〔大学论文〕基于单片机的水塔水位测量控制系统设计（含word文档） .pdf

编号： 毕业设计毕业设计毕业设计毕业设计( ( ( (论文论文论文论文) ) ) )说明书说明书说明书说明书 题目：基于单片机的水塔水位基于单片机的水塔水位基于单片机的水塔水位基于单片机的水塔水位 测量控制系统测量控制系统测量控制系统测量控制系统 院 （系） ：电子工程学院 专业：测控技术与仪器 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 题目类型：题目类型：理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发 2010 年 1 月 3 日 摘要 水是生命的源泉，离开了水，生活将变得寸步难行，所以必须要对水进行合理的利 用， 利用水之前首先得控制水的供应状态，这就需要一个自动化的控制系统，对水塔 中的水进行无人补给， 确保生活中自来水的正常供应。 由此可见， 该系统是非常实用的， 而且要普及到生活中，这就有必要设计一个既经济又实用的系统。 在对单片机控制技术研究的基础上， 本设计采用 c 语言以及汇编语言联用设计的一 个水塔水位测量控制系统。它包括发射电路、接收电路、单片机控制电路以及显示和控 制电路。利用单片机本身 40khz 信号作为发射信号，而接收方面则需要一个能对应接收 40khz 左右的信号处理电路，把超声波转换成电信号，在用单片机读取该信号，完成一 个测量的过程。根据超声波在测距中的原理，在信号方面利用超声波传感器作为发射和 接收的源头，对水塔中的水位时时观测，在显示电路中用 lcd 进行动态显示，显示水位 的精度为 1mm。另外，键盘电路采用触点累加模式可以设置水位的上下限，当水位低于 下限时，电磁阀自动打开为水塔补水，当水位到达上限时，电磁阀自动关闭，停止补水 并报警。 经过多次测试验证,该系统具有较好的灵敏度和稳定度,达到了预期设计目标， 有一 定的实用价值。 关键词: 单片机；超声波；发射；接收 abstractabstractabstractabstract water is the source of life, left the water, life will become step, it must be reasonable water use, used of water must first be controlled before the water supply status, which requires an automated control system, on the towers of no water supply, to ensure the normal life of the supply of tap water. it can be seen that the system is very practical, but also to access to life, which there is a need to design an economical and practical systems. single-chip control technology on the basis of the study, the design uses c language and assembly language in conjunction with the design of a control system for measuring water towers. it includes transmitter, receiver circuit, single-chip control circuit, as well as display and control circuits. the use of single-chip 40khz signal itself as a launch signal, and the receiving side needs a receiver to correspond to about 40khz signal processing circuit, the ultrasonic signal into the single-chip to read the signals the completion of a measurement process. according to ultrasound in the range of principle, the use of ultrasound in the signal-transmitting and receiving sensor as the source of the water level of the towers from time to time in the observation, in the show circuit with dynamic lcd display, indicating the water level of accuracy of 1mm. in addition, the keyboard circuit contacts cumulative water level can be set upper and lower limits, when the water level is lower than under the limit, the solenoid valve to open automatically pay for the towers, when the water level reached the upper limit of self-closing solenoid valve, and stop almost on a daily basis and report to the police. after several rounds of testing to verify that the system has good sensitivity and stability, to achieve the desired design objectives, a certain degree of practical value. keykeykeykey words:words:words:words: single-chip; ultrasonic; transmit;receive 目录 引言 1 1.