基于單片機的液位監(jiān)控系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、摘 要本文設計的基于單片機的液位監(jiān)控系統(tǒng)是一種利用超聲波技術、電子技術、電磁開關技術相結合來實現(xiàn)非接觸式液位測量和控制系統(tǒng)，能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的情況下使用，在工業(yè)監(jiān)測和控制等方面得到了廣泛應用。近些年來，工業(yè)水平的不斷發(fā)展對液位測量的精度、廣度和抗干擾性提出了越來越高的要求，超聲波測距技術本身也在不斷的完善和發(fā)展，測距儀更趨向小型化和智能化，逐步實現(xiàn)了高精確度、高可靠性、安全性和多功能化。本設計的主要任務是以單片機為主控制器，開發(fā)一個基于單片機的液位監(jiān)控系統(tǒng)，可測量并顯示液位，還可以通過單片機控制把液位限定在某一范圍內，在單片機控制失效的情況下發(fā)出報警信號，提醒工作人員進行手動控

2、制。研究內容包括超聲波測距的基本原理與方法、精度影響因素的分析與解決辦法、單片機對閥門的控制方法、監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案設計、硬件設計、軟件流程設計等。設計完成之后提供一套可以使用的超聲波測距儀，測量范圍和測量精度滿足一般工業(yè)應用需要。設計完成之后應提供一套可以用于一般工業(yè)生產(chǎn)的液位監(jiān)控系統(tǒng)。通過畢業(yè)設計的整個過程，可以綜合運用傳感器、單片機、電子電路和程序設計方面的知識，鍛煉和提高動手能力、參與科研工作的能力。關鍵詞：單片機 超聲波 測距 液位監(jiān)控AbstractThe monolithic machine-based liquid place supervisory control syste

3、m the main body of a book is designed has been that one kind of the contact-type liquid making use of the ultrasonic technology , electron technology , electromagnetism switch technology to realize combining with coming each other place measures and controls system , has been able to be put into use

4、 under some specially appointed occasion or environment is comparatively very bad situation , has got extensive use in the field of industry monitoring and controlling and so on. Horizontal uninterrupted growth of industry has brought forward the more and more high request to accuracy , extent and a

5、nti-interference sex that the liquid place measures in recent year, self can't be in the ultrasonic distance measurement technology perfect ceaseless and developed, the range finder is incline to minaturized and intellectualized , step by step have realized high precision , high reliability , se

6、curity and multifunctional-rization.This design's primary mission is by the monolithic integrated circuit primarily controller, develops one based on monolithic integrated circuit's fluid position supervisory system, measurable quantity and disclosing solution position, but may also through

7、the monolithic integrated circuit control the fluid position define that in some scope, the situation which expires in the monolithic integrated circuit control after-crops the alarm, the reminder staff carries on the hand control. Research content including ultrasonic ranging's basic principle

8、and method, precision influencing factor analysis and solution, monolithic integrated circuit to valve control method, supervisory system's overall plan design, hardware design, software flow design and so on. After the design completes, provides the ultrasonic wave distance gauge which a set ma

9、y use, the measuring range and the measuring accuracy meet the general industrial application needs. After the design completes, should provide a set to be possible to use in the general industrial production the fluid position supervisory system. Through graduation project's entire process, may

10、 synthesize the utilization sensor, the monolithic integrated circuit, the electronic circuit and the programming aspect knowledge, the exercise and enhancement beginning ability, participation scientific effort ability.Keywords：Monolithic machine Ultrasonic Distance measurement The place monitors l

11、iquid目 錄摘 要1Abstract21 緒 論11.1意課題的提出和義11.1.1 課題的提出11.1.2 課題意義11.2 國內外液位監(jiān)測技術的發(fā)展現(xiàn)狀11.3 國內外超聲波測距方面的研究現(xiàn)狀31.4 本文的主要內容32 超聲波液位測量的理論基礎52.1 超聲波的定義52.2 超聲波的物理特性52.2.1 超聲波的類型52.2.2 超聲波的傳播52.3 超聲波液位測量原理62.4 超聲波測距原理62.4.1 超聲波回波檢測法62.4.2 發(fā)射脈沖波形72.4.3 超聲波渡越時間的計量方法分析72.5 超聲波接收發(fā)射裝置83 超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計103.1 系統(tǒng)總體方案設計103.

12、2 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設計113.2.1 超聲波頻率的選擇113.2.2 單雙探頭的選擇113.2.3 超聲波發(fā)射電路113.2.4 超聲波的接收和處理單元153.2.5 溫度補償單元183.2.6 顯示電路設計233.2.7 鍵盤電路設計243.2.8 電磁閥控制電路設計243.2.9 報警電路設計253.2.10 系統(tǒng)控制單元253.3 電源電路的設計273.3.1 直流穩(wěn)壓電源的組成273.3.2 直流穩(wěn)壓電源的分類273.3.3 系統(tǒng)供電電源的設計283.4 液位監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計303.4.1 系統(tǒng)軟件總體設計思想303.4.2 主程序流程設計303.4.3 測溫子程序設計303.

