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

查睿工案大學本科生畢業(yè)設計(論文)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(如電磁的度測距系統(tǒng)中的應用具有重要的現(xiàn)實意義基于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Theultrasonicliquidlevelmeasurementisanon-contactmeasurementmethod,realizedbytheprincipleofultrasonicwaveinthesamemediumwithrelativelyconstantpropagationvelocityandbeingreflectedwhenitapproachesanobstacle.Comparedwithothermethods(suchaselectromagneticoropticalmethod),ithasacertainofadaptabilitywhenobjectstobemeasuredareundersuchharshenvironmentasdarkness,dust,smoke,electromagneticinterference,toxicity,unaffectedbythelightorthecoloroftheobjecttobemeasured.Therefore,itbearsimportantpracticalsignificancetoconductresearchontheapplicationofultrasonicwaveinhighprecisionrangingsystInthisproject,SCM-basedultrasonicliquidlevelmeasuringsystemismainlycomposedoftwocomponents,namelythehardwareandthesoftware.ThehardwareisultrasonicliquidlevelmeasurementbasedonAT89C51chipasthecore;itadoptsAT89C51singlechipmicrocomputerforcontrolanddataprocessing,providestheultrasonictransmittingandreceivingcircuit,andimprovesrangingaccuracythrougheliminationofblindspotandsamplingofambienttemperature,.Bytakingadvantageoftherelationshipbetweendistanceandtimeinultrasonictransmission,anultrasonicliquidleveldetectingsystemwhichcanaccuratelymeasurethedistancebetweentwopointsisdesigned.Thissystemhastheseadvantageslikeeasycontrol,reliableoperation,highmeasurementprecision,andreal-timedetectionofliquidlevel.Andithasultrasonictransmittingandreceivingcircuit,resetcircuitsofSCM,LEDdisplaycircuit,alarmcircuitcomposedofultrasonicprocessingmoduleCX20106AandCD4069.Thesoftwarepartconsistsofmainprogram,presetsubroutine,transmittingandreceivingsubroutine,anddisplayFinallythroughdebuggingofrealobjects,variousparametersandfunctionscanKeywords:singlechipmicrocomputer(SCM);ultrasonicwave;temperaturecontrol;highprecisionranging畢業(yè)設計(論文)原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計(論文),是我個人在指導教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。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。本人授權大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(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。導師簽名：十F|口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2、學生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度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5、完成畢業(yè)論文(設計)期間的出勤情況二、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?2、是否完成指定的論文(設計)任務(包括裝訂及附件)?