毕业设计（论文）-超声波液位探测系统的研究.doc

摘 要液位检测技术在现代化工业生产中应用十分广泛，在气象水位的测量、大型油罐液位的测量等。随着智能仪器概念的提出。在电子和微控制芯片发展的基础上，液位仪器也经历着日新月异的变化。本论文介绍了一种由AT89C51单片机为主控元件的超声波液位测量系统。文中给出了系统的硬件设计各个功能机器原理图，同时给出软件系统程序设计方法，系统实现了标准液位的检测及显示功能。超声波液位测量仪应用超声回波原理技术，在硬件部分，超声波发射电路将AT89C51单片机控制的每隔20ms的方波脉冲信号放大到-300V，以满足超声波发射探头的发射需要。超声波接收电路对接收的回波进行发大整形，送回单片机。系统以AT89C51单片机为设计核心，测量得到超声波的传播时间，计算出传播的距离，从而得到所要测量的液位距离,并通过LED显示出来。软件部分，设计了中断程序、显示程序、主程序等。使得程序部分适合硬件部分，使系统功能得以实现。关键词：超声波；AT89C51；液位测量 AbstractThe technique of fluid level detect is extremely widespread in modern industrial production, for example: the measurement of meteorological water level，giant oil pot fluid level, and so on. Along with the advanced intelligent instrument conception, on the basis of development the electronic and the micro control chip, the fluid level instrument is taking on daily variations.The thesis introduces an ultrasonic wave liquid measuring system that uses AT89C51 as major controlling components, and gives the principle of hardware designing of the system, and the programming method, which achieves the measure and displaying the liquid level.The ultrasonic wave liquid meter applies the technique of ultrasonic wave back principle, in hardware, and the emission circuit controlled by 89C51 output -300v pulse every 20ms,and expiates the probe to output the signal of ultrasonic wave at 1MHZ. Electric circuit of Ultrasonic wave to receive enlarges and waves echo of received, returns to 89C51. The return signal is received by the probe of the ultrasonic wave, reads the value in the the interrupt produce, then figure out the height of the liquid by the single chip micro-computer and display it through the LED. Software part designs interrupt routine, display sequence, master routine and so on. Let program division suits hardware part, and to realize enables the system function.Key words: ultrasonic wave; AT89C51; liquid depth measure 目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1液位测量综述11.2液位计的分类21.2.1按照原理分类21.2.2按照接触方式分类61.3超声波液位计的优缺点与可行性81.4课题的主要任务92 超声波液位检测仪的测量原理112.1 超声波的介绍112.1.1超声波基本性质112.1.2超声波的衰减112.1.3超声波的特性122.1.4液体介质中的声速与温度的关系132.2超声波探头142.2.1压电效应142.2.2探头的结构和工作原理152.2.3超声换能器的主要参数162.3超声波测距的理论分析173 超声波液位探测系统的硬件设计193.1 系统总体设计思想193.2单片机的选择193.2.1 AT89C51功能说明203.2.2系统中AT89C51的功能说明233.3 发射电路设计233.3.1发射电路组成部件的介绍253.3.2发射电路原理分析273.4 接收电路的设计283.4.1接收电路的工作原理283.4.2接收电路的组成283.4.3接收电路原理分析333.5显示电路354 软件设计394.1软件设计思想394.2中断程序394.3显示程序404.4主程序43结 论45致 谢46参考文献47附录 A48附录 B54591 绪论1.1液位测量综述目前，液位测量技术已经广泛的运用在工业部门和日常检测部门中。