利用超声波传感器测量液位高度.

1、本科生毕业设计（论文）题目：利用超声波传感器测量液位高度The Design of Using Ultrasonic Sensor Measure TheLiquid Level Altitude院系名称：学生姓名：学生学号：专 业：指导老师：完成时间：本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。其中除加以标注和致谢的地方，以及法律规 定允许的之外，不包含其他人已经发表或撰写完成并以某种方式公开 过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而作的材 料。其他同志对本研究所做的任何贡献均已在文中作了明确的说明并 表示谢意。本毕业设计（论文

2、）成果是本人在江西师范大学读书期间在指导 教师指导下取得的，成果归江西师范大学所有。特此声明。声明人（毕业设计（论文）作者）学号:声明人（毕业设计（论文）作者）签名:随着现代科学技术的发展，人们逐渐了解到，超盲波的穿透力很强不易损坏 物体，而且它在两万赫兹以上，不会影响到人们的正常工作，并且他的传播速度 快。由于超青波具有这样大的优点，所以人们对超青波的利用率越来也髙。从大 到工业体系的探伤，小到测距和金属表面清尘，超声波几乎无处不在的伴随我们 的生活。本设计是以AT89S52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超肓 波测距仪。整个电路采用模块化设计，由单片机控制模块，超声波发射模块，

3、超 言波接收模块和数据显示模块组成。软件部分由主程序、预置于程序、发射于程 序、接收于程序、显示于程序组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现 超肓波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和 软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。关键词： AT89S52;超声波；测距AbstractWith the development of modern science and tcchnologs-, people gradually understanding that vhc ultrasonic wave penetrating power is

4、very strong.The ultrasonic wave is not easy to damage the object,morover it above 20KHZ and affect people s nomal work. So the using of Ultrasonic wave is more and more frequent From the large scale flaw detection of the industrial system to the measuring distance and clearing of the metal surface ,

5、 the ultrasonic wave is useful in our every daily life The ultrasonic distance measurer design with digital display functional module used AT89C52 MCU as the core component,of which carries the characteristics with low-cost,high-precision and microminiaturization.Thc whole circuit used modular desig

6、n,it includes the MCU control module,ultrasonic transmit module,ultrasonic receive module and the Data display module.In the software： design part,it contains the main program,the presets subroutine,the launch subrourincthc rcccinng subroutine and the display subroutinc.Throui the comprehensive anal

7、ysis processing of the AT89C51 MCU, The signal of each detector can realizing the functions of ultrasonic measurc.Based oil these,designed the overall scheme of vhc system/)n the finally,through the hardware and software realize the whole modulus.And the relevant parts have the hardware circuit diag

8、rams and program flow charts on the appendixKey WO rd S: ATB9S 52; Silent Wave; Measure Distance摘 要IAESTRACTII1引言12课题设计的任务和要求13课程的方案设计与论证23.1系统整体方秦的设计23.1设计方案一23.1.2设计方案二33.1.3方案比较以尺论证53.2系统整体方案的论证54系统的硬件结构设计64.1各芯片功能特点简介74.152系列单片机的功能特点74.1.2 CX20106简介及其调试84.1.3 741s573管即及功能特点94.2测距原理尺框图10421超芦波测距的

9、原理10422超声波测距仪原理框图104.3超宙波发射电路114.4超击波检测接收电路114.5数据显示部分电路124.6超击波测距系统的硬件电路设计135系统的软件编程设计145.1超击波测距仪的基法设计145.2主程序流程图145.3超击波发生亍程序和超击波接收中断程序165.4系统的软硬件调试176结束语18参寿文献19附录一：超声波测距电路原理图20附录二：程序洁羊211引言在科学技术日新月异发展的今天，许多场合开始引迸电于设备做为辅助检 测，针对诸多行业储液罐液位测量的特点和技术要求，设计一种基于超声波传感 器的液位高度测量系统。超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的 速度

10、传播，由于超声波具有定向性好，能量集中，在传输过程中衰减小，反射能 力较强等特点，超言波传感器可广泛应用于非接触式检测法，不受光线，被测物 颜色等的影响，它不仅能够定点和连续测液位，而且能方便地提供遥测或遥控所 需的信号。与其他侧位技术相比较，它不需要特别防护，安装维修较方便，而且 结构方法都较简单，价格低廉。在超声波液位测量技术中，应用最广泛是超声波 脉冲回波方法，由发射传感器发岀超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感 器，测出超言波脉冲从发射到接受所需的时间，根据媒介中的声速，就能得到从 传感器到液面之间的距离，从而确定液位高度。2课题设计的任务和要求设计一个超声波测距仪，任务：(1).

