基于單片機(jī)的液位測量系統(tǒng)

PAGE8基于單片機(jī)的液位測量系統(tǒng)摘要超聲測距傳感器廣泛應(yīng)用于機(jī)器人定位系統(tǒng)、城市交通管理和公路管理監(jiān)控系統(tǒng)、河流、油井、倉庫和料位檢測等領(lǐng)域。因其性能優(yōu)良、價格低廉、體積小、使用方便被普遍運(yùn)用。超聲波常用于液位儀、水準(zhǔn)儀等測量距離，由于其不易受干擾，能量消耗慢，介質(zhì)中的傳輸距離長。本系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件電路和軟件程序兩部分。硬件電路除復(fù)位電路和LED控制電路外，主要包括單片機(jī)電路、發(fā)射電路、接收電路、顯示電路和電源電路。本文采用基于AT89C51單片機(jī)的低成本、高精度、小型化數(shù)字顯示超聲液位儀硬件電路。整個電路采用模塊化設(shè)計，由信號收發(fā)、電源、溫度測量、顯示等模塊組成。關(guān)鍵詞：AT89C51；超聲波；液位測量儀

AbstractInairmedium,theultrasonicrangingsensorbecauseofitsexcellentperformance,theadvantagesoflowcost,smallvolume,iswidelyappliedintherobotpositioningsystem,vehicleautomaticnavigation,vehiclesafetydrivingassistantsystem,urbantrafficmanagementandroadmanagementmonitorsystemandriver,thewell,warehouseandmaterialleveldetectionandotherfields.Easytouse.Ultrasonicisoftenusedfordistancemeasurementsuchasrangefinder,level,etc.,becauseitisnoteasytobeinterferedwith,energyconsumptionisslow,thetransmissiondistanceinthemediumislong.Thedesignofthissystemincludeshardwarecircuitandsoftwareprogram.ApartfromresetcircuitandLEDcontrolcircuit,hardwarecircuitmainlyincludessingle-chipcircuit,transmittingcircuit,receivingcircuit,displaycircuitandpowersupplycircuit.Inthispaper,basedonAT89C51microcontrollerlowcost,highprecision,miniaturizationdigitaldisplayultrasonicrangefinderhardwarecircuit.Thewholecircuitadoptsmodulardesign,composedofsignaltransceiver,powersupply,temperaturemeasurement,displayandothermodules.Keywords:AT89C51;Ultrasound;Waterlevelgauge

目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1研究背景 11.2研究意義 11.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1第二章超聲波液位測量儀的原理及誤差分析 32.1超聲波液位測量儀的原理 32.2超聲波液位測量儀誤差分析 3第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計 53.1發(fā)射電路設(shè)計 53.1.1發(fā)射電路設(shè)計方案 63.1.2發(fā)射電路常用方案 63.2接收電路設(shè)計 73.3單片機(jī)顯示電路設(shè)計 83.3.1LCD顯示部分 103.3.2報警部分 11第四章軟件設(shè)計和測量結(jié)果分析 124.1系統(tǒng)軟件設(shè)計 124.2外部中斷子程序 154.3定時器中斷子程序 154.4實現(xiàn)重要功能的程序分析 164.4.1實現(xiàn)溫度讀取功能 164.4.2實現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速 174.4.3實現(xiàn)距離計算 17結(jié)語 18致謝 19參考文獻(xiàn) 20附錄1系統(tǒng)整體圖 21附錄2源代碼 22第一章緒論1.1研究背景超聲檢測技術(shù)是一種典型的基于電子學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域的非接觸測量方法，應(yīng)用廣泛。液位測量儀表中的測量技術(shù)也發(fā)展很快，經(jīng)歷了由機(jī)械式向機(jī)電一體化再到自動化的發(fā)展過程。