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电厂废水池,电厂,水池
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编号： 毕业设计任务书题 目：电厂污水池监控装置设计 学院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 吴仙远 学 号： 1200120331 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 王 斌 职 称： 讲 师 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 2015年12月28日1、 毕业设计（论文）的内容污水池是火电厂废水处理的关键设施，其性能的好坏直接影响到废水处理系统的可靠运行与外排水指标，其控制系统的自动化监控能达到减员增效和提高管理水平的目的。发电厂污水池腐蚀性强，在对其水位进行监控的时候，为了保证系统的可靠性，需要采用非接触式水位检测方法。超声波测距与被测量物体不需要直接接触等，是作为水位测量的理想手段。本设计要求采用超声波液位测量技术对污水池液位进行非接触连续测量，具有水位监控，水位上限报警，自动调节等必要功能。本课题的主要研究内容包括以下几点：1、学会并能娴熟利用图书馆、互联网获取所需技术资料。阅读并翻译一定数量的中外文献。做到阅读能理解，翻译通顺准确。2、认真了解发电厂废水池电气控制系统的构成、工作原理及特点，掌握自动控制原理、单片机原理与控制技术和电力电子技术，设计一个基于单片机的发电厂废水池监控系统，包括单片机主控核心模块，水位数据采集模块，设定和显示模块，水泵控制输出模块。设计中考虑单片机系统的可靠性，抗干扰能力，维修方便，能耗低，性价比高等特点。3、制作基本的演示样机，编写控制软件，并进行基本调试或通过仿真验证。撰写论文，论文中包括详细的原理图、程序框图和电路图。二、毕业设计（论文）的要求与数据1.收集相关文献，调研常见水位监控的方法，对各种控制方案进行比较、优选；根据发电厂污水池特点和要求，设计一个基于单片机的发电厂污水池监控系统，实现发电厂污水池水位的监控功能，具有显示设定报警等功能，控制器应简单，操作性好，可靠性高，安全。2、通过相关的调查研究，选择合适的控制方案和具体元件。3、制作相关硬件，编写软件并调试，翻译相关外文文献，撰写设计论文，论文要求完成工作原理及组成有详细的说明，要有工作原理框图及说明，电原理图，PCB图，调试和检测的说明，元件清单等。4.电源电压：220VAC、50Hz, 污水水池深度3米，要求水位测量精度10厘米；可实时显示水位值，通过继电器控制水泵排水，可设置水位上下限；具有超限报警动能。三、毕业设计（论文）应完成的工作1、完成二万字左右的毕业设计说明书（论文），说明书（论文）中对设计方案进行充分说明和论述，包括方案设计和比较、控制系统原理框图、程序框图、电路图和PCB图，电路中一些主要参数的分析和计算，元件的选择说明；在毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要；附15篇以上参考文献，其中英文文献不少于2篇 。毕业设计说明书（论文）书写格式必须符合桂林电子科技大学毕业设计论文格式规范。2、独立完成与专业相关，不少于四万字符的英文资料翻译（附英文原文）；3、完成基本硬件演示样机的制作，软件编写，调试和检测等工作。4、计算机辅助设计软件画出电路原理图、印制板图（图纸尺寸A4）。四、应收集的资料及主要参考文献1 郭清,王兴泽. 超声波水位测量系统. 东北水利水电J, 1999, (02) .2 马莹,郑文斌. 基于单片机的超声波液位检测系统设计. 海峡科学J, 2007, (10) .3 陆坤. 电子设计技术M. 成都：电子科技大学出版社，1997.34 黄波. 基于单片机的超声波测距硬件设计. 科技创新导报J, 2008, (31) .5 李华. MCS-51系列单片机实用接口技术M. 北京：北京航天航空大学出版社 1993.106 胡伟,季晓衡. 单片机C程序设计及应用实例M. 北京：人民邮电出版社，2003.107 贺瑞强,王民. 基于AT89S51单片机的超声波测距系统的设计与研究. 榆林学院学报J, 2009, (02) .8 余义德，呼志刚. 电缆井水位监测系统的设计 . 微计算机信息J, 2010, (11) .9 韩平. 超声波液位计在液位测量中的应用. 中国仪器仪表J, 2011, (03)10 A.k.T.Lee, J.Lucas,and L.E.Virr. Microcomputer-controlled acoustic rangefinding technique. Journal of Phasics E:Scientific Instrnments,22:52-58,1989. 五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件 计算机，直流电源， 单片机仿真器，示波器任务下达时间：2015年12月28日毕业设计开始与完成时间：2015年12月28日至 2016年05 月22日组织实施单位： 电气工程及其自动化系教研室主任意见：签字： 2015年12月30日院领导小组意见：签字： 2015年12月31日编号： 毕业设计(论文)开题报告 题 目： 电厂污水池监控装置设计院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 吴 仙 远 学 号： 1100120331 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 王 斌 职 称： 讲 师 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2016年2月27日1本课题的研究内容、重点及难点研究内容污水池是火电厂废水处理的关键设施，其性能的好坏直接影响到废水处理系统的可靠运行与外排水指标，其控制系统的自动化监控能达到减员增效和提高管理水平的目的。由于火电厂废水池废水具有严重的腐蚀性，因而采用超声波测控技术就具有了极大的必要性，它不需要直接接触水位就可实现监控。超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。本课题的研究内容是用超声波液位测量技术对污水池液位进行非接触连续测量，具有水位监控，水位上限报警，自动调节等必要功能，并使用 LED 进行输出显示。本课题的研究内容主要有以下几个方面：（1） 研究超声波的传播理论；（2） 研究超声波水位测量监控的基本原理；（3） 研究如何利用单片机系统发生、采集超声波信号，如何处理数以及实现报警系统和自动控制系统。 （4） 研究超声波水位测量的误差及其消除； （5） 研究超声波水位测量系统的硬件以及反馈系统和报警系统的硬件；研究重点及难点重点：（1） 超声波水位测量基本系统的硬件设计，使基本硬件电路能满足测距量程要求和基本精度要求以及报警要求； （2） 选择合适的超声波发生接收传感器,温度传感器,并设计相应合理的控制电路，确保检测系统的精确性 （3）正确设计测距的程序,精确地满足测量要求,并且设计出操作简单、界面直观简难点：（1）；如何设计超声波发射和接收的放大电路，使之能够符合单片机采集数据要求的同时能够满足测量量程要求；（2）如何合理单片机程序，使之能精确测量超声波发射接收间隔时间，使测距系统数据更加精确以及如何完成自动调节；（3）如何消除测距系统温度对超声波声速的影响，使测量精度更加精确。2准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等）研究概况及发展趋势（1）超声波水位测量研究概况1-2由于超声波方向性好、超声测量无接触，超声波测距系统价格低廉、易实现、信息处理简单可靠，所以利用超声波进行距离和长度的测量越来越受到人们的重视。超声波技术的发展经历了从理论技术的研究到大范围的工业应用。在这期间，雷达技术、激光技术、电子技术等技术的发展对超声波技术不断更新和发展起到了很大的促进作用。