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)的整體水平建議成績：口優(yōu)□良□中□及格□不及格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)的整體結構是否符合撰寫規(guī)范?2、是否完成指定的論文(設計)任務(包括裝訂及附件)?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)的整體水平建議成績：□優(yōu)□不及格教研室(或答辯小組)及教學系意見本科生畢業(yè)設計(論文)查霄工紫大學本科生畢業(yè)設計(論文)教研室(或答辯小組)評價：1、畢業(yè)論文(設計)的基本要點和見解的敘述情況2、對答辯問題的反應、理解、表達情況3、學生答辯過程中的精神狀態(tài)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?2、是否完成指定的論文(設計)任務(包括裝訂及附件)?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2、論文的觀念是否有新意?設計是否有創(chuàng)意?3、論文(設計說明書)所體現(xiàn)的整體水平評定成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格教研室主任(或答辯小組組長):(簽名) 11.1課題研究的背景及意義 11.2國內外發(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)設計內容和功能 7 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 2.7超聲波傳感器測距原理 2.8超聲波測距原理 2.9超聲波發(fā)生器選擇 2.10盲區(qū)處理 第3章各單元硬件電路設計 3.1單片機最小系統(tǒng)電路 3.2溫度補償電路設計 3.3超聲波發(fā)射電路設計 3.4超聲波接收電路設計 3.5顯示電路設計 3.6電源電路設計 3.8報警電路設計 第4章系統(tǒng)軟件的設計 4.1超聲波測距儀的算法設計 4.2主程序流程圖 4.3系統(tǒng)軟件設計框圖 294.4單片機的C程序設計 4.5系統(tǒng)的軟硬件的調試 4.6調試分析 4.6.2溫度測量程序的調試 參考文獻 致謝 附錄I 附錄Ⅱ 附錄Ⅲ 本科生畢業(yè)設計(論文)本科生畢業(yè)設計(論文)11.1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，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)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位測量的一種，所以它也有不受被測介質影本科生畢業(yè)設計(論文)本科生畢業(yè)設計(論文)2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。本科生畢業(yè)設計(論文)查賽工紫大學本科生畢業(yè)設計(論文)31.2國內外發(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。本科生畢業(yè)設計(論文)43.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范圍內小于士1mm。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-于油品的密度，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。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、耐腐蝕的本科生畢業(yè)設計(論文)5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1.4本文的主要工作本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。本科生畢業(yè)設計(論文)6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40kHz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。考慮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INTO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TO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TO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部的定時器TO,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INTO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。本科生畢業(yè)設計(論文)本科生畢業(yè)設計(論文)7第2章系統(tǒng)的總體方案設計2.1系統(tǒng)設計內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超聲波。其間通過單片機的控制，I/0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、測量精度高的優(yōu)點，可實時檢測液位。