隨著這兩種技術(shù)的結(jié)合，特別是微處理器在液位測量系統(tǒng)中的應(yīng)用，液位計的精度越來越高，正朝著智能化、集成化、小型化的方向發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來，一些發(fā)達(dá)國家借助微電子、計算機(jī)、光纖、超聲波、傳感器等高科技研究成果，將各種新技術(shù)、新方法應(yīng)用于坦克液位測量。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(yīng)變式、雷達(dá)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(shù)。由于該方法測量精度高，可靠性強(qiáng)，持續(xù)時間長，安裝維護(hù)簡單，因而正在逐步取代舊的機(jī)械式液位測量方法。在眾多用于液位測量的電子技術(shù)中，壓電、超聲波、應(yīng)變、浮法和電容測量技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，占總技術(shù)的60%以上。其中，超聲波式測量技術(shù)的應(yīng)用份額最大。1.2研究意義超聲波液位測量有很多優(yōu)點(diǎn):它不僅能夠定點(diǎn)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(shù)相比，超聲技術(shù)不需要防護(hù)。與目前的激光測量液位技術(shù)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(shù)不需要有運(yùn)動的部件，所以在安裝和維護(hù)上有很大的優(yōu)越性。特別是超聲測位技術(shù)可以選用氣體、液體或固體來作為傳聲媒質(zhì)，因而有較大的適應(yīng)性。所以在測量要求比較特殊，一般液位測量技術(shù)無法采用時，超聲測位技術(shù)往往仍能適用。在未來，超聲波的液位測量將有更大的用途，更大的應(yīng)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(xué)探測和研究的手段。特別是液位的測量，可以幫助確定液位的高度，以便于其他工作的順利進(jìn)行。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，隨著超聲技術(shù)研究的不斷深入和其高精度、無損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲技術(shù)的應(yīng)用越來越受到人們的重視。目前已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子冶金、航海、航空航天、石油化工、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域。此外，它在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域也占有重要地位。超聲液位技術(shù)是聲學(xué)與儀器工程相結(jié)合的前沿技術(shù)學(xué)科。超聲波液位技術(shù)已廣泛有效地應(yīng)用于移動機(jī)器人、車輛主動碰撞系統(tǒng)和交通流檢測系統(tǒng)中。在測控系統(tǒng)中，需要一種測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)的傳感器，而超聲傳感器是超聲液位系統(tǒng)的關(guān)鍵。董生林和董曉寧研制了一種氣介超聲傳感器，用于圓板和薄膜的彎曲振動模式。詳細(xì)闡述了空氣介導(dǎo)超聲傳感器的理論基礎(chǔ)，分析了T定位系統(tǒng)的設(shè)計及其參數(shù)估計。三井井、小泉純一郎、小井秀彥提出了一種基于像散聚焦差分檢測理論的新型超聲傳感器。在超聲波液位中，測量精度是一個非常重要的問題。在1-10米范圍內(nèi)，豐滿度的相對誤差小于0.1%。葛萬成等采用相關(guān)法確定超聲波傳播時間。利用適當(dāng)選擇的偽隨機(jī)二值序列信號作為超聲的傳輸信號，通過相關(guān)法消除或減小外界干擾信號的影響，提高測量精度。當(dāng)采樣周期為50us時，距離誤差為8.smm；Figneroaj.f.，LamancuseJ.S.提出了一種新的定時方法。利用峰值延遲和相位延遲求和得到回波延遲的方法，通過不同的檢測方法得到峰值延遲和相位延遲，通過峰值延遲和相位延遲求和得到回波傳播時間。夏永勇等。受益于回波信號的傳輸特性。利用小波分析對回波信號進(jìn)行處理，提出了一種基于小波包絡(luò)原理的峰值檢測方法。系統(tǒng)有效測量范圍為2米，改進(jìn)后的系統(tǒng)盲區(qū)為100毫米。在測試系統(tǒng)中，使用單片機(jī)不僅可以簡化系統(tǒng)，還可以使用數(shù)字濾波、波形整形、誤差補(bǔ)償?shù)溶浖?。韓寶亮、孫偉闡述了液位原理和以單片機(jī)為核心的硬件組成。分析了不同反射鏡對超聲波液位的影響，分析了造成液位盲區(qū)的原因。系統(tǒng)在空氣中的最大距離約為5米，超過一半時測量誤差約為1%。