（2）国内的废水池监控系统发展趋势传统：传统的液位控制绝大多数是人工控制，造成了人力资源的浪费，同时安全性、可靠性都不高。针对这种现象，传统的液位控制系统不能很好的解决，这就大大降低了工业生产效率，严重制约着工业的现代化进程。而超声波液位测量系统能很好的解决这一问题，有助于工业的现代化进程现状：在工业生产中超声波液位测量占据着极为重要的地位，具有广阔的应用领域液位测量数据是实际生产和过程控制的重要参数储液罐储存液体的总量就是利用液位测量进行管理和控制的。而超声波液位测量仪具有精度高、显示方式多、集成度高、稳定性好 、设定简单、能方便的组成网络等特点，使得他在工业生产中将发挥更大的作用。发展趋势：超声波液位测量技术在石油、化工等工业领域中得到广泛应用，阐述了该技术涉及的传感器结构、安装方式、远程控制及信号处理软件等方面的进展，随着网络通信技术的应用，预计该技术将向数字网络是的灌区液位定位系统发展。主要参考文献1 张卓敏 .基于CPLD的超声波水位测量系统的研究D. 武汉理工大学，20102 牛斗:工业废水处理工程计算机监控系统 J, 东 北 电 力 学 院 学 报2012,21(4)1821 3魏保泉，兴得等：检测和消除A/D,D/A通道数据误差的办法IO.16157/j.issn.025-7988 1992，2（4）8104邢雪宁，罗永刚，李田泽等：于单片机和的远程矿井水位监控系统设计，工矿5刘翔基于单片机的自动温度测量报警系统设计，DOI:10.14022/ki.dzsjgc2011,11，6周煜申：电厂废水处理控制系统的设计与研究D南京：南京大学，,0057毛建东：电厂水处理监控系统及其智能控制策略的研究D西安：西安建筑科技大学20048周锐：红兴隆污水处理监控系统设计D哈尔滨：哈尔滨工业大学9吴便国：基于单片机的监控系统控制部分的设计D安徽：安徽大学，2012，201310于滨红：固态继电器在89c51单片机控制系统中的应用，电测与仪表，1999,36（401），5053 11于柏：一种新型自动水位测量监控系统的设计研究D天津：天津大学2008现有设备和实验条件个人计算机、51单片机开发板、示波器、直流稳压电源、数字万用表，开放实验室3实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料实施方案本课题有三个主要问题要解决。即系统整体设计、系统误差规避、系统程序和系统实物设计制作。其中，系统整体设计可以通过查阅相关资料和借鉴工业成品来解决；系统误差规避主要通过所学知识和查阅相关资料吸取总结已有经验，提高制作工艺规避系统误差和偶然误差来实现；软件程序的设计和实物的制作与调试可以根据所学知识进行，对于该过程中所遇到的问题可以通过查阅相关资料，和同学讨论，询问指导老师，到实验室进行试验等手段解决。具体如下：（1） 系硬件计：本系统包括以下几部分：以单片机为核心，周围电路包括显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路、扫描驱动以及报警电路。STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。系统组成如图所示：超声波接收STC89C52发射超声波显示器报警系统自动调节（2）软件设计主程序软件流程图如图3所示，主要完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化以后，实现水位显示，报警系统，自动调节等功能。主程序软件流程图如图3所示：系统初始化水位显示开始计算水位判断报警自动调节发射超声波接收超声波进度实施计划：第一阶段（3月1日至3月6日）：方案设计，查找资料，画出原理框架图，提交硬件原理草图一份。第二阶段（3月 7 日至3月13日）：方案论证。第三阶段（3月14日至4月1日）：硬件设计布局，器件选型，进行调试。提交PCB图源文件一份。第四阶段（4月 2 日至5月15日）：软件编程并与硬件进行联调，最后提交该电路板。预期提交的毕业设计资料1、撰写两万字以上的毕业设计说明书（兼附15篇以上的参考文献）；在毕业设计说明书中应包括300500个单词的英文摘要及关键词；2、完成与课题相关英文资料的翻译（约四万英文字符，附英文全文）；3、完成单片机废水监控以及自动调节方案的控制策略研究和实现方案；4、设计出系统的硬件和完成相应软件程序设计，给出必需的硬件实现原理图；6、根据课题任务与要求，完成可供掩饰的功能样机。指导教师意见 指导教师（签字）：2016年03月01日开题小组意见开题小组组长（签字）： 2016年03月01日院系审核意见主管院长（系、部主任）签字：2016年03月06日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 II 页编号： 毕业设计说明书题 目： 电 厂 废 水 池 监 控 装 置 设 计 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 吴 仙 远 学 号： 1200120331 指导教师： 王 斌 职 称： 讲 师 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2016 年 6 月 3 日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸摘 要污水池是火电厂废水处理的关键设施，其性能的好坏直接影响到废水处理系统的可靠运行与外排水指标，其控制系统的自动化监控能达到减员增效和提高管理水平的目的。发电厂污水池腐蚀性强，在对其水位进行监控的时候，为了保证系统的可靠性，需要采用非接触式水位检测方法。由于超声波测距与被测量物体不需要直接接触，且比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。因而是作为水位测量的理想手段。本题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及单片机AT89S52的特点和功能。在理解超声波测距的基础上，设计出以单片机AT89S52为控制中心数字显示的超声波测水位硬件电路和软件设计方法。该电路设计合理，测速便捷快速且便于控制同时也容易达到水位精度要求。本课题主要研究内容有以下几点：1. 介绍了超声波测水位的相关技术，分析超声波监控水位的可行性，以及超声波水位监控的重难点，说明超声波水位监控系统的设计方案以及超声波的温度补偿。2. 完成以单片机为核心的系统硬件设计，包括单片机控制模块，温度补偿模块以及温度显示模块和显示电路，超声波发送电路和接受电路以及报警和自动调节电路。3. 编写软件程序，对各模块进行仿真调试并制作出了模版样机。进行了性能测量以及分析等。关键词：超声波测距；单片机；液位测量；温度补偿。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸AbstractSewage tank is a key facility for wastewater treatment in power plant, the performance of which has a direct impact on the reliable operation of wastewater treatment system and external drainage indexThe automatic monitoring control system can achieve downsizing and improve the level of management objective。The non contact type water level detection method is needed to ensure the reliability of the system and to ensure the reliability of the system。