概述 1 1.1 水塔水位自动控制系统的介绍.1 1.2 设计任务与要求.1 1.3 系统主要功能.2 2 方案选择与论证 2 2.1 设计思路2 2.1.1 显示电路的选择与论证 2 2.1.2 显示驱动方案的选择与论证 3 2.2 总方案确定.3 3器件介绍 4 3.1 at89s52 芯片 4 3.2 cx20106a 芯片7 3.3 74ls04 芯片8 3.4 ts1620-1 液晶数码管8 4硬件电路设计 10 4.1 芯片选择.10 4.2 工作原理.11 4.3 单片机系统及显示电路.11 4.4 超声波发射电路.12 4.5 超声波接收电路12 4.6 控制电路13 5 软件设计 14 5.1 程序设计14 5.1.1 超声波测距器的算法设计 14 5.1.2 主程序设计 14 5.2 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 15 6 系统调试及技术指标 17 6.1 硬件调试.17 6.1.1 测试仪器 17 6.1.2 测试步骤 17 6.2 软件调试.18 6.3 软硬联调.18 6.3 .1 测量水位18 6.3 .2 测量水位超声波测距误差分析19 6.4 调试遇到的问题及其解决方法.20 6.5 主要技术参数.20 6.6 水塔水位测量控制系统使用说明.20 7总结 21 谢辞 23 参考文献 24 附录 25 1 硬件电路. 25 2 源程序清单. 26 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第1页共42页 引言 随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自 动控制系统开始进入了人们的生活， 以单片机为核心的高楼供水的水位控制系统就是其 中之一。 同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。 它实用性强， 功能齐全， 技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。它更让人类懂得，数字时代的发展将改变 人类的生活，将加快科学技术的发展。水塔是供水系统中常用的设备，基于单片机的水 塔水位控制系统使水塔水位保持在一定的位置，以满足用水的需要。本设计的目的是用 单片机设计一个控制系统，用来对水塔水位进行控制。水塔水位控制系统的研究对于提 高供水系统的自动化水平、提高生产效率具有重要的意义。随着集成技术和计算机技术 的发展，单片机作为其一个分支亦于20世纪80年代以来获得了飞速发展，各种新品不断 涌现，使单片机的应用更加深入，灵活性也大大增强。 本设计主要研究水塔水位测量控制的自动化程度， 以及构成自动化系统动力源是以 单片机为核心的一个设计，而选择超声波传感器作为测量工具是一个重点。 1概述 1.1 水塔水位测量控制系统的介绍 这是一种单片机控制的自动化系统，该系统可以对水位有一个合理的控制。本设计 研究的内容是“水位测量控制系统” 。水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛， 比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而以往水位的检测是由人工完成的， 值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控 室。然后主控室再开动电机进行给排水。很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和 资金上都将造成很大的浪费。同时也容易出差错。因此急需一种能自动检测水位，并根 据水位变化的情况自动调节的自动控制系统。 1.2 设计任务与要求 任务： 1、当水位低于下限时，自动给水塔补水。 2、当水位到达上限时，停止补水并声光报警。 3、可以设置水位的上、下限。 4、测量水位精度为 1mm。 5、水位未到达下限时，可以手动控制补水。 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第2页共42页 1.3 系统主要功能 1、可以设置水位的上下限 2、显示水位上下限以及当前水位 3、根据水位控制电磁阀的开与关 4、可以人工控制打开/关闭电磁阀 2 方案选择与论证 2.1 设计思路 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于 20khz 的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超 生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器 或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和 接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化， 即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振 动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 tof（time of flight） 。首先测出超声波从发 射到遇到障碍物返回所经历的时间， 再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之 间的距离。 