例如：液位测量技术在石油、化工、气象等部门的应用。在测量条件和环境来说，有的测量系统被运用在十分复杂的条件与环境中。例如:有的是高温高压，有的是低温或真空，有的需要防腐蚀、防辐射，有的从安装上提出苛刻的限制，有的从维护上提出严格的要求等。这些都大大的提高了对测量技术的要求。所以能实现测量的无接触与智能化是液位测量计现在的主要发展方向1-2。近年来，随着工业的发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，液位仪表的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。在现代工业生产中，常常需要测量容器中液体的液位。在一般的生产过程中，液位测量的目的主要是通过液位测量来确定容器里的原料、半成品或产品的数量，以保证生产过程各环节物料平衡以及为进行经济核算提供可靠的依据;另外还为了在连续生产的情况下，通过液位测量，了解液位是否在规定的范围内，从而维持正常生产、保证产品的产量和质量以及保证安全生产。液位的测量在工业生产过程中的作用已经相当重要。随着各行业的快速发展，液位测量已应用到越来越多的领域，不仅用于各种容器、管道内液体液位的测量，还用于水渠、水库、江河、湖海水位的测量。这些领域使用传统的液位测量手段已经无法满足对其精确性的要求，所以超声波液位测量这种新的测量方向已经成为一种新的手段被广泛的应用。在目前市场上，按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型两大类3。接触型液位测量主要有:人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计等。它们的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，即都存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。因此存在一定的磨损且容易被液体沾污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。非接触型液位测量主要有微波雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等。顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不接触。因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。超声波液位测量计就属于非接触型液位测量的一种，所以它也有不受被测介质影响，不影响被测介质，能适应粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶、高温、高压、低温、低压、有辐射性、毒性、易挥发易爆等特殊介质的测量的特点，能适应的范围比其它的测量手段更广泛4。1.2液位计的分类液位计量仪表早期大多采用机械原理,但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且发展了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善、功能有了很大的提高。尤其是近二十年来，随着微处理器的引入，测量仪表更是发生了革命性的变化。液位计的量程从几米到几十米，测量精度亦大大提高。根据液位测量所涉及的液体存储容器、被测介质以及工艺过程的不同，液位计类型的选用也不同。在进行液位测量前，必须充分了解液位测量的工艺特点，以此作为液位计设计过程中的参考因素5。1.2.1按照原理分类随着工业自动化的发展，发展了许多新的测量原理，一批具有智能控制功能、可实现非接触测量、精度高、稳定性好的液位计相继问世，并应用到越来越多的工业测量领域，如基于超声波、雷达、光纤等技术的液位测量仪。根据工作原理的不同液位计可分为如下几种6：1、直读液位计：如图1.1所示。其中，1-被测容器;2-玻璃管;3-标尺;4、5-阀;6、7-连通管。图1.1 直读式液位测量方法直读式液位测量方法：是一种直接用与被测容器连通的玻璃管或玻璃板来显示容器中的液位高度，它是最原始但仍应用较多的一种液位测量仪表;另外，利用浸入式刻度钢皮尺直接测量液位高度的人工检尺法也是应用较广泛的液位计量方法，尤其是在大型油罐储油量的测量中，也可把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。