Because the ultrasonic distance measurement and the measured object do not need direct contact, and the method is convenient, simple, easy to achieve real-time control, and the measurement accuracy is higher. Therefore, it is an ideal means for the measurement of water level.It introduces the principle and characteristics of ultrasonic sensor, and the features and functions of microcomputer AT89S52.On the basis of understanding the ultrasonic distance measurement, the design of the hardware circuit and software design method of the digital display of the AT89S52 as the control center is designed.The design of the circuit is reasonable, the speed measurement is convenient and fast, and it is easy to control and can reach the requirement of water level accuracy.The main research contents of this paper are as follows:1.The introduction of the ultrasonic level measurement technology and feasibility analysis of ultrasonic water level monitoring, and ultrasonic water level monitoring of point design scheme of the ultrasonic water level monitoring system and ultrasonic temperature compensation.2.Complete single-chip microcomputer as the core of the system hardware design, including single-chip microcomputer control module, temperature compensation module and the temperature display module and display circuit, ultrasonic transmitting circuit and receiving circuit and an alarm and automatic adjusting circuit.3.Described softprogram, the module of the simulation and debug and produced a template. Performance measurement and analysis are carried outKeyWords: Ultrasonic distance measurement; MCU; liquid level measurement; temperature compensation桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录目 录摘 要2Abstract31绪论11.1课题目的，意义和背景11.2电厂液体测量监控系统发展历史以及现状11.3电厂废水检测技术的发展方向21.4 本章小结22超声波监控系统32.1超声波32.2 超声波传感器32.2.1超声波发生器32.2.2压电式超声波发生器原理：32.3超声波监控系统的水位测量原理:42.3.1液体介质式超声波水位监控测量42.3.2气介式超声波水位监控测量42.3.3气介式超声波水位测量监控器的原理52.3.4环境因素对超声波水位监控测量精度的影响62.4供电单位以及自动调节系统82.5总体方案设计82.6本章小结93.设计系统硬件部分93.1单片机系统93.1.1单片机系统简介93.1.2单片机的嵌入式系统简介103.1.3单片机AT89S52103.1.2晶振电路113.2超声波接受电路和发射电路113.2.1超声波接收电路113.2.2超声波接收电路133.3.超声波传感器性能方面的选取143.4温度测量补偿模块163.5显示电路183.6供电单元电路193.7自动调节系统203.8报警系统203.9主控制系统213.10本章小结214.系统软件设计224.1软件模块程序设计224.1.1主程序设计224.1.2超声波水位测量以及报警自动调节224.1.3超声波水位测量主控程序框图234.1.4基于DS18B20的测温程序框图244.2本章小结255硬件调试与硬件测量实验265.1硬件调试265.2硬件水位测量试验：265.3误差分析275.3.1直达波的误差影响275.3.2传播介质的误差影响285.3.3人为因素的误差285.3.4程序指令执行延迟285.5本章小结286.结论29致 谢30参考文献31附录一基于AT89S52单片机超声波测距系统PCB图1附录二基于AT89S52单片机超声波测距系统电原理图2附录三 基于AT89S52单片机超声波测距系统C语言原程序3附录四 元件清单7桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 32 页 共 32 页1绪论1.1课题目的，意义和背景在电厂废水池中常常遇到水位监控设计问题，尤其是在火电厂废水池中，需要对废水池系统进行测量监控以及自动调节，然而由于电厂废水池具有强烈的腐蚀作用，因而传统的电极法测量水位就变得及不合理，电厂废水会强烈腐蚀放入水中的电极，使它电解因而失去灵敏性从而使得液位监控测量数据有很大的误差。因而废水池监控系统对设备的要求就比较高。超声波水位监控测量系统，它是利用超声波测距的一种非接触性的水位监控，能够完成对水位的监控测量而不受腐蚀性废水影响。而且它易于发射和接收，具有良好的方向性，便于控制和调节同时测量精度也容易到达工业要求，因而具有十分强大的市场应用前景。废水监控系统的精确测量是实现电厂正常生产工作和实时控制的重要保证，也是实现安全生产的必不可缺的重要环节。对于火电厂废水池这些具有高温，有毒，具有强烈腐蚀性的液位监控系统而言，传统的液位监控系统就显得很大程度上不够用了。因而，利用超声波实现非接触性监控就变十分的可取和理所当然了。1.2电厂液体测量监控系统发展历史以及现状液体测量监控系统广泛应用于化工，电厂，气象等部门。实现无接触监控智能化测量是目前液位测量的主要的发展趋势。随着电力电子技术，传感器技术以及计算机技术等技术的快速发展，近年来液位测量获得了前所未有的发展，以适应各种各样越来越高的液位监控应用要求。目前而言，我国已有的液位测量监控主要可以分为以下两种：一种是接触性监控测量，它就必须要求测量元件和测量对象直接接触，比如传统的：人工检尺法，伺服式液位计以及电容式测检方法等等。他们的共同点是都必须要拥有可与被测的那个对象接触的元件测量部分。但是同时由于长时间的接触难免会产生磨损和腐蚀或则是电分解，因而在生活中就显得不是十分实用，除此外，接触性的杆式监控系统会占用很大的空间，且不方便检修。因而，我们一般不采用它。另外一种则是像超声波监控系统，雷达监控系统，射线监控系统以及激光监控测量系统等这样的非接触性装置。它们的测量元件不需要和被测对象接触，因而不易收到测量对象的影响同时也不影响被测对象。因而其使用范围广泛，经常被用于接触性监控专职无法满足的场合，如有毒，腐蚀性强，易电解等等之类的被监控对象。目前，我国市场液位监控测量装置仪表功能各异，价格也千差百变。不仅如此与外国产品相对之下比国外的器材显得更加安全，可靠且功能更加齐全，因而价格也更高一些。