测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测 距适用于高精度的中长距离测量。 因为超声波在标准空气中的传播速度为 331.45 米/秒， 由单片机负责计时，单片机使用 12.0m 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫 米级。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于 距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精 度方面也能达到要求。 超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产 生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 2.1.1 显示电路的选择与论证 方案一：led显示。 方案二：lcd显示。 led应用可分为两大类：一是led单管应用，包括背光源led，红外线led等，led显 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第3页共42页 示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、 使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等特点。 led显示器与lcd显示器相比，led在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都 更具优势。led与lcd的功耗比大约为10:1，而且更高的刷新速率使得led在视频方面有 更好的性能表现，能提供宽达160的视角，可以显示各种文字、数字、彩色图像及动 画信息等。 基于设计显示的数据，用lcd显示较为直观，所以选择方案二。 2.1.2 显示驱动方案的选择与论证 方案一：电阻驱动。 方案二：排阻驱动。 所谓排阻就是若干个参数完全相同的电阻，它们的一个引脚都连到一起，作为公共 引脚。其余引脚正常引出。所以如果一个排阻是由n个电阻构成的，那么它就有n+1只引 脚，一般来说，最左边的那个是公共引脚。它在排阻上一般用一个色点标出来。排阻一 般应用在数字电路上，比如：作为某个并行口的上拉或者下拉电阻用。使用排阻比用若 干只固定电阻更方便. 二者均可，鉴于排阻方便，所以选择方案二。 2.2 总方案确定 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用at89s52单片机作为主控制器，用动态 扫描法实现lcd数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系 统框图如2.1图所示： 。 单片机 超声波发送 超声波接收 显示电路 控制电路 报警电路 图2.1 总体电路框图 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第4页共42页 3器件介绍 3.1 at89s52 芯片 at89s52 是一种低功耗、高性能 cmos8 位微控制 器， 具有 8k 在系统可编程 flash 存储器。 使用 atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80c51 产品指令和引脚完全兼容。片上 flash 允许程序存储 器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上， 拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统可编程 flash，使得 at89s52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、 超有 效的解决方案。at89s52 具有以下标准功能：8k 字节 flash， 256 字节 ram， 32 位 i/o 口线， 看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向 量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电 路。另外，at89s52 可降至 0hz 静态逻辑操作， 支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu 停止工作，允许 ram、定时器/计 数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram 内容被保存，振荡器被冻结，单片 机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。各引脚的功能分述如下： vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0口：p0口是一个8位漏极开路的双向i/o口。作为输出口，每位能驱动8个ttl逻辑 电平。对p0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时， p0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，p0具有内部上拉电阻。在 flash编 程时，p0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外 部上拉电阻。 p1口：p1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个ttl 逻辑电平。对p1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。 