其精度一般为2mm的人为误差。此种方法有测量简单、直观、成本低的优点，但测量量程有限，且不适于恶劣环境中的测量。2、浮子液位计：如图1.2所示。其中，1-浮球;2-连杆;3-转轴;4-平衡重;5-杠杆。图 1.2 浮子式液位测量方法(内、外浮球方式)利用浮子的比重比所测液体的比重稍小的特点，使浮子漂在液面上并随液面的升高或下降来反映液位，它也是一种应用最早并且应用范围很广的液位测量仪表;将浮子用一条多孔钢带连接至一个恒转矩装置或平衡锤上，由浮子的重量带动多于L钢带通过齿轮装置推动机械计数器作现场显示，还可连接电动变送器，获得远距离显示。由于滑轮机械装置的摩擦力和铆带重量，测量误差一般约为士(4一10)mm。3、静压液位计：如图1.3所示。其中，1-过滤器;2-减压阀;3-节流元件;4-转子流量计;5-变送器。图 1.3 静压式液位测量方法利用液柱对某定点产生压力，测量该定点压力或测量该点与另一参考点的压差而间接测量液位的仪表，液体压力的大小取决于液位高度;这种方法主要应用于测量精度要求不高的场合。4、电磁液位计：如图1.4所示。其中，1-内电极；2-外电极；3-绝缘套管。这种测量方式是将液位的变化转换为电量的变化，从而对液位进行间接测量，如电容式、电感式和电阻式液位计等。图1-4a非导电液体电容式测量原理图1-4b导电液体电容式测量原理电磁液位计中电容由两块同心的圆柱面极板组成，电容式液位测量是根据电容量与被测液体和气相介质的相对介电常数、电容传感器浸入液体的深度、电容传感器垂直高度、内外极板圆柱底面半径之间的关系，由已知的其他数值得出所测液位高度值。电容式液位计价格低，安装容易，且可以应用于高温、高压的场合。但电容液位计测量重复精度较低，需定期维修和重新标定，工作寿命也不长。电阻式液位测量方法特别适用于导电液体。敏感器件具有电阻特性，其电阻值随液位的变化而变化，因此将电阻变化值传送给二次电路即得到液位高度值。电感式液位测量方法同样适用于导电液体的液位测量，特别是液态金属。其原理是:液位变化使得电感元件的自感、互感或导磁率发生变化，故将该变化量送往二次相应的液位数值。电感式测量应用最广泛的是高频液位计。该液位计的测量原理是，频率调制信号通过射频电缆祸合到传输线传感器谐振回路，谐振回路的输出电压经过检波电路和射频电缆传送给低通滤波器，然后根据低通滤波器的输出电压控制调谐电路，产生新的振荡频率，直到传感器谐振电路处于完全谐振状态为止，则此时的振荡频率即与传感器的电感量相对应，从而与液位相对应。以上3种方法都是利用液位传感器的电参数产生变化的方法来测量液位的。这种测量方法原理简单、易于操作、成本低廉，但精度较低、可靠性差，已不能满足现代工业测量中对测量精度和仪器可靠性的要求。随着科学技术的发展，基于新技术的液位计发展越来越快。5、超声波液位计：超声波液位仪是非接触测量中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。可实现非接触测量、测量范围宽、并且测量不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，因此它的适用范围非常广泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蚀性及有毒液体等的液位测量中。我国从九十年代初开始，将超声测距技术应用到河流、湖泊、水、渠等水体的水位测量中，以及油、浆等液体的液位测量中。超声液位测量技术在越来越多的领域发挥其重要作用。6、雷达液位仪：连续式微波液位仪通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，微波发射和接收器安装在罐顶，向液面发射频率调制的微波信号。当接收到回波信号时，由于来回传播的时间延迟，发射频率己改变了。将两者信号混合处理，所得信号的频差与罐顶到液面之间的距离成正比。7、光纤液位仪：其测量原理与超声波液位计类同，只是用光波代替超声波。即光源发射激光，经被测液面反射，接收反射光后，将从发射至接收的时间换算成液位。激光的光束是很窄的，在液位计中通过光学系统转换成约20mm宽的光束，这样可使反射光易于被传感器接收。8、Y射线液位计：该技术基于Y射线对不同物质产生不同衰减的理论，将放射源钻-60或艳-137置于一个防护容器内，放在被测容器的一侧，在其对面，装有一个检测器，当Y射线穿透容器时，会发生衰减，衰减率取决于被测液体的密度、吸收系数和厚度。液位越高，衰减越大，接收器将Y射线量变为光脉冲信号，再由光电倍增管转换为电脉冲信号。液位与Y射线衰减量是非线性关系，必须进行标定。9、小型液位开关：在液位计智能化的同时，出现了一些基于新检测原理，由新型电子部件构成的小型现场液位开关。较典型的是利用超声波穿透空气及液体时衰减率的显著差别来检测液面的超声液位开关;利用空气和液体对振动体的阻尼差别来检测液位的振动式液位开关;以及利用空气和液体电导率的不同来检测液位的电导式液位开关。传统液位计逐渐被这些新型液位计所取代。新型液位计无论是在精度、稳定性，还是在智能测量方面都比传统液位计有着明显的优势，是今后液位计的发展方向。