而国内产品则功能相对不齐精度相对不高，它反映出国内液位测量监控系统的种种不足以及我们应该加大国内市场技术的大力发展。近年来，随着计算机的快速发展，液位监控系统已经由传统的机械原理应用逐步转向机电一体化发展，并且沿着该方向快速发展。在传统监控中也加入机电技术以及微机技术，使其功能有了很大提升，结构发生了翻天覆地的变化。从国际形势而言，目前液位监控系统主要有两个研究热点即：非接触性监控系统和新能源小型监控装置。1.3电厂废水检测技术的发展方向由于电厂废水池的污水具有强烈的腐蚀性能，因而采用非接触性测量就变得极为重要。研究该监控系统无需对其进行直接接触的非接触性超声波监控系统就成为了废水池监控系统的发展发向。超声波水位监控测量技术是非接触性监控系统仪器中发展最快的一种。该技术利用超声波在空气中的传播速度以及遇到被测液面反射的原理来监控测量水位。因而，它具有广泛的实用性，他可以根据不同的测量场合采用不同的超声导声装置来测量监控。比如：气体介质式；固体介质式；液体介质式等。在火电厂废水测量监控系统中，它不受污水的任何影响同时也不影响废水。同时，由于它是固定型监控装置，他不需要各种转动来适应测量因而也没有机械磨损，机械故障等问题，只是受温度影响，装入温度补偿模块就解决了很多问题。故而它的可靠性和实用性就远远高于大多数接触性水位监控装置。1.4 本章小结本章式全文的开篇概述，主要介绍了电厂废水监控现状，废水监控发展趋势以及本题目的背景意义等。重点突出了超声波监控的优良性能。为下文做充分铺垫。2超声波监控系统2.1超声波声波即振动频率在20HZ到20000HZ之间，能够引起耳膜振动并是人能听到声音的这类机械波。通常人们把高于20000HZ的声波叫作超声波。把低于20HZ的声波叫做次声波。经研究表明发现，超声波有三种不同的波形形式，他们各有其特点和性能。人们把能在固体，液体，气体介质中传播且他的质点振动方向和传播方向一致的声波叫做纵波；把只能在固体中传播且质点振动方向与传播方向垂直的声波叫做横波。质点振动介于横波与纵波之间，只能沿介质表面传播，电厂废水池监控系统采用纵波方式为主要方式。2.2 超声波传感器2.2.1超声波发生器为了研究超声波，经过长时间的积累和尝试，人们已经制作和设计了很多各式各样的超声波发生器。然而从总体上讲，超声波发生器可以明确的分为两大类：一类是用电气方式产生超声波的超声波发生器，比如：压型式电气，电动性电气；等一类是用机械方式产生超声波的超声波发生器比如：加尔统迪，液哨和气旋笛等。由于他们的声波产生方式不同，从而导致它们的超声波的功率，声波特点都显得很不相同，故而用途也千差百异。由于本系统的要求，因而我选择采用的是压电式超声波发生器。2.2.2压电式超声波发生器原理：我们都知道压电效应有两种模式即：压电效应的顺效应和逆效应两种，由于超声波床甘其食可逆元件也就是说它可以利用压电逆效应原理来作为压电式超声波发生器的原理。所谓的压变效应就是当元器件受到压力的情况下，元器件就会发生形变也叫做应变。如下图（2-1）中。在压元件上加上电压，元件就会自动发生形变，这就是我们所说的应变。而在图b中这样显示的图表示：由于陶瓷压电元件已经经过了极化，由于外部外加电压与正电荷的极性完全相反，因而由于同性相排斥，异性相互吸引的原因，外部电压与内部电相互作用产生力的作用，陶瓷的厚度就会被动向上的方向生长。同理可知，如果我们加入极性与内部陶瓷极性相反的电压，他们就会由于异电荷相互吸引而使得压电陶瓷如图c那样在长度方向上变短，而不是增长。图2-1压电逆反效应图2.3超声波监控系统的水位测量原理:现实中，我们通用采用的的超声波水位测量系统都是回波测量法。即根据声波发送和接收的时间差再根据超声波速度的大小来确立测量的水位高度或则距离。但由于在不同的情况下我们采用不同的传播介质。因而也把超声波水位测量分为气介式和液介式两种测量技术。以下我们分别介绍以下两种不同的测量方法：2.3.1液体介质式超声波水位监控测量我们生活中把以液体为超声波为传播介质的超声波测量叫做液体介质式超声波水位测量。它是利用把超声波传感器安装在液体的底面然后声波从水下向水面传播的方式，然后声波达到水面并反射回传感器的过程，假设干过程一共花的时间为T1,，超声波的传播速度为V,我们就可以根据声波速度时间测量计算出水位高度即水位深度并显示出来。然而由于液体介质式超声波传感器需要安装在水底，水位难免会引起传感器的氧化或则腐蚀，因而对它的防腐性和防水性要求很高，即制作材料要求高，因而价格难免会很贵。同时，由于水底一般都有泥沙和其他的物质等杂质，他们会影响超声波的传播，会对测量结果产生很大的误差影响。不仅如此，当我们需要测量水位较高的地理位置时，他就需要很大的功率发生器，否则无法到达要求。除这些以外，我们把发生装置放在水位底面不方便我们的检修和安装，这样就需要花费我们大量精力和资金来运行和维护，因而，我们通常不采用液介式超声波装置。除非在某些特定场合不采用以外。2.3.2气介式超声波水位监控测量采用空气声学回声计时测量液位距离即以空气为传播介质的超声波传播的方式我门叫做气介式超声波液位测量技术。它采用的是通过超声波在空气中传播的发射接受时间差来计算液位高度的方式。它的结构简单，只需要人们把它安装在对应的位置，由于一直在空气中传播所需要的功率也不大，且不需要经常移动也就是说不存在物理磨损，且他在生活中价格也不贵，实惠又方便。但是，它也有它的局限性，它只能测量出超声波传感器到液面位置的高度，即采用的是间接测量出水位高度，如此，我们就必须知道被测量到超声波传感器的实际距离。只有确立了实际距离才能测出液位高度。但是由于生活中或则工业中一般的容器用途，人们都知道它的本身高度，因而，在大部分情况下测量液位气介式超声波是很实用的。因而根据本系统要求，我采用气介式超声波系统，它不仅装修简便维修方便，而且可以用于不同的距离切换液位测量。2.3.3气介式超声波水位测量监控器的原理超声波有很多种测距的方法，比如我们常用的声波幅度值检测法，相位测量法，往返时间测量法等等。他们各有各的特点和优势。一般而言，相位测量发的精确度较高，但是容易送到反射波影响因而测量范围较小。声波幅值测量法呢，结构简便，价格便宜，但是精确度就显得有些太低了。所以我们经常采用回波检测法，我们通过测量超声波传感器的声波发射端和接收端的声波接收器的时间差来实现距离的测量，这种方法也被人们成为渡越世间法。这类方法简便而又比较精确，因而被广泛应用于声学测距中。它的方法时通过超声波发射端发射一个或则一组超声波，从发射时开始计时，知道超声波遇到阻碍物体自动反射回来到被接收端接收为止时停止及时，通过这样的方式得到的超声波在目标之间的传播时间t。我们根据但下的温度，以及时间测速公式得出被测物力量的实际距离。其原理如下：如图2-2可知：t=T1+T2. （2-1）超声波的传播距离则为：S=V.t/2 （2-2）其中S为测量所得的被测距离，V为传播速度，t为回波时间段。图2-2 超声波测距原理图由于超声波在介质为空气的媒介中传播中所损耗的功率很少很少且具有很好的方向性能，当遇到障碍物时会自动发射回原来发射位置的特点，所以我采用以空气为介质的超声波回波原理来测量液位水位。通过发射波和接收波的时间间隔来确立计算水位的真实高度。即用以下图来显示和表示出气介式超声波水位测量监控器的基本原理。2-2图表示如下：2-3图超声波水位测量原理根据图的表达我们可以得出，所测量出的高度h为： h=H-S （2-3）其中H为超声波发射器探头到器皿容器底部的距离高度，因而，一般需要测量好这个物理量，除此之外，S为超声波接收器探头到容器液面的真实距离（超声波发射探头和接收探头处于同一水平位置），这样，我们通过超声波直接测量出液面到超声波的距离。由以上我们可以看出气介式超声波水位测量的核心是超声波测量距离，关紧却是测量出超声波测量板块到液面的实际距离。、2.3.4环境因素对超声波水位监控测量精度的影响由于超声波是由于机械振动产生的，它必须借助介质以纵波的形式平行与振动面才能在介质中传播。它这样是因为空气具有一定的压缩性和扩充的弹性模量才能在空气中传播。所以，它极容易收到空气分子的密度，湿度，气压，成分，温度等等方面的影响。当超声波在空气中传播时就可以对等于空气分子受到振源振动面交替振动而进行的交替压缩或扩张。由于空气分子具有一定的恢复力，超声波的传播就是对等于气体受压迫反抗变化力作用的弹性传播。