此外，p1.0和p1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（p1.0/t2）和时器/计数器2 的触发输入（p1.1/t2ex），具体如表3.1所示。 p2口：p2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个ttl 逻辑电平。对p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行movx dptr）时， 图 3.1at89s52 引脚结构 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第5页共42页 p2 口送出高八位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地 址（如movx ri）访问外部数据存储器时，p2口输出p2锁存器的内容。 表3.1 在flash编程和校验时，p1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能 p1.0t2（定时器/计数器t2的外部计数输入），时钟输出 p1.1t2ex（定时器/计数器t2的捕捉/重载触发信号和方向控制） p1.5mosi（在系统编程用） p1.6miso（在系统编程用） p1.7sck（在系统编程用） 在 flash 编程和校验时，p2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 p3 口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输 入口使用。 作为输入使用时， 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因， 将输出电流 （iil）。 p3 口亦作为 at89s52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 表 3.2 在 flash 编程和校验时，p3 口也接收一些控制信号。 引脚号第二功能 p3.0rxd（串行输入） p3.1txd（串行输出） p3.2int0(外部中断 0) p3.3int0(外部中断 0) p3.4t0（定时器 0 外部输入） p3.5t1（定时器 1 外部输入） p3.6wr(外部数据存储器写选通) p3.7rd(外部数据存储器写选通) rst：复位输入。晶振工作时，rst 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位。 看 门狗计时完成后，rst 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 auxr(地址 8eh)上 的 disrto 位可以使此功能无效。disrto 默认状态下，复位高电平有效。 ale/prog：是用于访问外部程序存储器的锁存低 8 位地址的锁存控制信号。 在 flash 编程时，此引脚（prog）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ale 以晶 振六分之一的固定频率输出脉冲， 可用来作为外部定时器或时钟使用。 然而， 特别强调， 在每次访问外部数据存储器时， ale 脉冲将会跳过。 如果需要， 通过将地址为 8eh 的 sfr 的第 0 位置“1”，ale 操作将无效。这一位置“1”，ale 仅在执行 movx 或 movc 指令 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第6页共42页 时有效。否则，ale 将被微弱拉高。这个 ale 使能标志位（地址为 8eh 的 sfr 的第 0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 psen：外部程序存储器选通信号（psen）是外部程序存储器选通信号。 当 at89s52从外部程序存储器执行外部代码时，psen在每个机器周期被激活两 次，而在访问外部数据存储器时，psen将不被激活。 ea/vpp： 访问外部程序存储器控制信号。 为使能从 0000h 到 ffffh 的外部程序存储 器读取指令，ea 必须接 gnd。为了执行内部程序指令，ea 应该接 vcc。 xtal1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 xtal2：振荡器反相放大器的输出端。 图 3.2 at89s52 内部结构图 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第7页共42页 3.2 cx20106a 芯片 cx20106a 是日本索尼公司生产的红外遥控信号接收集成电路， 广泛应用于视频、 音频、 空调、风扇等各种遥控系统中作遥控信号接收电路。 1引脚功能及数据 cx20106a 集成电路内含遥控信号接收、带通滤波、检波等电路。该 ic 采用 8 脚封装 方式，其集成电路的引脚功能说明及数据见表所列。 表 3.3cx20106a 集成数据的引脚功能说明及数据： 引脚符号功能说明电压（v） in遥控信号输入端该引脚和地之间连接着 pin 光电二极管， 集成块脚输入阻抗约为 405k。 2.1 circ 网络连接端该引脚与地间接有 rc 串联网络，用来确 定前置放大器的频率特性和增益。电阻值 大，容量值小，则增益低；反之，则高。 但电容不宜过大，否则瞬态影响速度降 低。 2.6 c2检波电容连接端该脚与地间接着检波电容。电容量大为平 均值检波， 瞬态影响灵敏度低； 电容量小， 则为峰值检波，瞬态灵敏度高，但检波输 入的脉宽变动大，易造成遥控误动作。 1.5 gnd接地端0 f0带通滤波器中心 频率设置段 该脚与电源间所接电阻器，是用来设置带 通滤波器的中心频率 f0，电阻值为 200 k 时，中心频率为 f0=40khz，电阻值为 220k时，则中心频率为 f0=38khz。 