13、4.4 按鍵子程序設計353.4.5 顯示子程序設計353.5 抗干擾設計384 超聲波測液位的誤差分析394.1 環(huán)境對測量的影響394.1.1 溫度對聲速的影響394.1.2 濕度對超聲波衰減程度的影響414.2 儀器電路對測量的影響414.2.1 硬件電路引起的時間誤差及修正414.2.2 觸發(fā)時間引起的誤差415 總結43致 謝44參考文獻45附圖146附圖2471 緒 論1.1意課題的提出和義1.1.1 課題的提出在日常生產(chǎn)和生活中常遇到液位的監(jiān)測問題。尤其在許多工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，需要對系統(tǒng)的液位或物料位進行監(jiān)測，特別是對具有腐蝕性的液體液位的測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過

14、給電脈沖來檢測液面，電極長期浸泡在液體中，極易被腐蝕、電解、失去靈敏性，因而對測試設備的抗腐蝕性要求較高。超聲波液位檢測系統(tǒng)，利用了超聲波傳感技術的原理，采取一種非接觸式的測量方法，能夠實現(xiàn)對工業(yè)系統(tǒng)中液位或物料位的檢測；而且超聲波具有很好的指向性和束射特性，人耳聽不見，一般不會對人體造成傷害。監(jiān)控工程實施方便、迅速、易做到實時控制，而且測量精度又能達到工業(yè)實用的要求，所以有廣泛的應用前景。目前液位的檢測越來越受到重視，隨著人們生活水平和工業(yè)標準的提高，檢測的精度和實時性要求也越來越高，另外還要求系統(tǒng)能提供對液位的自動控制功能。也就是說今后液位的監(jiān)測和控制系統(tǒng)的研究將是一個重要的課題。1.1.

15、2 課題意義為了降低工人的勞動強度，改善工人的工作環(huán)境，節(jié)省財力、物力，避免資源的浪費，特別是對一些具有高溫、高壓、低溫、低壓、有輻射性、毒性、易揮發(fā)易爆等液體，就要對液位進行檢測，而且液位的檢測顯得尤為重要。而對于這些影響身體健康的液體，不易在現(xiàn)場直接進行檢測，必須通過一定的技術，進行監(jiān)控。1.2 國內外液位監(jiān)測技術的發(fā)展現(xiàn)狀儲罐液位測量來源于石油和化工業(yè)，是工業(yè)測量中極為廣闊的領域。準確的液位測量是生產(chǎn)過程控制的重要手段。早期，由于工業(yè)領域生產(chǎn)規(guī)模不大，儲罐液位測量主要采用法蘭式液位變送器和吹氣式等機械式測量方法。但隨著生產(chǎn)規(guī)模的進一步擴大，所需的儲罐數(shù)量變多，體積變大，原先的測量方法的弊

16、端愈發(fā)變得突出，其缺點如下:1) 法蘭式液位變送器需要保溫，施工及維護工作量較大;(2) 吹氣式用的吹氣管要特殊訂貨，且還要定期更換，維護工作量較大；吹氣式要消耗儀表氣，有能耗；它還需要敷設氣源管，安裝及維護工作量較大。這一系列問題的解決有待于新的測量方法的出現(xiàn)。從上世紀八十年代開始，一些發(fā)達國家就借助微電子、計算機、光纖、超聲波、傳感器等高科技的研究成果，將各種新技術、新方法應用到儲罐測量領域。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、應變式、雷達式、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。由于該方法測量精度

17、高，可靠性強，持續(xù)時間長，安裝維護簡單，因而正在逐步取代舊的機械式液位測量方法。據(jù)202年美國市場調查結果表明，電子式測量儀的使用率占市場的76%左右，機械式僅占15%。用于儲罐液位測量的眾多電子式技術中，壓電式、超聲波式、應變式、浮球式、電容式五種測量技術應用最為廣泛，約占總數(shù)的60%以上。其中，超聲波式測量技術的應用份額預計在2007年占到最大。超聲波液位測量有很多優(yōu)點:它不僅能夠定點和連續(xù)檢測液位，而且能夠方便地提供遙控或遙控所需的信號。與放射性技術相比，超聲技術不需要防護。與目前的激光測量液位技術相比，超聲方法比較簡單而且價格較低。一般說來，超聲波測位技術不需要有運動的部件，所以在安裝

18、和維護上有很大的優(yōu)越性。特別是超聲測位技術可以選用氣體、液體或固體來作為傳聲媒質，因而有較大的適應性。所以在測量要求比較特殊，一般測位技術無法采用時，超聲測位技術往往仍能適用。當然各種方法都有其獨特的優(yōu)點，在特定的場合，某種方法很可能比超聲方法更為有效或經(jīng)濟。例如，在測量要求比較一般時，機械浮子方法就比超聲方法更加經(jīng)濟;在精度要求特別高的某些情況下，光學測距或激光測距可能比超聲方法更為精密。1.3 國內外超聲波測距方面的研究現(xiàn)狀 隨著超聲波技術研究的不斷深入，再加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點，超聲波的應用變得越來越普及，根據(jù)超聲波原理制成的測量儀器也越來越多。國內外對超聲波測距儀研究，

