基于51單片機測量液體濃度設(shè)計(論文)代碼加仿真

1、 基于51單片機的液體濃度測量裝置 畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于液體溶液濃度的測量精度提出了越來越高的要求。在化工，醫(yī)藥，糧油釀酒等部門，有大量液態(tài)的溶液，中間產(chǎn)物以及最后成品，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本和降低勞動強度，防止災(zāi)難性事故的發(fā)生就要求對這些溶液的成份進行實時，準確的分析并將所得的信息實時地進行反饋，以便及時調(diào)整生產(chǎn)流程達到最佳狀態(tài)。液體濃度的實時在線測量在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義，由于直接使用化學(xué)方法測量一般需要人工較長的時間，難以滿足實時地控制生產(chǎn)的需要，因此通常用間接測量方法，即通過測量溶液的某些參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)和濃度的關(guān)系來推算溶液的濃度。根據(jù)測

2、量參數(shù)的種類將液體濃度測量方法劃分為測量電學(xué)性能的電導(dǎo)法，電容法，電感法，測量光學(xué)性能的折射率法沒，吸光率法，測量對射線的吸收能力的射線法，測量聲學(xué)性能以及直接測量比重性能的容重法等等。關(guān)鍵詞：超聲波傳感器,超聲波液體濃度計，便攜式，聲時，最小二乘法。Abstract With the development of modern science and technology , for liquid concentration measurement accuracy of the increasingly high demands. In the chemical industry, med

3、icine , grain wine and other sectors , a large number of liquid solutions , intermediates and final product , in order to improve product quality, reduce costs and reduce labor intensity and prevent catastrophic accidents on the requirements of the composition of these solutions in real-time , accur

4、ate analysis of the resulting information in real-time feedback , in order to adjust the production process to achieve the best condition. Real-time online measurement of the concentration of the liquid has important significance in the industrial production , due to the direct use of artificial che

5、mical methods generally require a longer measurement time , it is difficult to meet the needs of real-time control of production , it is often measured by the indirect method in which the solution was measured by Some parameters , and then according to the relationship of these parameters to calcula

6、te the concentration of the solution concentration . Depending on the type of measurement parameters of the liquid into the concentration measuring method of measuring the electrical properties of conductivity method , the capacitance method, the inductance method, method of measuring the refractive

7、 index of the optical properties is not , absorbance method , measurement of the radiation absorption capacity ray method , measuring the acoustic direct measurement of the proportion of performance and performance density method and so on.Key Words： ultrasonic sensor, ultrasonic liquid density mete

8、r , portable , sound , the least squares method . 目 錄1 緒論21.1 引言21.2 目的及意義21.2 研究現(xiàn)狀分析32 設(shè)計方案52.1 設(shè)計原理52.2設(shè)計思路82.3設(shè)計原理圖93 超聲波及設(shè)備介紹103.1超聲波測濃度103.2超聲波傳感器103.3 溫度補償123.3 溫度傳感器123.4超聲波發(fā)射133.5 超聲波接收164 超聲波及設(shè)備介紹184.1 單片機184.2 單片機最小系統(tǒng)214.3 顯示模塊234.4按鍵控制電路275 軟件設(shè)計285.1 主程序流程285.2 子程序設(shè)計295.2.1 超聲波發(fā)送子程序及超聲波接收

9、中斷子程序295.2.2 測溫子程序315.2.3 濃度計算子程序315.2.4 顯示子程序和鍵盤掃描子程序326 軟件調(diào)試及系統(tǒng)仿真336.1 軟件編譯調(diào)試環(huán)境Keil336.2 系統(tǒng)仿真環(huán)境Proteus336.3 系統(tǒng)仿真33結(jié) 論36致 謝37參考文獻38附錄一 程序代碼391 緒論1.1 引言 近30年來，超聲波濃度測量的原理沒有很大的變化，但是隨著新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，不僅濃度測量精度有了大幅度的提高，而且應(yīng)用范圍也大為擴展。在國外，美國能源部和匹茲堡能源技術(shù)中心(US Department of EnergyPittsburgh Energy Technology Center)