11、7解超声波测距原理。根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。设计一个超声波测距仪，要求：(1).设计出超声波测距仪的硬件结构电路。对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从 而实现利用超声波方法测量物体间的距离，并且，测距范围在20cm-2m之间， 测量精度控制在3mm以内。对设计的电路进行分析。(4).以数字的形式显示测量距离。3课程的方案设计与论证3.1系统整体方案的设计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。利用超肖波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简 单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使

12、用要求。超言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、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、和肖波特性各不相同，因 而用途也各不相同。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据 设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89S52单片机作为控制器，用动态扫 描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。3.1.1设计方案一（发射部分）通过N已555振荡器设计出振荡电路，产生40KH的脉冲在通过CD4069的驱动作用于超肓波发射探头上（如图3-1 ）（接收部分）将超吉波探头接收

13、到的正弦40KH超声波信号（其VPP为50mV）通过LM324运放三级放大以尺整形以后产生VPP为3.5V的梯形波信号,用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序（如图3-2）。I IIIPuvcJ、ItsT|*Vh、J、2丿7cPrnUliJ*500JI丿1P】O23、&tVCA23Tprc?2TAS lkTS$6rVcI、ILX*VI10-图3-1 555超声波发射电路原理图IIOUT.M30X图3-2 324超声波接收电路原理图3.1.2设计方案二（发射部分）通过单片机发射40KH的脉冲，在经过4069非门,在经过4011 与非门的驱动作用于超声波发射探头上（如图3-3）、（如图3-

14、4） 口。（接收部分）将超声波接受探头接收到的信号通过CX2（）106整形和滤波以 后再CX20106的7脚输出一个40KH的脉冲，在单片机的P3.2处产生一个下降 沿（如图3。C丄Vtt-2L_10TjPTFXTLIXT心RST化申ACEP0XD 尢 l/TD 尢WTO P3 ia6TLdDAurr.1/PI09 、87A2HU5OT-40尺5Vrit、rxtAJ|r59图3-4超声波发射电路原理图2CZ2O106-+511J ClC2GNDC3 OUT VCC寸9DO、1R1R24.7200/22丿mvR-40+ C;、33IP十Cl十C；3.：、lu、u01T- Pl.i 匚P1.2 匸

15、R1.3 匸P1.4C(MCSI：. P1.5C (MISO：. P1.6CCSCKJP1.7CZRST匚(RXO：. P3.0 匚 (TXD)P3.1 匚 (1NTC? P3.2 匚 (TFTFTj U 匚(TO) R3.-4 匚(T1) R3.O 匸R3.e 匸(RO：. R3.7 匸XTAJU2 匚XTAL1匚GNDQ=1 VCC二1 PO.O (AOO) Z) PC 1 (AD1) Z) PC 2 (d8) PC- S (AD3) PD A (AE4) PO.5 (AD5) Zl PC S. (ADC) PC.7 (AD7) EA.-VPP=AkE-PROG PSER二尸 N7 (A1

16、3) 二尸NO (A 1毎 二1 F2.G (A 13) 二l 电 V (A12) 二P2.a (A11) =l PH2: (A1O) Z1 Pl? 1 (AQi P2 D (AS：|图4151单片机系列封装图AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash, 256字节RAM, 32位I/O 口 线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至()Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作， 允许RAM.定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内

17、 容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位 为止。8位微控制器8K字节在系统可编程Flash AT89S52引脚P0 口： P()口是 一个8位漏极开路的双向I/O 口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。 对P0端口写“1”时，引脚用作髙阻抗输入代4.1.2 CX20106简介&其调试其内部结构图(如图4-2)中，CX20106的总放大增益约为8()dE,以确保其 7脚输出的控制脉冲序列信号幅3.5-5V范围内。总增益大小由2脚外接的R1,C1 决定，R1越小或C越大，增益越高。C1取值过大时将造成频率响应变差，通常 取为luf,C2为检波电容，一般取3.3