其中，超声波液位计以其低成本、高精度、非接触测量、稳定性好等优势受到广泛青睐，发展出了适应于不同场合的超声波液位计，广泛应用于石油化工、航天航空、水利、气象、环保、医药卫生、食品饮料等多个领域。本课题中正是以超声波液位计为研究对象。1.2.2按照接触方式分类如果按照接触方式来划分可以分为，第一种是接触测量方式的液位仪；第二种是非接触测量方式的液位仪；第三种是新原理的小型液位开关。1、接触型液位仪表接触型液位仪表，主要有：人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计。它们的共同特点是测量的感应元件与被测液体接触。(1)人工检尺法：利用浸入式刻度钢尺测量液位，取样测量油温和密度，通过计算得到液体的体积和重量，这是迄今为止依然在全世界广泛使用的液位测量方法，也可以把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。该方法分为实高测量和空高测量两种。人工检尺法测量的精度一般为2mm，通常至少测量两次，两次结果相差不得超过1mm。人工检尺法具有测量简单、直观、成本低等优点，但需要测试人员手动测量，不适合恶劣环境下的操作。另外，需要较长的测量时间，难以实现在线实时测量，即实时性较差且需手厂处理数据，不利于数据的计算机管理。(2)浮子测量装置：浮子式测量装置采用大而重的浮子作为液位测量元件，驱动编码盘或编码带等显示装置，或连接电子变送器以便远距离传输测量信号。由于机械装置的使用，这类装置的测量误差一般约为1mm，误差较大。浮子式液位装置具有结构简单、价格便宜等优点，但是浮子会随着液面的波动而波动，从而造成读数误差。该装置传动部件较多，容易造成系统的机械磨损，因而增加了系统维护的开销。浮子测量装置的适用范围为非腐蚀液体的测量。(3)伺服式液位计：伺服式液位计与浮子式液位测量装置相比，提高了测量精度和可靠性。它采用波动积分电路，消除了抖动，延长了使用寿命。现代伺服液位计的测量精度已达到40m范围内小于1mm。但是，由于伺服式液位计仍属于机械测量装置，存在机械磨损，影响了测量的精度，因此需要定期维修和重新定标且安装困难。(4)电容式液位计：电容式液位计的核心是电容液位传感器。该传感器一般由标准电容、测量电容和比较电容等组成。其中，比较电容用来测量液体的介电常数，测量电容用来检测液位的变化，由液体的介电常数和测量电容的容量计算出液位。电容式液位计的价格较低、安装容易且可以应用于高温、高压的测量场合。(5)磁致伸缩液位计：磁致伸缩液位计采用磁致伸缩技术来测量大罐的油水界面和油气界面。通常情况下，磁致伸缩液位计安装有两个浮子，其中一个浮子的密度小于油品的密度，另一个浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它们分别用来检测油气界面和油水界面。磁致伸缩液位计安装容易，不需要定期维修和重新定标，工作寿命较长。其测量精度较高，测量的重复精度也较高，是比较理想的接触型液位计。但是磁致伸缩液位计与被测液体接触，仪器容易受到腐蚀，且液体的密度变化会带来测量误差。此外，浮子装置沿着波导管的护导管上移动，容易被卡死，从而影响液位的正确测量。2、非接触型液位仪表非接触型测量仪表主要包括超声波液位计、雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等。这类液位测量仪表的共同特点是测量的敏感元件与被测液体不接触，因此不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而适用范围较为广泛，可用于接触式测量仪表不能满足的特殊场合如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。(1)超声波液位计：超声波液位计是非接触式液位计中发展最快的一种。超声波在同一种介质中传播速度相对恒定，遇到被测物体表面时会产生反射，基于此原理研制出了超声波液位计。目前，智能化的超声波液位计能够对接收信号做精确的处理和分析:可以将各种干扰信号过滤出来:识别多重回波;分析信号强度和环境温度等有关信息。这样即便在有外界干扰的情况下，也能够进行精确的测量。超声波液位计不仅能定点和连续测量，而且能方便地提供遥测和遥控所需的信号。同时，超声波液位计不存在可动部件，所以在安装和维护上相应比较方便。超声测位技术可适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性且价格较为便宜。新型气密结构、耐腐蚀的超声波传感器可测量高达几十米的液位。(2)雷达液位计：雷达液位计发明于60年代，通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，将微波发射器和接收器安装在罐顶，向液面发射频率调制的微波信号。当接收到回波信号时，由于来回传播时间的延迟，发射频率发生了改变。将两种信号混合处理，所得信号频正比于罐顶到液面之间的距离。雷达液位计特别适用于高粘度或高污染的产品，如沥青等。雷达液位计的测量精度较高，而且无需定期维修和重新定标，但是安装比较复杂且价格不菲。(3)射线液位计：核辐射放出的射线(如丫射线等)具有较强的穿透能力，且穿过不同厚度的介质有不同的衰减特性，核辐射式液位计正是利用这一原理来测量液位的。