10、合作應(yīng)用超聲波技術(shù)來測定三相(氣、液、固)混合物的濃度，主要思想是根據(jù)兩相時的聲時和三相時的聲時比率與溶液中的成分濃度的關(guān)系來測定三相溶液的濃度。美國科羅拉多州大學(xué)(CoIorado State University)應(yīng)用超聲共振干涉法對NaCL溶液密度和濃度進行現(xiàn)場測定，主要原理是研究共振頻率與溶液物理量(密度、濃度)以及溶液的溫度的關(guān)系來實現(xiàn)密度或者濃度的測量。在日本信州大學(xué)工程系(Facultyof Engineering ShiShu UniversityJapan)用超聲波和光衍射現(xiàn)象來測量溶液濃度，其原理是應(yīng)用聲光效應(yīng)來測定多種成分混合溶液中待測成分的濃度。同樣同本信州大學(xué)工程系還

11、應(yīng)用相同步回路法以及相差法研究濃度傳感器的溫度補償因數(shù)和壓縮因數(shù)。除了以上這些方法外還有對溶液濃度用跟綜超聲光譜法測量，還有通過測定溶液中超聲波的聲速和聲衰減系數(shù)和濃度的關(guān)系來測定溶液的濃度，還有在酒精發(fā)酵過程中利用測定超聲波聲速來控制濃度等等方法，在國外對溶液的濃度測量還有很多先進的測量方法，在國內(nèi)對溶液的濃度測量也有了很成熟的方法主要是利用溶液溫度、超聲波在溶液中的聲速以及溶液濃度這三個物理量的關(guān)系來測定濃度。1.2 目的及意義隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于液體溶液濃度的測量精度提出了越來越高的要求。在化工、醫(yī)藥、糧油、釀酒等生產(chǎn)部門，有大量液態(tài)的溶液，中間產(chǎn)物以及最后成品，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量

12、、降低成本和降低勞動強度，防止災(zāi)難性事故的發(fā)生就要求對這些溶液的成分進行實時、準確的分析并將所得的信息實時地進行反饋，以便及時調(diào)整生產(chǎn)流程達到最佳狀態(tài)。液體濃度的實時在線測量在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義，由于直接使用化學(xué)方法測量一般需要人工較長的時間，難以滿足實時地控制生產(chǎn)的需要，因此通常用間接測量方法，即通過測量溶液的某些參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)和濃度的關(guān)系來推算溶液的濃度。根據(jù)測量參數(shù)的種類將液體濃度測量方法劃分為測量電學(xué)性能的電導(dǎo)法、電容法、電感法，測量光學(xué)性能的折射率法、吸光率法，測量對射線的吸收能力的射線法，測量聲學(xué)性能的聲速法以及直接測量比重性能的容重法等等。相對而言，光學(xué)方法通常只能

13、用于透光性較好的溶液，而電導(dǎo)法只能用于含導(dǎo)電雜質(zhì)較少的溶液，目前，這個領(lǐng)域日本DKK-TOA公司采用電磁感應(yīng)原理制造的無電極電導(dǎo)率計及酸堿鹽濃度計，還有利用濃度與特定電磁波吸收率成J下比的關(guān)系，采用高頻衰減測試技術(shù)測試濃度，還有用旋光法來實現(xiàn)濃度的測量。這些方法中化學(xué)方法一般只能離線測量，要消耗標(biāo)準溶液、費時、費工不能及時指導(dǎo)生產(chǎn)。光譜法費用昂貴、維修困難、較難實現(xiàn)自控，而超聲波法不用取樣，操作簡單、速度快而且精度高，基本不需維修，對人體無害，且能夠?qū)崿F(xiàn)在線連續(xù)檢測，所以有更廣泛的應(yīng)用前景。1.2 研究現(xiàn)狀分析超聲濃度測量的基礎(chǔ)是利用濃度和聲速、溫度關(guān)系的唯一性關(guān)系。由于每種媒質(zhì)在一定的狀況(

