基于单片机的超声波液位测量系统的设计

1、基于单片机的超声波液位测量系统的设计1 绪论1.1 课题背景及研究意义液位测量广泛应用于石油、化工、气象等部门，实现无接触、智能化测量是当前液位测量的发展方向。随着工业、建筑业、农业、军事等领域的不断发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用与研究，传统的液位测量方法在很多场合已无法满足人们的需求，由此很多先进的测量工具应运而生。按照应用习惯将这些测量工具分为接触式和非接触式两大类。接触式液位测量主要有：人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计和磁致伸缩式液位计等。它们共同的特点是感应元件与被测液体接触，因此存在一定的磨损且容易被液体粘住或腐蚀。非接触式液位测量出现了微波雷达液位

2、计、射线液位计、激光液位计及超声波液位计等。它们共同的特点是感应元件与被测液体不接触，测量仪器不受被测介质的影响，这就大大解决了在粉尘多情况下，给人类引起的身体接触伤害，腐蚀性质的液体对测量仪器的腐蚀，触点接触不良造成的误测情况。但前几种方法由于技术难度大，成本高，一般用于军事工业，而超声波液位计由于其技术难度相对较低，且成本低廉，适用于民用推广。1.2 液位计的现状1.2.1 接触型液位仪表接触型液位仪表主要有人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩式液位计。（1）人工检尺法：利用浸入式刻度钢尺测量液位，取样测量液体温度和密度，通过计算得到液体的体积和重量，这是迄今为

3、止依然在全世界范围内广泛使用的液位测量方法，也可以把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。该方法分为实高测量和空高测量两种。人工检尺法一般精度为±2mm，通常至少测量两次，两次结果相差不得超过±lmm。人工检尺法具有测量简单、直观、成本低等优点，但需要检测人员动手测量，不适合恶劣环境下的操作。另外，需要较长的测量时间，难以实现在线实时测量，即实时性较差且需手工处理数据，不利于数据的计算机管理。（2）浮子测量装置：浮子式测量装置采用大而重的浮子作为液位测量元件，驱动编码盘或编码带等显示装置，或连接电子变送器以便远距离传输测量信号。由于机械装置的使用，这类装置的测量误差一般约为

4、±(410)mm，误差较大。浮子式液位测量装置具有结构简单、价格便宜等优点，但是浮子随着液面的波动而波动，从而造成读数误差。该装置传动部件较多，容易造成系统的机械磨损，因而增加了系统维护开销。浮子测量装置的适用范围为非腐蚀性液体的测量。（3）伺服式液位计：伺服式液位计与浮子式液位测量装置相比，提高了测量精度和可靠性。它采用波动积分电路，消除了抖动，延长了使用寿命。现代伺服式液位计的测量精度已达到40m范围内小于±lmm。但是，由于伺服式液位计仍属于机械测量装置，存在机械磨损，影响了测量的精度，因此需要定期维修和重新定标且安装困难。（4）电容式液位计：电容式液位计的核心是电容

5、液位传感器。该传感器一般由标准电容、测量电容和比较电容等组成。其中，比较电容用来测量液体的介电常数，测量电容用来检测液位的变化，由液体的介电常数和测量电容的容量计算出液位。电容式液位计的价格较低、安装容易且可以应用于高温、高压的测量场合。（5）磁致伸缩式液位计：磁致伸缩式液位计采用磁致伸缩技术来测量大罐的油水界面和油气界面。通常情况下，磁致伸缩液位计安装有两个浮子，其中一个浮子的密度小于油品的密度，另一个浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它们分别用来检测油气界面和油水界面。磁致伸缩液位计安装容易，不需要定期维修和重新定标，工作寿命较长。其测量精度较高，测量的重复精度也较高，是比较理想的接