18、UF, CX20106采用峰值检波方式，当C2容量 较大时将变成乎均值检波，瞬态响应灵敏度会变低，C2较小时虽然仍为峰值检 波，且瞬态响应灵敏度很高，但检波输出脉冲宽度会发生较大变动，容易造成解 调出错而产生误操作。R2为带通滤波器中心频率f()的外部电阻，改变R2阻值, 可改变载波信号的接受频率，当f()偏离载波频率时，放大增益会显著下降，C3 为积分电容，一般取33OPF,取值过大，虽然可使抗干扰能力增强，但也会使输出 编码脉冲的低电平持续时间增长，造成遥控距离变短。7脚为输出端，CX20106 处理后的脉冲信号由7脚输出给后续电路在加工处理推动负载工作。一些资料表示，在CX20106的1

19、脚输入0.2mV的信号。在5脚将会输出滤 波后放大的有用信号。在实测中，5脚并没有一个放大的信号输出。实际调试的 时候只关心芯片的7脚在收到信号是是否有一个下降沿产生。在本电路的调试中，如果一直发射超声波，在7脚将会有周期的低电平产生。 不会像通常认为的那样，即一直发射信号时，7脚一直为低电平。这是刚用 CX20106时的一个常见错误。只要通过单片机来来计算发射信号时到收到信号是 产生下降沿这段时间的长度，再通过数学计算，转化为距离，然后在显示器上显 ZK 图42 CX20106内部结构图4.1.3 741s573管脚及功能特点1O741s573管脚排列图及逻辑图（图43）如下:1010-oc

20、(1 1 201 vcc1D2191Q2D(3佗2Q3D4173Q4D(5164Q5D6155Q6D7146Q7D813I 708D9128QGND(1011】G图4-3 741s573管脚排列图（左）及逻辑图（右）741s573功能特点如下表所示:表4-1 741s573功能特点输入揄出输出控制使能教据/OCGDQLHHHLHLLLLXQ0HXXZH二高电平L二低电平X二不定Z二高阻Q0二建立稳定条件前Q的状态4.2测距原理及框图4.2.1超肓波测距的原理超言波测距从机理上可以分为共振式和脉冲反射式两种，该设计采用后者。 工作时由超声波发射极发射超声波，同时开始计时，超声波在空气中传播,当碰

21、到 障碍物时，由于其良好的反射能力而被反射，由超声波接收极接收，此时计时结束。 记超言波往返的时间为I,根据s=cv/2计算超声波收发极与障碍物之间的距离，这 就是通常所说的渡越时间法，也称时间差测距法。其中c为超声波波速，与环境温 度有关，在测量精度要求髙的场合要誇虑温度影响，可由软件进行调整补偿;在测 量精度要求不是很严格的情况下,可以忽略温度的影响，超声波波速与温度的关系 如下表：表4-2超声波波速与温度的关系表温度(C)3020-100102030100声速(mZs)3133193253233383443493864.2.2超声波测距仪原理框图应用单片机软件产生40kHZ的信号，经驱动

22、放大后通过超声波发射器输出； 超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路迸行检波处理 后，启动单片机中断程序，测得时间为t,再由软件迸行判别、计算，得出距离 数并送LED显示。(如图4-4):图44超声波测距仪原理框图-4.3超声波发射电路超肓波发射电路原理图如图4-5所示。发射电路主要由与非门74LS00和超 声波发射换能器T-40构成。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超言波换能器内部有 两个压电晶片和一个换能板。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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它 就是一个超声波发生器；反之，如

23、果两电极问未外加电压，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换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器 件上的标志。4.4超声波检测接收电路集成电路CX20106A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。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率4（） kHz 较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图4-6）。实验证明用CX20106A 接收超声波（无信号时输岀高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。CZ20106J.5IN31C2G1DC3OUT VCCTeg寸

24、9卜001R1R24.7200/2R3丿R-40+.33IP+ C1C；lu3.UOLT-/图46超声波检测接收电路4.5数据显示部分电路显示电路主要由单片机，741S573和四位动态共阴数码管构成，其中数据锁 存由741s573完成，单片机1/0 口 P0 口作为数码管段选端口，P2 口作为数码管 位选端口，具体电路如图47所示：图47数据显示电路4.6超声波测距系统的硬件电路设计本系统的特点是利用单片机控制超肖波的发射和对超声波自发射至接收往 返时间的计时，然后直接将测量的距离用共阴数码管显示出来。单片机选用 AT89S52,经济易用，且片内有8K的可编程FLASH，便于编程。电路原理图如 图48所示叫IRtrPIO pii?Wi 肚丽rM