14、濃度、溫度、壓力)下具有唯一的聲速，當(dāng)媒質(zhì)的濃度變化時其聲速也改變。所以測量出液體聲速的變化就可以間接地得知濃度的變化。在實際應(yīng)用中，由于媒質(zhì)的其他狀態(tài)如溫度、壓力的變化會使聲速發(fā)生變化，因此必須考慮溫度和壓力的影響，對它們進行補償?？紤]到現(xiàn)場雙氧水溶液的壓力變化不大，而且壓力對聲速的影響很小，壓力的影響可以忽略不計，因而只考慮溫度對聲速的影響?，F(xiàn)在液體聲速和濃度、溫度的關(guān)系還無法從理論上導(dǎo)出，只能通過測量得到。比較聞名的聲速測量方法有共振干涉法、相位法、脈沖回鳴法。脈沖回波疊加法、脈沖回波重合法等多種，但在現(xiàn)場連續(xù)遙測有一些缺陷。目前在液體濃度測量中需要解決的問題主要有以下幾個方面：(1)提

15、高濃度測量精度(2)提高抗干擾能力(3)能在線連續(xù)遙測，以滿足實時監(jiān)控的要求(4)實現(xiàn)測量過程的數(shù)字化、自動化、智能化。2 設(shè)計方案2.1 設(shè)計原理 超聲濃度測量的基礎(chǔ)是利用濃度和聲速、溫度關(guān)系的唯一性關(guān)系。由于每種媒質(zhì)在一定的狀況(濃度、溫度、壓力)下具有唯一的聲速，當(dāng)媒質(zhì)的濃度變化時其聲速也改變。所以測量出液體聲速的變化就可以間接地得知濃度的變化。在實際應(yīng)用中，由于媒質(zhì)的其他狀態(tài)如溫度、壓力的變化會使聲速發(fā)生變化，因此必須考慮溫度和壓力的影響，對它們進行補償?？紤]到溶液的壓力變化不大，而且壓力對聲速的影響很小，壓力的影響可以忽略不計，因而只考慮溫度對聲速的影響?，F(xiàn)在液體聲速和濃度、溫度的關(guān)

16、系還無法從理論上導(dǎo)出，只能通過測量得到。以下有三種方案來測超聲波的速度；方案一：駐波法（共振干涉法） 聲源產(chǎn)生的一定頻率的平面聲波，經(jīng)過空氣介質(zhì)的傳播，到達接收器。聲波在發(fā)射面和接受面之間被多次反射，故聲場是往返聲波多次疊加的結(jié)果，入射波和反射波相干涉而形成駐波。在發(fā)射面和接受面之間某點的合振動方程為 最大振幅（2A）處被稱為駐波的“波腹點”，最小振幅（0A）處被稱為“波節(jié)點”。 波腹點位置：,即， 波節(jié)點位置：,即， 可知，相鄰兩個波腹點（或波節(jié)點）的距離為，當(dāng)發(fā)射面和接受面之間的距離正好是半波長的整數(shù)倍時，即形成穩(wěn)定的駐波，系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。 共振時，駐波的幅度達到極大，同時，接受器表面的

17、振動位移應(yīng)為零，即為波節(jié)點，但由于聲波是縱波，所以聲壓達到極大值。理論計算表明，若改變發(fā)射器和接收器之間的距離，在一系列特定的距離上，介質(zhì)將出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象。若保持聲源頻率不變，移動發(fā)射源，依次測出接受信號極大的位置，則可以求出聲波的波長，進一步計算出聲速。 方案二：相位比較法 由聲波的波源（簡稱聲源）發(fā)出的具有固定頻率的聲波在空間形成一個聲場，聲場中任一點的振動相位與聲源的振動相位之差為： 在示波器上可觀測到發(fā)射波與接受波信號的垂直振動合成的李薩如圖形。若發(fā)射波合接受波的信號為： 則該利薩如圖形，即合振動方程為： 當(dāng)時，示波器上合振動軌跡為處于第一、第三象限的直線段；當(dāng)時，示波器上合振

18、動軌跡為一正橢圓；當(dāng)時，合振動軌跡為處于第二、第四象限的直線段。三種情況下的利薩如圖形分別如圖1所示。一般情況下為一斜橢圓。隨著相位差從0變到時，利薩如圖形會依次按如下變化：一、三象限直線段斜橢圓 正橢圓 斜橢圓 二、四象限直線段。 若在距離聲源處的某點振動與聲源的振動反相，則為的奇數(shù)倍： 若在距離聲源處的某點振動與聲源的振動同相，則為的偶數(shù)倍： 相鄰的同相點與反相點之間的相位差為： 相鄰的同相點與反相點之間的距離為： 將接收器由聲源處開始慢慢移開，隨著距離為，可探測到一系列與聲源反相或同相的點，由此可求波長。 (a) (b) (c) (d) 圖 的利薩如圖形 的測定可以用示波器觀察利薩如圖形

