超声波液位计的设计与实现.doc

河南大学本科生学士学位论文河南大学2009届本科毕业论文 超声波液位计的设计与实现 The Design and Implementation of Ultrasonic Liquid论文作者姓名： 作 者 学 号： 所 在 学 院：计算机与信息工程学院 所 学 专 业：自动化 导师姓名职称： 论文完成时间：2009年5月20日 2009年5月20日河南大学2008届毕业论文（设计、创作）开题报告（由学生本人认真填写）学号05023376姓名冉庆领导师姓名职称张延宇开题时间2008年12月1日课题题目超声波液位计的设计与实现课题来源导师指定 自定 其他来源课题的目的、意义以及和本课题有关的国内外现状分析：1、目的：通过单片机控制超声波发射接收装置，通过超声波测距的原理测出液位的高度，实现对液位的实时监控，超限报警测量距离40800厘米.2、意义：满足工业控制对液位的实施监控，实现低成本，高效准确的测量方式。3、现状：液位测量广泛用于石油、化工、气象等领域。超声波液位计是众多液位计中发展较快、应用较多的一种液位测量仪表。它是利用超声波在同种介质中传播速度相对恒定以及碰到障碍物能反射的原理研制而成的，具有非接触、高精度、价格低廉、使用方便等优点。近年来，随着高速数字信号处理技术与微处理器技术的进步，超声波液位计得到了长足的发展。研究目标、研究内容和准备解决的问题：1、目标：设计一款功能齐全的超声波液位计,实现对液位的实时监控,使液位的测量快捷,方便。2、内容：利用单片机，超声波传感器，LED显示模块实现液位的测量，显示与报警。3准备解决的问题：如何解决超声波的误检测，IIC总线如何模拟，串行数据传输，LED显示和报警等。拟采取的方法、技术或设计（开发）工具： 软件环境：1单片机端的程序开发环境采用Keil uVision2，开发语言是Keil C51。 硬件模块1.AT89S51单片机2.超声波传感器TC40-163.MAX7219驱动LED显示4.EEPROM和蜂鸣器5.CD40696.NJM4580D7.LM358N预期成果：1、毕业设计成果绘出原理图硬件电路,写出程序流程图,编出源代码并调试成功.2、毕业论文进度计划：2008.12.1 - 2008.3.5：查找资料、搜集相关素材2009.3.6 - 2008.3.26 完成需求分析20093.27 - 2008.4.7：完成概要设计2009.4.8 - 2008.4.15：完成详细设计2009.4.16 -2008.4.28：完成编码2009.4.29 - 2008.5.4： 完成软件测试2009.5.5 - 2008.5.15：整理资料、撰写毕业论文2009.5.16 - 2008.5.20：根据导师要求，完善毕业设计和论文指导教师对选题报告的意见： 同意开题。 指导教师签名： 2008年12月1日河南大学2008届毕业论文（设计、创作）任务书（由学生本人认真填写）学号05023376姓名冉庆领导师姓名张延宇任务书起止日期2008年12月8日 至 2009年5月20日论文提要：本文将主要介绍开发一个基于AT89S51单片机，超声波传感器TC40-16，LED显示的超声波液位计。这个系统中核心的功能模块超声波发射接收和显示。课题任务要求：认真调研超声波传感器的原理，发射与接收信号的处理，MAX7219驱动LED显示的方法，熟悉单片机的工作原理，熟悉开发流程，充分做好系统的分析。本设计完成后应该初步实现对液位的测量，实时监控，上下限报警等功能。依据所完成的软硬件撰写论文。主要参考文献：151单片机C语言常用模块与综合系统设计.电子工业出版社. 2孙育才. 单片微型计算机及其应用.东南大学出版社.3周立功 单片机C51教程.4.阎 石 数字电子技术基础 高等教育出版社5.邱关源 电路 高等教育出版社6.王 庆 protel 99se 电子工业出版社7.AT89S51 Datasheet ATMEAL 8.MAX7219 Datasheet MAXIM 8.CAT24WC01 Datasheet CATALYST /40河南大学2008届毕业设计（论文、创作）中期检查表学院名称：计算机与信息工程学院题目名称超声波液位计的设计与实现学号05023376所学专业自动化指导教师姓 名张延宇姓名冉庆领一、毕业设计进展情况已经完成超声波发射接收模块、LED显示模块及报警装置的硬件电路设计，及软件思路，未编好源代码。二、存在问题不能实现远距离测量，近距离测量存在盲区。三、下一阶段的研究方法或设计思路进一步完善程序，加强代码的可靠性，检查有出错隐患的细节并改正。下一步开发要转移到单片机的开发，首先编写程序，然后通过模拟器进行调试。