電路如圖3-10所示：圖3-10報(bào)警電路第4章系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主程序流程圖主程序主要完成初始化和協(xié)調(diào)子程序調(diào)用的工作。首先要完成單片機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)的初始化，然后開(kāi)始發(fā)射超聲波并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，等接收電路接收到超聲波信號(hào)后，引發(fā)單片機(jī)內(nèi)部中斷。計(jì)時(shí)完畢后主程序開(kāi)始處理數(shù)據(jù)，最后做出相應(yīng)的動(dòng)作。主程序流程圖設(shè)計(jì)如圖4-1所示：圖4-1主程序流程圖4.2初始化程序流程圖設(shè)定初始值，按下開(kāi)始鍵后，主控芯片進(jìn)入測(cè)距程序，每隔800MS啟動(dòng)一次測(cè)距程序，并對(duì)所測(cè)距離進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)。超聲波發(fā)射與接收分別由單片機(jī)的引腳與引腳控制。三個(gè)按鍵分別由單片機(jī)P1.3引腳，P1.4引腳，P1.4引腳控制。按鍵1可以增加初始值的高度，按鍵2可以減小初始值的高度，按鍵3確定所設(shè)的高度值。設(shè)置液位高度初始值程序，初始化流程圖如圖4-2所示：圖4-2液位高度初始值設(shè)定流程圖4.3報(bào)警電路程序流程圖當(dāng)液位超過(guò)設(shè)定值時(shí)，電路發(fā)出報(bào)警，同時(shí)罐體進(jìn)料電磁閥翻開(kāi)，開(kāi)始進(jìn)料，直至液位到達(dá)設(shè)定值后關(guān)閉進(jìn)料電磁閥；同樣的，當(dāng)物位低于設(shè)定值時(shí)候，罐體放料電磁閥翻開(kāi)，開(kāi)始放料，直至液位到達(dá)設(shè)定值后關(guān)閉放料電磁閥。其中進(jìn)料和放料電磁閥狀態(tài)由兩個(gè)發(fā)光二極管表示。兩個(gè)LED分別由單片機(jī)的P1.0引腳與P1.1引腳控制，蜂鳴器由單片機(jī)的引腳控制。報(bào)警流程圖如圖4-3所示：是否高于設(shè)定值是否高于設(shè)定值是否低于設(shè)定值報(bào)警進(jìn)水閥關(guān)閉放水閥翻開(kāi)進(jìn)水閥翻開(kāi)放水閥關(guān)閉報(bào)警開(kāi)始YNYN圖4-3報(bào)警電路流程圖4.4按鍵程序流程圖三個(gè)按鍵分別由單片機(jī)P1.3引腳，P1.4引腳，引腳控制。按鍵1可以增加初始值的高度，按鍵2可以減小初始值的高度，按鍵3確定所設(shè)的高度值。具體流程圖如圖4-4所示：圖4-4按鍵流程圖4.5超聲波發(fā)射接收程序流程圖超聲波發(fā)射與接收分別由單片機(jī)的P1.6引腳與P1.7引腳控制。開(kāi)始查詢(xún)確定鍵是否按下，如果查詢(xún)到確定鍵按下發(fā)射超聲波同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，延時(shí)0.05ms，發(fā)射停止，單片機(jī)開(kāi)中斷，查詢(xún)是否接收到回波如果沒(méi)有查詢(xún)到回波那么繼續(xù)查詢(xún)，假設(shè)接收到回波記下時(shí)間利用子程序計(jì)算距離。超聲波發(fā)射接收流程圖如圖4-5所示：圖4-5超聲波發(fā)射接收流程圖4.6LCD顯示流程圖首先LCD初始化程序，然后在由經(jīng)單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)顯示在LCD上，即液晶顯示實(shí)時(shí)物位高度。LCD的4引腳、5引腳、6引腳分別與單片機(jī)的P2.0、、引腳控制，7引腳至14引腳分別與單片機(jī)的P0口連接。經(jīng)單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)并通過(guò)單機(jī)控制引腳把測(cè)量的物位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的在LCD液晶屏上顯示。LCD顯示流程圖如圖4-6所示：圖4-6LCD顯示流程圖4.7軟件調(diào)試流程圖軟件進(jìn)行最后的調(diào)試階段流程圖如圖4-7所示：圖4-7系統(tǒng)軟件調(diào)試流程圖第5章系統(tǒng)調(diào)試軟件調(diào)試其過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟：第一步，建立源程序。通過(guò)計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的編輯軟件，按照所要求的格式、語(yǔ)法規(guī)定、源程序輸入到開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，并存在磁盤(pán)上。第二步，在計(jì)算機(jī)上，利用KEIL軟件對(duì)第一步輸入的源程序進(jìn)行編譯，變?yōu)榭蓤?zhí)行的目標(biāo)代碼。如果源程序有語(yǔ)法錯(cuò)誤，那么其錯(cuò)誤將顯示出來(lái)，然后返回到第一步進(jìn)行修改，再進(jìn)行編譯，直到語(yǔ)法錯(cuò)誤全部糾正為止。第三步，動(dòng)態(tài)在線(xiàn)調(diào)試。對(duì)于與系統(tǒng)、硬件無(wú)聯(lián)系的程序，可以借助動(dòng)態(tài)在線(xiàn)調(diào)試手段，如單步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)等，發(fā)現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，然后返回到第一步修改，直到邏輯錯(cuò)誤糾正為止。對(duì)于與系統(tǒng)硬件緊密相關(guān)的程序，那么需軟件，硬件同時(shí)進(jìn)行調(diào)試，將程序燒入單片機(jī)，然后將CPU插入系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)硬件故障排除故障，發(fā)現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，修改程序，消除邏輯錯(cuò)誤。