6、触型液位计。但是磁致伸缩液位计与被测液体接触，仪器容易受到腐蚀，且液体的密度变化会带来测量误差。此外，浮子装置沿着波导管的护导管上下移动，容易被卡死，从而影响液位的正确测量。1.2.2 非接触型液位仪表非接触型液位测量仪表主要包括超声波液位计、雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等。（1）超声波液位计：超声波液位计是非接触式液位计中发展最快的一种。超声波在同一种介质中传播速度相对恒定，遇到被测物体表面时会产生反射，基于此原理研制出超声波液位计。目前，智能化的超声波液位计能够对接收信号做精确的处理和分析；可以将各种干扰信号过滤出来；识别多重回波；分析信号强度和环境温度等有关信息，这样即便在有外界

7、干扰的情况下也能够进行精确的测量。超声波液位计不仅能定点和连续测量，而且能方便地提供遥测和遥控所需的信号。同时，超声波液位计不存在可动部件，所以在安装和维护上比较方便。超声波测位技术适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性且价格较为便宜。（2）雷达液位计：雷达液位计发明于20世纪60年代，通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，将微波发射器和接收器安装在液面以上，向液面发射频率调制的微波信号。当接收到回波信号时，由于来回传播时间的延迟，发射频率发生了改变，将两种信号混合处理，所得信号的差频正比于发射器到液面之间的距离，雷达液位测量特别适用于高粘度或高污染的产品。雷达液位计

8、的测量精度较高，而且无需定期维修和重新定标，但是安装比较复杂且价格不菲。（3）射线液位计：核辐射放出的射线(如射线等)具有较强的穿透能力，且穿过不同厚度的介质有不同的衰减特性，核辐射式液位计正是利用这一原理来测量液位的。核辐射式液位计的核辐射源用点式或狭长型结构安装在液面以上，可实现对液位动态变化的检测。除利用核辐射射线来测量之外，还可采用中子射线来测量液位。射线液位计安装非常方便，测量精度较高，因为它没有任何部件与被测物体直接接触，特别适用于传统液位测量仪表不能解决的测量问题。(4)激光液位计：其测量原理类似于超声波液位计，只是采用光波代替了超声波。发射传感器发射出激光，照射到被测液面，在液

9、面处发生反射，接收传感器接收反射光，将从发射至接收的时间换算成液位距离。激光的光束很窄，在液位测量中通过光学系统转换成约20mm宽的光束，这样即使被测物面很粗糙，漫反射光也能被传感器接收。激光液位计非常适用于开口很狭窄的容器以及高温、高粘度的测量对象。而缺点是对液面的波动很敏感，油汽、水气等微粒对测量不利，且光学镜头必须定期保持清洁。1.3 超声波液位测量系统的发展前景超声波液位测量系统是利用超声波的特性研制而成的。科学技术的快速发展，超声波液位测量系统的应用将越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的液位测量技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展

10、望未来，超声波液位测量作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位、高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。1.4 本课题的主要内容本文开发的超声波液位测量系统，带有高集成微处理器。系统可从电池或市电中取电，以满足非接触液位检测的需要，通过串口通讯实现远程控制。本课题的研究以超声波换能元件为基础，采用AT89C52处理器，用汇编语言进行开发。主要内容包括：(1)超声波发射、接收电路设计；(2)电源电路设计；(3)数码管显示电路设计：(4)报警电路设计；(5)远程控制电路设计；(6)基于模块化的系统软件开发。

11、2 超声波测距的基本原理2.1 声波的介绍2.1.1 声波的概念和分类超声波是声波大家族中的一员。声波是物体机械振动状态(或能量)的传播形式，能在气体、液体和固体中传播。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动(譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动)，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播。根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。(1)次声波：振动频率低于16Hz的机械波。(2)声波：振动频率在162×Hz之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。(3)超声波：高于2×Hz的机械波。由于频率高于人的听觉上限(约为2×Hz)，因此人在自然环

