【毕业学位论文】(Word原稿)基于单片机控制的超声波液位测量系统-电气自动化技术

毕业设计 （论文） ( 2010 届 ) 题目 ： 基于单片机控制的超声波液位测量系统 系 别 计算机工程系 专业班级 07 电气自动化技术 (1)班 学生姓名 周炉兴 学 号 0711030135 导师姓名 黎云汉 讲师 成 绩 2010 年 5 月 10 日 目 录 一、引言 . - 1 - 二、超声波液位测量原理 . - 2 - （一）超声波的基本特性 . - 2 - （二） T/声波传感器 . - 3 - 1超声波传感器型号代码 . - 4 - 2超声波传感器的结构图 . - 4 - （三）超声波测距理论分析 . - 4 - 三、系统硬件设计 . - 6 - （一）系统硬件设计思路 . - 6 - （二） 片机最小系统 . - 6 - 1复位电路 . - 6 - 2时钟电路 . - 6 - 3按键电路 . - 7 - （三）超声波发射电路 . - 7 - （四）超声波接收电路 . - 8 - （五）温度检测电路 . - 9 - （六）显示电路 . - 9 - 1 形尺寸 . - 10 - 2 令说明 . - 11 - 3 行读 /写操作时序 . - 12 - （七）在线下载程序电路 . - 12 - （八）声光报警电路 . - 13 - 四、系统硬件制作 . - 13 - （一）硬件原理图绘制 . - 13 - （二）硬件 绘制 . - 14 - 1 计的基本流程 . - 14 局和布线原则 . - 14 - 3 路板的抗干扰设计原则 . - 15 - 4 . - 16 - （三） 的制作 . - 17 - 1 制作的前期 . - 17 - 2 制作的中期 . - 17 - 3 制作的后期 . - 17 - （四）最后实物图 . - 18 - 五、系统软件设计 . - 18 - （一）软件总体设计框图 . - 18 - （二）按键功能模块 . - 19 - （三）超声波发射 模块 . - 20 - （四） 度补偿模块 . - 20 - 1 始化 . - 21 - 2 数据 . - 21 - 3 数据 . - 21 - （五） 示模块 . - 22 - （六）延时子程序模块 . - 23 - 六、测试结果与分析 . - 24 - （一）没加温度补偿前 . - 24 - （二）加温度补偿后 . - 25 - 七、总结 . - 25 - 参考文献 . - 27 - 在校期间参与的项目与发表论文 . - 28 - 致 谢 . - 29 - 基 于单片机控制的超声波液位 测量 系统 计算机工程系 07 电气自动化 1 班 周炉兴 指导 教 师：黎云汉 摘要： 随着社会的发展， 超声波 的应用 越来越广泛，如：倒车测距、机器人判向、 气象水位的测量、大型油罐液位的测量 等。 而 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， 超声波测液位 也 发生了 日新月异的变化 。 本文是 在 熟悉了单片机、超声波、 12864 液晶屏和 性能后 ， 以 用 T/R 40 超声波 对液位进行自动检 测；温度传感器 环境 温度 实时监测； 晶屏 实时 显示测量数据 ； 方便了 操作人员对 系统 检测结果 的监控 。 系统 硬件 电路 设计 主要包含：超声波发射电路 、 接收电路 、 显示报警电路 、 温度补偿电路和相应的按键控制电路。 超声波发射电路由单片机发出的脉冲信号，经过信号整形后，传到超声波换能器 (中心频率为 40将电能转换为机械能 ， 以满足超声波传感器的驱动要求。 超声波接收 电路 采用红外接收电路 常用的 片 ， 简化了电路 ， 并具有较强的抗干扰性 。 接收电路 将回波信号转换成单片机的中断信号。片机是其核心部分，主要任务是，发出脉冲串用来驱动超声波发射换能器发出超声波，通过定时器 超声波传输时间进行计时， 利用 行 温度的测量，根据测出的时间 、温度和 有关参数计算出距离 。 系统 软件设计主要利用 行编程，为了使整个程序 的层次和结构比较清晰 ， 采用 了 单片机 C 语言 模块化的设计思想。这样的方法有利于程序的调试和修改。软件模块主要分为 示模块 、 按键设置模块 、 温度传感器 模块 、 报警与数据处理模块 等 。 对系统进行测试 和 记录结果 表明 ， 该系统能较为准确测量液位。 关键词 ： 超声波 液位 测量 自动控制 片机 - 1 - 一 、 引言 随着科技的发展， 超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。