19、主要在大量程測距、高精度測距以及測距儀的智能化和網(wǎng)絡化等幾個方向。 澳大利亞HAWK公司HPAWK系列產(chǎn)品使超聲波測距技術有了重大的突破，她不僅拓寬了擦、超聲波測距技術的應用場合（適用極惡劣的工作環(huán)境），而且適用智能調節(jié)技術，大大提高了超聲波產(chǎn)品的可靠性及性能指標，讓用戶使用無后顧之憂。智能的全自動調節(jié)發(fā)波頻率，自動的溫差補償功能使其工作更加穩(wěn)定可靠。HPAWK系列產(chǎn)品還擁有靈活多樣的通訊方式?？删幊坦收媳Ｗo模式，它還擁有先進的遠程GSM、CDMA、互聯(lián)網(wǎng)調試功能，使得用戶隨時可以得到技術支持。它以其尖端的技術穩(wěn)定可靠的工作質量，在化工、電力、冶金、煤礦、輕工、碼頭、汽車等行業(yè)得到廣泛的應用。

20、 國內在超聲波測距儀的研究國內相對落后一些，但也出現(xiàn)了很多功能和性能都很不錯的產(chǎn)品，技術上也有很大的發(fā)展。不過尖端的產(chǎn)品和技術都不是應用最多的。應用最多的就是適用型的技術和產(chǎn)品，以最簡單的方式實現(xiàn)合乎要求的功能。1.4 本文的主要內容本文的主要任務是以單片機為主控制器，開發(fā)一個基于超聲波測距的液位監(jiān)控系統(tǒng)，可測量并顯示距離，還可以通過單片機控制把液位限定在某一范圍內，在單片機控制失效的情況下發(fā)出報警信號，提醒工作人員進行手動控制。研究設計內容包括：（一）超聲波測距的基本原理與方法（二）超聲波監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案設計（三）超聲波測距電路的設計（四）控制電路設計（五）系統(tǒng)軟件流程設計（六）電源電路的

21、設計（七）PCB布線及硬件抗干擾設計（八）超聲波測距的誤差分析設計完成之后提供一個可以應用于一般工業(yè)的完整的超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，測量范圍和測量精度滿足一般工業(yè)應用需要。通過畢業(yè)設計的整個過程，可以綜合運用傳感器、單片機、電子電路和程序設計等方面的知識，鍛煉和提高科研的能力。2 超聲波液位測量的理論基礎2.1 超聲波的定義人們所感覺到的聲音是機械波傳到人耳引起耳膜振動的反應，能引起人們聽覺的機械波頻率在20Hz20kHz，超聲波是頻率大于20kHz的機械波。在通常的超聲波測距系統(tǒng)中，用電脈沖激勵超聲探頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機械振動，這種振動在與其接觸的介質中傳播，形成超聲波。2.2 超

22、聲波的物理特性2.2.1 超聲波的類型根據(jù)波動中質點振動方向與波的傳播方向的不同關系，可將波動分為多種波型，在超聲波檢測中主要應用的波型有縱波、橫波、表面波(瑞利波)和蘭姆波。本文主要應用的是超聲縱波。2.2.2 超聲波的傳播在超聲波傳播過程中，被超聲所充滿的空間稱為超聲場。與超聲波的波長相比，如果超聲場很強，這時超聲波就像處在一種無限的媒介中，超聲波自由地向外擴散；反之，如果超聲波的波長與相鄰媒介的尺寸相近，則超聲波受界面限制不能自由地向外擴散。用來描述超聲場的特征量主要包括:聲速、聲壓、聲強以及媒介的特征阻抗等等:超聲場的物理性質主要有:反射與折射、衰減與吸收、疊加與干涉等。由于超聲波也是

23、一種聲波，超聲波在媒質中傳播的速度和媒質的特性有關。理論上，在13的海水里聲音的傳播速度為1500m/s。在鹽度水平為35%，深度為Om，溫度為0的環(huán)境下，聲波的速度為1449.3m/s。聲音在25空氣中傳播速度的理論值為344m/s,這個速度在0時降為334m/s。聲波傳輸距離首先和大氣的吸收性有關，其次溫度、濕度、大氣壓也是其中的因素，而這些因素對大氣中聲波衰減的效果比較明顯。溫度是和其他常數(shù)一樣決定聲音速度的第二因素。它和溫度的關系可以用以下公式來表示:C=331.45+0.61T(米/秒)。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆?/p>