四、指导教师对学生设计（论文、创作）进展等方面的评语 指导教师签字： 2008年4月 10日此表除第四项外由学生填写指导教师签名河南大学2008届毕业论文（设计、创作）综合成绩表（一）学院名称：计算机与信息工程学院学 号05023376姓名冉庆领专业自动化指导教师张延宇综合得分论文题目超声波液位计的设计与实现指导教师评语及得分指导教师评语评分项目分值指导教师对毕业论文（设计、创作）评分撰写开题报告、文献综述15调查研究查阅整理资料10学习态度与规范要求10数据处理、文字表达10论文（设计、创作）质量和创新意识55合计100得导教师签名 年月日评阅教师评语及评分评阅教师评语评分项目分值评阅毕业论文（设计、创作）评分撰写开题报告、文献综述15调查研究查阅整理资料10学习态度与规范要求10数据处理、文字表达10论文（设计、创作）质量和创新意识55合计100得分评阅教师签名 年 月 日此表由教师填写河南大学2008届毕业论文（设计、创作）综合成绩表（二）学号05023376姓名冉庆领所在学院计算机与信息工程学院答辩委员会评语及评分答辩委员会评语答辩委员签字： 2008年5月25日评分 项目 分值论文答辩小组评分答辩情况论文质量合计（100）内容表达情况（15）答辩问题情况（25）规范要求与文字表达（20）论文（设计、创作）质量和创新意识（40）得分答辩委员会主任签字： 年 月 日毕业论文（设计、创作）成绩综合评定： 分综合评定等级：优备注：一、论文的质量评定，应包括对论文的语言表达、结构层次、逻辑性理论分析、设计计算、分析和概括能力及在论文中是否有新的见解或创新性成果等做出评价。从论文来看学生掌握本专业基础理论和基本技能的程度。二、成绩评定采用结构评分法，即由指导教师、评阅教师和答辩委员会分别给分（以百分计），评阅教师得分乘以20%加上指导教师得分乘以20%加上答辩委员会得分乘以60%即综合成绩。评估等级按优、良、中、差划分，优90-100分；良76-89分；中60-75分；差60分以下。三、评分由专业教研室或院组织专门评分小组（不少于5人），根据指导教师和答辩委员会意见决定每个学生的分数，在有争议时，应由答辩委员会进行表决。四、毕业论文答辩工作结束后，各院应于6月20日前向教务处推荐优秀论文以汇编成册，推荐的篇数为按当年学院毕业生人数的1.5%篇。五、各院亦可根据本专业的不同情况，制定相应的具有自己特色的内容。须报教务处备案。六、书写格式要求：1、目录；2、内容提要须书写200左右汉字，开题报告（文科除外）的内容要根据不同专业的课题任务要求，阐述查阅文献、文案论证、解题思路、工作步骤等；3、正文（含引言、结论等）；4、参考文献（或资料）河南大学本科生毕业论文（设计、创作）承诺书论文题目超声波液位计的设计与实现姓 名冉庆领所学专业自动化学 号05023376完成时间2009年5 月20日指导教师姓名职称张延宇承诺内容：1、本毕业论文（设计、创作）是学生 冉庆领 在导师张延宇的指导下独立完成的，没有抄袭、剽窃他人成果，没有请人代做，若在毕业论文（设计、创作）的各种检查、评比中被发现有以上行为，愿按学校有关规定接受处理，并承担相应的法律责任。2、学校有权保留并向上级有关部门送交本毕业论文（设计、创作）的复印件和磁盘。备注：学生签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日说明：学生毕业论文（设计、创作）如有保密等要求，请在备注中明确，承诺内容第2条即以备注为准。目 录摘 要2ABSTRACT3第1章 绪论41.1 课题的背景和意义41.2 本文所做的工作4第2章 超声波液位计工作原理2.1 超声波的基本特性52.2 超声波传感器52.3 超声波液位计的测量原理6第3章 超声波液位计的硬件设计3.1 核心模块83.2 收发模块93.3 显示报警模块133.4 EEPROM模块153.5 键盘模块16第4章 超声波液位计软件设计4.1 主程序174.2 测量显示子程序18 4.2.1 Timecount子程序18 4.2.2 T0中断子程序19 4.2.3 发超声波测距子程序20 4.2.4 INT0子程序21 4.2.5 LED显示子程序224.3 键盘扫描子程序244.4 EEPROM存取子程序25第5章 误差与干扰分析5.1 温度的影响275.2 直达波的影响285.3 传播距离28结 论29致 谢29参考文献30附录31摘 要本文设计用超声波技术测液位,测量仪器可以不必浸入液体中,减少了仪器与液体之间的相互影响,避免了接触污染,提高了安全性和可靠性。还具有较高的灵活性和较强的适应性,可随时改变用途(测距、测液位、测速等) 和测量对象。超声波测距，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量范围在0.40-8.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求.