如 工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘查等 ； 生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等 ； 诊断学方面的应用： A 型、 B 型、 M 型 和 D 型等 ；治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等 。 目前， 市场上的超声波液位仪表功能各异，价格差异也较大。从价格和功能上比较，国内和国外产品存在较大的差异：国外的液位测量仪表，功能较全，精度较高，但价格比较昂贵；而国内产品其功能和精度相对较低，但价格相对便宜。 国外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 出现 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， 其 结构有了很大的改善、功能有了很大的提高。从国外液位仪表发展的技术动向看，当前主要有三个热点：接触测量方式的液位仪 ； 非接触测量方式的液位仪； 新原理的小型 液位开关。 国内液位计的生产主要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超声波液位测量仪表，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。 超声波液位测量也广泛应用于石油、化工、气象等部门。实现无接触、智能化测量是液位测量目前的发展方向。由于计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，近年来液位仪表的研制得到了飞速的发展，已经满足了一般环境的应 用。 但是有 些 要在非常苛刻的条件下进行测试， 如在高温、高压、低温、防腐蚀和 防辐射 等环境下，这就需要能耐高温高压非接触等传感器。超声波就是非接触的传感器所以它 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。 本文设计 是 为满足 在工业生产领域中测量有毒、有害、 高腐蚀、高温、高浓度等物质的液位高度， 所以 采用超声波法进行非接触测量。超声波 测量方 法安全、易于安装、 与 辐射法 相比对人体 危害少。 本 文 首先对 超声波的液位测量原理、特点及测量系统的设计进行分析研究。 其次 - 2 - 对超声 波液位测量系统的硬件 电路进行分析以及硬件 制作过程，同时对系统软件流程进行了分析。最后对系统测试结果进行了比较与总结。 二 、 超声波液位测量原理 为了得到性价比较高的超声波液位测量系统，就必需要对超声波的基本特性与结构。 （ 一 ）超声波的基本特性 1 超声波具有较好的指向性 频率越高，指向性越强。这在诸如探伤和水下声通讯等应用场合是主要的考虑因素。 2 超声波的频率高时，相应地波长将变短，因而波长可与传播超声波的试样材料的尺寸相比拟，甚至波长可远小于试样材料的尺寸 。 这在 厚度尺寸很小的测量应用中以及在高分 辨率的探伤应用中是非常重要的。 3 超声波用起来很安静，人们听不到它。这一点在高强度工作场合尤为重要。这些高强度的工作用可闻声波来完成往往更有效，然而遗憾的是，可闻声波工作时所产生的噪声令人难以忍受，有时甚至是对人体有害的 。 超声波测距利用 了 超声波在空气中的传播速度为已知 的原理 ， 如果温度变化不大 ， 则可认为声速是基本不变的 ， 测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间 ， 根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离 。 由此可见 ， 超声波测距原理与雷达原理 相同， 测距的公式为 ： L=C t (1公式 (1 L 为测量的距离长度 ； C 为超声波在空气中的传播速度 ； t 为测量距离传播的时间差 (t 为发射到接收时间数值的一半 )。 超声波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 ， 其传播速度主要考虑温度的影响在空气中传播速度为 ： C=332+T (1公式 (1 332m/s 为零度时的声速， T 为实际温度值。当 温度已知时 ， 超声波 的速度 是 定 值， 只要记录从 超声波信号 发射 开始 至 接收 到 超声波 信号所用的 时间即可由公式 (1出被测距离 。 超声 波 液位测量有定点测量和连续测量两种。