第二章超聲波液位測量儀的原理及誤差分析超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波。同時，它開始計時。超聲波在空氣中傳播。當(dāng)它在途中遇到障礙物時，它會立即返回。當(dāng)超聲波接收器接收到反射波時，它立即停止計時。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(diǎn)距障礙物的距離（s），即：s=340t/2。這就是所謂的時間差液位法。2.1超聲波液位測量儀的原理液位的公式表示為：L=C×T式中L為被測距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為被測距離傳播的時差（T為發(fā)射時間到接收時間的一半）。超聲波具有定向發(fā)射容易、方向性好、強(qiáng)度控制容易、與被測物體無直接接觸等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的液體高度測量方法。在精密液位測量中，需要達(dá)到毫米級的測量精度，但目前國內(nèi)超聲液位專用集成電路僅為厘米級的測量精度。通過分析超聲波液位測量儀誤差產(chǎn)生的原因，將測量時間差提高到微秒級，并利用LM92溫度傳感器對聲波傳播速度進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)計的高精度超聲波液位測量儀可以達(dá)到毫米級的測量精度。通過分析超聲波液位測量儀誤差產(chǎn)生的原因，將測量時間差提高到微秒級，并利用LM92溫度傳感器對聲波傳播速度進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)計的高精度超聲波液位測量儀可以達(dá)到毫米級的測量精度。2.2超聲波液位測量儀誤差分析根據(jù)超聲波液位測量儀公式L=C×T，可知液位的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。（1）時間誤差當(dāng)要求液位誤差小于1mm時，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s（20℃室溫），忽略聲速的傳播誤差。液位誤差s△t<（0.001/344）≈0.000002907s即2.907μs在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證液位誤差小于1mm的誤差。89C51單片機(jī)定時器采用12MHz晶體作為時鐘基準(zhǔn)，可方便地計數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時器，保證時間誤差在1mm測量范圍內(nèi)。（2）超聲波傳播速度誤差已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：式中：r—?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40，R—?dú)怏w普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，M—?dú)怏w分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，T—絕對溫度，273K+T℃。近似公式為：C=C0+0.607×T℃式中：C0為零度時的聲波速度332m/s；T為實際溫度（℃）。對于超聲波液位測量儀精度要求達(dá)到1mm時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時超聲波速度是332m/s,30℃時是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達(dá)到5m，測量超聲發(fā)生器可分為兩類：一類是用電方法產(chǎn)生超聲，另一類是用機(jī)械方法產(chǎn)生超聲。電學(xué)模式包括壓電模式和電學(xué)模式，機(jī)械模式包括卡爾頓笛子、液體哨子和空氣哨子等，它們產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和諧波特性不同，其用途也不同。目前，壓電式超聲波傳感器在短距離測量中得到了廣泛的應(yīng)用。

第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計按照這個以超聲波技術(shù)為依據(jù)的測距系統(tǒng)來看，它具體涵蓋了發(fā)射以及接收、還有就是單片機(jī)接口以及顯示報警等這一系列相關(guān)電路。不過基本上都是圍繞單片機(jī)來展開策劃的，而且全部集中在系統(tǒng)的超聲的傳送與其接收上，因為這是促進(jìn)測量準(zhǔn)確性跟分辨率都得到大幅度改善的一個重點(diǎn)所在。在此次設(shè)計中的超聲波傳感設(shè)備主要是借助于壓電陶瓷傳感設(shè)備，其工作電壓為四十千赫的脈沖信號，在其前方測距線路的導(dǎo)入端就和單片機(jī)的P1.0端口相連接，當(dāng)單片機(jī)開始施行相關(guān)程序時，先在P1.0端口位置導(dǎo)出一個四十千赫的脈沖信號，再經(jīng)三級管T實施處理和放大，讓超聲波發(fā)射頭UCM40T可以連續(xù)性發(fā)射兩百微秒。