关键词 AT89S51 报警 超声波 液位ABSTRACTThis design using ultrasonic technology measure level, measuring instruments may not be immersed in the liquid, reduce the instrument and the interaction between liquid, avoid contact with pollution, raise the safety and reliability. Also has high flexibility and adaptability of strong, can always change USES (and measurement, etc) and measurement speed. Ultrasonic ranging, can be applied in automobile reverse construction site, and the position control, also can be used for such as level, deep, pipe length measurement etc. In the measurement range 0.4-8.00 m, measurement accuracy, being measured 1cm measurement with no direct contact with the object can clearly showed stable measurement result. Due to the strong, the energy consumption of ultrasonic directivity slowly in the medium of communication, distance, and is often used to measure the distance of ultrasonic, such as rangefinder and material level measurement instrument etc can all through the ultrasonic. Using ultrasonic detection tend to be quick, convenient, simple, easy to control, and in real-time measuring precision can reach the requirement of practical industrial. 第1章 绪论1.1 课题的背景和意义液位测量广泛用于石油、化工、气象等领域。超声波液位计是众多液位计中发展较快、应用较多的一种液位测量仪表。它是利用超声波在同种介质中传播速度相对恒定以及碰到障碍物能反射的原理研制而成的，具有非接触、高精度、价格低廉、使用方便等优点。近年来，随着高速数字信号处理技术与微处理器技术的进步，超声波液位计得到了长足的发展。本课题的研究很具有现实意义。本设计通过单片机控制超声波发射接收装置，通过超声波测距的原理测出液位的高度，实现对液位的实时监控，超限报警测量距离40800厘米。以满足工业控制对液位的实施监控，实现低成本，高效准确的测量方式。1.2 本文所做的工作本文采用超声波传感器、AT89S51单片机以及LED显示等模块设计一款超声波液位计，与市场上常见的超声波液位计相比，本设计增加了设置上下限和超限报警功能，为此，扩展了EEPROM、蜂鸣器以及按键电路。该款液位计具有功耗低，测量距离远、实用性强等特点，可用于对液位的实时监控。本文详细说明了该款超声波液位计的开发过程，并提供了硬件电路原理图、程序流程图以及源程序代码等。第2章 超声波液位计工作原理2.1 超声波基本特性 超声波一般指频率在20 kHz以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出与液面之间的距离。超声波测距原理简单，成本低，制作方便，但其传输速度受天气影响较大，不能精确测距；另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减，因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。2.2 超声波传感器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。本文属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。