24、法加以校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離，這就是超聲波測距系統(tǒng)的機理。2.3 超聲波液位測量原理超聲波液位測量其實就是要測量超聲波測距儀到頁面的距離，如果超聲波測距儀安裝在底部，測得的距離即為液位高度，如果超聲波測距儀安裝在液面上方，需要通過換算來算得液位高度（液罐總高度減去測得的距離即為液位高度）。本文選擇把測距儀安裝在液面上面，測距儀安裝相對方便些。2.4 超聲波測距原理2.4.1 超聲波回波檢測法超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法臥勸。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限:聲波幅值法易受反射波的影響。在超聲檢測技術，特別是超聲測量技

25、術中使用最廣泛的是超聲波回波檢測法，通過測量超聲波經(jīng)反射放大后到達接收端的時間與發(fā)射時間之差，實現(xiàn)距離測量，稱為TOF(Time of Flight)方法，也叫渡越時間法。渡越時間法實現(xiàn)簡單，被廣泛的應用于聲學測距系統(tǒng)。它的原理是：超聲波發(fā)射器發(fā)出單個或一組超聲波脈沖，在發(fā)射時刻同時計時器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中遇到被測目標，經(jīng)過反射到達超聲波接收端，此時停止計時器計時，得到的時間t就是超聲波在發(fā)射器和被測目標之間來回傳播的時間。2.4.2 發(fā)射脈沖波形超聲測距常用的發(fā)射脈沖波形如圖2-1所示有:單個尖脈沖、衰減振蕩脈沖、窄等幅波列脈沖和寬等幅波列脈沖。由于媒介中超聲波的衰減系數(shù)是頻

26、率的函數(shù)，同一發(fā)射的脈沖波中不同頻率成分的波將以不同的群速度傳播，這使得脈沖波形將隨著傳播距離的增大而發(fā)生畸變，并且這種畸變程度隨距離的增加而變得顯著。在要求分辨力較高和盲區(qū)較短的超聲測量技術中，一般使用寬度較窄的脈沖波。但脈沖越窄，則頻譜分量越豐富，波形畸變越嚴重。在要求傳播距離較遠的超聲測量技術中，則傾向采用較寬的等幅脈沖波。由于維持振動的周期數(shù)較多寬等幅脈沖波的頻譜分量較純些、能量較大、畸變較小，所以適合于傳播較遠的距離。圖2-1 超聲波測距常用發(fā)射脈沖波形2.4.3 超聲波渡越時間的計量方法分析根據(jù)超聲波測距的原理，發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，在媒介中傳播到物體表面，經(jīng)過反射后再通過媒介返

27、回到接收換能器，通過測量超聲波從發(fā)射到接收所需的時間()，根據(jù)媒介中的聲速(v)，就能計算出從換能器到物體表面之間的距離(L)。被測距離的表達式： （2-8）由上式計算出測量誤差： （2-9）式中 ，-測距誤差；-聲速；t-時間測量誤差；-聲速誤差 。如果要求測量誤差小于0.01米，由于超聲波在20時的速度為344m/s，忽略聲速誤差，則: （2-10） 顯然直接測量的方法是行不通的，所以采用脈沖計數(shù)的方法間接測量被測時間，就可以滿足高精度要求。2.5 超聲波接收發(fā)射裝置以超聲波為檢測手段，包括發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器

28、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域稱壓電式超聲波探頭)和磁致式超聲波傳感器。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(或稱發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱接收探頭)兩部分組成，它們都是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應進行工作的。利用逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應將接收的超聲振動波轉換成電信號，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共振頻率:低頻共振頻率叫串聯(lián)共振頻率()，此時阻耗(R)最小，用于發(fā)送超聲波;高頻的共振頻率稱為逆共振頻率(a)，主要是產(chǎn)生共振，用于接收超

29、聲波。而在串聯(lián)共振頻率()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，主要有以下幾種阿:（1）由外部電路產(chǎn)生振蕩，如NE555低頻振蕩器調制40kH之的高頻信號，高頻信號通過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驅動發(fā)送超聲波傳感器振蕩。(3) 采用單片機內部的定時器或直接使用程序產(chǎn)生固定的脈沖，通過放大處理后驅動發(fā)送超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波.3 超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計3.1 系統(tǒng)總體方案設計發(fā)射驅動超聲波接收處理單片機LED顯示控制鍵 盤溫度傳感器圖3-1

30、液位監(jiān)測系統(tǒng)框圖報警電路控制電路本文設計的超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng)工作原理框圖如圖3-1所示。該系統(tǒng)由AT89C2051 單片機、超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、環(huán)境溫度采集電路、報警電路、控制鍵盤、控制電路及顯示電路組成。AT89C2051 單片機是整個系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調各部件的工作。發(fā)射驅動模塊振蕩源和放大驅動電路，單片機控制發(fā)射模塊產(chǎn)生40kHz的頻率信號來驅動超聲波傳感器，每次發(fā)射包含若干個脈沖（發(fā)射持續(xù)約0.15ms），當?shù)谝粋€超聲波脈沖發(fā)射后，計數(shù)器開始計數(shù)，在檢測到第一個回波脈沖的瞬間，計數(shù)器停止計數(shù)，這樣就能夠得到從發(fā)射到接收的時間t；溫度采集電路也將現(xiàn)場環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集送到單片機中