另外，右、左兩側(cè)的測距線路所連接的導(dǎo)入端則依次跟P1.1、還有就是P1.2端口來進(jìn)行相連，在運(yùn)行原理方面也與前方測距是完全一樣的。按照UCM40T來看，其實它最多可以呈現(xiàn)出幾十毫伏的超聲回波，甚至還會伴隨著極大的噪聲，所以在放大電路里面，我們需要將對信號的放大以及對相應(yīng)噪聲的處理給兼顧到。于是，在經(jīng)過慎重考慮之后，決定借助于CX20106A集成電路來完成這兩項任務(wù)。先是經(jīng)由P2.7端口把它傳遞到MCU當(dāng)中實施處理。然后再以動態(tài)掃描方式予以展現(xiàn)，最后是利用單片機(jī)編程，把已經(jīng)掌握的時間數(shù)據(jù)變化為相應(yīng)的距離信息，并分別展現(xiàn)在3個LED數(shù)碼管上。3.1最小系統(tǒng)結(jié)合AT89C51來看，它本身具備非常高的性能，而且無需使用太多的功耗，針對Atmel企業(yè)所研發(fā)出來的非易失性、而且具備超高密度的這樣一種儲存器來進(jìn)行充分利用，其中還攜帶了一個4K系統(tǒng)可編程Flash閃存，從整體構(gòu)造上來看，實際上是之前芯片的一個升級版。除此之外，還給那些嵌入式控制體系的運(yùn)用帶來了極大便利。所以當(dāng)前已經(jīng)在很多領(lǐng)域里面得到了普及。而根據(jù)它的有關(guān)特點(diǎn)來看，達(dá)到了四十了引腳、以及三十二個可供外界進(jìn)行使用的I/O口，除了自帶兩個外中斷口之外，還具有兩個16位可編程定時器，不過發(fā)揮重要作用的還是在于那兩個全雙工串行通信口。關(guān)鍵是這種單片機(jī)它既能夠結(jié)合普通方式去實現(xiàn)相應(yīng)的編程作業(yè)，同時還能夠直接達(dá)到在線編程目的。甚至能夠促進(jìn)一般微處理器跟Flash存儲器實現(xiàn)有機(jī)整合，尤其是那種能夠不斷進(jìn)行擦寫的Flash存儲器，對于相關(guān)費(fèi)用起到了很好的節(jié)省作用。為了滿足不同用戶的需求，AT89C51設(shè)計了多種封裝形式以供用戶進(jìn)行選擇，其封裝形式主要有PDIP、PQFP、TQFP以及PLCC等，用戶可以根據(jù)制版的需要選用合適的封裝形式。在設(shè)計中為了方便制作電路板，選擇PDIP的封裝形式。AT89C51有40個插腳，可分為三類：電源和時鐘插腳、編程控制插腳和I/O插腳。下面是對這三種類型的管腳的簡要描述。從AT89C51的時鐘電路來看，它具有兩個端口XTAL1跟XTAL2，而且依次代表著相應(yīng)放大器的輸入跟輸出。往往被當(dāng)做是片內(nèi)振蕩器來進(jìn)行使用，既能夠兼容石晶振蕩，同時也不會跟陶瓷振蕩之間產(chǎn)生任何的排斥。假設(shè)我們決定針對外部時鐘源驅(qū)動設(shè)備來進(jìn)行運(yùn)用，那么這個時候是可以直接斷開XTAL2的。主要原因是：1個機(jī)器周期它本身就包括12個振蕩周期存在著，要是被運(yùn)用的振蕩器已經(jīng)可以達(dá)到12兆赫的頻率，那么則說明其振蕩周期實際上就是1/12us，最終得出一微秒其實就是代表著1個機(jī)器周期。而關(guān)于具體時鐘線路這個方面的詳細(xì)情況則可以查看下圖3-1里面所反映出來的。圖3-1單片機(jī)晶振電路因為本次設(shè)計里面僅僅是對RST進(jìn)行了運(yùn)用，所以就專門圍繞它開展開敘述。它代表的是復(fù)位輸出。只要晶體振蕩器開始進(jìn)行工作，那么此時的RST引腳就會連著進(jìn)行兩個機(jī)器周期的運(yùn)行，然后利用其高電平來針對微控制器實施復(fù)位操作。而且在看門狗定時器停止運(yùn)行之后，此時的RST引腳就會變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，并針對九十六個晶體振蕩器來實施輸出操作。詳細(xì)情況可以查看下圖3-2里面所反映出來的。圖3-2單片機(jī)復(fù)位引腳電路由圖3-2可知，當(dāng)開關(guān)按鈕按下時，RST引腳經(jīng)過電阻R7連接到系統(tǒng)+5V的電源，只要該時間維持在2個機(jī)器周期以上，那么單片機(jī)就實現(xiàn)了復(fù)位的操作。3.2HC-RS04超聲波測距電路利用超聲脈沖回波渡越時間法實現(xiàn)超聲測距。傳感器到目標(biāo)物體的距離d可按下式計算：d=ct/2。其系統(tǒng)框圖如圖5.3所示。定時器控制定時器控制計算傳輸調(diào)制40k振蕩超聲波發(fā)射計時增益放大超聲波接收障礙物圖3-3系統(tǒng)框圖基本原理：經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長約6mm，頻率為40khz的超聲波信號。此信號被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實質(zhì)上是一種壓電效應(yīng)的換能器。