核辐射式液位计的核辐射源用点式或狭长型结构安装在油罐的外面，狭长型核辐射源检测元件也安装在油罐外面，可实现对液位动态变化的检测。除利用核辐射射线来测量之外，还可采用中子射线来测量液位。射线液位计安装非常方便，测量精度较高。因为它没有任何部件与被测物体直接接触，特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问题。(4)激光液位计：其测量原理类似于超声波液位计，只是采用光波代替了超声波。发射传感器发射出激光，照射到被测液面，在液面处发生反射，接收传感器接收反射光，将从发射至接收的时间换算成液位。激光的光束很窄，在液位计中通过光学系统转换成约20mm宽的光束，这样即使被测物面很粗糙，漫反射光也能被传感器接收。激光液位计非常适用于开口很狭窄的容器以及高温、高粘度的测量对象。而缺点是对液面的波动很敏感，大罐内的油苏汽，水气等微粒对测量不利，且光学镜头必须定期保持清洁。1.3超声波液位计的优缺点与可行性目前国内液位计的生产采用引进加仿制的手段。近年来，国内多家公司和科研机构陆续推出自行研制的液位测量仪表，其精度日益提高。进口的液位计功能齐全，精度较高，但是价格比较昂贵且维修不是很方便。对于小型用户来说，不是理想之选。而国内自行研制生产的液位计价格相对便宜，但精度不高，功能相对单一。超声波在空气中的传播速度大约为334m/s(常温下)，在同一介质中其传播速度相对恒定，与激光的速度(3*108m/s)相比，超声波的传播速度要慢得多，因此对超声波信号的处理也容易得多。用超声波做为检测物体的媒介，有非破坏性、遥控性、实时性、可穿透性等特点，在许多方面体现了其他方法所没有的独到之处，加之其成本较低，所以超声波是比较理想的信号源。超声波液位测量方法，与其他的液位测量方法相比，比如电磁或者光学的方法，它不受光线、被测对象的颜色等影响。对于被测物体处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境有一定的适应性。同时超声波传感器具有结构简单、价格便宜、体积小、信号处理可靠等特点。综合而言，超声波液位计具有非接触、精度较高、实时测量、可靠性强等优点，较为适合国内市场7。与其它种类的液位计相比，超声波液位计具有以下优点:1、非接触式测量，超声波换能器安装在液面上方，不与被测介质接触，可方便的测量腐蚀性、粘稠或有毒液体，避免被被测液体腐蚀或污损，免于维护。2、通用性好，液位计即可测量开渠液位，也可测量大型储罐等的液体液位。安装拆卸方便。3、适应性强，使用范围广，不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，对被测液体的物理化学性质的适应性极强。适用于有毒、有腐蚀、高粘度的液体液位测量，弥补了其他液位计在此类恶劣测量环境中的不足。几乎没有机械可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。换能器内的压电元件以声频振动，振幅小，寿命长。4、稳定性好，但是超声波液位计也有其自身的局限性，主要表现在被测液体易挥发时，液面上方的空气密度不均匀，会导致测量误差较大:当被测液体液位有较大波浪时，易引起声波反射混乱，产生误差;另外，超声波液位计测量液位时有无法避免的盲区，因此小距离测量比较困难1.4课题的主要任务在实现工业现代化、自动化的过程中，许多行业迫切地需要解决液位测量和控制的问题。液位测量和控制的好坏，直接影响到生产的安全、产品的产量和质量，以及能源消耗和成本，同时也影响到其它工艺参数的稳定和控制。但在很多行业的工艺过程中却是很难解决的问题。尤其在涉及高温、高压以及强放射性辅照的场合，以及要求远距离传送等的情况下，要准确、可靠地测量液位，更是一项困难的任务。超声波液位探测系统的具有方向性好、穿透本领大，且在波阻抗比相差很大的界面反射时，反射能量很强等特性，而且用超声波测量液位具有下述优点：检测元件可测范围广、换能器无可动部件、寿命长。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波液位计，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作很不方便。本课题目的是培养综合运用所学的基础理论、专业知识和基本技能，提高分析与解决实际问题的能力，完成基本工程训练和初步培养从事科学研究能力的重要环节；1、主要内容：（1）超声波测量液位的物理基础（2）超声波液位探测硬件系统方案设计； 发射电路设计； 接收电路设计； 显示电路设计；（3）超声波液位探测软件系统方案设计；2、技术路线：（1）超声波液位探测硬件系统方案的设计（2）设计主电路、各种辅助电路和相关的接口电路元件。（3）通过计算，选择控制系统主要元器（4）超声波液位探测软件系统方案的设计。根据其功能要求进行程序的编写。2 超声波液位检测仪的测量原理2.1 超声波的介绍简单来说，超声波就是超过人耳能听到的物体振动的声音的频率范围的声波就叫超声波。一般来说是指声音超过了20000Hz以上的声波称之为超声波。与光波不同，声波是一种弹性机械波，即机械振动在弹性媒质中的传播。