1.4 c3积分电容连接端该脚所接的积分电容，标准值为 330pf， 当其容量值越大，则外部噪波干扰增强， 而且输入的脉冲低电平持续时间增强，遥 控距离变短。 1 out遥控指令信号输 出端 该端口为集电极输出端。该脚与电源间连 接一只约为 22k电阻后，输出脉冲低电 平的标准值约为 0.2v。 4.6 vcc供电电源端5v0.3v 工作电源电压输入端5 2内电路方框图及典型应用电路 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第8页共42页 cx20106a 集成电路的内电路方框图与典型应用电路如图 3.3 所示 3.3 74ls04 芯片 六反相器：在本设计中的作用是为了增强其输出电流的能力，提高超声波传感器的 发射距离。 图 3.4 74ls04 逻辑图 3.4 ts1620-1 液晶数码管 1、主要功能 (1)、 40 通道点阵 lcd 驱动; (2)、 可选择当作行驱动或列驱动; (3)、 输入/输出信号:输出,能产生 202 个 lcd 驱动波形;输入,接受控制器送出的 串行数据和控制信号,偏压(v1v6); (4)、 通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来 图 3.3 cx20106a 集成块的内电路方框图及典型运 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第9页共42页 2、技术参数 表 3.4 极限参数表 名 称符 号标准值单 位 mintypemax 电路电源vdd - vss-0.37.0v lcd 驱动电压vdd - veevdd - 13.5vdd + 0.3v 输入电压vin-0.3vdd + 0.3v 静电电压-100v 工作温度-20+70c 储存温度-30+80c 表 3.5 电参数表 名 称符 号测 试 条 件标 准 值单位 mintypemax 输入高电平vih-2.2vddv 输入低电平vil-0.30.6v 输出高电平vohioh = 0.2ma2.4-v 输出低电平voliol = 1.2ma-0.4v 工作电流iddvdd = 5.0v2.0ma 液晶驱动电压vdd- vee ta = 0c4.9 vta = 25c4.7 ta = 50c4.5 表 3.6 时序特性表 项 目符 号测试 条件 标 准 值单位 mintypemax 允许时间周期tcyce 5.1a 5.1b 1000ns 允许脉冲宽度,高电平pweh450-ns 允许上升和下降时间ter tef -25ns 地址建立时间tas140-ns 数据延迟时间tddr-320ns 数据建立时间tdsw195-ns 数据保持时间th10-ns data hold timetdhr20-ns 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第10页共42页 地址保持时间tah10-ns 3、引脚功能 表 3.7 引脚功能表 引 线 号符 号名 称功 能 1vss接地0v 2vdd电路电源5v10% 3vee液晶驱动电压保证 vdd-vee=4.55v 电压差 4rs寄存器选择信号h:数据寄存器 l:指令寄存器 5r/w读/写信号h:读l:写 6e片选信号下降沿触发,锁存数据 7-14db0-db7数据线数据传输 表 3.8 寄存器选择功能表 rsr/w操作 00指令寄存器(ir)写入 01忙标志和地址计数器读出 10数据寄存器(dr)写入 11数据寄存器读出 （注:忙标志为“1“时,表明正在进行内部操作,此时不能输入指令或数据,要等内部操作 结束,即忙标志为“0“时。） 4、指令功能 格式:rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db0 共 11 种指令:清除,返回,输入方式设置,显示开关,控制,移位,功能设置,cgram 地 址设置,ddram 地址设置,读忙标志,写数据到 cg/ddram,读数据由 cg/ddram。 显示位与 dd ram 地址的对应关系： 表 3.9 显 示 位 序 号1234540 dd ram 地 址(hex) 第 一 行000102030427 第 二 行404142434467 4硬件电路设计 4.1 芯片选择 本设计使用到的元器件包括： at89s52 芯片、 lcd 显示器、 cx20106a 芯片、 tct40-10 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第11页共42页 超声波传感器等。 4.2 工作原理 本方案主要由单片机系统及显示电路、 超声波发射电路和超声波检测接收电路三部 分组成。 采用 at89s52 来实现对 cx20106a 红外接收芯片和 tct40-10 系列超声波转换 模块的控制。单片机通过 p1.0 引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的 检测 int0 引脚，当 int0 引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。 计数器所计的数据就是超声波所经历的时间， 通过换算就可以得到传感器与障碍物之间 的距离。 由于超声波也是一种声波，其声速 c 与温度有关，表 4.1 列出了几种不同温度下的 声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求 很高，则应通过温度补偿的方法加以校正 不同温度下的超声波声速表： 表 4.1 温度/-30-20-10010203040 声速 c（n/s）313319325323338344349386 4.3 单片机系统及显示电路 单片机采用 89s52 或其兼容系列。采用 12mhz 高精度的晶振，以获得较稳定的时 钟频率， 减小测量误差。