超声波水位检测仪的设计开题报告

1毕业设计的主要内容、重点和难点等研究内容超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制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，并且测量精度较高。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。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。本课题的研究内容是基于超声波测距系统开发出一套适用于液位测量的装置，具有容器高度输入，利用单片机超声波测距系统测量液位并进行计算得出液位高度，并使用LCD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；（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；（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、界面直观简洁的人机界面难点（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；12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12近年来，随着电子技术和信号处理技术的迅速发展，液位测量仪表中的测量技术也发展很快，经历了由机械式向机电一体化再到自动化的发展过程。结合这两大技术，尤其是将微处理器引进液位测量系统以后，使得液位计的精度越来越高，越来越向智能化、一体化、小型化的方向发展。从上世纪八十年代开始，一些发达国家就借助微电子、计算机、光纤、超声波、传感器等高科技的研究成果，将各种新技术、新方法应用到储罐液位测量领域。电子式测量方法便是其中的重要成果之一。在电子式液位测量方法中，有许多新的测量原理，包括压电式、应变式、雷达式、超声波式、浮球式、电容式、磁致伸缩式、伺服式、混合式等二十多种测量技术。由于该方法测量精度高，可靠性强，持续时间长，安装维护简单，因而正在逐步取代旧的机械式液位测量方法。用于储罐液位测量的众多电子式技术中，压电式、超声波式、应变式、浮球式、电容式五种测量技术应用最为广泛，约占总数的60以上。其中，超声波式测量技术的应用份额最大。超声波液位测量有很多优点它不仅能够定点和连续检测液位，而且能够方便地提供遥控或遥控所需的信号。与放射性技术相比，超声技术不需要防护。与目前的激光测量液位技术相比，超声方法比较简单而且价格较低。一般说来，超声波测位技术不需要有运动的部件，所以在安装和维护上有很大的优越性。特别是超声测位技术可以选用气体、液体或固体来作为传声媒质，因而有较大的适应性。所以在测量要求比较特殊，一般液位测量技术无法采用时，超声测位技术往往仍能适用。（2）国内的发展趋势37液位测量广泛应用于石油、化工、气象等部门。实现无接触、智能化测量是液位计目前的发展方向。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，近年来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。从测量范围来说，有的液位计只能测量几十厘米，有的却可达几十米。从测量条件和环境来说，有的非常简单，有的却十分复杂。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。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人类。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2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超声波液位计、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。目前，市场上的液位仪表功能各异，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，但价格自然相对便宜。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。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和新原理的小型液位开关。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，1996,0278813李广峰，刘昉，高勇超声波流量计的高精度测量技术J仪器仪表学报,2001,0654564潘仲明大量程超声波测距系统研究D国防科学技术大学,20065王莹高精度超声波测距仪的研究设计D华北电力大学（北京）,20066雷建龙便携式液位测量仪的研制J传感技术学报,2006,041121147缴瑞山，韩全立主编单片机控制技术及应用M北京高等教育出版社，20038谭浩强C语言设计教程M北京清华大学出版社，20079周润景等基于PROTEUS的电路及单片机设计与仿真M北京北京航空航天大学出版社，3201010卢伟，王杨，赵红东，渠建兵，夏克文高精度超声波液位测量系统的设计与实现J仪表技术与传感器，2013,07464811兰羽，汪晓鸿基于AT89C52的超声波液位测量系统设计J国外电子测量技术，2013,10303312卢伟高精度超声波液位测量系统的设计与实现D河北工业大学，201213曹建海，路长厚，韩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，2004,01394014刘艳艳超声波液位计的研究D北京化工大学，200715韩升晖基于单片机的超声波液位计的设计与实现D华北电力大学，201416潘天放高精度超声波液位计的研究D南京理工大学，201017朱江超声波液位仪设计与精确度的研究D吉林大学，200918周淑云超声波液位测量系统的应用J石油化工自动化，1999,03717219蒋跃元，王文然，李德重，杨念祖自校准超声波液位测量的研究J机械工业自动化，1996,02394220CRAWFORDHD,WILDJJ,WOLFPI,ETALTRANSMISSIONOFULTRASOUNDTHROUGHLIVINGHUMANTHORAXJIRETRANSACTIONSONMEDICALELECTRONICS,2009,ME6,ISSUE3,PP141146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43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需要解决，分别是系统整体设计、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5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。本设计基于单片机的超声波液位测量系统主要由硬件与软件两部分组成，硬件是基于STC89C52芯片为核心的超声波液位测量，采用STC89C52单片机进行控制及数据处理，给出了超声波发射和接收电路。利用超声波传输中距离与时间的关系，设计出了超声波液位检测系统。一、系统设计内容和功能本设计中采用的是反射式的方式，超声波传感器发射超声波，遇到液面后超声波被反射回来，超声波接收探头接收超声波。期间通过单片机的控制，I/O口输出控制信号从NE555振荡器输入到CD4069驱动电路驱动超声波发射。经过液面反射后超声波接收探头将收集到的超声波送到单片机进行处理，输出由LCD数码管显示。利用超声波传输中距离与时间的关系，设计出能测量两点间距离的超声波液位检测系统。利用所设计的液位检测系统，对液面进行了测试，计算出液面距离。此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时测量液位。设计具体内容（1）STC89C52主控单元电路（2）超声波发射电路（3）超声波接收电路（4）报警及显示电路二、具体如下1、硬件设计本系统包括以下几部分以单片机STC89C52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、扫描驱动等。系统总体方案的设计本设计采用模块化设计思想，以单片机STC89C52为核心，将其他模块有机的整合在一起，形成一个统一的系统。STC89C52是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。采用STC89C52来实现对CX20106A红外接收芯片和CD4069系列超声波转换模块的控制。单片机通过P10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液位之间的距离，再由已知容器高度计算液位高度。系统组成如图1所示6STC89C52单片机超声波接收超声波发送LCD显示报警系统图1系统组成555电路2、软件设计由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。（1）超声波测距仪的算法设计超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到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。距离的计算公式为2TCSD其中，D为被测物与测距仪的距离，S为声波的来回的路程，C为声速，T为声波来回所用的时间。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。（2）测量结果计算过程的分析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01MS（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1S，当主程序检测到接收成功的标志位后，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液位与测距仪之间的距离，设计时取20时的声速为344M/S则有0217/0CMDCT其中T0为计数器T0的计数值；液位H由容器高度H和D相减得出7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。主程序框图如图2所示程序初始化定时中断子程序收到回波外部中断子程序显示结果图2程序框图开始是是是进度实施计划第一阶段（2月28日至3月6日）完成超声波液位测量方案的设计，查找基于单片机超声波液位测量资料，画出超声波液位测量原理框架图，提交硬件其原理草图一份。第二阶段（3月7日至3月13日）硬件电路模块方案设计。具体包括单片机最小系统，超声波发射与接收模块，LCD显示模块等。第三阶段（3月14日至3月16日）系统软件设计。内容包括主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。第四阶段（3月17日至3月20日）硬件设计布局。器件选型，如芯片；对电路进行调试。提交PCB图源文件一份。第五阶段（3月21日至3月31日）方案论证。包括硬件电路原理和软件变成设计的可行性论证。第六阶段（4月1日至5月5日）软件编程并与硬件进行联调，最后提交该电路板。8第七阶段（5月6日至5月30日）整理毕设相关材料，撰写毕业设计说明书，以及之后对毕业设计说明书的修改。预期提交的毕业设计资料1、完成二万字左右的毕业设计说明书（图表资料齐