定点测量一般是在容器某一高度水 - 3 - 平上选择两点，一点用于发射超声波，另一点用于接收超声波，以判断随时间改变的物料是否达到已知高度；连续测量则要求检测出容器中物料任意位置的高度，通常采用从容器的顶部连续向物料发射超声波的检测方法 。 连续测量液位时利用反射原理 ，让发射 换能器发出超声波脉冲，到达物面后反射回来由接收换能器接收。根据超声波往返时间在已知声速的条件下即可测得液位 (即利用超声波测量距离的原理 )。 （ 二 ） T/声波传感器 超声波发生器可以分为两大类：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。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。 压电式超声波 有两个压电晶片和一个共振板 (如图 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，便产生超 声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 超声波发射转化器与接收转化器稍有点不同。 共 振 板电 极 压 电 晶 片图 超声波转化结构图 空气中频率较低的超声波耦合良好，所以本系统选用 40 T/压电陶瓷超声波传感器。 T/声波传感器在输入频率为 40，各种特性呈现最佳状态。 - 4 - 1 超声波传感器型号代码 图 超声波传感器型号代码，如图可知 T 代表发射超声波； R 代表接收超声波。 “ 40” 是代表超声波的中心频率为 40 16” 代表的就是超声波传感器的外壳直径 ( T / R 4 0 _ 1 6外 壳 直 径 ( m m )中 心 频 率T : 发 射 R : 接 收 图 超声波传感器型号代码 2 超声波 传感器的 结构图 T/声波 传感器的尺寸 (如表 结构图 (如图 表 T/尺寸表 (型号 A B C D E T/ 超声波外形 结构图 只要当输入信号在 40， T/声波传感器的各种性能都达到了最佳的状态，又因为用 555 定时器等硬件产生的方波不够平稳，而单片机利用程序可以产生非常稳定的 40方波，所以 为了得到最佳效果 本系统 使 用 单片机输出方波的频率为 40超声波发射。 （ 三 ）超声波测距理论分析 超声波测距主要是利用 超声波 的 方向性好，能够定向传播， 遇 到障碍物时能够反射 的特性 。 并且 超声波 在同一介质中传播的速度是一样的 (温度不变的情况下 )。利用超声波的反射、折射和衰减等特性， 超声波测量方法有很多，如 ： 脉冲回波法、共振 - 5 - 法、 对射法、 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。它的基本工作原理是 ：发射头 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 头 ，传感器把声信号转换成电信号，由 单片机程序 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 ，就可以用公式 (1出距离。 图 图 别是测物距和 测 液 位 图。 超声波测物距图 由 如图 知道，实际过程中 超声波直线发射出去，但并不是直线接收到的。发射与接收过程中存在一个角度。所以利用公式 (1出来的值与实际值是存在一定的误差的。 如果想让公式 (1接 近 实际值 ， 可以采用 自发自收单传感器方式 ， 但 是本文采用的是压电陶瓷传感器， 而 压电陶瓷传感器的余震较为严重，单发单收的探头检测死区较大。为避免这一点，本系统采用双探头的设计，即 利 用两个超声波传感器 ：一个用来接收，一个用来发射。传播介质为气体。 发 射 传感 器接 收 传感 器液 面图 超声波测液位图 本文 虽然利用 发射与接收传 感器进行设计，但是从发射出超声波到接收到超声波的时间 计算 也是一个问题。 因为如果利 用外部计时器 计时，那么计时时间 不 够 准 确 ，所以 为了提高 计时 时间的 准 确度， 利用单片机内部定时器与 外部 中断的结合运用， 在开始发送超声波的同时开 启 定时器计时， 先连续发送一串超声波，然后等待接收到超 - 6 - 声波的中断信号，接收到 就 停止 计 时 ，再根据公式 (1行计算。 三 、 系统硬件设计 （ 一 ）系统硬件设计 思路 按设计要求，根据超声波测距原理，以单片机 核心的测液位系统。 系统 各部分电路 功能 设计如下 ： 1 按 键设置 超限 报警值 ； 2 单片机发出 40波驱动超声波发射头发射超声波； 3 定时器 行 计时发射 接收的 时间； 4 外部 为 接收到 中断信号输入 端 ； 5 出环境温度 进行温度补偿 ； 6 晶屏显示 数据 ； 7 蜂 鸣器 进行超限报警； 8 红、黄和绿灯作为工作情况 的 指示灯 。 （ 二 ） 片机最小系统 图 单片机的最小系统图，它分别由复位电路、时钟电路和按键电路组成。每部分电路功能如下： 1复位电路 本系统复位电路利用手动复位和上电复位组合构成，上电时加电瞬间，电容 6 充电， 得到正脉冲 ，用以复位。同时当单片机进入运行状态，如果出现错误，此时就可以通过按键进行复位。 2时钟电路 本系采用 12M 晶振加于单片机 9 脚 )和 8 脚 )并通过20电容接地为单片机提供工作时钟。 - 7 - 3按键电路 本系统利用了 低 4 位作为按键接口，以低电平有效。通过这四个按键进行对报警上限值设 置。 (能设置键 ， (值加键， (值减键， (定键。 1528 片机最小系统 （ 三 ）超声波发射电路 单 片机发出的脉冲信号 ， 经过信号整形后 ， 传到超声波换能器 (中心频率为 40将电能转换为机械能 。图 超声波发射电路 ，由图可知信号由单片机的 发出 ，为 方波信号， 先由 74反向器 )进行波形的整形，再经过两个 1K 的上拉电阻 传到超声波换能器 (中心频率为 40经上拉电阻之后就加强了驱动能力，最后通过超声波发射头 将电能转换为机械能 发射出去。 - 8 - 133 超声波发射电路 （ 四 ）超声波接收电路 图 超声波接收电路，由于超声波发射后，在传播过程中存在衰减，且超声波频率越 高，衰减的越快，但频率高有利于提高超声波的指向性。超声波在传播过程幅值衰减很大，收到的回波频率可能十分微弱，要准确判断接收到第一个回波 的 时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不能准确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。 为了克服以上问题， 本系统利用 红外转化接收的电路集成 芯片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。 由于这款芯片的 载波频率 为 38超声波频率 40为接近， 所以利用 这样设计 即 简化了电路 又使系统 具有很高 的灵敏度和较强的抗干扰能力。 接收端 接收到超声波时将在 片的 7 脚产生一个低电平，而 7 脚又接到单片机的 (断口 )，这样就可以准确的判断接收到超声波了。 超声波接收电路 - 9 - （ 五 ）温度检测电路 设计中 温度检测采用 感器 。 美国 导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理。 图 温度传感器 观和引脚图，可以看出它的外形与三极管一样。只有三根引脚，分别是 1 脚 ( 2 脚 (数据线 )和 3 脚 ( 图 观和引脚图 图 片机的接线图，从图中可以看出， 片机只须一个 I/O 口就可以控制 号线与单片机的 连接在一起， 是实时检测环境温度并且通过单片机的 进行温度对超声波影响 (公式 (1计算，达到温度补偿的功能。这样 能使 程序计算出的距离值与实际值更加的相近。 单片机接线图 （ 六 ）显示电路 为了显示液位 的 实际高度、显示报警值和 显示 环境温度值 ， 所以本系统采用为显示器。 图 示电路，本系统是采用 串行控制方式， 脚 (电源地 ； 第 2 脚 (电源正；第 3 脚 (液晶显示对比度调 - 10 - 节端；第 4 脚 (行控制方式片选接于单片机的 ；第 5 脚 (行控制方式的数据口接于单片的 ；第 6 脚 (行控制方式的同步时钟信号与单片机的 相连； 7 是数据口；第 15 脚 ( /串选择： H 并行 L 串行；第 17 脚(位，低电平有效；第 19(第 20 脚 (背光电源正极与负极。 R/W(S) 示电路 1 形尺寸 外观尺寸： 93 70 视域尺寸： 73 39 形尺寸图 - 11 - 2 令说明 下表是 12864 液晶指令 说明。 表 12864 液晶指令表 指令 指令码 功 能 6 4 2 0 清除显示 0 0 0 0 0 0 0 1 将 满 20H，即空格，并且设定 地址计数器( 00H 地址归位 0 0 0 0 0 0 1 X 设定 地址计数器 ( 00H，并且将游标移到 开头 原点位置 显示状态 开 /关 0 0 0 0 1 D C B D=1 整体显示开 C=1 游标开 B=1 游标位置反白允许 进入点设定 0 0 0 0 0 1 I/D S 指定在数据的读取和写入时，设定游标的移动方向及指定显示的 移位 游标或显示移位控制 0 0 0 0 S/C R/L X X 设定游标移动与显示移位控制位，这个指令不改变 内容 功能设定 0 0 1 X ： 4/8 位数据 ：扩充指令操作 ：基本指令操作 设定 0 1 定 址 设定 1 0 定 址 第一行： 80H87H 第二行： 90H97H 读取忙标志和 地址 取忙标志 (以确认内部动作是否完成，同时可以读取地址计数器 (值 - 12 - 3 行读 /写操作时序 图 本系统控制 12864 液晶屏显示的串行读 /写操作时序图， 相连； 单片机的 相连； 单片机的 相连。