本文选用超声波传感器TC40-16(收发一对)。压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。内部结构上图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器. 如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同.2.3 超声波液位计的测量原理 超声波液位计工作原理是超声波液位计安装在固定的高度S，由超声波换能器（探头）发出高频脉冲声波，遇到被测物位物料表面被反射折回，反射回波被换能器接收转换成电信号.声波的传播时间与声波的发出到物体表面的距离成正比。.声波传输距离H与声速C和声传输时间T的关系可用公式表示:H=CT/2.由此可计算液位高度h=S-H。由于声波脉冲发射过程中机械惰性占用了传输时间使靠近超声波换能器的一小段区域内声波不能被接收这个区域称为盲区.盲区大小与超声波的量程有关。所以安装时应注意避过盲区。.第3章 超声波液位计的硬件设计本设计超声波液位计利用超声波反射原理，测出超声波往返的时间t，从而得出液位的高低，设定范围报警，实现对液位的实时监控。该系统主要分三大模块：超声波发射和接收，LED显示模块和控制模块。本设计单片机选用AT89S51，显示采用MAX7219驱动LED显示，发射超声波模块采用两片555集成芯片发射超声波，并有六非门CD4069驱动发射头，信号放大和检波分别选用双运放芯片NJM4580D和LM368N,EEPROM选用AT24C01存放上下限值，实现断电保持。图2-1为系统整体结构：工作流程： 1.单片机控制超声波发射装置发出超声波，同时T1开始计时。 2.超声波接收头接收到超声波时，使单片机p3.2有高电平变为低电平，进入中断程序，T1计时停止。有得到的时间计算出液面的高度h。 3.将得到的液面高度h由MAX7219驱动LED数码管显示出来。4.从EEROM读出事先设定好的液位上下限值，同h比较，如果h超出范围，则由单片机控制报警装置报警。5.如需都上下限值重新设定，通过按键模块控制单片机把新的上下限值写入EEPROM，实现掉电保持。本章以下着重介绍系统各个硬件模块。3.1 核心模块 1.选用AT89S51的原因：AT89S51是一种低电压，高性能CMOS8位微处理器。具有4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，1000次的擦写周期， 32个I/O线，两个16位定时器/计数器，AT89S51单片机具有1000次的擦写周期，支持在线编程（ISP），性价比非常高，AT89S51单片机与标准的8051兼容，价格便宜，与其他单片机相比，对AT89S51相对比较熟悉，所以选用了AT89S51。2.时钟电路：晶振采用12MHZ，由C13.C14晶振组成震荡电路，为单片机提供内部时钟，超声波在标准空气中传播速度为331.45米/秒，由单片机计时，使用12MHZ晶振，可以使此系统测量值理论上达到毫米级。3.复位电路：采用上电复位和手动复位结合的方式，使用比较方便，在程序跑飞时，可以手动复位，不用重起单片机电源，就可以实现复位。4.P2.7口控制报警电路报警，报警电路有R17,Q1,和蜂鸣器组成，需要报警时，将P2.7口置1，使Q1导通，从而使蜂鸣器报警。5.其他资源分配： P1.0-P1.3与键盘S0-S3相连，用来调整距离上下限。P1.6 P1.7用来控制超声波发射电路，P2.0-P2.2分别与MAX7219DIN,LOAD,CLK端相连，实现数据传输。P3.2口用于当超声波接受头接收到超声波时产生中断，方便计算超声波往返时间。3.2 收发模块 3.2.1 发射超声波电路 超声波发射电路7g.f)?|0o:h-L63473 由两块555集成电路组成。1. IC1（555）组成超声波脉冲信号发生器,工作周期计算公式如下， h H#C3c$5s63473电子开发社区门户OgpA#pS5g7W$O2A条件: R1 =9.1M、 R2=150K、 C1=0.01F)n!dY+f&L F(q63473TL = 0.69 x R2 x C电子开发社区门户SdZ5k$Ia= 1 ms.s5zo3d63473,k E3ztvN63473TH= 0.69 x (R1+ R2) x Cf0u,G9b9jZu*G63473= 64 ms2.xq*D L+aQR/A6F63473电子开发社区门户O4FyN/J1va(OIC2组成超声波载波信号发生器。