19、的方法進行。將發(fā)射器和接收器的信號，分別輸入示波器的軸和軸，則熒光屏上亮點的運動是兩個相互垂直的諧振動的合成，當(dāng)方向的振動頻率與方向的振動頻率比即為整數(shù)時，合成運動的軌跡是一個穩(wěn)定的封閉圖形，稱為利薩如圖形。利薩如圖形與振動頻率之間的關(guān)系如圖所示。 由圖1可知，隨著相位差的改變將看到不同的橢圓，而在各個同相點和反相點看到的則是直線。方案三：時差法 它是將脈沖調(diào)制的電信號加到發(fā)射換能器上，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過時間后，到達距離處的接收換能器，經(jīng)信號源內(nèi)部線路分析、比較處理后輸出脈沖信號在S1、S2 之間的傳播時間t，傳播距離L可以從游標(biāo)卡尺上讀出，所以可以用速度時間公式求出聲波在介質(zhì)中傳播的速度

20、。 2.2設(shè)計思路該設(shè)計采用時差法測量聲速。利用V1=L/T，將經(jīng)脈沖調(diào)制的電信號加到發(fā)射換能器上，聲波在溶液中傳播，經(jīng)過時間T后，到達L距離處的接收換能器。利用上述公式算出聲波在介質(zhì)中傳播的速度。用該速度V1與超聲波在純凈水中的速度V2做對比，就得出液體的相對濃度D。但實際上超聲波聲速還和溫度t有關(guān)系： V2 = (1468+3.68(t-10)-0.0279(t-10) V1 = L/T (L設(shè)定為1m) D = V1/V2該系統(tǒng)由超聲波換能器1，超聲波換能器2，放大濾波電路，顯示電路，溫度補償電路，鍵盤輸入，單片機構(gòu)成；測量時，由單片機輸出一個電信號經(jīng)超聲波換能器1轉(zhuǎn)換為聲信號（既超聲波

21、），在待測液體中傳播后由超聲波換能器2接收，將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過放大濾波電路的處理后，輸入到單片機中，由單片機進行處理，最后得出待測液體的濃度。2.3設(shè)計原理圖 單片機超聲波換能器1顯示電路鍵盤輸入超聲波換能器2放大濾波電路待測液體溫度補償電路圖1.1 設(shè)計原理圖 3 超聲波及設(shè)備介紹3.1超聲波測濃度超聲波一般是指頻率在40KHz以上的機械波，具有穿透性較強、衰減小、反射能力強等特點，超聲波儀器一般由發(fā)射器、接收器和信號處理裝置三部分組成。超聲波的諧振帶寬、波束角可以通過制作工藝控制得很窄，有利于抗聲波干擾設(shè)計；不受無線電頻譜資源限制，易于抗電磁干擾設(shè)計。超聲波測濃度系統(tǒng)成本低、性能

22、穩(wěn)定可靠，同時超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性，應(yīng)用前景好。通過對以上幾種測距方式的分析比較，由于超聲波指向性強、能量消耗緩慢、成本低、性能穩(wěn)定可靠、在介質(zhì)中傳播距離遠的優(yōu)點。3.2超聲波傳感器 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(lǐng)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(zhì)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(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工

23、業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波傳感器?？傮w上講，超聲波傳感器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。 壓電式超聲波傳感器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)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，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間

24、未外加電壓，當(dāng)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(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 圖3.1 壓電式超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 本次設(shè)計中所使用的傳感器為TCT40-16FS超聲波傳感器 ，實物如圖，它適用于高靈敏度、高可靠性、高穩(wěn)定性、耐高、低溫度、耐濕度、耐沖擊、振動等嚴酷環(huán)境條件。它也可用于家用電器和其它電子設(shè)備的遙控裝置，防盜、防災(zāi)設(shè)備的超聲波發(fā)射和接收。 圖3.2 TCT40-16FS超聲波傳感器 TCT40-16FS超聲波傳感器的常溫特性如下表表3.1 超聲波傳感器的常溫特性標(biāo)稱頻率（KHz）靈敏度（db/V/ubr）輸出聲壓（10V有效值30mm）靜電容量PT