超声波有以下几个特点8：1.频率高波长短定向好；2.振幅小加速度大能量集中功率高强度大；3.在不同介质界面上大部分能量反射，因而，超声波特别适合于距离测量。2.1.1超声波基本性质和其他声波一样，超声波可以在气体、液体及固体中传播，并有各自的传播速度。例如，在常温下空气中的声速约为334m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000nl/s。其在空气中的传播速度主要与空气的压力和温度有关正常条件下由于大气压力变化很小因此其传播速度主要考虑温度的影响在空气中传播速度为 C=331.5+1.67t(m/s) （2.1）其中C为超声波声速，t为传播介质的温度。在温度已知时超声波速度就能通过公式计算出来，在这个时候只要记录从发射到接收超声波的时间即可求出被测距离。超声波的另一个特性是超声波频率越高，超声波与光波的某些特性（如反射、折射定律）就越相似。= C/f （2.2）其中为超声波波长、f为超声波频率与、C为超声波速度。2.1.2超声波的衰减在传播的过程中，衰减系数与声波介质以及频率的关系为衰减系数与声波所在介质及频率的关系为: （2.3）其中，为衰减系数，b为介质常数，f为振动频率9。在空气中， 声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小。因此，对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。另外，声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此，超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。因此考虑到实际工程的需要，在设计超声波液位计时，选用频率等于40kHz的超声波，波长为0.85cm。2.1.3超声波的特性1、超声波的束射特性由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，也就是要改变它的传插方向，两种物质的密度差别愈大，则折射也愈大。2、超声波的吸收特性声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因为物质要吸收掉它的能量。对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收最历害，在液体中传播时吸收比较弱，在固体中传播时吸收最小。3、超声波的能量传递特性超声波所以往各个工业部门中有广泛的应用，主要还在于比声波具有强大得多的功率。当声波到达某一物资中时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量、超声波的频率比声波可以高很多，所以它可以使物资分子获得很大的能量；换句话说，超声波本身可以供给物质足够大的功率。4、超声波的声压特性当声波通入某物体时,由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用10。2.1.4液体介质中的声速与温度的关系几乎除水以外的所有液体，当温度升高时，容变弹性模量减小，声速降低。惟有水例外，温度在74 左右时声速达最大值，当温度低于74时，声速随温度高而增加，当温度高于74时，声速随温度升高而降低。水中声速与温度的关系公式如下，不同温度下水中的声速如表2.1所示。 c =1557-0.0245(74-t)2 （2.4）其中，c为超声波在水中的传播速度、t为水的温度。表2.1 不同温度下的水中声速温度（摄氏度）102025304050607080声速（米/秒）144814831497151015301544155215551554超声波的折射率当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质密度不同及声波在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射，其反射系数R为 （2.5）其中，、分别是反射和入射声波的声强；、分别是声波的入射角和反射角；、分别是两种介质的声阻抗；其中、；、分别是两种介质的密度，、分别是在两种介质里的速度。声波垂直入射时，=0，=0;则反射系数R为 （2.6）由上式可以看出，与相差越小，R值也越小，说明反射越弱，当=时，R=0，说明这时没有反射，声波全部透射。当反射介质声阻抗远远大于入射介质声阻抗时，即所谓的硬边界。这时，入射波的介质速度在碰到分界面时好像弹性碰撞一样，变成一个反向速度，反射波质点速度与入射波质点速度相位改变，反射声压与入射声压同相位。比如，当声波从水传播到空气，在常温下，它们的声阻抗约为、，代入公式可得，R=0.999。这说明声波从液体传播到气体或相反的情况下，由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射11。表2.2给出了几种常见介质的反射系数。