它接收到信號后產(chǎn)生mV級的微弱電壓信號。圖3-4測距電路3.3LCD顯示帶路LCD1602液晶顯示器是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16×02即32個字符。是一種專門顯示字母、數(shù)據(jù)、符號等的點(diǎn)陣型液晶。每個點(diǎn)陣都可以顯示一個字符。實物如圖3-5。圖3-5LCD16023.3.1引腳定義LCD1602具有16個引腳。引腳示例如圖3-6。各引腳功能見表3-1。圖3-6LCD1602引腳示例表3-1引腳功能表序號名稱描述1GND接地2VCC接+5V3VL液晶顯示器對比度調(diào)整端4RS寄存器選擇端5RW讀寫控制端6EN使能端7-14D0-D7雙向數(shù)據(jù)端15BL+背燈電源正極16BL-背燈電源負(fù)極3.3.2指令介紹LCD1602液晶顯示器內(nèi)部共有11條指令。各指令定義及功能見表3-2。表3-2LCD1602指令表序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標(biāo)志或地址01BF計數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容3.3.3顯示自定義字符顯示自定義字符步驟如下：（1）先將自定義字符寫入CGRAM。LCD160內(nèi)含的CGROM字符代碼表中的00H~07H地址中的內(nèi)容沒有定義，它是用戶自定義區(qū)域。用戶可以向CGRAM中定義內(nèi)容。在設(shè)定內(nèi)容時，要逐行設(shè)定，每行對應(yīng)一個CGRAM，每行5點(diǎn)，共8行。（2）將CGRAM中的自定義字符傳送到DDRAM中。首先寫入行地址。格式見表3-3。然后設(shè)定CGRAM數(shù)據(jù)的內(nèi)容。見表3-4。表3-3行地址格式RSR/WDB7DB6DB5-DB3DB2-DB00001字符地址行號表3.4設(shè)定CGRAM中的數(shù)據(jù)格式RSR/WDB7-DB5DB4-DB010一般取‘000’每行5點(diǎn)的字模數(shù)據(jù)圖3-7為LCD1602的內(nèi)部RAM顯示緩沖區(qū)地址的映射圖：圖3-7LCD1602內(nèi)部地址映射圖00~0F、40~4F地址分別對應(yīng)的是LCD1602液晶屏的上下兩行中的每個字符，只要將要寫入顯示的字符的ASCII碼值寫到對應(yīng)的RAM地址上，就可以通過顯示屏顯示出來。顯示電路如圖3-8所示。圖3-8顯示電路3.4報警部分這個板塊中需要用到1個蜂鳴器，便于讓P1.2針對有關(guān)頻率信號予以導(dǎo)出，不過當(dāng)正式跟蜂鳴器進(jìn)行銜接時，還需要依靠三極管9012來實現(xiàn)特定的放大效果。詳細(xì)情況可以查看下圖3-7里面所反映出來的。圖3-7報警電路3.5溫度補(bǔ)償電路在這個電路里面，會有熱敏元件來發(fā)揮重要作用。雖說現(xiàn)在市場中先后有大量不同類型的熱敏元件被推出，比方說雙金屬片以及熱電偶、還有就是半導(dǎo)體熱敏電阻等這些，不過使用更加普遍的當(dāng)屬半導(dǎo)體熱敏電阻，因為它既沒有太大的體積，也可以實現(xiàn)相對不錯的靈敏性跟準(zhǔn)確性，甚至在價錢上還很低，所以深得各個行業(yè)的青睞。關(guān)于對溫度傳感器的設(shè)計，一般是針對數(shù)字式來進(jìn)行充分利用，方便實施溫度測查。根據(jù)該系統(tǒng)來看，主要選用的是DS18B20。一般來說，每一個溫度傳感器，在相應(yīng)的片序列號上，都是最為特別的，也就是說，通過一個數(shù)據(jù)線的連接，就可以在不一樣的地方使用。除了對建筑物實施探測之外，還包括有電熱水器，以及其他相關(guān)儀器的溫度檢測等這些方面，均可以得到良好的應(yīng)用。重點(diǎn)是它既無需耗費(fèi)過多的功率，又能夠達(dá)到高性能，并且還具備非常不錯的抗擾能力。詳細(xì)情況可以查看下圖3-8里面所反映出來的。1KΩ圖3-8DS18B20引腳圖除此之外，這款溫度傳感器還存在如下幾個特點(diǎn)：第一，能夠借助數(shù)據(jù)線來提供相應(yīng)的電能，并將其電壓控制在三伏特到五點(diǎn)五伏特之間。第二，能夠?qū)崿F(xiàn)零下五十五攝氏度到零上一百二十五攝氏度的測溫范圍。第三，位于零下是攝氏度到零上八十五攝氏之間度時能夠?qū)崿F(xiàn)更加精準(zhǔn)的測量值。第四，在確定溫度計的分辨率這一點(diǎn)上，能夠在九到十二位之間進(jìn)行挑選。第五，當(dāng)它處于待機(jī)狀態(tài)時，不會消耗任何的功率。第六，其分辨率甚至可以達(dá)到0.0625℃，另外的溫度則控制在零下五十五攝氏度到零上一百二十五攝氏度之間。第七，在其外部硬件電路方面沒有那么復(fù)雜，并且適用于三伏特到五點(diǎn)五伏特這個區(qū)間內(nèi)的電壓。第八，存在負(fù)電壓特點(diǎn)，就算是將電源給接錯了，其中的溫度計也不會受到任何損壞，只是無法進(jìn)行正常工作而已。詳細(xì)情況可以查看下圖3-9里面所反映出來的。