25、發(fā)射聲壓at10V(0dB=0.02MPa)探測距離(m)4076dB110dB2000117dB0.223.3 溫度補償 超聲波在1035的純凈水中的傳播速度隨著溫度的升高而升高.用最小二乘法對實驗結(jié)果中不同溫度下超聲波在純凈水中傳播的平均速度進行數(shù)據(jù)擬合(圖3)526,可得此范圍內(nèi)超聲波與溫度關(guān)系的近似解析式為v=1468+3.68(t-10)-0.0279(t-10)式中T為攝氏溫度，1468為10溫度下的超聲波傳播速度（單位為m/s）,當(dāng)溫度知道的情況下，通過該式就可以知道該溫度下超聲波的傳播速度了。用溫度去校正超聲波的傳播速度，這就是溫度補償。 3.3 溫度傳感器DS18B20數(shù)字溫

26、度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的1Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。它具有溫度轉(zhuǎn)換及輸出，單總線數(shù)據(jù)通信，12位分辨率，精度可達0.5，實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫等特點，它的檢測溫度范圍為-55+125?？删幊虨?位12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的

27、端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有四部分組成：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。 圖3.3 DS18B20實物圖 圖3.4 DS18B20引腳圖圖3.5 DS18B20與單片機AT89C51接口連接圖DS18B20數(shù)字式溫度傳感器各引腳功能如下表:表3.3引腳名稱功能1GND電源地2DQ數(shù)字信號輸入/輸出端3VCC外接供電電源輸入端，在寄生電源接線方式時接地3.4超聲波發(fā)射 發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生40KHz脈沖電壓。它由與非門和電阻電容構(gòu)成振蕩電路。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈

28、沖變壓器升壓后輸出到超聲傳感器。其中，脈沖變壓器對脈沖電壓變換值的大小直接影響測距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。555電路有無穩(wěn)態(tài)、單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)三種基本工作方式。用555定時器組成的多諧振蕩器的原理圖如圖所示，R1、R2、C是外接元件，第4腳與單片機的P3.2口相接。當(dāng)Uc因電源接通對C充電而上升到2/3Ucc時，比較器A1輸出為低電平，使R-S觸發(fā)器輸出置0，T導(dǎo)通，電容C通過T放電；當(dāng)Uc因電容放電而減小到略低于1/3Ucc時，比較器A2輸出為低電平，使R-S觸發(fā)器輸出置1，T截止，電容C繼續(xù)充電直到Uc略高于2/3Ucc時，觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)到0，從而完成一個周期振蕩。其振蕩周期可

29、用下式計算： (3.2) 圖3.3 555構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路由公式，令，由此可得， （3.3）本次設(shè)計需輸出40Kz超聲波，所以， （3.4）因此，。圖3.4 超聲波發(fā)生仿真示意圖將555構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路與4069相連構(gòu)成超聲波發(fā)射模塊，會使其發(fā)射距離更遠，電路的輸出端與超聲波發(fā)射探頭相連接，驅(qū)動其發(fā)射超聲波。其連接圖如下：圖3.5 555與4069構(gòu)成的發(fā)射電路3.5 超聲波接收接收器包括超聲波接收探頭，信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波接收探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號（主要是頻率要求一致，否則會因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收）。由于經(jīng)接收探頭變換后的正弦波電信號

30、非常弱，因此必須經(jīng)放大電路進行放大。正弦信號不能直接被處理器接收，因此最后必須進行波形變換。常用的波形變換的方法有三種，一是采用集成鎖相環(huán)NE567對放大后的信號進行頻率監(jiān)視和控制，二是采用紅外線檢波接收的專用集成芯片CX20106A，還有一種方法是采用集成運放芯片LM324作為比較器對放大后的信號進行波形變換。本次設(shè)計采用LM324作為比較器對放大后的信號進行波形變換。由于超聲波在空氣中傳播時，其能量的衰減程度與傳播距離成正比，所以，超聲波傳感器的接收信號一般在10mv-60mv之間。為了便于使用，接收電路提供100倍以上的放大增益，該電路將超聲波信號，經(jīng)過放大方波整形之后，最后再輸送到單片