5.2硬件調(diào)試硬件調(diào)試分兩步：第一步：系統(tǒng)上電之前，先用萬(wàn)用表等工具，根據(jù)硬件邏輯設(shè)計(jì)圖，仔細(xì)檢查線(xiàn)路是否連接正確，并核對(duì)元器件的型號(hào)、規(guī)格和安裝是否符合要求，應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)的檢查，以防止電源的短路和極性錯(cuò)誤，并重點(diǎn)檢查系統(tǒng)總線(xiàn)是否存在相互之間短路或與其它信號(hào)線(xiàn)的短路。第二步：第一步的調(diào)試，只是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初步調(diào)試，可以排除一些明顯的故障，而硬件故障〔如各個(gè)部件內(nèi)部存在的故障和部件之間連接的邏輯錯(cuò)誤〕主要是靠軟件和硬件聯(lián)調(diào)來(lái)排除。硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能完全分開(kāi)的，許多硬件錯(cuò)誤是在軟件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)和被糾正的。發(fā)光二極管及蜂鳴器調(diào)試1.發(fā)光二極管調(diào)試LED在本設(shè)計(jì)中代表的閥門(mén)可以說(shuō)是很重要的局部。最開(kāi)始的時(shí)候單片機(jī)供電發(fā)現(xiàn)LED不亮，首先看電路的焊接是否有掉線(xiàn)的情況，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有掉線(xiàn)。然后用萬(wàn)用表檢查個(gè)點(diǎn)之間有沒(méi)有短路的情況，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有短路的情況。最后看焊接的是否正確，經(jīng)過(guò)對(duì)照電路圖檢查發(fā)現(xiàn)，LED的正負(fù)極接發(fā)錯(cuò)誤。通過(guò)最后的改正。重新給單片機(jī)供電LED正常顯示。調(diào)試成功。2.蜂鳴器調(diào)試蜂鳴器本文的報(bào)警設(shè)施，液位超過(guò)所設(shè)置的最高值系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警。經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查最后發(fā)現(xiàn)三極管的引腳接法有錯(cuò)誤。把9012引腳當(dāng)成了9013引腳焊接而9012和9013發(fā)射極和集電極在電路中的接法不同，經(jīng)過(guò)改正最后蜂鳴器正常工作。圖5-1LED、蜂鳴器調(diào)試1602液晶顯示屏調(diào)試超聲波測(cè)量的距離如果不能把距離正確顯示在液晶屏上本設(shè)計(jì)將是徒勞，所以液晶屏的正確顯示是本文的重中之重。開(kāi)始的時(shí)候啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，液晶屏只是亮起來(lái)而不顯示距離，首先檢查電路焊接是否有錯(cuò)誤，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有錯(cuò)誤。然后用萬(wàn)用表檢查是否有短接，也沒(méi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。最后結(jié)合軟件檢查發(fā)現(xiàn)軟件編程時(shí)液晶顯示的賦值局部有錯(cuò)誤。最后經(jīng)過(guò)仔細(xì)修改，液晶屏正常的顯示了測(cè)量距離。圖5-21602液晶屏的調(diào)試初始值調(diào)試本文設(shè)計(jì)首先是設(shè)定一個(gè)物位初始值。分別由兩個(gè)按鍵控制，加值按鍵和減值按鍵。確定初始值之后按下確定按鍵及超聲波開(kāi)始對(duì)物位檢測(cè)。初值同時(shí)也是報(bào)警電路的參數(shù)，因此整個(gè)系統(tǒng)設(shè)定初值就很重要。開(kāi)始的時(shí)候按鍵按下時(shí)，屏幕的初始值沒(méi)有任何反響，最開(kāi)始的時(shí)候檢查有沒(méi)有掉線(xiàn)情況發(fā)現(xiàn)沒(méi)有。經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)原來(lái)按鍵的四個(gè)引腳上下兩個(gè)是同一引腳，在焊接的時(shí)候把兩個(gè)相同的引腳連接到了電路中，最后經(jīng)過(guò)改正按鍵能正常使用了。圖5-3初始值調(diào)試超聲波測(cè)液位調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)上電以后，首先確定初始值，然后按確定鍵，超聲波開(kāi)始對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)定的距離顯示在液晶屏幕上。調(diào)試成功以后，設(shè)計(jì)才算最終完成。圖5-4測(cè)液位調(diào)試總結(jié)本文設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)，其中包括超聲波發(fā)射電路、接收電路、顯示單元電路、控制和鍵盤(pán)電路、報(bào)警電路等，采用的是單片機(jī)控制處理方式，這次設(shè)計(jì)主要硬件和軟件兩方面的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)控功能。在這個(gè)課題中，要設(shè)計(jì)一個(gè)符合一般工業(yè)要求的液位檢測(cè)系統(tǒng)，涉及到相當(dāng)多的知識(shí)。如模擬電子、數(shù)字電子、顯示技術(shù)、檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)等課題的知識(shí)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中測(cè)距方案確實(shí)定、系統(tǒng)框架和功能的設(shè)計(jì)、軟件的設(shè)計(jì)等都使我們的知識(shí)在實(shí)踐中得到應(yīng)用。該題目雖然不大，但屬于一個(gè)完整的系統(tǒng)，涉及的知識(shí)面