表2.2几种常见介质的反射系数第一介质第二介质声阻抗铝钢铜水银玻璃水空气铝1.7000.210.140.010.020.721钢4.5600.010.160.310.881铜3.9200.130.230.861水银1.9300.040.751玻璃1.8000.651水0.1301空气0.00004102.2超声波探头超声波探头，也就是超声波换能器，是超声波测距系统中的重要组成部分。通常所说的超声波换能器一般是指电声换能器，它是一种能完成电能与声能的相互转换的装置。换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。超声波传感器产生振荡的方法很多，主要有以下几种：1.由外部电路产生振荡，如 NE555 低频振荡器调制 40KHz 的高频信号，高频信号通过超声波传感器以声能形式辐射出去；2.采用单片机内部的定时器或直接使用程序产生固定的脉冲，通过放大处理后经电感线圈驱动发送超声波传感器振荡；3.使用工业用小功率超声波收发控制集成电路 LM1812 驱动发送超声波传感器振荡。2.2.1压电效应超声波探头使用最多的是由压电晶片或压电陶瓷制成的换能器。超声波的接收和反射是基于压电晶片的压电效应和逆压电效应。其工作原理是当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此即逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，此为正压电效应。前者是超声波的发射，后者为超声波的接收。压电晶片的振动频率即探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度，为得到较高的频率，要使晶片在共振状态下工作，此时晶片厚度为1/2波长。通常我们一般使用PVDF压电薄膜材料，此材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面积上有很大的选择余地，易于加工且频率范围宽，常用来制成的超声换能器。常见的压电晶片的材料参数见表2.3。表2.3几种常用压电晶片材料的主要参数材料居里点介电常数声阻抗特性压电应变常数压电电压常数石英5704.515.22.050钛酸钡系11517003016013锆钛酸铅190-300150028320-24.4偏铌酸铅40030020.58532锆钛铅1201000270125-19014-21其中，压电材料的居里点是指压电材料完全丧失压电效应的温度、介电常数反映了材料的介电性质，在制造探头考虑阻抗匹配时起作用、压电应变常数是指当压电体处于应力恒定的状态时，由于电场强度变化所产生的应变变化与电场强度变化之比，它关系着晶片发射性能的好坏、压电电压常数是指压电体在电位移恒定时，由于应力变化所产生的电场强度变化与应力变化之比，它关系着晶片接收性能的好坏。压电片的振动方式有很多种，如薄片的厚度振动，纵片的长度振动，横片的长度振动，圆片的径向振动，圆管的厚度、长度、径向和扭转振动，弯曲振动等。其中，以薄片厚度振动用的最多。由于压电晶片本身较脆，并因各种绝缘、密封、防腐蚀、阻抗匹配以及防护不良环境要求，压电元件往往装在壳体内构成探头。2.2.2探头的结构和工作原理超声波传感器，它是借助压电品体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。超声波传感器内部结构里有两块压电晶片和一块共振板。给压电片的两电极加脉冲信号，即触发脉冲，当其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。在超声波传感器工作时为提高探头发射超声波的效率，常使晶片在共振状态下使用，这会使振动不易停止，难以形成窄脉冲；因此常在晶片背面装上一个吸收块以增大晶片的振动阻尼，并吸收晶片背面发出的超声波12。探头一般由压电晶片、锲块、阻尼块、接头等组成，如图2.1探头结构简图。图2.1 探头结构简图在系统中，采用一个超声波探头作为发射和接收的器件。当探头发射超声波时，探头中压电晶片受-300V高频电脉冲激励后，产生振动，发生逆压电效应，将电能转换成声能，探头发射超声波，当探头接收超声波时，超声波作用于晶片，晶片受迫振动引起形变发生正压电效应，将声能转换成电能，不难看出这种探头在工作时能够实现电能和声能的相互转换。2.2.3超声换能器的主要参数超声换能器的主要参数有以下几个：1、 中心频率：是指超声波发射换能器的谐振频率。2、 灵敏度：接收换能器灵敏度为施加0.1Pa声压时，所产生的电压相对于1V/0.1Pa的分贝数;发射换能器灵敏度为施加1V电压所产生的声压相对于0.1Pa/1V的分贝数。3、 带宽：中心频率处灵敏度最高。当离开中心频率，灵敏度下降，当下降到一定值(dB数)时，两频率之间隔为带宽。4、 发射角：发射超声波具有一定的指向性。5、 电容：压电陶瓷片两极间的等效电容。6、 电阻：压电陶瓷片两极间的电阻值。另外，还有一些极限参数，如允许输入电压、温度范围、耐湿性等13。2.3超声波测距的理论分析超声波液位测量法是70年代发展起来的一种新型液位测量方法，该方法利用了超声波在相同的介质中传播速度不变的原理。超声波是机械波的一种，其最明显的一个特征是方向性好，能够定向传播，当碰到障碍物时能够反射回来。