比起其他的环境因素，气体温度是对超声波传播影响最为明显的最关紧因素。它对超声波传播速度具有一定的直接影响形式，如：超声波在空气中的传播速度和当前温度的数字关系式如下： （2-4）Y：气体电压热容比上定容热容的值，空气的相对数是1.40.R:气体普适常量即为8.31 kgmol1k1M:气体分子量，28.8*10 kgmol1为空气的分子量根据以上公式可推出任意温度下的超声波传播速度，例如，在温度为50摄氏度时，即T=323K，这时候超声波传播速度为：344.1 m/s （2-5）一般超声波的传播速度受介质的影响因而在不同类型介质中传播速度也不同。但是总的表现可以归纳为：超声波在液体介质传播速度第二快；固体介质中传播速度最快；在气体介质中传播最慢，且大大程度上受温度的影响，具体的数字化公式表示如下： （2-6）C0:在温度为0摄氏度时超声波在空气中的传播速度由公式（2-5）可计算出速度为331m/s.工业测量一般采用以下公式：CT =331+0.6T （2-7）由以上公式可推出超声波随温度的变化如下图所示，当温度从从0摄氏度升高到40摄氏度变化时，它的传播速度增加了将近8%的变化，也就是说超声波在普通温度变化的情况下在空气中传播速度会产生8%的测量误差。因而，系统运行时，必须根据当前温度来进行设计修正电路即补偿电路是必要的，这样能大大提升它的精确度。图2-4空气中声速随温度变化曲线图2.4供电单位以及自动调节系统由系统设计要求我们可以知道，本系统的控制系统电源电压为220VAC,50HZ的电源电压，即我们采用直接从线路节出的方式就可以了。由于样机的控制电压为5V和12V的水自动调节模式，因而我们需要自行设计出供单片机系统正常工作的电压。并且同时要和蜂鸣器一起控制的自调节水库。2.5总体方案设计根据单片机系统功能的要求，我确立了这个液位监控测量系统由五个部分组成即他们分别是：单片机主控模块；温度显示测量模块；超声波发送接收模块；供电电源模块；以及自动调节模块和显示模块五部分。该系统主控芯片为AT89S52单片机。它是51单片机系列里工作稳定且日常经常用到的单片机系控制芯片。单片机输出端直接控制驱动超声波发送为超声波发射电路。同时接收电路是由三极管组成的放大电路。他的特点是简便易懂且方便调试。因而，我设计了以下整体系统方案，如图所示：图2-5总体方案设计图系统单片机产生一定频率的方波进过超声波电路中的放大电路发射到超声波传感器，他把方波信号转化为超声波的参数模式信号并同时开始计时，避过第一个盲区后监测到的第一个超声波回波脉冲的时候计数器开始停止计数这样我们就可以得到发射时间和接受时间的间隔T。并且同时测温模块开始工作它将现场温度快速采集并发送到单片机AT89S52系统，然后经过温度补偿模块进行补偿修正。然后根据超声波测位原理得出被测量的实际高度。并且最终通过显示器把水位显示出来。并判断是否自控模式或报警。2.6本章小结本章节着重对超声波发生器和超声波水位测量远离的基础理论的充分解释，同时引入超声波补偿系统和自动控制系统，并且给出了温度对声波传输的直接影响，然后提出系统的设计方案。为下文的硬件部分作出铺垫。3.设计系统硬件部分一个监控系统是否合理关紧在于它的性能是否足够良好，硬件设计是否足够精准合理，否则任何一点都将会直接影响到整个系统的可实现性能以及稳定性。因而，我们说硬件设计板块是整个监控测量系统的基础。只有在做好硬件电路设计的基础上，我们才能采用最好的和最优的程序来实现硬件功能，否则，再好的软件程序也是不起什么作用的。在这一章节中，我将对该系统各个硬件模块设计进行解释说明，包括硬件控制核心单片机，超声波传感器，显示模块，温度补偿模块，供电模块以及自动调节报警模块。3.1单片机系统3.1.1单片机系统简介单片机，人们通常也叫做单片微型计算机。由于它在控制领域特别适合利用，因而我们也把它叫做微控制器。一般而言，单片机都是由单块的集成芯片汇集而成，它的内部一般都包含有计算机的基本部件例如CPU,存储器以及出入接口等等电路。因而，它是一个特别适合与其他外部设备或则软件结合起来而成为一个小型的单片机控制系统。下面我们将以图片的形式简介一下单片机内部构造图。如下：图3-1 单片机内部结构图3.1.2单片机的嵌入式系统简介单片机是一个面向控制对象的单芯片形态的嵌入式微型计算机系统。它的发展和出现加大了计算机的发展，他让计算机技术才更加上升了一个台阶，即由通用型数据领域直接如智能控制的领域。这样一来，计算机技术就在这两个领域之间（嵌入式系统和通用型系统之间）快速发展，并且同时大大的影响着我们的生活。就目前而言，作为当前最热门的IT应用以及当前最具有发展前途的单片机嵌入式系统。它在传统的实用更加加快了传统电子的发展，使它由传统电子向智能化自动化更加接近，让它更具有现在科学的生命气息的智能元件。单片机在生活中都扮演着嵌入式系统的核心角色，尽管单片机常用于生活中而嵌入式系统几乎只应用于对时时响应有着较高要求的设备中。单片机的实用能够让电子的智能化系统出现不可思议的效果，且一般升级无需任何的硬件更改，只需要设备的软件系统相应提升就能够达到。现实生活中，嵌入式系统的应用随处可见，它在我们的国防，日常生活中等都具有不可或缺的作用。3.1.3单片机AT89S52AT89S52是一种片内含有4K字节的可编程只读程序存储器的高性能单片机。由于它的器件密度高，非易失性存储且兼容8051指令和引脚。它的性价比很高，适合于很多场合。图3-2单片机引脚功能图3.1.2晶振电路由于AT89S52执行程序通常都需要有一个工作频率，该系统中我们的这个工作频率由单片机内部时钟电路和外部晶振电路组成。单片机工作频率的大小由于是受晶振电路中晶振的大小决定的，因而晶振越大单片机执行程序越快。再加上该电路是外接晶振，所以AT89S52的XTAL1和XTAL2引脚需要对地接一个10pF30pF的电容。晶振电路如图3-3示。图3-3AT89S52外部晶振电路AT89S52支持最大24MHz的外部晶振，本设计中选用12MHz的即可满足系统要求。两个对地电容C3、C4选择22pF。实际应用时，需要将晶振和电容尽可能安装在单片机XTAL1和XTAL2引脚附近，减少寄生电容，以保证振荡器稳定可靠地工作。3.2超声波接受电路和发射电路3.2.1超声波接收电路超声波发射电路的设计一般都是直接影响到测量性能的优差，尤其强调的是发射电路对于声波的传播测距这一块的影响，因而，超声波发射电路是一个特别特别重要的结构在超声波整个电路系统中。由于超声波发射电路功率都不高，因而我们通常采用超声波发射电路分为两种类型即：逆变型以及震荡-放大型。但是，对于小功率的发射电路我们一般采用的都是震荡-放大类型驱动电路。简单的说，震荡-放大型驱动电路就是由两部分电路共同构成即分别是振荡电路和放大电路两部分。超声波传感器所需要的工作频率的信号由振荡部分产生，然后通过放大电路传送经过传感器再次发射。即完成超声波的发射。以下例举一些常用的方案以供选择。（1）由555定时器构成的超声波发射器3-4图555定时器构成的超声波发射器如上图（3-4）所示：超声波由定时器555集成芯片构成。它可以分为三个部分即分别是：振荡电路，调制电路以及激励电路。也就是说，超声波经过振荡电路产生他所需要的振荡频率的声波信号然后经过调制电路调制并传送到激励电路，激励电路在发射出超声波即完成了超声波的发射。该电路使用的是内部结构由普通三极管构成的双机型555.我们通常不采用由CMOS构成的单极型7555，因为它的负载能力实在太小了。（2）由分立元件构成的超声波发射器图3-5分立元件构成的超声波发射器如图所示：本超声波发射电路由两个电路构成。一个是两个低功率的三极管构成的振荡电路，两外一个则是三极管T2,T1构成的放大级电路。同时这个放大电路也是一个振荡电路因为超声波的发射头能够产生正反馈作用，因而超声波的压电晶片相当于串接一个LC谐振电路，因而具有选频作用。所以，只有在超声波的固有频率f时该振荡电路才会产生振荡。(3)由单片机产生信号经由放大电路的放大输出由单片机集成芯片AT89S51发射出40KHZ的方波经过BG推动超声波变压器在变压到达最大的60VPP的时候，把方波加载在超声波发射头上，从而使得超声波发射。由于该元件很少，结果也很简单，调试也变得容易了很多。