单片机用 p1.0 端口输出超声波转化器所需的 40khz 方波信号， 利用外中断 0 口检测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用直观方便的 lcd。 单片机系统及显示电路如图 4.1 所示 定时器 控制 显示器 调制器振荡器超声波发射器 计时器接收检测超声波接收器 图 4.1 超声波测距原理框图 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第12页共42页 4.4 超声波发射电路 本电路中共用到了两个重要的频率，为了实现输出频率的精确性，在设计时用到了 单片机，因为这一部分（频率产生电路）是整个电路的核心，由单片机产生的频率必须 准确，否则测得的距离显示会产生很大误差，笔者在考虑总体方案时，也想到用一块单 片集成电路来完成频率信号的产生以及分频工作，也完全可以实现电路的功能，但是要 想实现高精度要求，难免有些困难，最后还是选择了用单片机来完成频率的产生工作。 超声波的发射电路采用单片机 atm89s51 的 p1.0 口输出发射脉冲，由 74ls04 作为驱动 来连接超声波传感器， 74ls04 是为了增强其输出电流的能力， 提高超声波传感器的发射 距离,如图 4.2. 图 4.2 超声波发射电路原理图 4.5 超声波接收电路 参考红外转化接收期刊的电路采用集成电路 cx20106a， 这是一款红外线检波接收的 专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率 38khz 与测 距超声波频率 40khz 较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高 的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变 c4 的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干 扰能力。在此利用 cx20106 作为超声波传感器接收信号的放大检波装置，亦取得良好的 效果。cx20106 中前置放大器接收到超声波接收探头的反射信号后，对信号进行放大， 电压增益约 80 db。然后将信号送到限幅放大器，使其变为矩形脉冲，再由滤波器进行 频率选择，滤除干扰信号，由检波器滤掉载频检出指令信号，再经过整形后，由 7 脚输 出低电平。7 脚输出的脉冲下降沿通过单片机 int0 口输入。 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第13页共42页 图 4.3 超声波接收电路原理图 4.6 控制电路 图 4.4 控制电路 采用触点累加计数模式，计数方式为十进制 bcd 码。s2 为设置模式选择键，s3 为 设置水位上限选择键，s4 为设置水位下限选择键，s5s7 分别为水位上下限的百、十、 个位设置键，单位 cm。 s8 为水阀控制键。 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第14页共42页 5 软件设计 5.1 程序设计 超声波测距软件设计主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序及显 示子程序组成。下面对超声波测距器的算法，主程序，超声波发射子程序和超声波接受 中断程序逐一介绍。 5.1.1 超声波测距器的算法设计 图 5.1 示意了超声波测距的原理， 即超声波发生器 t 在某一时刻发出的一个超声波 信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 r 所接受。这样只要计算 出发生信号到接受返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。 图 5.1 超声波测距示意图 距离计算公式：d=s/2=(c*t)/2 d 为被测物与测距器的距离，s 为声波的来回路程，c 为声速，t 为声波来回所用的 时间 声速 c 与温度有关，如温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度 要求很高， 则应通过温度补偿的方法加以校正。 声速确定后， 只要测得超声波往返时间， 即可求得距离。在系统加入温度传感器来监测环境温度，可进行温度被偿。这里可以用 ds18b20 测量环境温度，根据不同的环境温度确定一声速提高测距的稳定性。为了增强 系统的可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施。 5.1.2 主程序设计 主程序首先对系统环境初始化， 设置定时器t0工作模式为16位的定时计数器模式， 置位总中断允许位 ea 并给显示端 p0 和 p2 清 0。 然后调用超声波发生子程序送出一个超 声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟 0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断 0 接收返回的 超声波信号。 由于采用 12mhz 的晶振， 机器周期为 1us,当主程序检测到接收成功的标志 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第15页共42页 位后，将计数器 t0 中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体 与测距仪之间的距离,设计时取 20时的声速为 344 m/s 则有： d=(c*t0)/2 =172t0/10000cm（其中 t0 为计数器 t0 的计数值） 测出距离后结果将以十进制 bcd 码方式 lcd 显示,然后再发超声波脉冲重复测量过 程。主程序框图如下 图 5.2 主程序框图 5.2 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是通过 p1.0 端口发送 2 个左右的超声波信号频率约 40khz 的方波，脉冲宽度为 12us 左右，同时把计数器 t0 打开进行计时。