由IC1输出的脉冲信号控制，输出1ms频率40kHz，占空比50的脉冲，停止64m，由于接入了二极管D1,D2，电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，因此电容C3的充电时间为：TH=0.69 x R3 x C3 = 12.42usC3的放电时间为： TL=0.69 x R4 x C3 = 12.42us频率为： f=1/T=1/（TH+TL）=40.25KHZ占空比： q=R3/(R3+R4)=50%3.由P1.6通过与门控制发射装置每一秒发射一次，定时由定时器T0定时20次完成，每次50MS。当P1.6置1时，然后不段扫描P1.7口，当IC32端口为1时，IC2开始发射超声波，此时P1.7为高电平，T0开始计时，作为超声波发出的时间。4.IC3（CD4069）组成超声波发射头驱动电路，非门起互补输出作用，两两并联，能在9V电源时给发射器提供18V的峰峰电压，增强驱动能力。3.2.2 超声波接收模块 1. 超声波接收头与IC4组成信号的检测与放大，反射回的超波信号经IC4的两级放大1000倍，第一级放大100倍，第二级放大10倍。由于一般的运算放大器需要正负对称电源，这里用R10和R11分压，使得在IC4同相端有4.5V中点电压，以保证放大的电流信号的质量，不至于产生信号失真。 2. C9,C10,D3,D4组成倍压检波电路，取出反射回来的检测脉冲信号送至IC5进行处理。3. 由R12、R13、IC5组成信号比较器。IC5 第3端口的电压V0=R12 x Vcc/(R12+R13)=0.4V,所以当2脚点过来的脉冲信号电压高于0.4V时1脚将由高电平1变成低电平0。 4.在IC5的同相端接有电容C11和二极管D5用来防止误检测。因为在实际测量时，在液位计的周围会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测。为避免这种情况，这里用D5引入检测脉冲来适当提高IC5比较器的门限电压，并且由C11保持一段时间，这样在超声波发射器发出检测脉冲时，由于D5的作用使IC5的门限转换电压也随之被提高，并且由于C11的放电保持作用，就可以可防止这时由于检测脉冲自身的干扰而形成的误检测。但是，这也对其近距离测量产生影响，这也是盲区存在的原因之一。3.3 显示报警模块 本章为系统MAX7219驱动LED显示电路和报警模块3.3.1 显示模块 1.本模块采用MAX7219驱动3位LED进行结果显示，由于本设计测量最大距离不超过8米，所以选用三位LED数码管，单位默认厘米，不显示。MAX7219 是 MAXIM 公司的 7 段共阴极 LED 数码管驱动器，每一片 MAX7219 最多可驱动 8 位 LED，且集 BCD 码译码器、多路扫描器、段驱动和位驱动电路于一体，内含 88位双口静态 SRAM，可保存 8 位 LED 数据，MAX7219位24引脚芯片，除与LED显示相连的线外，与单片机只需3根连线相连，使用方便，连线简单，大大简化了硬件电路设计，减少软件的工作量。所以选用该芯片。2.选用LED显示的原因：市场上常用的显示模块有两种，LED数码管和LCD液晶显示模块。由于本设计测量距离8米，只需显示3位数字，精确到厘米，没有必要选用LCD，LED相对很便宜，所以选用LED显示。3.硬件接口电:MAX7219有两种硬件接口电路，串行口驱动接口方式和I/O口模拟三线协议时序驱动方式。由于串口输出时序是低位在前，高位在后，与7219的输出正好相反，因此串行口发送数据时，要进行位倒置操作，为简化程序，本设计采用I/O口模拟三线时序驱动MAX7219.AT89S51P2.0P2.2分别与MAX7219的DIN数据输入管脚，LOAD锁定输入管脚，CLK时钟输入引脚相连。 ISET端口通过串联一电阻与VCC相连，控制LED亮度，提供段电流，为了减少外界干扰，应在 MAX7219 的 Vcc引脚与 GND 引脚之间接一个 0.1 F的涤纶电容和一只 10 F 的钽电容。 当 MAX7219 远离主控制器（CPU）时，为了防止高频信号的干扰，传输数据的频率低一些， 并在 CLK 时钟输入引脚与 LOAD 锁定输入引脚与GND 引脚之间各自接一只 1 000 pF 的瓷片电容。 3.3.2 报警模块报警模块采用蜂鸣器，电路简单，易于实现。需要报警时将P2.7口置1,使得Q1导通,驱动蜂鸣器报警.3.3 EEPROM模块 1. 本设计采用EEPROM保存测量距离上下限两个数据，实现断电保持功能，EEPROM有1K/2K/4K/8K/16K位，本设计仅存两个数据，1K位已能满足，所以选用AT24C01. CAT24WC01是一个串行CMOS器件，内部含有128个8位字节。该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能，具有一百万次的编程/擦写周期。2. 