31、機中進行數(shù)據(jù)處理。超聲波接收電路如圖：圖3.5 超聲波接收電路由圖可知，輸入信號為正弦信號，經(jīng)LM358運算放大器放大，第一次放大的放大倍數(shù)為： （3.5） 由于電容具有隔直通交作用，所以第二次放大的輸入信號仍為正弦信號，其放大倍數(shù)與計算式（3.5）相同，即： （3.6）由此可知，輸入信號經(jīng)兩次放大共放大了100倍，然后經(jīng)比較器LM293比較產(chǎn)生方波，最后由LM293的引腳1與單片機的中端口P3.3相接。 4 超聲波及設(shè)備介紹 4.1 單片機AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制

32、造，與工業(yè)標(biāo)準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51單片機性能包括：4K字節(jié)可編程閃爍存儲器、全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz、三級程序存儲器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個16位定時器/計數(shù)器、5個中斷源、可編程串行通道、與MCS-51兼容。 圖4.1 AT89C51單片機實物圖AT89C51單片機主要由以下部分組成：最重要的核心部分為CPU系統(tǒng)，CPU系統(tǒng)中包含有8位CPU，含布爾處理器、時鐘電路和總線控制邏輯

33、；其次為存儲器系統(tǒng)，存儲器系統(tǒng)中包括4KB的程序存儲器（ROM/EPROM/Flash，可擴至64KB）、128KB數(shù)據(jù)存儲器（RAM，可再擴64KB）和特殊功能寄存器SFR；還有I/O口和其他動能單元，包括4個并行I/O口、2個16位定時/計數(shù)器、1個全雙工異步串行口和中斷系統(tǒng)，其中中斷系統(tǒng)包括5個中斷源及2個優(yōu)先級。VCC/GND的功能是提供供電電源；P0口的功能是可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位，能夠用于外部程序/數(shù)據(jù)存儲器。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高；P1口的功能是P1口可以作為標(biāo)準輸入輸出I/O，P1口管腳寫入

34、1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收；P2口既可用于標(biāo)準輸入輸出I/O，也可用于外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器訪問時的高八位地址。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號；P3口既可以作標(biāo)準輸入輸出I/O，也可作為AT89C51的一些特殊功能口，管腳備選功能P3.0RXD是串行輸入口；P3.1TXD是串行輸出口，P3.2/INT0是外部中斷0口，P3.3/INT1是外部中斷1口，P3.4T0計時器0外部輸入口，P3.5T1計時器1外部輸入口，P3.6/WR是外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通接口，P3.7/RD是外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通接口；RST的

35、功能是復(fù)位輸入口。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG的功能是當(dāng)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。/PSEN的功能是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。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP引腳的功能是當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，

36、/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1引腳的功能是反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入；XTAL2引腳的功能是來自反向振蕩器的輸出。圖4.2 AT89C51引腳圖AT89C51單片機外圍接口電路如圖4.2所示，主要包括：1.晶振電路：內(nèi)部時鐘電路的晶振頻率一般選擇在4MHZ12MHZ之間（該設(shè)計選用6MHZ），外接兩個諧振電容。該電容的典型值為20pF,該設(shè)計選用20pF。2.復(fù)位電路：單片機復(fù)位采用按鍵高電平復(fù)位，而單片機在平時則復(fù)位端為低電平0。圖4.3單片機外圍接口電路4

37、.2 單片機最小系統(tǒng)要使單片機工作起來最基本的電路構(gòu)成為單片機最小系統(tǒng)， 單片機最小系統(tǒng)包括單片機、復(fù)位電路、時鐘電路構(gòu)成。單片機的工作電壓范圍：4V-5.5V,所以通常給單片機外界5V直流電源。連接方式為單片機中的40腳VCC接正極5V，而20腳VSS接電源地端。復(fù)位電路就是確定單片機的工作起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。單片機接通電源時產(chǎn)生復(fù)位信號，完成單片機啟動確定單片機起始工作狀態(tài)。當(dāng)單片機系統(tǒng)在運行中，受到外界環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行。一般有上電自動復(fù)位和外部按鍵手動復(fù)位，單片機在時鐘電路工作以后，在RESET端持續(xù)給出2個機器周期的高電平時