圖3-9溫度補(bǔ)償應(yīng)用電路3.6按鍵電路單片機(jī)鍵盤有兩種鍵盤：獨(dú)立鍵盤和矩陣鍵盤。獨(dú)立鍵盤的每個I/O端口只接收一個鍵，鍵盤的另一端連接電源或接地（一般接地）。此連接過程簡單，系統(tǒng)更穩(wěn)定。矩陣鍵盤的連接過程比較復(fù)雜，但占用的I/O較少，根據(jù)本設(shè)計的需要，這里選擇了獨(dú)立的鍵盤連接。獨(dú)立鍵盤的實現(xiàn)方法是利用I/O口讀卡器的電平判斷按鍵是否按下。將按鈕的一端接地，并用I/O端口連接另一端。在程序開始時，I/O端口將被置于一個較高的水平，并且I/O端口將在平時按下無鑰匙按鈕時保護(hù)較高的水平。當(dāng)按下鍵時，I/O端口和接地之間的短路迫使I/O端口變低。當(dāng)釋放鑰匙時，單片機(jī)內(nèi)部的上拉電阻將I/O端口保持在較高的水平。我們要做的就是在程序中查找這個I/O端口的級別，看看是否有一個關(guān)鍵操作。在用單片機(jī)處理鍵盤時，涉及到一個重要的過程，即鍵盤的去抖動。這里提到的抖動是機(jī)械抖動。不按鍵盤時，鍵盤水平在關(guān)鍵區(qū)域不穩(wěn)定是一種正?，F(xiàn)象。當(dāng)我們按下鍵盤時，我們的注意力是無法避免的。這種抖動通常在10到200毫秒之間，這種不穩(wěn)定水平的抖動時間對人們來說太快了，但對于時鐘為微秒的微控制器來說卻很慢。硬件去抖動是利用電路的一部分來處理抖動部分。軟件去抖動不是為了消除抖動，而是為了避免抖動的一部分時間，等待鍵盤穩(wěn)定后再進(jìn)行處理。所以選擇軟件去抖動。實現(xiàn)方法是找到鍵立即延遲10-200毫秒，以避免低電平時出現(xiàn)抖動（經(jīng)典值為20毫秒），并在延遲后重新讀取I/O端口的值。如果此時間值在低電平下小于10-200毫秒，則視為干擾信號。當(dāng)讀取值為0時，表示有按鍵，調(diào)用相應(yīng)的處理程序。硬件電路如圖3-10所示。圖3-10按鍵電路圖

第4章軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)：從該系統(tǒng)的程序構(gòu)造來看，基本上就是涵蓋了如下這些內(nèi)容：按照溫度傳感器板塊來看，它包括了初始化、還有就是對相關(guān)命令的寫入跟讀取等這些程序。按照以YB1602為主要依據(jù)的顯示板塊來看，它則包括了初始化、還有就是對相關(guān)命令的寫入跟顯示等這些程序。在溫度補(bǔ)償跟測距這方面，包括了對超聲波的接受以及發(fā)射、還有就是溫度補(bǔ)償?shù)冗@些程序。從最后的編程作業(yè)來看，是針對C語言來進(jìn)行運(yùn)用的，因為對于匯編來說，這種C語言顯然具備更大優(yōu)點(diǎn)。同時也結(jié)合功能完善的KeilVersion2來針對有關(guān)程序?qū)嵤┚幾g操作。關(guān)于上列所有程序的詳細(xì)情況均可以查看下圖4-1里面所反映出來的。圖4-1系統(tǒng)軟件方框圖系統(tǒng)主程序：在完成對主程序的設(shè)計時，是遵循以下要求來進(jìn)行的：最高呈現(xiàn)2位數(shù)的溫度值以及4位數(shù)的距離值，并用毫米單位來對實際距離進(jìn)行表示。每過九百毫秒的時間就針對溫度進(jìn)行1次測量，因為DS18B20可以實現(xiàn)七百五十毫秒的轉(zhuǎn)換周期，所以將九百毫秒作為標(biāo)準(zhǔn)是可行的；同時保證超聲波是每過六十毫秒的時間就會完成1次發(fā)射操作。把測量啟動鍵設(shè)置成S；針對單片機(jī)本身自帶的時鐘進(jìn)行使用。無需針對看門狗功能針對進(jìn)行利用。當(dāng)超聲波被傳遞出去之后，需要等一會在實施檢測，以防止影響到直達(dá)信號。故而該系統(tǒng)最小是可以112毫米左右的測量范圍。4.2外部中斷子程序按照這個測距系統(tǒng)來看，它是會先把1個40千赫茲的脈沖信號給傳遞出去，只要被阻擋物反彈回來，就會有特定的外部中斷信號直接出現(xiàn)于接收檢測電路當(dāng)中，然后再把它往單片機(jī)里面?zhèn)鬟f過去。不過需要注意的是，只要一有外部中斷信號形成，那么第一步應(yīng)該是保護(hù)好現(xiàn)場，以防止被其他因素所干擾，之后再利用中斷服務(wù)程序里面已存儲下來的計數(shù)值去正式處理這一數(shù)據(jù)，從而把實際距離值給計算出來，并以十進(jìn)制形式進(jìn)行呈現(xiàn)，再通過P2口來進(jìn)行導(dǎo)出。RECEIVE：PUSHPSW；中斷現(xiàn)場保護(hù)PUSHACLREXO；關(guān)閉外部中斷INTOMOVR0，TL0；讀取時間MOVR1，TH0LCALLMULD；調(diào)用乘法子程序計算機(jī)距離LCALLADJ；調(diào)用十進(jìn)制調(diào)整子程序LCALLDISPSETBEX0；打開外部中斷INT0POPAPOPPSWRETI4.3定時器中斷子程序關(guān)于該程序的詳細(xì)情況可以查看下圖4-2里面所反映出來的。雖說這里用到的單片機(jī)它自帶有1個16位的定時器，可是最大也只可以實現(xiàn)65536微秒的定時時間，一旦存在很遠(yuǎn)的測量距離，那么就會導(dǎo)致定時器溢出，所以要想保證單片機(jī)的順利運(yùn)行，我們應(yīng)該把溢出中斷問題給妥善處理好。