信号可以近故宫脉冲变压器放大后驱动电路达到最大值，能够满足我们所需要的要求。因而，我们常用这类超声波发生器。图3-6超声波测距发送单元鉴于本监控统的系统电压只需要5V，由于超声波在介质中或多或少都会发生一些能量损失因而导致衰减，所以发射电路的功率必须要满足量程的各种需求。由于电路1 和电路2恶毒最大电压都由供电电压决定，因而很难达到我们的量程要求。因而，我采取最后一个系统作为发生器。该电路信号是由单片机AT89S52产生40KHZ的方波。他的周期为25us,同理可得半周期为12.5us。在每一个周期中，每半个周期方波输出引脚自动取反，就产生了40KHZ的方波。由于该单片机的时间分辨为1us即它是一个晶振为12M的系统，因而只能产生13us 或则12us的信号分辨率分别为38.4KHZ和41.67HZ.在该系统编程中，我选取了前者即频率为38.4HZ的方波产生信号。3.2.2超声波接收电路(1)运算放大器构成的超声波接收电路如下图3-7所示，这是一类我们经常见到的超声波放大电路，它的特点很多，比如：图3-7运算放大器构成的超声波接收电路一般用运算放大电路组成的放大电路都有对称双电源供电的要求，因而，它的单电源供电系统就要求输出的静态电位设置在电源电压的的二分之一处。即它是由同相输入的点位来决定，在运算放大电路的同相端输入端加上分压组队的电阻R2和电阻R1，使它的电位变为电源电压的一半。通过同相端输入的方式来提高它的输入阻抗，即把放大器的同相端和超声波传感器的输出信号端接在一起，有利于超声波滋生选频和从分利用接受灵敏度的作用。反相端接地不通过直流通路，所以是电容C提供直流通路。(2)放大脉冲整形电路如图3-8放大脉冲整形电路系统接收到的信号进行放大通过这BG1,BG2组成的两级放大电路完成。其中，每个放大器的放大倍数都为70.通过检波电路得到解调的信号把多个脉冲调节多个大脉冲波。这里通过检波二极管IN4148，输出的直流信号就是即电容电压就是两个二极管之间的电容电压。该超声波接收电路结构简单，性能优越，制作难度很小。由于超声波的接受器接收到的回波信号十分微弱，为了防止单片机系统无法直接识别的情况发生，我们就在这里假如放大电路和调节电路后方才用于单片机的计时系统。通过以上对比，我们通常采用放大脉冲整形电路接收电路，他的机构简单，性能优越，成本价格低下。3.3.超声波传感器性能方面的选取超声波的种类多样，一般人们按产品结构模式和产品类型来区分超声波传感器种类。从结构方面来说，超声波传感器有直探头，表面探头，一发一收探头，斜探头等结构模式。从产品类型方面而言，超声波可分为密封防水型，高温型，通用型等等类型。生活中，我们选择超声波传感器都是根据具体位置具体情况来选择的，除此之外，超声波的主要参数才是我们最为关心和需要精确选择的对象。目前市场上的感器的主要参数又以下这些：1.工作频率：人们通常说的引起片共振的频率就是工作频率。它与加在他两端的超声频交变频率以及压片的陶瓷片组的本身频率有关。只有当两个频率引起共振时，超声波传感器才输出最大功率。且该时刻超声波灵敏度达到最高。2.工作温度：超声波正常工作的温度范围。由于气介式超声波传感器功率低，工作环境温度也不高，因而发热也不高。因而通常可以在-20到+70摄氏度的温度环境下正常长期工作。3.指向角：指向角是一个表示超声波发射和接收方向的参数，实践表明指向角越大，方向性就越差，超声波接收效果就不大理想，反之，则方向性很好，同时越小越便于接受。4.灵敏度：超声波的灵敏度由压电晶片的制造工艺以及材料决定。超声波的机电耦合系数越小，则灵敏度越高，反之，灵敏度则越低。在我国，一般电子市场上的商业类超声波传感器最常见的有两种模型。一种是首发单传感器。它是一种把发射超声波和接收超声波汇为一体的超声波装置，即它本身就可以完成超声波发射和超声波接收。另外一种则是一收一发式超声波传感器，即他拥有两个超声波传感器：一个是用来发射超声波的超声波发射器，另外一个则超声波接收器专一用来接收超声波。根据本系统的设计要求，我选择了一个一收一发式超声波传感器，他有两个探头，频率为40KHZ，采用型号为US-100和Y401的接收传感器构成。通过查阅得到它的主要参数如下：表3-1超声波传感器电气参数表电气参数US-100超声波测距模块工作电压DC 2.4V5.5V静态电流2mA工作温度-20+70度输出方式电平或UART（跳线帽选择）感应角度小于15度探测距离2cm-450cm探测精度0.3cm+1%UART模式下串口配置波特率9600，起始位1位，停止位1位，数据位8位，无奇偶校验，无流控制。超声波US-100简介：超声波测距模块US-100可实现2cm4.5m的非接触测距功能，它的宽电压输入范围为2.45.5V，除此之外，它的静态功耗低也非常的低，甚至于2mA。它具有GPIO，串口等多种通信方式，并且它的自带温度传感器可以直接对测距结果进行直接校正，工作稳定可靠。这也是我们选择它的缘由之一。超声波US-100实物模块如下：3-9超声波US-100实物模块3.4温度测量补偿模块保证超声波测量监控系统的准确性的前提是保证超声波声速的精确性，但是由于超声波在大气中传播时跟大气的受压能力有关即说道大气中的温度，湿度，气压，气流等等因素的影响，超声波传播声速会发生改变。而在所有与气体相关的因素中，声波的传播与大气温度的影响是最直接的，超声波传播速度和温度的关系用数字表达式表示为：C=331.5+0.607T，其中T是环境的温度（摄氏），温度没变化1摄氏度，传播速度就变化0.6m/s。由此可知道，温度对声波的影响之大，因而，温度补偿模块就显得特别重要和需要了。为了实现对系统的温度补偿，我们采用0-芯片测量当前温度，进而才对声速进行补偿和矫正。DSB18B20温度传感器是由美国的半导体公司DALLAS推出的一种分辨率可到达0.0625摄氏度，测量温度范围在-55到125摄氏度之间的一种改进型温度传感器。相对于传统的测温电阻来说，他可以直接读出被测环境的温度且它还可以通过简便的编译实现出尾数为9到12的数字读书表。它只需要在750ms和175ms内分别完成12位和9位的数字标示量。除此之外，特德变换功率来自于数据总线，而且只需要要一根单线接口就可以从DSB18B2写入信息或则读出信息。它的卦象所需要的电源也来自于总线本身，不需要其他的额外电源。所以，相对于使用传统的温度感应器，DSB18B2架构更佳简便，可靠性能更高。它从不同的方面提高了很大的改进如：温度精度，转换来源等。给人们带来了更加满意的结果以及更加简便的使用方式。DSB18B2温度感应器可以灵活的使用于各种不同方式下多种测温模块，下面就简单的举几个例子说明，并且对比出最佳的测温电路方式。（1）寄生电源供电方式如下图所示：在寄生电源供电的供电方式下，温度感应器DSB18B2从单信号线上获得能量：即在单信号线DQ把能量存储在内部电容里当DQ处于高电平的期间的时候，同时，当处于低电平的时候自生消耗电容中的电源，如此重复，一直到高电平给寄生电源再次充电。图3-10：寄生电源供电方式独立的计生电源有以下几个好处：1无需本地电源就能够.进行远距离测温。2.可以在常规电源不存在的情况下读取ROM3.只用一根单线口就完成了测温，电路简单便捷但是在生活中如果想要DSB18B2进行精确地进行温度转换，我们就必须保证单接线有足够的能量供给当接线处于温度转换期间时。由于每个DSB18B2的电流达到1MA在温度转换期间，因而，当有几个温度感应器同时接在同一根线扣时进行多点测温的时候，只有4.7K欧姆的上拉电阻就无法提供足够的电量，会导致温度误差很大或则温度无法转换这两类情况。因而，上图的测温电路只适用于单一测温传感器的条件下使用，不合适用在电池供电的系统中。除此之外，在使用过程中，我们必须保证电源电压保持在5V的位置，但是当电源电压降低时直接导致寄生电源获得的能量直接减少，同样导致出很大的温度误差。（2）DS18B20强上拉寄生电源够供电方式图3-11：寄生电源强上拉供电方式由于一般的寄生电源供电方式不足以满足我们的用电需求，因而，我们把寄生电源供电的供电方式进行改良。进过改良以后得到以下的供电模式。即为了在动态装换周期中的温度感应器DS18B20获得足够的电流供给，当进行备考到E2存储器或则在进行温度转换时，我们直接用MOSFET把单线口直接接到电源VCC就可以了，在发出任何与拷贝到存储器或则是温度启动转换的情况下，单线口会自动在不超过10us内把单线口放到强上拉状态。