时序图表明要进行串行读 /写操作就必须使 高电平，当 高电平同时 提供 时钟，此时 用命令控制字进行控制是 (11111000)写指令、 (11111010)写数据、(11111100)读 状态 还是 (11111110)读数据，当第一字节命令控制发送完，接着第二字节发送数据或指令高 4 位，低位置 0， 最后发送数据或指令低 4 位，低位置 0。 1 1 11 1R / W D / 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4D 7 D 6 D 5 D 4 0 0 0 0 D 3 D 2 D 1 D 0 00 0 0命 令 控 制 字 :1 1 1 1 1 0 0 0 - 写 指 令1 1 1 1 1 1 0 0 - 读 状 态数 据 或 指 令 高 4 位低 位 置 0数 据 或 指 令 低 4 位低 位 置 0第 二 字 节第 一 字 节第 三 字 节C L 12864 液晶串行读 /写操作时序图 （ 七 ）在线下载程序电路 图 线下载程序电路，图中的电路接法对照表 接， 单片机 接， 单片机 接， 单片机的第 9脚 (接，第 2，第 4 脚分别连 +5V 与地。由于下载电路中的第 2，第 4 脚已经提供了 +5V 电源，为此 电路板 可以不用电源。 线下载程序电路 - 13 - 表 片机 的第二功 引脚号 第二功能 2(定时器 /计数器 外部计数输入 )，时钟输出 2时器 /计数器 捕捉 /重载触发信号和方向控制 ) 系统编程用 ) 系统编程用 ) 系统编程用 ) （ 八 ）声光报警电路 图 声光报警电路图，本系统 采用电磁式蜂鸣器 和 为 超限 报警提示。通过单片机 连接一个 1K 电阻 再 接 至 三极管 的基极来 驱动蜂鸣器。当 输出一定频率的 脉冲信号 时 ，三极管 在 导通 与截止 两种状态 之 间 转换 ， 这样 就会 产生一定频率的变化电平使 蜂鸣器发出报警声。 法是：电源 +5K 的限流电阻接上灯的正极，负极接在单片机的 、 和 。当蜂鸣器发出报警的同时 ， 、 或 根据超限情况，让某一颜色 的灯按一定的频率闪烁 (红灯：超过上限 值；黄灯：超过下限值；绿灯：正常 )。 声光报警电路图 四 、 系统硬件制作 （ 一 ）硬件原理图绘制 图 超声波液位测量系统图，此图是根据系统硬件设计思路，把 声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、在线下载程序电路和声光报警电路 进行整合 。图中大部分线是直接连接的，但部分线采用了标号法连接。 - 14 - 线下载模块 温度检测模块电源模块声光报警模块显示模块1528R/W(S)133 超声波液位测量系统 图 （ 二 ）硬件 绘制 利用 制好硬件电路原理图后，再根据 计 的 基本流程绘制出 。 1 计 的 基 本 流程 计的基本流程 分为 网络表输入、规则设置、元器件布局、布线、检查、复查和输出等六个步骤。 2 局和布线原则 局和布线应依据以下原则： （ 1） 所用元器件的功能对布局布线的 要 求 有些特殊元器件在布局布线时有特殊的要求，比如 用的模拟信号放大器，模拟信号放大器对电源要求要平稳、纹波小。模拟小信号部分要尽量远离功率器件。在 上，小信号放大部 分还专门加有屏蔽罩，把杂散的电磁干扰给屏蔽掉。 上用的 片采用的是 艺，功耗大发热厉害，对散热问题必须在 布局时就要时行特殊考虑，若采用自然散热，就要把 片放在空气流通比较顺畅的地方，而且散出来的热量还不能对其它芯片构成大的影响。如果板子上装有喇叭或其他大功率的器件，有可能对电源造成严重的污染 。 这一点也应引起足够 - 15 - 的重视。 （ 2） 电源、地线的处理 既使在整个 中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电源、地线的布线要认真对待，把电源、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。 电源、地线之间加上去藕电容。尽量加宽 电源、地线宽度，最好是地线比电