12、境下无法听到和感受到这种声波。(4)微波：频率在3×3×Hz之间的机械波。2.1.2 声学基础知识(1)声压与声强介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强之差称为声压P。随着介质中各点振动的周期性变化，声压也在作周期性变化，声压的单位是Pa。 （2-1）式中：传声介质的密度声速介质中质点的振幅质点振动速度角频率相位角声强又称为声波的能流密度，即单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量。声强是一个矢量，它的方向就是能量传播的方向，声强的单位是W/。（2-2）式中：传声介质的密度声速压力声压与声强代表了超声波所能携带的能量大小，是在超声检测技术中衡量超声波所能

13、传播并能足够引起传感器响应范围的指标。(2)物质的声学特性声速：声波在介质中的传播速度取决于介质的密度和弹性性质。除水以外，大部分液体中的声速随温度的升高而减小，而水中的声速则随温度的升高而增加，流体中的声速随压力的增加而增加。声阻抗特性：声阻抗特性能直接表征介质的声学性质，其有效值等于传声介质的密度与声速之积。记作：(2-3)式中：声阻抗特性传声介质的密度声速声波在两种介质的界面上反射能量与透射能量的变化，取决于这两种介质的声阻抗特性。两种介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，气体与金属材料的声阻抗特性之比接近于l：80000，所以当声波垂直入射到空气与金属的界面上时，几乎是百分

14、之百地被反射。温度的变化对声阻抗特性值有显著的影响，实际中应予以注意。(3)声的吸收：传声介质对声波的吸收是声衰减的主要原因之一。固体介质的结构情况对声波在其中的吸收有很大的影响。例如，均匀介质对超声波的吸收并不显著，而当介质结构不均匀时，声吸收情况将发生明显变化。2.2 超声波的介绍超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。2.2.1 超声波波形由于超声波在介质中施力方向与超声波在介质中传播方向的不同，超声波的波形也不同，通常有以下几种：纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波，纵波能在固体，液体和气体中传播。横波：质点振动方向与波的传播方向相垂直

15、的波称为横波，横波只能在固体中传播。表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形，其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。表面波只在固体的表面传播。板波：在板状介质中传播的弹性波叫板波，其类型也很多，主要的一种叫兰姆波。兰姆波既包含横波也包含纵波，且横波总是与板的表面垂直，根据两表面质点的振动是否对称于板的中部还可以分为对称型和不对称型。本文开发的超声波液位传感器，利用的是超声波的纵波。2.2.2 超声波的物理性质(1)束射特性：由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学

16、上的定律，即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射角也愈大。超声波在反射、折射过程中，其能量及波形都将发生变化。(2)吸收特性：超声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因为物质要吸收它的能量。对于同一物质，超声波的频率越高，吸收越强。对于一个频率一定的超声波，在气体中传播时吸收最厉害，在液体中传播时吸收比较弱，在固体中传播时吸收最小。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射(或漫射)及吸收。扩散衰减

17、是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱。散射衰减是由于介质不均匀性产生的能量损失。超声波被介质吸收后，将声能直接转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。(3)超声波的能量传递特性：超声波之所以在各个工业部门中有广泛的应用，主要在于超声波比声波具有强大得多的功率。当声波到达某一物质中时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率一样，分子振动的频率决定了分子振动的速度，频率愈高速度愈大。物质分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决定的，所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比声波可以高很

18、多，所以它可以使物质分子获得很大的能量，换句话说，超声波本身可以供给物质足够大的功率。(4)超声波的声压特性：当超声波通过某物体时，由于超声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于超声波振动引起附加压力现象叫声压作用。2.2.3 超声波测量的特点(1)超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，且可传播足够远的距离。传播的速度与传播介质的密度有关。本文是利用纵向超声波在空气中的传播，来达到测量液位的目的。超声波的纵波声速计算如公式(2-4)所示：(2-4)式中：声速密度热容比静态压力(2)振幅很小、加速度非常大，可以传递较大的能量。(3)在两种不同的媒质界