在这种情况下，它就自动解决了供应电流不足的问题，也就是说这样的供电方式可以使用于多点测温，唯一不大好的就是需要多占用一根单线口来进行强上拉位切换。相对来说，更加的适用于生活中。（3）DS18B20的外部电源供电方式图3-12 外部电源供电方式在采用外部电源供电的模式下，由引脚VDD接入传感器DS18B20的工作电源，这样的话，这个时刻的单线不需要强上拉就是说它的电源电流供给足够充足，完全可以保证精度的转换，同时总线上也可以接多个传感器DS18B20，分开测量系统各点的温度。由以上几点我们可以看出：DS18B20的最佳供电方式就是外部电源供给方式，它的抗干扰能力突出，工作性能可靠稳定，并且他的电路同样也简便，可以同时提供分点温度测量即多点测温系统。DS18B20传感器在外接电源的情况下可以充分发挥它电源电压范围广的优点，即便是电源电压突然降到3V也可以保证温度的精度量。3.5显示电路由于系统要求，本系统采用了液晶显示芯片LCD1602 来显示所测距离的大小以及被测环境的温度，水位上下限的显示。该芯片的工作电压为5V，且他的显示对比度可以人工调节，除此之外，他内部也含有内含复位电路。同时可以提供各种,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等控制命令的这类多种功能。LCD1602显示器有80字节显示数据存储器，且有192个5X7点阵的字型建立在DDRAM内。总的来说就是它的功耗少、体积不大、显示内容丰富、因而常用在小型仪表和低功耗应用系统中。显示芯片如下：图3-13:显示电路LCD1602显示器的引脚功能如下：图3-14 LCD1602管脚图1脚：VSS是电源地2脚：VCC用来接5V电源正极3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接地电源时对比度度最高，接正电源时对比度最弱，（对）。4脚：RS为寄存器选择，高电平时为数据寄存器、低电平时为指令寄存器。5脚：RW为读写信号线，低电平(0)时进行写操作，高电平(1)时进行读操作。6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。714脚：D0D7为8位双向数据端。1516脚：背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。3.6供电单元电路由于本次监控测量系统采用的是LCD1602 显示芯片，它在正常工作时，系统的工作电流一般在30到45毫安之间，所以我们采用AC6到9V的系统供电来保证它的可靠性能工作。今过几个方案的对比，我择优选择了第二种供电方式，即由外部电源供电同时利用外部电源完成调试。交流电压经过可整流二极管整流成脉动直流电流，经过滤波电容分别形成5V和12V的供电电压已提供给整个单片机系统和自动调节系统。下图为该系统的供电系统：图3-15: 供电单元电路3.7自动调节系统系统的自动调节电路如下3-14所示自动控制系统图3-16自动调节系统3.8报警系统报警驱动电路如图3-17所示由于AT89S52的IO口驱动能力不强，所以需要加上三极管驱动电路驱动蜂鸣器LS1。驱动三极管采用PNP型三极管S9012，三极管基极通过一个200的限流电阻接到AT89S52的P02引脚。当P02为0时，三极管Q1导通，蜂鸣器LS1通电发出警报声音；反之，当P02为1时，三极管Q1截止，蜂鸣器LS1关断。图3-17报警系统3.9主控制系统本监控器的控制系统主要由AT89S52单片机以及按键构成。单片机系统包含了在线写入的ISP借口和晶振电路来提供信号。由于系统要求，本系统采用了12MHZ的晶振，他的时间分辨率很小只有1us，为精确测量时间间隔差做下了很大很好的基础。 图3-18主控系统图由上图可以得知，我们的单片机主控系统有四个按键，分别对应系统功能系数设定。我们可以通过手动来设置水位的位置上下限。同时，系统进行对水位液面的高度检测，同时完成对温度的采集以及液位温度的显示。这样我们就可以直接明了的读出数据。除此之外，其中水位上下限的按键在设置水位高低时，对其他程序的影响没有影响。他们之间是独立的。因而显得更加方便。3.10本章小结本章主要探讨研究了各个系统的几个模块的硬件电路以及硬件选择，确定了单片使用为AT89C52，重点讲述了超声波传感器的发生接收电路的选择以及声波受温度影响的温度补偿模块，主控电路，现实电路以及自动调节和报警电路。为系统的硬件设计做下了完美的总结。4.系统软件设计超声波测量监控系统主要由两个部分组成即硬件部分和软件部分，其中我们已经重点介绍了硬件部分，现在我们来了解和简介一下本系统的软件系统部分。超声波水位测量的设计程序由四个部分组成。他们分别是：超声波发生程序；超声波接收程序；显示子程序以及主程序。超声波监控测量系统的测序有很多大量的计算同时我们又得保证运行程序的精确时间。因而，就显得有很大的难度。Keil uVision4是德国Keil Software公司出品的单片机C语言软件开发系统，我们可以使用接近于传统c语言的语法来开发，相对于汇编来说，C语言在功能上更加明确、结构性更加简便、可读性高、可维护性上也有有明显的优势，同时也就显得更加易学易用，除此之外它还大大的提高了项目开发周期以及工作效率，而且他还能使用嵌入汇编，这样一来我们就可以在关键的位置采用嵌入，这样就使得程序达到更加接近于汇编的工作效率。KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发保留了汇编代码高效、快速的特点，同时还提供了C语言环境。功能不断增强的C51编译器，更加使你可以贴近计算机系统CPU本身，及它的其它的衍生产品。现如今C51已被完全被人们集成到uVision2的集成开发环境中了，它的集成开发环境就分为了好几个部分既有：汇编器，编译器，项目管理器，实时操作系统，调试器等等。由以上各种特点决定我们选用他作为开发环境。4.1软件模块程序设计4.1.1主程序设计首先，在软件程序这一块，主程序首先初始化测量系统环境，假设定时器为0为计数器，定时器时显示为1.职位中断为允许位AE。当主程序开始运行后，程序自动开始定时测距，当测距标志位为1的时候，测量一次。在测距过程中它的频度宽大概为4秒左右。测距完成后，整个程序循环且显示出结果，同时判断是否报警以及是否开启自动调节。当测距子函数被调用后，单片机首先自动产生4个38.64KHZ的超声波脉冲，超声波经过超声波发射器自动发送。超声波发射的同时，计时器立马开始工作，且为了躲过盲区，超声波系统会自动延时1.5毫秒左右，这样就不会使接收器收到干扰了。当接受波返回时，计时器立刻停止。由于本系统的晶振为12MHZ,即它的计时数每个为1us，当超声波回波接受后，会自动按照前面的原理自动测量出水位。4.1.2超声波水位测量以及报警自动调节测量时，超声波传感器自动发射出4个38.64HZ的超声波脉冲，我们采用自减方式来延时躲过发射盲区，躲过盲区后自动开始计时。最后按照得到的时间根据前面的公式来计算出水位距离，显示出水位高度并且判断是否报警或则自动调节。Y标志=1?发送超声波延时避开盲区收到回波否?预设时间?启动计时器T0停止计时计算测量值结束NNYY超声波测距图4-1 超声波测量子程序程序框图若K33=1，系统在水位测量状态，则需要用预设的高度值减去测量所得距离值，输出显示水位值。void csbcj() /超声波测距子程序if(cl=1) TR1=0;TH0=0x00;TL0=0x00;csbout=0;TR0=1; i=230;/盲区值(延时躲过超声波发送头的余波)while(i-)i=0;while(csbint)/判断接收回路是否收到超声波的回波i+;if(i=5000)csbint=0;csbint=1;TR0=0;t=TH0;t=t*256+TL0;t=t; wd+;if (wd20) csbsc(); wd=0;s=t*csbc;/计算测量结果 s=s/2;if(k33=0) s=s;else s=sj2-s;cl=0; TH1=0xE7; TL1=0xC2;TR1=1;产生超声波的子程序：为了方便程序移置及准确产生超声波信号，本测距的超声波产生程序是用汇编语言编写的进退声波产生程序。