另外，因為電路測距最大是五米，所以要是在五米之外的話就無法讓回波有任何感應(yīng)，也就是說必須得利用外部中斷信號才可以把定時器給關(guān)掉。圖4-2定時中斷子程序流程4.4實現(xiàn)重要功能的程序分析4.4.1實現(xiàn)溫度讀取功能uintRead_Temperature（void） //讀取溫度，返回整數(shù)值{uintc; reset（）； //復(fù)位18b20芯片 tu=0； //先置位溫度正負(fù)標(biāo)示為正if（r）{ write（0xCC）； //跳過多傳感器識別skiorom write（0xBE）； //發(fā)讀內(nèi)部9字節(jié)內(nèi)容指令 c=read（）； //讀兩個字 reset（）； //讀完兩個字節(jié)后復(fù)位 write（0xCC）； //跳過多傳感器識別skiorom write（0x44）； //發(fā)啟動溫度變換指令if（c>0x1000）{c=c+1；tu=1；} //若溫度小于0，tu=1 c>>=4； //去掉低四位即為整數(shù)溫度值，無需*0.0625 returnc; }else{returnr;} //返回0XFF表示未檢測到18B20芯片}4.4.2實現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速intC_speed（void）//根據(jù)溫度查算聲速值{uchary;y=Read_Temperature（）； //采溫度if（r）{ //若溫度有變化則按溫度值取聲速 { T_C=y; //溫度值＝變化后的溫度值 if（tu==0）speed=332+T_C*0.607；//溫度為正則+聲速 elsespeed=332-T_C*0.607；//溫度為負(fù)則-聲速 } }elsespeed=346.5； //若1820不存在即無法讀取溫度，聲速＝346.5M/S（取25度）returnspeed;}4.4.3實現(xiàn)距離計算floatDis_count（） //距離計算函數(shù){ floatcm; cm=TH1*256+TL1； cm-=7610； //減去限制10M的初值+可調(diào)誤差值 cm*=speed; //計算距離uS*34650m cm/=20000； //轉(zhuǎn)換為s單程 returncm;}

第5章系統(tǒng)仿真測試5.1硬件電路測試基本電路板檢查：根據(jù)前面的研究完成各個電路模塊的原理設(shè)計并生成PCB圖，制作電路板，進(jìn)行實驗調(diào)試。（1）先用萬用表復(fù)核目測中認(rèn)為可疑的連接或是接點(diǎn)，檢查它們的通短狀態(tài)是否與設(shè)計規(guī)定相符。再檢查各種電源線與地線之間是否有短路現(xiàn)象，如有再仔細(xì)檢查出并排除。短路現(xiàn)象一定要在器件安裝及加電前檢查出。（2）電路接通電源后，用手摸一下芯片是否發(fā)熱，如果發(fā)熱，立即關(guān)掉電源，稍后再進(jìn)行再次檢測；如果沒有發(fā)熱，再測試芯片的VCC端電壓是否達(dá)到設(shè)計要求，接地端是否都接地。系統(tǒng)仿真圖如圖5-1所示。圖5-1仿真圖5.2軟件調(diào)試當(dāng)硬件制作完成后，軟件制作也是不可輕視的部分，是實現(xiàn)電路的功能的關(guān)鍵部分，通過本次畢業(yè)設(shè)計，總結(jié)經(jīng)驗如下：（1）先進(jìn)行人工檢查。寫好程序后，不要立刻燒入單片機(jī)，先對紙面上的程序進(jìn)行人工檢查。由于采用C語言編程，所以要特別小心地檢查語法錯誤，如括號不配對，漏寫分號等，通過仔細(xì)的檢查，發(fā)現(xiàn)并排除這些錯誤。（2）人工檢查無誤后，上機(jī)調(diào)試。在編譯時給出的語法錯誤的信息，根據(jù)提示的信息具體找出程序中錯誤之處并改正，從上至下逐一改正。應(yīng)當(dāng)注意的是：有的提示出錯行并不是真正出錯的行，如果在提示出錯的行上找不到錯誤的話，則應(yīng)該到上行再找。（3）當(dāng)確認(rèn)程序中沒有語法和邏輯錯誤時，通過直接下載到MCU來調(diào)試程序。采用自下而上的調(diào)試方法，即對每個模塊分別進(jìn)行調(diào)整，然后連接成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。（4）程序燒入單片機(jī)后，觀察各個部件的工作是否正常，功能是否實現(xiàn)。如不能正常工作，則繼續(xù)檢查程序中的相應(yīng)模塊，必要時從上到下重新檢查程序。