管脚介绍：SCL：串行时钟输入引脚，用于产生器件所有数据发送和接收的时钟 SDA：串行数据/地址管脚，用于数据的发送接收。 A0A2：器件地址输入端，用于多个器件级联时设置器件地址，只有一个时，这三个引脚必须接地。WP: 写保护引脚，WP接VCC所有内容都倍写保护，只能读。接地或悬空时，允许器件进行正常的读写操作。 3.4 键盘模块 考虑到不同的场合对液位的要求不一样，所以本设计引入键盘电路，用来设定上下限，以适应各种场所需求。 该模块用来调整上下限： S0键为设定键，按下时进入设定上下限状态； S1键为光标右移键， S2为加1键 S3为确定键 S0S3分别接单片机P1.0P1.3，当S0S3都未按下时，P1.0P1.3均为高电平，单片机通过对P1.0P1.3口高低电平扫描，来识别所要的操作，通过软件实施相应操作。第4章 超声波液位计软件设计本章介绍本设计的软件设计:主要包括主程序，Timecount子程序，T0中断子程序，发超声波测距子程序，INT0中断子程序，LED显示子程序，设定上下限子程序，读EEPROM子程序和写EEPROM子程序。以下各节详细介绍。4.1 主程序该块为本系统主程序流程图1.首先进行变量定义，函数声明，单片机初始化 2.然后调用Timecount子程序，用T0定时20次，每次50MS，定时1s，保证每1S发射一次，定时时间到，调用超声波测距子程序，控制发生超声波，并对采集到的数据进行处理计算得到距离，并通过LED显示出来，如果超过上下限，则产生报警。 3.程序运行过程中，不断对K0进行扫描，若K0按下，则进入设定状态，设定新的上下限，并写入EEPROM。然后退出设定状态，程序反复运行，实现对液位的实时监控。4.2 测量显示子程序 主要包括Timecount子程序,T0中断子程序,发超声波测距子程序,INT0中断子程序和LED显示子程序.4.2.1 Timecount子程序该程序用T0计数，计时每次50ms，共20次，实现1s定时。由于晶振频率12MHZ，单片机每个时钟周期为1us，所以每次需计数50000次，T0选用定时方式1，应设置的定时时间常数为X补=65536-50000=15536=3CB0H高八位TH0=3CH 第八位TL0=0B0H 程序描述：首先对T0初始化，选用定时方式1，然后装入计算好的初值TH0和TL0，开T0中断，启动T0开始定时，定时50s到，将转入中断T0子程序。 4.2.2 T0中断子程序该中断子程序用来实现T0定时20次，每进入中断一次，说明T0计时满一次，当计时20次时，Oneflag置1，作为控制发射超声波的条件，并令Timecount=0，为下次计时做准备。 每次进入中断无论是否够20次，程序均向下继续执行，以便随时可以进入设定状态，对上下限调整。4.2.3 发超声波测距子程序本程序时该系统核心成分，完成距离的测量，计数，显示。首先对T1进行初始化，选择定时方式1.由单片机P1.6控制发射超声波，P1.6口置1后，不断扫描P1.7口，当p1.7口为1时，开T1开始计时，然后延时1ms，在开中断0，延时1ms也是为防止超声波从发射头直接进入接收头而误检测。T1开始计时后，不断扫描p3.2口，当p3.2从1到0时，进入中断子程序。4.2.4 INT0中断子程序进入INT0中断子程序，说明已完成一次超声波发射到接收的过程，进入中断，首先关闭T1，读出TH1,TL1，计算时间t，则液位计到液面的距离为H=1/2Ct，从而得液位高度h=S-H，S为液位计安装距离容器底部的距离。然后将算出的液面高度送MAX7219驱动LED显示4.2.5 LED显示子程序MAX7219时序介绍：表1 MAX7219命令与数据所组成的16位数据格式D15-D12无效位D11-D8地址位D7D0数据位XXXX四位寄存器地址八位控制命令或数据图中DIN位串行数据输入引脚，CLK为串行时钟输入端，当CLK上升沿时，数据载入16位移位寄存器，LOAD位片选端，当LOAD位低电平时该器件接收来自DIN的数据，接收完毕，LOAD返回高电平，接收的数据被锁存。程序流程：首先对MAX7219进行初始化，扫描三个LED，采用译码方式，然后分别将侧得的距离百位，十位，个位数据送LED1,LED2,LED3位地址显示，本设计不显示单位，单位厘米。4.3 键盘扫描子程序该设定程序默认先调整上限，后调整下限，光标用小数点代替，小数点先显示在百位，显示到哪移位，调整该位数值。K0按下，进入设定状态。首先，LED清屏，显示000，然后从EEPROM中读取上限值并显示，开始光标显示在百位，K1按下执行移位，K2按下加1（09循环）.上限调整好,K3按下时调整下限，方法同上限。4.4 EEPROM存取子程序4.4.1 读EEPROM子程序EEPROM读写数据（包括指令）都会涉及到时序问题。