31、，提供計算距離時對超聲波傳播速度的修正。最終單片機利用公式s = 12vt和v = 331.5 + 0.607T計算出被測距離，然后與系統(tǒng)預設距離比較，如果小于預設最低液位或者大于預設最高液位，單片機進行液體流入流出自動控制；當液位變化過快或者其他單片機無法進行液位控制的情況下，單片機啟動報警電路通知工作人員進行人為干預。完成這些步驟進行第二次超聲波發(fā)射。在這過程中單片機顯示電路不斷的更新顯示的液位值。其中控制鍵盤可以控制系統(tǒng)的液位變化范圍（最高液位h1和最低液位h2）和報警參數(shù)h（超出極限低液位或極高液位認為單片機不能完成自動控制）。3.2 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設計3.2.1 超聲波頻率的選

32、擇超聲波發(fā)散角隨頻率的增加而增加，這樣使用雙探頭時將會有更多的繞射波被接受，所以超聲波頻率不易太高；超聲波測距的有效距離與超聲波的頻率成反比，頻率越低有效距離越大，40Hz的超聲波一般有效測距范圍為610米，超聲波測距精度和超聲波頻率成正比，因此頻率過低會影響測距精度，根據(jù)一般工業(yè)需要，結合其它因素，本系統(tǒng)采用40 KHz左右的頻率。3.2.2 單雙探頭的選擇如果使用單超聲波探頭，將會影響最小測量距離，而且可能會在轉換時有噪聲產(chǎn)生。因此本系統(tǒng)采用收發(fā)分離雙超聲波探頭。3.2.3 超聲波發(fā)射電路（1）超聲波發(fā)射電路功能發(fā)射電路目的:為超聲波發(fā)射器提供它所需要的脈沖電信號依據(jù)電路需要，發(fā)射電路滿足

33、下列要求: 振蕩電路振蕩頻率可調 驅動能力較高 I/O口控制口（2）超聲波振蕩電路當加載在超聲波傳感器的兩端的信號頻率與其固有頻率為同一頻率時，發(fā)生共振，電信號電能能高效率的轉化為機械聲波機械能。一般廠家生產(chǎn)的超聲波傳感器標識的固有頻率是40KHz，實際有偏差，如40士0.5KHz。故設計可調頻率振蕩電路，以便將信號頻率調到超聲波傳感器的固有頻率上。蕩電路有多種設計方案，方案選擇如下:方案一:利用非門或與非門和電阻一起構成振蕩電路，如圖3-2所示，圖3-2 非門和電阻、電容組成的振蕩電路這個電路組成的是最簡單的振蕩器，這種振蕩器特點是:T(1.42.3)R×C，且電源波動將使頻率不穩(wěn)

34、定，適合小于100KHz的低頻振蕩情況。此振蕩是上電振蕩，不方便控制。方案二：采用兩三極管和電阻電容構成的振蕩器如圖3-3所示，方案三：LC三點振蕩電路如圖3-4所示，圖 3-3 三極管和電阻電容構成的振蕩器方案四：555芯片組成振蕩電路，如圖3-5所示。555芯片振蕩電路，外圍元件少，電路簡單，振蕩頻率可調，可產(chǎn)生方波和三角波，可調整波形占空比，在很多電路中都用到，如圖3-5所示。圖3-4 LC三點振蕩電路圖 3-5 555芯片組成振蕩電路上面幾個振蕩電路都是很實用的電路，外圍元件少，電路簡單，芯片驅動能力大，振蕩輸出的信號為方波信號。考慮系統(tǒng)需要和方便，本文中的振蕩電路選方案四，用555芯

35、片和外圍元件構成振蕩電路，此電路穩(wěn)定且易控制。本文中采用的555芯片振蕩電路, 頻率的計算如下：RA =1.5K、 RB=15K、 C=1000pFTL = 0.69x RBx C  = 0.69x15x103x1000x 10-12= 10sec   TH=0.69 x(RA + RB)x C  = 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12  = 11sec   f = 1/(TL + TH)  = 1/(10.35 + 11.3

36、9) x 10-6)  = 46.0 KHz （3）超聲波驅動電路原理圖驅動電路目的:為超聲波發(fā)射器提供足夠功率的脈沖信號。驅動電路要求產(chǎn)生出具有一定功率，一定脈沖寬度和一定頻率的超聲電脈沖去激勵發(fā)射器，由發(fā)射器將電能轉換為超聲機械波機械能。驅動電路有幾種方案，如下：采用專用芯片驅動。由分立元件組成的驅動電路，其價格便宜，元件普通，調試方便。采用變壓器提升電壓，增加驅動能力。采用非門并接利用芯片的驅動能力。聲波在空氣中傳播受空氣介質影響，距離越大衰減越大。為能接收遠距離得回波，采取有效措施有:增加驅動功率，減小聲波頻率(頻率越低，衰減越慢)。本文采用變壓器升壓增加驅動能力。