19、面上超声波的大部分能量会被释放。(4)超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。(5)频率较高、波长较短，可以像光线那样沿着一定方向传播，其传播的能量较为集中，频率越高，指向性越强。利用超声波的这些特性，可以设计发射和接收器件，很容易地实现直线距离的测量，进而可间接地测得流量，其抗干扰性能也比较强。2.3 超声波测量系统以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收到的超声波转换成电量输入到单片机，根据发射和接收的时间差来计算距离，并将测量结果输出显示。产生超声波和接收超声波的装置称为超声波换能器或超声波探头。本系统采用压电式超声波传感器。2.3.1 压电式超声

20、波传感器结构压电式超声波传感器主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成。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。超声波发生器内部结构如图2.1所示，将两个压电元件粘合在一起，称为双压电晶片(由一个压电元件构成的称单压电晶片)，这里介绍的超声波发生器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，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。在实际应用中，压电式超声波传感器的发

21、射器和接收器合成为一体。由一个压电元件作为“发射”和“接收”兼用，其工作原理为：将脉冲交流电压加在压电元件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号输出。因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器。图2.1 超声波发生器内部结构2.3.2 超声波传感器分类超声波传感器大致可分为如下几种类型。(1)通用型：超声波传感器频带宽一般可达数千赫，并有对频率的选择性。通用型超声波传感器频带窄，但灵敏度高，抗干扰性强。在多通道，且通道间频率较近的应用中最好采用窄频带型的超声波传感器。通用型超声波传感器一般分别各有接收传感器和发送传感器。因最大接收

22、灵敏度和最大发送灵敏度的频率分别为和，若用一个传感器必然牺牲其一。(2)宽频带型：宽频带超声波传感器能在工作频率内有两个共振点，因而加宽了频带。该传感器兼作发送和接收传感器。(3)封闭型：适用于室外环境的封闭型超声波传感器有较好的耐风雨性能，可用于汽车后面的检测装置上。(4)高频型：这种超声波传感器的中心频率高达200kHz，既可作接收也可作发送用，而且方向性相当强，可进行高分辨率的测量。由于超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时有相当的衰减，衰减程度与频率的高低成正比，而频率高则分辨率也高，故在短距离(小于lm)测量时应选择频率高(100KHz

23、以上) 的传感器，而长距离测量时要选择低频率的传感器。本系统采用的40KHz的传感器。2.4 超声波的测距原理在超声波测距电路中，发射端输出一系列脉冲方波信号，脉冲宽度为发射超声波的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声波测距大致有以下两种方法：(1)取输出脉冲的平均值电压，该电压(其幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离。(2)超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即被反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，原理如图2.2所示。超声波在空气中的传播速度为C，根据计时器记录的时间t，就

24、可以计算出发射点距障碍物的距离L，即：(2-5)图2.2 超声波测距原理在空气中，常温下超声波的传播速度是340米秒，但其传播速度C易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高1，声速增加约0607米秒。因此在测距精度要求很高的情况下，应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度T时，超声波传播速度C的计算可近似如公式(2-6)所示：(2-6)由上式可知：当温度T一定时，超声波的速度即定，只要记录从发射到接收的时间t，利用即可求出被测距离。故本文测量电路采用第二种方案。2.5 超声波测距误差分析 (1)发射接收时间对测量精度的影响分析采用压电超声波传感

25、器，脉冲发射由单片机控制，发射频率40KHz，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。设测量设备基准面距被测物距离为h，则空气中传播的超声波波动方程为：（2-7）式中：超声波传感器初始振幅衰减系数超声波传播距离角频率波数其中（2-8）式中：空气介质常数，；超声波频率。超声波的波长公式：（2-9）式中：波长声速频率由公式(2-8)可以算出，当时，；时，它的物理意义是：在长度上平面声波的振幅衰减为原来的a分之一。由此可以看出，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越

26、快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。若用频率较小的超声波，虽然衰减小，传播远，但脉冲的波长较长，影响测量精度，当时，波长为0.85cm；当时，波长为1.7cm，显然仪器的精度就会降低一倍。因此在设计超声波液位测量系统时，综合各方面因素，选用的超声波。经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波准确的接收时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。(2)当地声速对测量精度的影响分析当地声速对超声波测距精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度