(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≤9.99m;(2)精度要求1cm;(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。本科生畢業(yè)設計(論文)查賽工紫大學本科生畢業(yè)設計(論文)82.3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以內，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。本科生畢業(yè)設計(論文)9超聲波接收AT89C51單片機報警系統(tǒng)超聲波發(fā)送電路溫度檢測圖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。我們人類耳朵能聽到的聲波頻率為20～20000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：F≥20K/Hz;功率密度：p=發(fā)發(fā)射面積(cm2);通常p≥0.3w/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,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。(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(診本科生畢業(yè)設計(論文)本科生畢業(yè)設計(論文)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本科生畢業(yè)設計(論文)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?；谝陨献饔茫憧梢詫弘娞沾捎米鞒暡▊鞲衅鳌Ｈ绯暡▊鞲衅鳎粋€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2.6×107kg/m2s,而空氣的聲阻抗為4.3×102kg/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。本科生畢業(yè)設計(論文)查賽工紫大學本科生畢業(yè)設計(論文)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。發(fā)射傳感器發(fā)射傳感器接收傳感器圖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=C×T式中L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本科生畢業(yè)設計(論文)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c。的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上二、溫度傳感器的選擇大家知道，聲音在不同溫度的空氣中傳播速度是不同的，所以這里要考慮到溫度溫度傳感器有很多種，例如溫度傳感器AD590。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。流過器件的電流(mA)等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度(開爾文)度數(shù)。AD590的測溫范圍為-55℃~+150℃。AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓可在4V-6V范圍變化，電流變化1mA,相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。輸出電阻為710WM。它的精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃~+150℃范圍內，非線性誤差為±0.3℃。但是考慮到成本問題我選用TS-18B20數(shù)字溫度傳感器。該產(chǎn)品采用美國本科生畢業(yè)設計(論文)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用無需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0V至5.5V無需備用電源測量。溫度范圍為-55℃至+125℃。-10℃至+85℃范圍內精度為±0.5℃溫度傳感器可編程的分辨率為9~12位溫度轉換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒用戶可定義的非易失性溫度報警設置應用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費電子產(chǎn)品溫度計，或任何熱敏感系統(tǒng)。2.10盲區(qū)處理超聲波是由壓電晶片振動產(chǎn)生的，壓電晶片的振動是由信號控制的，當信號停止的同時，晶片由于慣性要等一段時間才能停下來，之后才能接收回波信號，這段時間內超聲波傳感器仍然在發(fā)射信號，因此不能接收回波信號，故稱之為盲區(qū)。當發(fā)射超聲波時，雖然發(fā)射信號只保持一個很短的時間，但停止發(fā)射信號后，超聲波探頭上還存在一定的余振，因此在發(fā)射信號停止后的一段時間內，加在回波檢測電路輸入端的發(fā)射信號幅值仍是相當強的，可以達到電路的限幅電平。