37、整個發(fā)射電路由555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振蕩信號由555集成塊和周圍電路產(chǎn)生,然后送至放大電路驅動壓電傳感器發(fā)出一系列的脈沖群,每一個脈沖群持續(xù)時間大約為0.15ms 左右。信號經(jīng)過三級管放大,再經(jīng)過阻抗匹配電路即變壓器(變壓器輸入輸出比110 ) 后,驅動超聲波發(fā)射頭,發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓,內部的壓電晶片開始震動,經(jīng)過壓電換能器將發(fā)出40kHZ的脈沖超聲波。具體電路如圖3-6所示。圖 3-6 超聲波發(fā)射電路3.2.4 超聲波的接收和處理單元 (1)超聲波接收電路功能根據(jù)電路需求，需要接收放大電路滿足以下要求:微弱信號放大，放大倍數(shù)要求從

38、mv到V，波形整形。如圖3-7所示，超聲波接收器將接收到回波信號轉換成電壓信號(正弦波)，信號經(jīng)過兩級放大以后，被送入電壓比較器進行比較，電壓比較器輸出的方波信號直接輸入INT0中斷口，該低電平作為AT89c51外部中斷0的中斷信號使AT89C51產(chǎn)生中斷，在中斷服務程序中停止計數(shù)器T0的計時，并計算出有關數(shù)據(jù)。由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號的換向識別、轉換、信號的放大和整形以及產(chǎn)生中斷信號等功能。如圖3-7進行波形處理。圖3-7 接收電路信號變化關系圖（2）超聲波接收電路電路微弱信號需要放大整形，因此接收部分電路主要由放大電路、電壓比較電路構成。根據(jù)所用的T/R40-16型超聲波傳感

39、器的資料以及在實驗中所觀察到的現(xiàn)象，超聲波發(fā)射器在發(fā)射超聲波時，有一部分聲波從發(fā)射器直接傳到接收器，這部分信號直接加到回波信號中，干擾回波信號的檢測。此問題在軟件中處理。超聲波接收電路將接收換能器輸出的微弱信號，進行濾波、放大、檢波、整形，來得到大幅值電信號，供單片機INT0端口辨識。接收電路可采用新產(chǎn)品專用集成電路，也可用傳統(tǒng)的濾波、放大、檢波、整形的電路。過去均采用分立元件構成，現(xiàn)在可以用專用超聲波接收集成電路來代替。還可以使用價格便宜的極普通的Mpc08C作為超聲波的放大電路，采用獨特的連接方式，可獲得非常好的應用效果。通過比較幾個電路，用集成芯片固然能簡單快捷，外圍元件少，但是通過多級

40、運放作為放大電路能改變放大倍數(shù)，能適應小信號的采集。綜合因素考慮，本論文中采用圖3-8所示的電路，即采用運算放大器TL084CN構成放大電路:當頻率為40KHz時，理論上極限放大約1000倍，但實際工作中不可能讓放大器工作于極限狀態(tài)，放大倍數(shù)過高，易產(chǎn)生自激振蕩。因此采用兩極放大，每級放大倍數(shù)45.5倍。 放大電路兩級放大，放大倍數(shù)分別為45.5×4 5.5。 在此電路中R108并接接收器兩端，其目的取微弱信號為電壓信號，供放大電路放大，放大電路的輸入阻值為18M，遠遠大于100K，靈敏度高，放大電壓幅值為2.5士1V,士1V隨距離遠近而變化。 C108連接前后兩極放大，阻兩極間直流

41、，通兩極間交流。 運放芯片采用TL084，供電電壓為9V，單電壓供電。 在接收器的輸入端接入2.5V是為了將微弱信號加載在2.5V使信號更有利于放大，除去不必要的干擾。圖3-8 由TL084集成運放兩級放大接收電路 比較電路的設計比較電路目的是將mV級的微弱信號放大后的V級信號整形成能為INT0辨識的脈沖信號，本文是下降沿引起中斷。根據(jù)硬件電路的設計思想，要將回波信號轉換成CPU識別的高低中斷信號，所以在對回波信號(正弦波)經(jīng)過兩次放大以后，需要將正弦波整形成方波，于是后面接了一個電壓比較電路?？紤]輸入頻率為40KHz，采用了集成電壓比較器LM393。LM393具有低偏置電流和失調電流(典型值

42、分別為100nA和6nA)，其響應速度為200ns?？捎脝坞娫垂╇?如+5V)，也可用雙電源供電(如±12V)。在本系統(tǒng)中采用了+5V單電源供電。通過實驗觀察，LM393輸出信號符合設計要求，單片機INT0端口識別引腳1處標準下降沿。具體電路如圖3-9所示。圖3-9 LM393構成比較電路如圖3-9所示，放大后的信號由LM393第2腳進入，在第3腳是+2.5V有一個電容電阻接入的比較基準電壓，由于R2電阻可調，4即根據(jù)輸入的信號可以調節(jié)基準電壓。可以有效地防止千擾。LM393是+9V(可調)供電，需要在輸出端口接上一個上拉電阻R3，該電阻由+5V供電，將+9V高電平拉低到+5V高電平