超声波测量方法有很多，如脉冲回波法、共振法、频差法以及声衰减法等，其中应用最广泛的是超声波脉冲回波法。超声波的测距原理是通过发射声波传感器由脉冲信号激励发出超声波，通过传声媒介传到被测液面，形成反射波，反射波再通过传声介质返回到接收传感器，传感器把声信号转换成电信号，由仪表计算出超声波从发射到接收所传播的时间，再根据超声波在介质中传播的速度计算出来回的直线路径的长度，从而得到所测距离的长度。如图2.2超声波夜位检测仪示意图所示。图2.2 超声波夜位检测仪示意图该系统中是通过超声波脉冲传播的时间来确定液位，所以必须己知超声波在传声媒质中声速。然而，对于气体介质式和液体介质式超声波液位计，声速会随媒质的组成、温度、压强的变化而变化。因此，只有当测试条件比较理想，媒质的成分、温度、压强等没有很大变化，才可把传声媒质的声速近似看成不变，直接由测量的声波传播时间来确定液位，否则就应该对传声媒质的声速进行校正14。在这个系统中，运用的是超声波往返时间检测法进行距离的测量的。即，检测从超声波发射器发出超声波的时候算起，通过介质的传播在反射回来的到接收器的时间，叫往返时间。用往返时间与介质中超声波的速度相乘，就可以得到超声波运动的距离，然而实际的距离为所得到距离的一半，如果测量高度为h、超声波在介质里的传播速度为v，传播时间为t，可以得到： （2.7）这个公式使用于自发自收单感应器方式。探头采用垂直的方式发射超声波，然后再让超声波原路返回到探头。如果采用一发一收双感应器方式，那么探头就不在采用垂直于介质面发射的方式，因此用上面的公式计算的出来就不在是真实高度，而是超声波经过的路程。这就需要加入角，角为竖直方向与超声波方向的夹角。如图2.3 角示意图，图2.3角示意图因此，系统要把测得超声波经过的距离换算成真实的高度。如果超声波经过的距离为L，要测量的真实高度为h，那么超声波经过的距离与真实高度之间有这样的关系： （2.8）这时h为要测量的真实高度。在公式中，为超声波的入射角。如果实际情况无法测得角时，还可以通过测得两个探头之间的距离m来得到需要测量的高度，即 （2.9）来计算。一般说来，单探头的自发自收工作方式是优先考虑采用的。这是因为单探头方式中液位计算公式比较简单，同时检测系统也简单，安装、维修比较方便。但是，单发单收的探头检测死区较大。为避免这一点，有时还需要采用双探头的设计。3 超声波液位探测系统的硬件设计3.1 系统总体设计思想超声波液位探测系统是根据“回波测距”的原理设计的。由超声波的发射器发射超声波，当超声波遇到障碍物时反射回来，再由超声波接收系统接收。测出从超声波发射该脉冲束至接收到回波信号的传输时间，即渡越时间，由于超声波在同一种介质中的传输速度是不变的（设所处的介质的密度和温度等相关因素不变的情况下）。那么由渡越时间和声速，就可算出要测的距离15。根据本次毕业设计的设计要求，不光需要检测部分，还需要加入运算部分。要实现对所测液位的自动探测，和对探测数据的具体显示功能。主要的设计部分的总体框架图如图3.1所示，图3.1 超声波液位探测系统总体框架图超声波仪液位探测系统是由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括AT89C51单片机系统，超声波发射电路、超声波接收电路、液位显示电路等主要部分；软件部分主要包括显示程序、中断程序、主程序等。3.2单片机的选择微处理器的选择需要考虑很多因素，比如功能、价格、安全性能、个人喜好、硬件设计的简单性和软件支持等。对于本设计而言，有多种微处理器芯片可供选择，如51单片机、PIC单片机、MSP430单片机等。相对于51单片机来讲，PIC单片机具有抗干扰性能好、双向驱动电流大、功耗低等优点。然而51单片机的突出特点是价格低，编程资源丰富。MSP430单片机比PIC单片机具有更多的优越性，但是价格要比PIC单片机和51单片机都要高。本系统选用的单片机为AT89c51。它是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含有4K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大，AT89C51单片机可以提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。这正是本设计选用AT89c51的原因所在。AT89C51的引脚图如图3.2所示。图3.2 AT89C51引脚图3.2.1 AT89C51功能说明1、 主要性能参数(1) 与MCS-51产品指令系统完全兼容(2) 4k字节可重擦写Flash闪速存储器(3) 1000次擦写周期(4) 全静态操作:OHz-24MHz(5) 三级加密程序存储器(6) 128X8字节内部RAM(7) 32个可编程I/0口线(8) 2个16位定时/计数器(9) 6个中断源(10) 可编程串行UART通道(11) 低功耗空闲和掉电模式2、引脚功能说明Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/0口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端使用。在访问