超声波测距器 主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（int0 引脚出 现低电平)，立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器 t0 停止计时，并将测 距成功标志字赋值 1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器 t0 溢出中断将外中断 0 关闭，并将测距成功标志字赋值 2 以表示此次测距不成功。 在总中断中运用了单片机的工作模式 1，即 16 位的定时/计数器模式。当 m1m0 为 01 时，定时/计数器工作于方式 1，如图 5.3 所示。 图 5.3 单片机工作模式 1 示意 开始 系统初始化 发送超声波脉冲 等待发射超声波 计算距离显示结果 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第16页共42页 图 5.4 主程序流程图图 5.5 定时服务中断子程序流程图 tmod = 0x11;/*模式 1，16 位定时器 */ ie = 0x80;/*开总中断，ea=1*/ while (1) testok = 0; cs_t(); delay(1); testok = 0; ex0 = 1; et0 = 1; 开始 单片机初始化 定时中断子程序 有回波吗？ 外部中断子程序 y n 定时中断入口 定时器初始化 发射超声波 三方均发射完否 停止发射 返回 计算距离 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第17页共42页 图 5.6 外部中断服务子程序流程图 6 系统调试及技术指标 6.1 硬件调试 6.1.1 测试仪器 万用表、电源、pc机、示波器 6.1.2 测试步骤 (1)第一步：排除元器件失效。 造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了;另一个是由于安装错 误,造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在 保证安装无误后,用替换方法排除错误。 (2)第二步：排除电源故障。 在通电前,一定要检查电源电压的幅值和极性,否则很容易造成集成块损坏。 加电后 检查各插件上引脚的电位,一般先检查vcc与gnd之间电位,若在5v48v之间属正常。 若有高压,联机仿真器调试时,将会损坏仿真器等,有时会使应用系统中的集成块发热损 坏。 外部中断入口 关外部中断 读取时间值 计算距离 结果输出 开外部中断 返回 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第18页共42页 6.2 软件调试 按照程序流程图，分模块编写程序。各模块程序编译成功后再据总体设计流程组合 起来成为最终的软件程序。 (1)第一步：编译通过。 (2)第二步：调试中断程序，在中断子程序中写一个标志语，此时lcd应该显示设置 标志语。 (3)第三步：设定报警标。 6.3 软硬联调 单片机程序烧录后，接通电源，进行系统综合调试。 (1)检查lcd是否正常显示，正常时应显示“choose the model” 。 (2)对发射信号的测试，用示波器测单片机p1.0口，这里应该是一个40khz，占空 比为50%的方波。 (3)经过超声波传感器发射与接收后，用万用表测单片机p3.2口是否为低电平， 经 测试为低电平，则表明有接收到信号。 (4)测量校准，测量水位是否是实际高度，不是则要修改程序中的计算参数。 (5)对水位的测量，使超声波传感器在水面上下移动，lcd显示的数据是否有变化， 如有变化说明能进入中断系统。 (6)设置水位上、下限，lcd是否显示设置的值。经过试验，能成功设置，表明能 进入设置的子程序。 (7)当水位低于下限时，继电器是否自动至高电平，电磁阀打开补水。 (8)当水位到达上限时，是否停止补水，并亮灯示意。 在以上各功能都正常后，可以确认电路达到了预期的设计目标。 6.3 .1 测量水位 把水塔水位测量控制系统架设在两米的高度，随着水位逐渐下降得到以下数据： 表(1)： 实 际 水 位 /mm 190018501800175017001650160015001400 测 量 水 位 /mm 195819081861179317361671161115171417 绝 对 误 差 /mm 585861433621111717 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第19页共42页 相 对 误 差 /% 29.6%30.4%32.7%24.0%20.7%12.6%0.7%1.1%1.2% 表(2)： 实 际 水 位 /mm 1300120011001000900800600400200 测 量 水 位 /mm 129912021109997903803611404203 绝 对 误 差 /mm 1293331143 相 对 误 差 /% 0.08%0.17%0.81%0.30%0.33%0.37%1.80%0.99%1.48% 由此可见，在水位离超声波传感器有 600mm 的时候，开始出现误差，并且随着距 离的逐渐缩短而增大。 6.3 .2 测量水位超声波测距误差分析 根据超声波测距的原理，测量误差的来源有： 1、启动发射和启动计时之间的偏差； 2、收到回波到被检测出的滞后； 3、收到中断到中断响应停止计时之间的滞后； 4、计时器本身的误差。 5、温度对声波速度以及上述因素的影响 大致为上述五个来源，逐一分析如下： 第一项偏差源于单片机一次只能处理一件事， 所以启动发射和启动计时实际上是先 后完成的，存在时差，但只要指令速度足够快，其偏差可以忽略，即使需要弥补，也有 可能。 