38、就可以完成復(fù)位操作。本設(shè)計采用的是外部手動按鍵復(fù)位電路，需要接上上拉電阻來提高輸出高電平的值。時鐘電路好比單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。時鐘電路就是振蕩電路，是向單片機提供一個正弦波信號作為基準，決定單片機的執(zhí)行速度。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個振蕩周期為1/12us。 其復(fù)位電路和時鐘電路如圖4.4、4.5所示：時鐘電路原理是利用芯片

39、內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體振蕩器（簡稱晶振），就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路。外接晶振時，Cl和C2的值通常選擇為30pF左右；Cl、C2對頻率有微調(diào)作用，晶振或陶瓷諧振器的頻率范圍可在1.2MHz12MHz之間選擇。為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機引腳XTAL1和XTAL2靠近。圖4.4 時鐘電路復(fù)位電路中，當(dāng)復(fù)位時，ALE和/PSEN成輸入狀態(tài)，即ALE=/PSEN=1，片內(nèi)RAM不受復(fù)位影響。復(fù)位后，P0P3口輸出高電平且使這些雙向口皆處于輸入狀態(tài)，并將07H寫入堆棧指針SP，

40、同時將PC和其余專用寄存器清0。此時，單片機從起始地址0000H開始重新執(zhí)行程序。所以，單片機運行出錯或進入死循環(huán)時，可使其復(fù)位后重新運行。圖4.5 復(fù)位電路 4.3 顯示模塊液晶顯示原理液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域。液晶顯示器的分類液晶顯示的分類方法有很多種，通常可按其顯示方式分為段式、字符式、點陣式等。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動方式來

41、分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動（Static）、單純矩陣驅(qū)動（Simple Matrix）和主動矩陣驅(qū)動（Active Matrix）三種。液晶顯示器各種圖形的顯示原理:線段的顯示點陣圖形式液晶由MN個顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共168=128個點組成，屏上6416個顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H00FH的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)（000H）=FFH時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當(dāng)（3FFH）=FFH時，則屏幕的右下角顯示

42、一條短亮線；當(dāng)（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H時，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。字符的顯示用LCD顯示一個字符時比較復(fù)雜，因為一個字符由68或88點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立

43、光標(biāo)，在此送上該字符對應(yīng)的代碼即可。漢字的顯示漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5右邊為2、4、6根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加1，送第二個字節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié)直到32B顯示完就可以LCD上得到一個完整漢字。1602字符型LCD簡介字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。下面以長沙太陽人電子有限公司的

44、1602字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。一般1602字符型液晶顯示器實物如圖10-53： 圖10-53 1602字符型液晶顯示器實物圖108.2.1 1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖10-54所示：圖10-54 1602LCD尺寸圖1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量:162個字符芯片工作電壓:4.55.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm本設(shè)計系統(tǒng)顯示采用LED顯示選用LED1602液

45、晶顯示，其顯示圖如圖5.1.所示：圖4.1 DS1 SMG04-1S數(shù)碼管4.4按鍵控制電路本電路一共設(shè)計了三個按鍵，一個設(shè)置鍵、一個加鍵、一個減鍵。如圖4.4所示： 5 軟件設(shè)計 5.1 主程序流程我們知道C語言程序有利于實現(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計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。因為本設(shè)計對時間要求精度較高的部分全部由單片機內(nèi)部的定時器完成，而雖然溫度傳感器的讀寫對時間精度要求也高，但經(jīng)詳細計算所得出的C程序已被廣泛應(yīng)用，故直接借用已有

46、程序也能作到對溫度的準確讀取，所心本設(shè)計全部使用C語言編程，這樣能使設(shè)計中所用到的公式能方便快捷的體現(xiàn)和實現(xiàn)，又縮短了論文的篇幅。軟件采用模塊化設(shè)計方法，由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷子程序、溫度測量子程序、距離計算子程序、顯示子程序、鍵盤掃描處理程序等模塊組成。系統(tǒng)上電后，首先系統(tǒng)初始化，不斷掃描按鍵k1，若按鍵k1按下，則開始測量空氣溫度，然后將P1.0置位，使定時器T0開始定時，控制超聲波傳感器發(fā)出超聲波，同時使定時器T1開始定時。CPU循環(huán)檢測P3.3引腳，當(dāng)P3.3為低電平時接收到回波，立即使T1停止工作，保存定時器的計數(shù)值。然后根據(jù)溫度和傳輸時間計算距離，溫度補償措施使