产生的超声波个数为：UCSBFS SEGMENT CODERSEG UCSBFSPUBLIC CSBFSCSBFS: mov R6, #8h ;超声波发射的完整波形个数：共计四个here:cpl p2.7 ;输出40kHz方波 nop nop nop nop nop nop nop nop nop djnz R6,here RETEND4.1.3超声波水位测量主控程序框图图4.1超声波水位测量主控程序框图4.2本章小结本章节给大家介绍了一下软件部分，并且标出各部分软件运行的流程方式。并且通过Keil uVision4把程序写入了各单元部分。为硬件调试和测量做好了准备。5硬件调试与硬件测量实验5.1硬件调试在我们完成了硬件电路的制作后，硬件调试工作并随之而来。以下就是我完成制作的硬件电路板。如图所示，它的板面上只有五个键。其中，两个水位高位设定器，两个水位地位设定键，还有一个控制电源开关键。我们通过按键实现开关，水位设定等功能。刚上点后，打开开关键，显示器自动显示出当前水位高度，温度以及水位上下限。单位为cm.以及摄氏度。系统的电压可分为两个部分，一个为5V的小型单片机供电所需要，一个则为15V的自动水位调节所需要。因而。我们采用直接交流电电接过来转换为他们所需的电源，结构简单，系统调试也变得简单，系统基本完成了设计要求。硬件图如下：图5.1硬件实物图5.2硬件水位测量试验：由于在校条件限制，我只能选择一个容器为50cm的桶来作为测量对象，水位的高度分别为50cm以及0cm，以及25cm等几个.水位上下限则为50cm,0cm，最后测量结果现实如下：表5-1 水位测量实验实际液位实测液位50cm50cm报警且自动开启45cm44cm30cm29cm20cm19cm 报警35cm35cm15cm14cm报警鉴于对水位距离测量容器的条件限制，我选择了以空气为介质的实物距离测量，设她的上线为300cm，下限为0cm，结果得到结果如下：表5-2 距离测量实验实际液位实测液位100cm99cm150cm149cm180cm178cm200cm198cm250cm249cm300cm300cm 报警由以上几个图我们可以得知测量结果300cm的实距测量中，本系统的误差大概在2cm左右；达到了系统要求的精度为10cm的，甚至比它更低。因而，硬件合格了。5.3误差分析经实验表明，我设计的超声波测量监控系统具有一定的误差。由于测量误差是在所难免的，测量过程中的各种因素都会造成测量误差。就像之前的温度补偿模块一样，我们采用它来减少温度导致误差。下面，我将分析一下其他产生误差的因素。5.3.1直达波的误差影响由于本系统的测量需要因而超声波测量探头相隔距离特别的近，当超声波传感器发射器发射声波的时候，接受超声波的接收器很有可能会直接接受到出发的超声波。然后再超声波回波的时候它直接加了进去，从而干扰了超声波的回波信号测量。鉴于系统要求，我闷在这个系统中采用了脉冲变压器，她虽然大大的提高了发射功率但是也同时对发射余震时间得到了扩张。而在软件系统中，我们要么忽略了这点或则是自动安装了过滤技术，所以，一般会忽略很小的误差值。这样一来，就让我们的测量结果有了盲区以及误差。5.3.2传播介质的误差影响由于受到空气热对流和尘埃吸收的双层影响，超声波传感器的接收回波随着传播距离的增大而是的超声波幅度值成指数规律的减少，从而使得测量距离回波检测误差增大。重点强调在于其实部分的巨大影响，大大增加了对检波起点的要求。因而产生了误差。对于这样的情况，一般可以采用放大电路对接受信号进行合适的放大来缓解一下这类误差。5.3.3人为因素的误差由于我们在利用超声波传感器测量水位时，一般都是要求发射器以及接收器垂直于水面，但是由于人工的因素，我们不能保证超声波的发射面完全平行于水面也就是说超声波探头完全垂直于水面是无法保证的。这样一来，我们就会使得超声波的回检距离大大增加，从而使得距离增大，误差增加。同时，由于本试验中，距离的测量我们也采用人工的方式，也就是说很有可能也由于人为因素产生其他的误差。因而，我们测量水位的时候要尽量水平于水位，这样才能减少误差。5.3.4程序指令执行延迟在通过对一系列的资料查阅后我发现，在超声波的测量超声波发射器发射超声波后，超声波的调用子程序要经过两个机器时间周期才开始计数.这样一来，程序就需要有一定的的时间来检测和判断超声波回声。这样，在接受超声波并且判断退出的时候，指令又多花了4个时钟周期。这样就让计数器的计数延迟了四个时钟周期。由于本系统采用的是12M的晶振，即他耽误的时间有六个周期即6us。按声速为331米每秒来计算的话，测量距离将会有0.198cm的误差。在一定从程度上使结果有了误差。5.5本章小结在本章内容中，我重点介绍了系统硬件的调试以及误差分析。通过这些努力，基本实现了该系统功能能，大大增加了我的学习视野和提高了我的动手能力。在处，我真心的表示对给予过我帮助的同学以及老师表示衷心的感谢。6.结论设计系统是采用以单片机为核心，利用超声波不需要直接接触就可以测距的测距原理的应用系统。通过对硬件的设计以及软件的学习程序编码最后终于实现了水位的测量监控功能。本系统采用了温度补偿来减少误差。在设计系统中，硬件系统就分为了五个部分即为：片机主控模块；温度显示测量模块；超声波发送接收模块；供电电源模块；以及自动调节模块和报警系统五部分。而软件系统则采用了C语言的模块分化思想，以单模块整合成为一个整体。因而，在经过对本系统的软件，硬件部分的共同作用下实现了水位监控测量的要求。其次，再设计完成后的实际试验中，我也重点分析了误差的来源以及可以改进的方法，为今后的推进提出了合适的理论基础。致 谢经过了两个多月的努力，终于圆满完成了本次的毕业设计。在这次毕设设计中，我深深的体会到了，只有实践才会出真知的真理。只有动手才能发现实践与理论的差距。同时，也由于做坏了一个板子，再做第二次的时候，焊接技术得到了很大的提升。本次毕设大大的综合了大学四年所学习的内容，在经过不断的复习以及学习后，我的理论知识也得到了大大的提高。本次设计是在我的指导老师王斌老师的精心指导下完成的。在设计过程中。王老师的严谨学风，认真工作的态度都深深的感染了我，使我收获很多很多。同时，在设计中遇到的各种问题也在王老师的建议下一一得到解决，使得我的论文设计得以完美成功。在此，我由衷的表示对王老师的感谢。其次，我也要衷心的感谢在这个毕设过程中，所有给过我建议以及帮助的老师以及同学。最后，我要感谢学校以及我校的每位老师，是你们无私的贡献才使得我们能够在知识的海洋里畅游，你们孜孜不倦的作风以及以身做则的师德将在我的生活中工作中长生很深远很深远的影响，在此，我再一次表示对各位老师衷心的感谢以及崇高的敬意。最后，祝各位老师工作愉快，生活美满。参考文献1 郭清，王兴泽. 超声波水位测量系统J. 东北水利水电, 1999，(02).2 马莹，郑文斌. 基于单片机的超声波液位检测系统设计J. 海峡科学，2007 (10).3 陆坤. 电子设计技术M. 成都：电子科技大学出版社，1997.4 黄波. 基于单片机的超声波测距硬件设计J. 科技创新导报，2008，(31).5 李华. MCS-51系列单片机实用接口技术M. 北京：北京航天航空大学出版社，1993.10.6 胡伟，季晓衡. 单片机C程序设计及应用实例M. 北京：人民邮电出版社，2003.10.7 贺瑞强，王民. 基于AT89S51单片机的超声波测距系统的设计与研究J. 榆林学院学报，2009(02).8 余义德，呼志刚. 电缆井水位监测系统的设计J. 微计算机信息, 2010 ，(11) :韩平. 超声波液位计在液位测量中的应用J. 中国仪器仪表, 2011, (03)9 李冬梅 .外液位计量仪表技术发展动向J. 仪器仪表用户，2002，9(3):5-7.10 张卓敏 .基于CPLD的超声波水位测量系统的研究D. 武汉理工大学，201011 乔秀芳，王正垠 .一种新型超声波液位计的开发与研制J. 微电子学与计算机，1996，(02): 78-81.12 曹建海，路长厚，旭东 .基于单片机的超声波液位测量系统J. 仪表技术与传感器，2004，(1)：39-40.13 贾伯年,俞朴.传感器技术M.
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