第二项误差源于检测电路的灵敏度和判断偏差， 从收到实际回波到电路确认并输出 相应信号肯定存在滞后， 这和回波信号强弱、 检测电路原理以及判断电路的敏感性相关， 也是超声波测距的核心。 因为如果灵敏度过高， 则会将一些干扰信号误作为回波， 导致测量出错， 如果过低， 又大大限制了检测距离，因为回波衰减是距离的平方关系。 这部分误差是导致数据不稳定的主要来源，因为判断滞后会随着回波的强弱而变 化。 第三项误差源于单片机的中断机制，收到中断信号后，单片机不可能立刻响应， 至 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第20页共42页 少要完成当前的指令，有时还要等待其它中断服务结束，所以这个滞后时间也不确定， 从而导致测量结果的变化。 但这个因素可以通过提高单片机速度，使用高优先级中断弱化之。 第四项误差源于计时器本身，由于目前多数使用晶体振荡器，其稳定度和准确度为 20-50ppm 级别，对于音速而言，其带来的误差在 mm 级（10us 对应 340m/s 的音速）。 为减小此项误差，应该提高计时的最小单位，从而降低量化误差，同时选用质量好的晶 振。 第五项误差是源于环境的影响，由于温度不同，音速会变化，计时的频率会变化， 检测电路的灵敏度也会变化，所以比较复杂，通常可以借助测温修正音速变化，但后两 个变化似乎只能忽略，好在其影响量有限。 那么，针对此次情况，应属受第三项的影响比较大。因为距离较短，波反射得比较 快，造成滞后时间不确定，从而影响中断服务以及计算上的误差。 6.4 调试遇到的问题及其解决方法 (1)软件调试过程中，出现很多编译错误。归纳为以下几点： 标点符号以全角方式输入。汇编程序要求标点符号为半角方式，否则编译失败。 在大写状态输入标点符号，这也是很容易犯而且不容易发觉的错误。 寄存器重复调用。由于存放键值使用的寄存器较多，出现了前后重复调用。 标号重复。复制、粘贴程序时忘记修改标号，造成出现多个相同的标号。 (2)硬件调试时，发现lcd未能正常显示，经检查，驱动电路有虚焊。焊实后，问题 得以解决。 (3)烧录程序，通电后，没有接收信号，单片机p3.2口为低电平，经检查，画原理 图时，没给cx20106a工作电压，即vcc。加上vcc后，经调试，问题得以解决。 (4)通电后，继电器一直在响，经检查，在程序中给了一个高电平控制导致的后果， 改成低电平后问题解决。 6.5 主要技术参数 电源电压：直流 5v，交流 220v10% 工作功耗：直流 5w 水位设定：5400cm 测量范围：5500cm 可测 6.6 水塔水位测量控制系统使用说明 (1)通电 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第21页共42页 工作电压接直流 5v，按电源开关，lcd 显示“choose the model”。 (2)设定水位上限 摁下 s3 键，进入设置水位上限模式，摁 s5s7 键设置水位下限，分别为百、十、 个位。设完后摁 s2 键返回选择模式。 (3)设定水位上限 摁下开关 s4，进入设置水位下限模式，摁 s5s7 键设置水位上限，分别为百、十、 个位。设完后摁 s2 键返回选择模式。 (5)测量距离 设置完毕后，继续摁 s2 键返回，系统开始测距 (4)模拟水塔 打开水阀，水位开始逐渐下降，当水位低于下限时，电磁阀自动打开为水塔补水。 当水位到达水位上限时，电磁阀自动关闭，停止补水并亮绿灯示意。 (5)人工控制补水 在水位未低于下限时，只要摁下 s8，电磁阀打开，为水塔补水，直到水位到达上限 值才停止补水，并报警。 7总结 水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本设计 采用两种方法（单片机和时基集成电路）进行主控制，在水塔上安装一个自动测水位装 置。利用超声波测距全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信 号，应用单片机或时基集成电路对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、 控制及报警等功能。 那么在本次设计中我所设计的该水塔水位测量控制系统具有精度高，抗干扰能力 强，自动化程度比较完善等特点。充分利用了超声波在空气中的传播特性，比如测定物 位距离时不接触被测物体，无活动部分，安装、调试简单，无维修，保养方便，测量精 度高，作为物位测量控制器。 测量控制料位,液位变化的精确位置, 因此可非接触测量 有腐蚀性的各种液体，固体。通过本控制器键盘预置输入开启或关闭的测距控制数值， 实现物位，液位的自动化控制。 经过一段时间的分析与改进本次设计，该系统有较好稳定性与准确性。那么在于实 用性方面，如果运用到生活当中，还需做小小的调整。由于超声波受温度影响，那么一 年四季冷暖交换，必然会造成系统的测量误差过大。这时要在系统加上一个温度传感器 用作温度补偿，可以解决该问题。但由于本次设计在短期内完成，温度影响方面可以忽 略不计。 通过本次毕业设计，我对现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术有 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第22页共42页 一定的了解与掌握，努力学习了模拟电路知识和数字电路知识，以及锻炼了个人的动手 能力，为今后的发展打下坚实的基础。 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第23页共42页 谢辞 首先，我要感谢我的导师老师对我的悉心指导和关怀。他为我的毕业设计和论文的 顺利完成倾注了心血和汗水，他渊博的知识、严谨的治学态度、平易近人的性格以及在 设计上敏锐的洞察力，使我受益非浅。在整个毕业设计期间，老师给了我非常大的帮助 和支持，从给我定题目，到工作开展，实验进行，直到最后论文的撰写都离不开他的悉 心指导。 老师给我提出了很多宝贵的建议， 让我少走了很多弯路， 得以顺利的完成论文。 同时，还要感谢实验室的老师和老师