結(jié)語本設(shè)計以AT89C51為核心，借助模擬數(shù)字電氣技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合，解決了超聲波液位測量儀中的一些難題。超聲波能量轉(zhuǎn)換集成電路作為超聲波的接收電路，使用靈活。在論述超聲波液位測量儀原理、硬件電路實現(xiàn)和軟件設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，完成了超聲波液位測量儀的設(shè)計要求。利用單片機(jī)的操作控制功能和超聲波的特點(diǎn)，設(shè)計了一種簡單的液位系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，超聲波的應(yīng)用將越來越廣泛。然而，就目前的技術(shù)水平而言，人們可以使用的超聲波技術(shù)仍然非常有限。因此，這是一個蓬勃發(fā)展、前景無限的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。從選題、方案論證到具體設(shè)計，我查閱了大量的資料。對于一些困難的問題，我得到了老師和同學(xué)的幫助。在三年的專業(yè)學(xué)習(xí)和生活中，我一直感受到導(dǎo)師的細(xì)心指導(dǎo)和無私關(guān)懷，受益匪淺。在此，我謹(jǐn)對各位老師表示深切的感謝和崇高的敬意。

致謝本論文是在導(dǎo)師的諄諄教誨和指導(dǎo)下完成的，從選題、構(gòu)思到定稿無不滲透著導(dǎo)師的心血和汗水；導(dǎo)師淵博的知識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)使我受益終身，在此表示深深的敬意和感謝。這次寫論文的經(jīng)歷也會使我終身受益，我感受到，做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己學(xué)習(xí)的過程和研究的過程。沒有認(rèn)真學(xué)習(xí)和鉆研，自己就不可能有研究的能力，就不可能有自己的研究，就不會有所收獲和突破。希望這個經(jīng)歷，在今后的學(xué)習(xí)和生活中能夠繼續(xù)激勵我前進(jìn)。另外，還要特別感謝我的家人，他們時刻關(guān)心我，給我提供了學(xué)習(xí)的機(jī)會，時時刻刻為我鼓勁、為我加油，進(jìn)而促使我不斷成長和進(jìn)步。同時，也要感謝寢室的室友以及所有關(guān)心我的朋友，感謝他們陪伴我走過了很多美好的時光，在我遇到困難時他們關(guān)心我、幫助我。在完成畢業(yè)論文的過程中，很多朋友都給了我無私的幫助和支持，在此表示由衷的謝意！最后，因本人水平有限，論文肯定還有不少不足之處，懇請各位老師批評指正，我希望可以有機(jī)會繼續(xù)去完善，我將不斷努力繼續(xù)充實自己。

參考文獻(xiàn)[1]陶潔，肖桂鳳，遲權(quán)德.基于AT89C52單片機(jī)的超聲波液位測量儀儀的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2012，02：135-137+140.[2]李翠花，梁德民，周曉美.高精度的超聲波液位測量儀系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].合肥學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，01：41-44.[3]沈燕，高曉蓉，孫增友，李金龍.基于單片機(jī)的超聲波液位測量儀儀設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，07：126-129.[4]劉春，陳林.探析基于單片機(jī)液位儀的設(shè)計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2012，09：140-142.[5]徐軍，孫振偉，王華東.基于ARM處理器的兩路超聲波液位測量儀儀設(shè)計[J].壓電與聲光，2012，06：958-962.[6]張敏，寇為剛.基于超聲波的自動液位系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2011，04：106-110.[7]李世軍，周惠芳，金徐歡.基于單片機(jī)的超聲波液位測量儀儀的研究與設(shè)計[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，02：13-15.[8]安長俊，周家婕.基于PICmicro系列單片機(jī)的超聲波液位測量儀儀設(shè)計[J].科教文匯（上旬刊），2011，08：104+106.[9]張海英.基于單片機(jī)超聲波液位測量儀儀的設(shè)計[J].科技信息，2011，22：557-558.[10]高美霞，柏建普.單片機(jī)控制的超聲波液位測量儀儀汽車倒車系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2011，11：58-60+65.[11]孔德華.談超聲波液位測量儀儀硬件系統(tǒng)中的單片機(jī)系統(tǒng)[J].電子世界，2011，15：13+16.[12]張野.基于STC89C52單片機(jī)的超聲波液位測量儀儀設(shè)計[J].科技與企業(yè)，2015，03：91.[13]虞新軍，鄧玉良.基于MSP430單片機(jī)控制的超聲波液位測量儀儀軟件系統(tǒng)設(shè)計[J].科技傳播，2015，10：161+160.[14]于姣.基于單片機(jī)帶溫度補(bǔ)償?shù)某暡ㄒ何粶y量儀儀設(shè)計[J].電子科技，2015，0