43、，供單片機INTO端口識別。 完整的超聲波接收和處理電路，如圖3-10所示。3.2.5 溫度補償單元（1）補償目的聲波在介質中的速度受介質、介質溫度影響。在本課題中，介質是空氣，空氣顆粒較小，對超聲波衰減影響較小，忽視其帶來的影響，但空氣溫度變化影響較大，不容忽視。圖3-10 超聲波的接收和處理電路（2）DS18B20簡介DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比, 他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)表方式?？梢苑謩e在93175ms和750ms內完成9位和12位的數(shù)字量, 并且

44、從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線(單線接口) 讀寫, 溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線, 總線本身也可以向所掛接的DS18 B20供電, 而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結構更趨簡單, 可靠性更高。他在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820 有了很大的改進, 給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。DS18B20的內部結構：DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝, 其內部結構框圖如圖3-11所示。 64b閃速ROM 的結構如下:8b檢驗CRC48b序列號8b工廠代碼（10H）MSB LSBMSB LSBMSB LSB

45、圖3-11DS18B20 內部結構圖開始8位是產(chǎn)品類型的編號, 接著是每個器件的惟一的序號, 共有48 位, 最后8位是前56位的CRC校驗碼, 這也是多個DS18B20 可以采用一線進行通信的原因。 非易市失性溫度報警觸發(fā)器TH 和TL , 可通過軟件寫入用戶報警上下限。 高速暫存存儲器DS18B20 溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的E2RAM。后者用于存儲TH , TL值。數(shù)據(jù)先寫入RAM ,經(jīng)校驗后再傳給E2RAM。而配置寄存器為高速暫存器中的第5個字節(jié), 他的內容用于確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率,DS18B20工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉換為相

46、應精度的數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如下:TMR1R011111低5位一直都是1, TM是測試模式位, 用于設置DS18B20 在工作模式還是在測試模式。在DS18B20 出廠時該位被設置為0, 用戶不要去改動, R1和R0決定溫度轉換的精度位數(shù), 即是來設置分辨率, 如表3-3所示(DS18B20出廠時被設置為12 位)。表3-3 R1和R0模式表R1R0分辨率分辨率溫度最大轉換時間/ms009位93.750110位187.51011位275.001112位750.00由表3-3可見, 設定的分辨率越高, 所需要的溫度數(shù)據(jù)轉換時間就越長。因此, 在實際應用中要在分辨率和轉換時間權衡考慮。高速暫存存

47、儲器除了配置寄存器外, 還有其他8個字節(jié)組成, 其分配如下所示。其中溫度信息(第1,2字節(jié))、TH 和TL 值第3, 4字節(jié)、第68 字節(jié)未用,表現(xiàn)為全邏輯1; 第9字節(jié)讀出的是前面所有8 個字節(jié)的CRC 碼, 可用來保證通信正確。溫度低位溫度高位T HTL配置保留保留保留8 位CRCLSBMSB當DS18B20接收到溫度轉換命令后, 開始啟動轉換。轉換完成后的溫度值就以16 位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1, 2 字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù), 讀取時低位在前, 高位在后, 數(shù)據(jù)格式以010625。LSB形式表示。溫度值格式如下:232221202-12-22-

48、32-4MSBLSB SSSSS262524MSBLSB對應的溫度計算: 當符號位S=0時, 直接將二進制位轉換為十進制；當S= 1時, 先將補碼變換為原碼,再計算十進制值。表3-4是對應的一部分溫度值。表3-4部分溫度值溫度/二進制表示十六進制表示+ 12500000111 01000007D0H+ 25.062500000001 100100010191H+ 0.500000000 000010000008H000000000 000000000000H- 0.511111111 11111000FFF8H- 25.062 511111110 01101111FE6FH-551111110

49、0 10010000FC90HDS18B20 完成溫度轉換后, 就把測得的溫度值與TH , TL作比較, 若T > TH 或T < TL , 則將該器件內的告警標志置位, 并對主機發(fā)出的告警搜索命令作出響應。因此, 可用多只DS18B20 同時測量溫度并進行告警搜索。DS18B20與單片機的接口電路見圖3-13圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1;高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入。圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B加就對低溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)，進而完成溫度

50、測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將一55所對應的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1、溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在一55所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到O時，溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預置值將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到O時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。圖中斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線形性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程

51、，直到溫度寄存器值達到被測溫度值。圖 3-13 DS18B20與單片機的接口3.2.6 顯示電路設計顯示模塊使用靜態(tài)顯示，這樣可以提高單片機工作效率，同時提高顯示亮度，在室外使用時方便使用者讀取數(shù)據(jù)。所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示某一字符時，相應段的發(fā)光二極管恒定地導通或截止。例如7段顯示器的a、b、c、d、e、f段導通，g、dp段截止，則顯示0。這種顯示方法的都需要有一個8位輸出口控制。對于51單片機，可以在并行口上擴展多片鎖存器74LS573做為靜態(tài)顯示器接口,但這樣做相對麻煩一些，本系統(tǒng)直接用四個I/O口連接LED的片選端口。靜態(tài)顯示器的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導通電流一定的情況下顯示器的