下面简要介绍一下EEPROM相关时序：起始/停止时序：时钟线SCL为高电平时，数据线SDA从高到低的跳变作为IIC总线的起始信号；时钟线SCL为高电平时，数据线SDA从低到高的跳变作为IIC总线的停止信号。时序图：由于上下限值保存在固定的地址，采用固定地址读方式，该方式下允许主器件对AT24C01任意字节进行读操作，主器件首先通过发送起始信号、从器件地址和它想读取的字节数据的地址执行一个伪写操作。在CAT24WC01应答之后，主器件重新发送起始信号和从器件地址，此时R/W位置为1，CAT24WC01响应并发送应答信号，然后输出所要求的一个8位字节数据，主器件不发送应答信号但产生一个停止信号。4.4.2 写EEPROM子程序指定地址写模式下，主器件发送起始信号和从器件地址信息（R/W位置0）给从器件，从器件产生应答信号后，主器件发送AT24C01的字节地址，主器件在收到从器件的另一个应答信号后，再发送数据到被寻址的存储单元。AT24C01再次应答，并在主器件产生停止信号后开始内部数据的擦写，在内部擦写过程E中， AT24C01不再应答主器件的任何请求。第5章 误差与干扰分析5.1 温度的影响声速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。 不同温度下的超声波声速 表2温度-30-20-100102030100声速m/s313319325323338344349386本设计采用20度时的声速，本设计精度要求不高，未采用温度补偿。5.2 直达波的影响 因为在实际测量时，在液位计的周围会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测。为解决直达波的影响，本设计分别在软硬件采取双重措施。硬件在2.3节为避免这种情况，用D5引入检测脉冲来适当提高IC5比较器的门限电压，由C11保持一段时间，这样在超声波发射器发出检测脉冲时，由于D5的作用使IC5的门限转换电压也随之被提高，由于C11的放电保持作用，就可以可防止这时由于检测脉冲自身的干扰而形成的误检测。 软件方面 在超声波发出，T0计时后，延时1ms在开中断0。但是这对近距离测量带来麻烦，这段时间超声波已行驶30厘米左右，所以超声波测距最小距离都大于30厘米。5.3 远距离测量由于空气对超声波的吸收与超声波频率的平方成正比, 因此用来测距的超声波的频率就不能很高。另一方面频率越低, 波长越长, 测距的绝对误差就越大。所以, 测距的范围加大与测量精度实际上是一对矛盾。在同样的环境、气温、湿度等条件下10kHz 的声波在空气中的声吸收约为0.26dB/m。按吸收与频率的平方成正比的关系估算, 频率为20kHz 超声波的声吸收大约为1dB/m , 而40kHz 时便达到了4dB/m。这也正是通常使用40kHz 超声波的单频测距方法的测量范围不超过10米的原因。结 论经过努力，本次毕业设计成功实现了超声波液位计的设计，实现了对液位的实时监控，报警等功能。在软硬件设计过程中遇到了许多问题， EEPEOM的扩展，串行数据的传输，超声波误检测的防护措施等，经过不段的发现问题，认真思考，这些问题最终得以解决。论文的创新点：超声波液位计在市场上可谓种类繁多，技术也相当成熟，本设计扩张了EEPROM和报警模块，更能满足实时监控的需求。通过这次毕业设计，使我对四年以来所学的专业知识有了更深层次上的认识。大大提高了动手能力，而且使我对产品开发的过程有了更深刻的了解。致 谢四年的大学本科阶段很快就要过去了，在我的毕业论文即将完成之际，谨向所有在四年的学习过程中给予我指导和帮助的老师和同学表示深深的谢意。特别感谢我的导师张延宇老师，他严谨的治学精神和生活态度也深深地影响着我，使我受益无穷！参考文献151单片机C语言常用模块与综合系统设计.电子工业出版社. 2孙育才. 单片微型计算机及其应用.东南大学出版社.3周立功 单片机C51教程.4.阎 石 数字电子技术基础 高等教育出版社5.邱关源 电路 高等教育出版社6.王 庆 protel 99se 电子工业出版社7.AT89S51 Datasheet ATMEAL 8.MAX7219 Datasheet MAXIM 8.CAT24WC01 Datasheet CATALYST /附录#include #include7219.h #include24c01.h#include.#defineucunsignedchar #defineuiunsignedint #definenop_nop_()/ 7219工作方式定义#define yimaadr 0x09 /译码寄存器地址#define yima_0 0x00 /不译码工作方式#define scanadr 0x0b /扫描寄存器地址#define scannum 0x02 /扫描三个LED#define shuta