另一方面超聲波探頭上接收到的反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近處的障礙物發(fā)射信號也達不到電路的限幅電平。當障礙物離探頭越來越遠時，接收信號與發(fā)射信號相隔時間越來越長，發(fā)射信號的幅值也相應地越來越小。在超聲波檢測中，接收信號的衰減程度設計的比發(fā)射信號余振的衰減慢得多，如圖中實線所示。圖2.3測量盲區(qū)示意圖為了保證有一定的信噪比，接收信號的幅值規(guī)定了一個閥值m,也就是說接收信號的幅值必須大于這一閥值時才能使回波接收電路有輸入信號。從圖中可見，從b點以本科生畢業(yè)設計(論文)后接收信號將低于閥值，這相當于所測距離的最大值。從圖中的a點以后，接收信號才開始比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信號相互迭加，較難分辨，因此這段時間內不能進行測量。從圖中的c點以后，發(fā)射信號己低于閥值v。,接收信號才基本上擺脫了發(fā)射信號的影響而能明顯地分辨出來。所以在要求較高時，把oc這段時間規(guī)定為盲區(qū)時間。從距離上說，可根據(jù)盲區(qū)時間和聲速，求得盲區(qū)距離。因此，oc為盲區(qū)時對盲區(qū)問題普遍處理辦法是對繞射虛假信號作屏蔽，而屏蔽辦法多種多樣?？梢詮挠布掀帘?，也可以從軟件上采用信號濾波，或者延時接收。如果從發(fā)射開始一直到“虛假反射波”結束這段時間，采取關閉中斷的方法，從而不會發(fā)生中斷申請，躲避繞射干擾。這種方法優(yōu)點是處理簡潔，故本系統(tǒng)就選用這種辦法。EA/VPX1X2EA/VPX1X2本科生畢業(yè)設計(論文)第3章各單元硬件電路設計3.1單片機最小系統(tǒng)電路Ar俗稱單密度非兼容31 為很P11/TP11/TINTINT1INT0EA/VPEA/VPX1X2P01P03P21節(jié)FLASH存儲器(FPEROM—FlashProgrammablyMemory)的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高述謝造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相CpO和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT器?&-AT89C51是它的一種精簡版本。AT89C51單片機供了一種靈活性高且價廉的方案。如圖3.1所示。 AT89C51RXDRXDALEALE/P P01P05P21P11/T66INT09RRXDTXDALE/P露AT89C51●壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年●全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz本科生畢業(yè)設計(論文)本科生畢業(yè)設計(論文)●三級程序存儲器鎖定●兩個16位定時器/計數(shù)器●5個中斷源●可編程串行通道●低功耗的閑置和掉電模式●片內振蕩器和時鐘電路●P3.1/TXD:串行輸出口?！馪3.4/T0:計時器0外部輸入。●P3.5T1:計時器1外部輸入。●P3.6/WR:外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通?！馪3.7/RD:外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通?！馪3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號?！馬ST:復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時●ALE/PROG:當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效?！?PSEN:外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不●/EA/VPP:當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器(0000H-FFFF·),本科生畢業(yè)設計(論文)VCCGND不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET;當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加VCCGND12V編程電源(VPP)?！馲TAL1:反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入?！馲TAL2:來自反向振蕩器的輸出。芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。3.2溫度補償電路設計DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器，測溫范圍為-55～125℃,最大分辨率可達0.0625℃。DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用了一線制與單片機相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點。測溫電路圖3.2所示。呂DS18B20溫度傳感器：(1):技術性能描述獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。>測溫范圍-55℃~+125℃,固有測溫分辨率0.5℃。>在使用中不需要任何外圍元件。