52、亮度高，控制系統(tǒng)在運行過程中，僅僅在需要更新顯示內容時，單片機才執(zhí)行一次顯示子程序，這樣大大節(jié)省了單片機CPU的時間，提高了單片機的工作效率；缺點是位數(shù)多時，硬件開銷太大。因此靜態(tài)顯示適合顯示亮度要求高、位數(shù)不多的情況下使用。 本設計中的顯示電路如圖3-10。其中七位段碼由單片機P0口經(jīng)過鎖存器提供。片選信號由單片機的P1.4P1.7四個I/O口提供。圖3-10 顯示電路3.2.7 鍵盤電路設計 鍵盤采用4×4矩陣式鍵盤，接單片機P2口，由程序掃P2口判斷按下的是那個位置的鍵，然后查詢鍵值表，執(zhí)行相應的功能。圖 3-12 鍵盤控制電路3.2.8 電磁閥控制電路設計液體由管道經(jīng)過電磁閥

53、注入，系統(tǒng)通過控制電磁閥來控制液體的注入?？刂菩盘杹碜詥纹瑱C的P1.6引腳，經(jīng)過三極管放大來驅動繼電器，電磁閥由繼電器直接控制。具體電路如圖3-11所示。圖3-11 電磁閥控制電路其中R2、R3為限流電阻，防止三極管燒壞；LED為繼電器工作指示燈；二極管D1起到保護繼電器線圈的作用；R4、C4和R5共同起到消除繼電器斷開時產(chǎn)生的電弧。3.2.9 報警電路設計報警電路由一個蜂鳴器組成，由單片機的P2.4腳控制，經(jīng)過三極管放大驅動蜂鳴器。測量的距離超出設定的距離后由程序將單片機的P2.4置1，蜂鳴器開始發(fā)聲。3.2.10 系統(tǒng)控制單元控制單元由單片機AT89C51和周圍器件構成。AT89C51是一

54、個2k字節(jié)可編程EPROM的高性能微控制器。它與工業(yè)標準MCS-51的指令和引腳兼容，因而是一種功能強大的微控制器，它對很多嵌入式控制應用提供了一個高度靈活有效的解決方案。AT89C51有以下特點：2k字節(jié)EPROM、128字節(jié)RAM、15根I/O線、2 個16位定時/計數(shù)器、5個向量二級中斷結構、1個全雙向的串行口、并且內含精密模擬比較器和片內振蕩器，具有4.25V至5.5V的電壓工作范圍和12MHz/24MHz工作頻率，同時還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖、掉電和時鐘電路等。此外，AT89C51還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式。空閑時，CPU停止，而讓RAM、定時/計數(shù)器、串行口和中斷系

55、統(tǒng)繼續(xù)工作?？傻綦姳４鍾AM的內容，但可使振蕩器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件復位。AT89C51有2個16位計時/計數(shù)器寄存器Timer0 和Timer1。作為一個定時器，每個機器周期寄存器增加1，這樣寄存器即可計數(shù)機器周期。因為一個機器周期有12個振蕩器周期，所以計數(shù)率是振蕩器頻率的1/12。作為一個計數(shù)器，該寄存器在相應的外部輸入腳P3.4/T0和P3.5/T1上出現(xiàn)從1至0的變化時增1。由于需要二個機器周期來辨認一次1到0的變化，所以最大的計數(shù)率是振蕩器頻率的1/24，可以對外部的輸入端P3.2/INT0和P3.3/INT1編程，便于測量脈沖寬度的門。充分利用AT89C51

56、的片內資源，即可在很少外圍電路的情況下構成功能完善的液位監(jiān)控系統(tǒng)。C1、C2、Y4組成時鐘電路，為單片機工作提供時鐘脈沖。R1、C1、S1共同組成復位電路。P3.0與DS18B20相連，通過程序控制，完成與DS18B20的通信和對DS18B20的控制。P1.7接發(fā)射電路的控制信號接口，有單片機程序控制P1.7的電平來完成對發(fā)射電路的控制。P3.2與接收電路的輸出電平接口相連，當接收電路輸出低電平的時候，P1.7引發(fā)中斷。P0口接的是顯示電路。P1.6接一個開關，單片機程序通過查詢P1.6來控制系統(tǒng)的工作和停止。P0口為顯示數(shù)據(jù)接口，P1.0P1.3為LED片選信號接口，通過程序來選中其中一個LED芯片。P1.5為電磁閥控制接口，通過程序控制P1.5的電平來控制電磁閥的打開和關閉。P1.4為報警電路接口，P1.4高電平啟動報警電路，低電平關閉報警電路停止報警。P2口為鍵盤接口，通過軟件掃描P2口，再查詢鍵值表，然后再執(zhí)行相應的程序來完成鍵盤相應的功能。圖 3-12