47、測量精度有了明顯提高，計算出距離后調(diào)用距離顯示子程序，LED顯示距離。最后檢測按鍵k2，若k2閉合，則調(diào)用溫度顯示子程序，LED顯示溫度（溫度并非測量距離時用于補償?shù)臏囟龋钱?dāng)前溫度）5s后恢復(fù)顯示本次測量距離；若按鍵k2沒有閉合，則顯示器恒定顯示最新一次的測量結(jié)果；若要進行下一次測量，則先要按下k3重新開始，再按下按鍵k1才執(zhí)行新一次測量。由于不需輸入數(shù)據(jù)，鍵盤只設(shè)置了3個按鍵，用于開始測量距離并顯示溫度功能設(shè)置等。圖5.1為主程序流程圖。NYNYNYYN開始系統(tǒng)初始化顯示測量濃度測溫，根據(jù)溫度和時間計算濃度顯示溫度5s發(fā)射超聲波，T1計時測量結(jié)束T1停止定時，保存定時值N接收到反射波？測

48、量開始重新測量圖5.1 主程序流程圖5.2 子程序設(shè)計5.2.1 超聲波發(fā)送子程序及超聲波接收中斷子程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送左右超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12s左右，同時把計數(shù)器T1打開進行計時，定時器T1工作在方式0。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(guān)閉計時器T1停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T1溢出中斷將外中斷1關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值0表示此次測距不成功。T0中斷服務(wù)程序如下：sb

49、it send=P10;void timer0(void)interrupt 1 send=!send; TH0=0x1f; TL0=0xf4;超聲波接收（外部中斷1）程序：void int1(void)interrupt 2 if(TH1!=0x00&TH0!=0x00) b=1; TR1=0; TR0=0; t=TH1*256+TL1; t=t/1000000; TH0=0x1f; TL0=0xf4; TH1=0x00; TL1=0x00;else b=0; TR1=0; TR0=0; TH0=0x1f; TL0=0xf4; TH1=0x00; TL1=0x00; 5.2.2 測溫子程序測

50、溫的主要器件是DS18B20，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，DS18B20中有兩個存測得的溫度值的兩個8位存貯器RAM，用11位存貯溫度值，最高位（5位）為符號位。對應(yīng)的溫度計算：當(dāng)符號位S=0時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)S=1時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。圖6.2為DS18B20的溫度存儲方式： bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit02322212021222324 bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 SSSSS262524圖6.2 DS18B20的溫度存儲方式負溫度時

51、S=1，正溫度時S=0。因此我們只需要逐位讀出它的溫度就可以了。讀出一個字節(jié)C代碼如下： uchar readbyte(void) /直接讀一字節(jié)程序 uchar i,k;i=8;k=0;while(i-)tem_in=1;delay_us(1);tem_in=0;k=k1;tem_in=1;NOP;if(tem_in)k |= 0x80; /tem_in為1時，則該位也為1delay_us(4); return(k);5.2.3 濃度計算子程序當(dāng)前溫度和超聲波往返時間均測量出來后，用C語言根據(jù)公式計算距離來編程是比較簡單的算法。 V2 = 1468+3.68(t-10)-0.0279(t-1

52、0) V1 = L/T D = V1/V2其實現(xiàn)程序算法如下：5.2.4 顯示子程序和鍵盤掃描子程序顯示電路由液晶顯示，主要是液晶驅(qū)動程序。又雖然本設(shè)計共有兩個個按鍵，一個開始，一個復(fù)位級易實現(xiàn)。顯示子程序和鍵盤掃描子程序，詳情可見附錄二。 6 軟件調(diào)試及系統(tǒng)仿真6.1 軟件編譯調(diào)試環(huán)境Keil單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于MCS-51單片機的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。6.2 系統(tǒng)仿真環(huán)境ProteusProteus ISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)