>測量結果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送。>不銹鋼保護管直徑中6。本科生畢業(yè)設計(論文)CNDCND>標準安裝螺紋M10X1,M12X1.5,G1/2任選。>PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線，便于與其它電器設備連接。(2):應用范圍>該產(chǎn)品適用于冷凍庫，糧倉，儲罐，電訊機房，電力機房，電纜線槽等測溫和控制領域。>軸瓦，缸體，紡機，空調，等狹小空間工業(yè)設備測溫和控制。>汽車空調、冰箱、冷柜、以及中低溫干燥箱等。>供熱/制冷管道熱量計量，中央空調分戶熱能計量和工業(yè)領域測溫和控3.3超聲波發(fā)射電路設計壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內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。U1BU1B4069U1C4069P10QT-40十R185THRNE5550.luF4069U1D4069UIECCV+L2VU2DIS40696297圖3.3超聲波發(fā)射電路電路的設計思想超聲波發(fā)射電路由超聲波換能器(或稱超聲波振頭)和超聲波發(fā)生器兩部分組成，本科生畢業(yè)設計(論文)查賽工紫大學本科生畢業(yè)設計(論文)VCCf=1.43÷((R+2R)×C?),通過R。調節(jié)信號頻率，使之與換能器的40KHz固有頻率一致，為保證555時基具有足夠的驅動能力，宜采用+12V電源。工作時，單片機通過P1.0口向超聲波發(fā)生電路發(fā)出控制信號從555振蕩電路的3腳輸入到CD4069驅動器，經(jīng)驅動器驅動后推動探頭產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生40KHz的調制脈沖，VCC經(jīng)換能器轉換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。3.4超聲波接收電路設計超聲波接收電路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c。的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。其電路由圖3.4所示。島超聲波接收○C圖3.4超聲波檢測接收電路1腳IN:超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。2腳AGC:該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C,將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R=4.72,C=3.3μF。3腳CO:該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3μF。5腳RCO:該腳與電源端VCC接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率本科生畢業(yè)設計(論文)本科生畢業(yè)設計(論文)阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時，fn≈42kHz,若取R=220kΩ,則中心頻率f0~38kHz。6腳C:該腳與GND之間接入一個積分電容，標準值為330pF,如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳OUT:遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22kΩ,沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。8腳RC1:電源正極，4.5V本科生畢業(yè)設計(論文)查賽工紫大學本科生畢業(yè)設計(論文)3.5顯示電路設計在單片機應用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法較為簡單與便利。在顯示電路的設計上，利用單片機的P0～P2口來控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比較浪費管腳資源，但是對單片機的理論知識要求相對比較低，而且超聲波發(fā)射和接收電路并不需要很多的管腳來支持，所以我選擇這種方案。數(shù)碼管的選擇上，為了使數(shù)碼管亮度大，本人選擇了共陰極的數(shù)碼管，數(shù)碼管管腳接到高電平發(fā)亮。顯示及其驅動電路的原理圖見圖3.5AT89C51圖3.5顯示單元電路3.6電源電路設計本系統(tǒng)采用市電220V,50Hz供電，而單片機以及其它芯片均采用直流5V和12V電壓供電。故需要設計降壓電路。本電路使用了由LM7805和LM7812構成的橋式穩(wěn)壓整流電路。電路如圖3.6所示。本科生畢業(yè)設計(論文)M7805CTU4Vin+5V00uF25VDC5VRIDGE1DC5VRIDGE1VinVinIN4007000uF50000uF50NDC12VN圖3.6電源電路經(jīng)過降壓、橋式整流、濾波后通過LM7805穩(wěn)壓并直接為單片機和其它器件供電，作為齊納二極管/電阻組合的替換方案時，LM7805和LM7812通?？梢愿纳朴行л敵鲎杩惯_兩個數(shù)量級，并降低靜態(tài)電流。LM7805和LM7812可提供本地卡上穩(wěn)壓，結合單點調節(jié)，解決分配問題。由于足夠的散熱設置，LM7805和LM7812穩(wěn)壓器可提供100mA的輸出電流，同時還包含限流功能，以限制峰值輸出在安全值的范圍內。LM7805和LM7812為輸出晶體管提供了安全區(qū)域保護，限制內部功耗。假如內部功耗超出了散熱范圍，熱關斷電路將會啟動，防止芯片過熱。微機化測控系統(tǒng)中常用的測量數(shù)據(jù)的顯示器有發(fā)光二極管顯示器(簡稱LED或數(shù)碼管)和液晶顯示器(簡稱LCD)。這兩種顯示器都具有線路簡單、耗電少、成本低、壽命長等優(yōu)點，本系統(tǒng)輸出結果選用4個LED顯示。數(shù)碼管有共陰共陽之分，本系統(tǒng)采用8段共陰型LED,其原理圖如圖所示，每位數(shù)碼管內部有8個發(fā)光二極管，公共端由8個發(fā)光二極管的陰極并接而成，正常顯示時公共端接低電平(GND),各發(fā)光二極管是否點亮取決于a-dp各引腳上是否是高電平。LED數(shù)碼管的外形結構如圖，外部有12個引腳，其中數(shù)字1,2,3,4為公共端也稱位選端，其余8個引腳稱為段選端，當要使某一位數(shù)碼管顯示某一數(shù)字((0-9中的一個)必須在這個數(shù)碼管的段選端加上與數(shù)字顯示數(shù)字對應的8位段選碼(也稱字形碼),在位選端加上低電平即可。由于系統(tǒng)要顯示的內容比較簡單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟。LED有共陰極和共陽極兩種。如圖所示。二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，而共陽極則將發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接入+5V的電壓。一位顯示器由8個發(fā)光二極管組成，其中7個發(fā)光二極管構成字型“8”的各個筆劃(段)a～g,另一個小數(shù)點為dp發(fā)光二極管。當在本科生畢業(yè)設計(論文)某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護各段LED不被損壞，需外加限流電阻。符號和引腳共陰極共陽極圖3.7數(shù)碼管類型數(shù)碼管顯示器有兩種工作方式，即靜態(tài)顯示方式和動態(tài)掃描顯示方式。為節(jié)省端口及降低功耗，本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描顯示方式。動態(tài)掃描顯示方式需要解決多位LED數(shù)碼管的“段控”和“位控”問題，本電路的通過P0口實現(xiàn)：而每一位的公共端，即LED數(shù)碼管的“位控”,則由P2口控制。這種連接方式由于多位字段線連在一起，因此，要想顯示不同的內容，必然要采取輪流顯示的方式，即在某一瞬間，只讓其中的某一位的字位線處于選通狀態(tài)，其它各位的字位線處于斷開狀態(tài)，同時字段線上輸出這一位相應要顯示字符的字段碼。在這一瞬時，只有這一位在顯示，其他幾位則暗。在本系統(tǒng)中，字位線的選通與否是通過NPN8050三極管的導通與截止來控制，即三極管處于“開頭”狀態(tài)。3.8報警電路設計為了在某些緊急狀態(tài)或反常狀態(tài)下，能使操作人員不致忽視，以便及時處理，往往需要有某種更能引起人們注意提起警覺的報警信號產(chǎn)生，這種報警信號通常有三種類型：閃光報警、鳴音報警、語音報警，本系統(tǒng)采用簡單易行的壓電式蜂鳴器報警電如圖3.8所示報警電路，報警設備選用壓電式蜂鳴器，它約需要10mA的驅動電流，只需在其兩條引線上加3一15V的直流電壓，即可產(chǎn)生3KHz左右的蜂鳴聲音，圖中蜂鳴器的一端接在高電平+5V,另一端接P1.4,在初態(tài)P1.4始終輸出高電平1,當需要報警時，程序對其端口清零即可，聲音的長短可用延時程序控制實現(xiàn)。本科生畢業(yè)設計(論文)查賽工紫大學本科生畢業(yè)設計(論文)第4章系統(tǒng)軟件的設計超聲波測距儀的軟件設計主要有主程序、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需要有較復雜的計算(計算距離時),所以控制程序可采用C語言編程。4.1超聲波測距儀的算法設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：來回所用的時間。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器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INTO或INT1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。4.2主程序流程圖1.單片機C語言C語言是一種結構化的程序設計語言，它的特點就是可以盡量減少你對硬件進行操作，具有很強的結構性、功能性和可移植性，常常被用來作為單片機系統(tǒng)的編程語言。但是用于單片機的C語言和標準C語言區(qū)別很大。如何結合單片機的系統(tǒng)資源，用C語言開發(fā)符合實際工程需要的單片機系統(tǒng)，對編程者來說具有十分重要的意義。用C編寫程序比匯編更符合人們的思考習慣，開發(fā)者可以擺脫與硬件無必要的接觸，更專心的考慮功能和算法而不是考慮一些細節(jié)問題，這樣就減少了開發(fā)和調試的時間。C語言具有良好的程序結構，適用于模塊化程序設計，因此采用C語言設計單片機應用系統(tǒng)程序時，首先要盡可能地采用結構化的程序設計方法，將功能模塊化，由不同的模塊完成不同的功能，這樣可使整個應用系統(tǒng)程序結構清晰，易于調試和維護。本科生畢業(yè)設計(論文)不同的功能模塊，分別指定相應的入口參數(shù)和出口參數(shù)，對于一些要重復調用的程序一般把其編成函數(shù)，這樣可以減少程序代碼的長度，又便于整個程序的管理，還可增強可讀性和移植性。應用C語言的優(yōu)越性：(1)不懂得單片機的指令集，也能夠編寫完美的單片機程序；(2)無須懂得單片機的具體硬件，也能夠編出符合硬件實際的專業(yè)水平的程序；(3)不同函數(shù)的數(shù)據(jù)實行覆蓋，有效利用片上有限的RAM空間；(4)程序具有堅固性：數(shù)據(jù)被破壞是導致程序運行異常的重要因素。C語言對數(shù)據(jù)進行了許多專業(yè)性的處理，避免了運行中間非異步的破壞；(5)C語言提供復雜的數(shù)據(jù)類型(數(shù)組、結構、聯(lián)合、枚舉、指針等),極大地增強了程序處理能力和靈活性；(6)中斷服務程序的現(xiàn)場保護和恢復，中斷向量表的填寫，是直接與單片機相關的，都由C編譯器代辦；(7)提供常用的標準函數(shù)庫，以供用戶直接使用；(8)頭文件中定義宏、說明復雜數(shù)據(jù)類型和函數(shù)原型，有利于程序的移植和支持單片機的系列化產(chǎn)品的開發(fā)；(9)有嚴格的句法檢查，錯誤很少，可容易地在高級語言的水平上很快被排除。定時控制部件起著控制器作用，由定時控制邏輯、指令寄存器(IR)和振蕩器(OSC)等電路組成。指令寄存器(IR)用于存放從程序存儲器中取出的指令碼，定時控制邏輯用于對IR中指令碼譯碼，并在OSC配合下產(chǎn)生指令的時序脈沖，以完成定時控制部件起著控制器作用，由定時控制邏輯、指令寄存器(IR)和振蕩器(OSC)等電路組成。指令寄存器(IR)用于存放從程序存儲器中取出的指令碼，定時控制邏輯用于對IR中指令碼譯碼，并在OSC配合下產(chǎn)生指令的時序脈沖，以完成相應指令的執(zhí)行。OSC是控制器的心臟，能為控制器提供時鐘脈沖。引腳XTAL1為反向放大管Q4的輸入端，XTAL2為Q2的輸出端。只要在引腳XTAL1與XTAL2上外接定時反饋回路，OSC振蕩器產(chǎn)生矩形時鐘脈沖序列，其頻率是單片機的重要性能指標之一。時鐘頻率越高，單片機控制器的控制節(jié)拍就越快，運算速度也就越快。而且也決定著系統(tǒng)時鐘和定時器時鐘與頻率。計算機中的中斷是指CPU暫停原程序執(zhí)行轉而為外部設備服務，并在服務完后回到原程序執(zhí)行的過程。中斷系統(tǒng)是指能夠處理上述中斷過程所需要的那部分電路。本科生畢業(yè)設計(論文)本科生畢業(yè)設計(論文)CIP-51包含一個擴展的中斷系統(tǒng)，支持20個中斷源，每個中斷源有兩個優(yōu)先級。中斷源在片內外設與外部輸入引腳之間的分配隨器件的不同而變化。每個中斷源可以在一個SFR中有一個或多個中斷標志。當一個外設或外部源滿足有效的中斷如果中斷被允許，在中斷標志被置位時將產(chǎn)生中斷。一旦當前指令執(zhí)行完，CPU產(chǎn)生一個LCALL到一個預定地址，開始執(zhí)行中斷服務程序(ISR)。每個ISR必須以RETI指令結束，使程序回到中斷前執(zhí)行完的那條指令的下一條指令。如果中斷未被允許，中斷標志將被硬件忽略，程序繼續(xù)正常執(zhí)行。中斷標志置1與否不受中斷允每個中斷源都可以用一個SFR(IE-EIE2)中的相關中斷允許位允許或禁止，但是必須首先置‘1'EA位(IE.7)以保證每個單獨的中斷允許位有效。不管每個中斷允注：任何清除EA位的指令后面應立即跟隨一條具有2或多字節(jié)操作碼的指令。EA=0;//清除EA位EA=0;//…跟隨一條2字接操作碼的指令//在匯編語言程序中：CLREA;…跟隨一條2字接操作碼的指令如果在“CLREA”操作碼(或任何清除EA位的指令)的執(zhí)行期間產(chǎn)生了一個中斷，并且該指令的后面是一條單周期指令，則中斷可能被響應。但是在中斷服務程序操作碼后面是一條多周期指令時，則中斷不會被響應。某些中斷標志在CPU進入ISR時被自動清除。但大多數(shù)中斷標志不是由硬件清除的，必須在ISR返回前用軟件清除。如果一個中斷標志在CPU執(zhí)行完中斷返回(RETI)指令后仍然保持置位狀態(tài)，則會立即產(chǎn)生一個新的中斷請求，CPU將在執(zhí)行完下一條指令后重新進入該ISR。(1)MCU中斷源和中斷向量MCU支持20個中斷源。軟件可以通過將任何一個中斷標志設置為邏輯‘1’來模擬一個中斷。如果中斷標志被允許，系統(tǒng)將產(chǎn)生一個中斷請求，CPU將轉向與該中斷標志對應的ISR地址。表4.2給出了MCU中斷源、對應的向量地址、優(yōu)先級和控制位一覽表。(2)外部中斷本科生畢業(yè)設計(論文)兩個外部中斷源(/INTO和/INT1)可被配置為低電平觸發(fā)或下降沿觸發(fā)輸入，由ITO(TCON.0和IT1(TCON.2)的設置決定。IE0(TCON.1)和IE1(TCON.3)分別為外部中斷/INT0和/INT1的中斷標志。如果/INT0或/INT1外部中斷被配置為邊沿觸發(fā)，CPU在轉向ISR時將自動清除相應的中斷標志。當被配置為電平觸發(fā)時，中斷標志將跟隨外部中斷輸入引腳的狀態(tài)，外部中斷源必須一直保持輸入有效直到中斷請求被響應。在ISR返回前必須使該中斷請求無效，否則將產(chǎn)生另一個中斷請求。中斷優(yōu)先級每個中斷源都可以被獨立地編程為兩個優(yōu)先級中的一個：低優(yōu)先級或高優(yōu)先級。一個低優(yōu)先級的中斷服務程序可以被高優(yōu)先級的中斷所中斷，但高優(yōu)先級的中斷不能被中斷。每個中斷在SFR(IP-EIP2)中都有一個配置其優(yōu)先級的中斷優(yōu)先級設置位，缺省值為低優(yōu)先級。如果兩個中斷同