27、及气体分子成分的影响，即： (2-10)式中：气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.4普通常量8.314气体温度气体分子量，空气为28.8 由式(2-10)可知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当地声速的公式如公式(2-6)所示。公式(2-6)一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上升或者下降l，声速将增加或者减少0.607ms ，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。2.6 盲区问题一般超声波设备都存在有盲区，这对测量是无害的

28、，但是在某些场合，例如倒车雷达设备，盲区太大会直接影响到设备的正常工作以及车辆安全，因而尽量减小盲区也是扩大测量范围提高测量精度的一个关键课题。盲区的产生是由于余波干扰造成的。余波的产生主要是由于压电式传感器存在振荡惯性，以及电路板上器件随通过电路板传播的超声波产生的机械振荡形成新的共振点造成的。由于测量时超声波发射探头和接收探头距离较近(测量的需要)，当发射探头发射超声波时，接收探头可能直接接收发出的超声波，这部分信号直接加到回波中，从而干扰回波信号的检测。因此必须在超声波发射探头发射超声波后的一段时间内不能接收回波，由这段时间所产生的测量距离就是盲区。减少发射脉冲数目、增加阻尼都能够有效的

29、减少余波干扰。3 超声波液位测量系统的硬件设计本系统的硬件电路主要由单片机系统、电源电路、超声波发送模块、超声波接收模块、LED显示模块、远程控制模块和报警模块等构成。3.1 硬件电路的总体设计根据设计要求并综合各方面因素，本系统采用AT89C52单片机为主控芯片，配合各种外围电路芯片来实现各个功能，系统结构如图3.1所示。AT89C52LED显示电路远程控制电路报警电路超声波发射电路超声波接收电路图3.1 系统结构图本系统采用动态方法实现LED数字显示，超声波发送和接收由单片机和换能器完成，且单片机的记时器记录从超声波发射到接收过程的时间，经计算送LED显示。另外，本设计还拥有与计算机的通讯

30、功能，以满足超声波液位测量系统远程过程控制的需要。并且当液面超出设定范围，能够报警。3.2 AT89C52控制系统AT89C52是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能的COMS8位单片机，片内有8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256字节的随机数据存储器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大，性价比高，为许多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案。AT89C52的主要性能包括：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容；8KB字节可擦写Flash闪速存储器；1000次

31、擦写周期；全静态操作：024MHz；三级加密程序存储器；2048位内部RAM；32个可编程I/O口线；3个16位定时器/计数器；8个中断源；可编程串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式。AT89C52的引脚示意如图3.2所示图3.2 AT89C52引脚AT89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5

32、V电源的正负端。本设计中，AT89C52的P1.0引脚用来产生40KHZ的方波信号，通过发射电路驱动超声波换能器发出超声波；脚用来接收超声波返回产生的下降沿信号，从而引发中断。串行口通过MAX232与PC端连接，进行远程控制。当液位超出设定范围时，单片机向P1.3发出低电平，引起报警。P1.4、P1.5、P1.6、P1.7分别控制相对应的数码管，单片机最小系统电路如图3.3所。AT89C52时钟可由内部方式或外部方式产生，本系统采用内部方式，如图3.14所示。AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反

33、馈元件的片外石英晶体构成并联振荡电路。在设计电路板时，晶振和电容等均应尽可能靠近芯片，以减少分布电容，保证振荡器的稳定性。C1和C2的选择：外接电容虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的程度及温度稳定性。通常选用容量为30pF左右的石英晶体或容量为40pF左右的陶瓷谐振器较为合理。复位是计算机的一个重要工作状态，上电要复位，断电要复位，发生故障后要复位。实现复位操作，必须使RESET引脚保持两个机器周期以上的高电平。本设计采用按键复位电路。图3.3 单片机最小系统3.3 系统电源电路电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要

34、的地位，但往往被忽略。一般情况下，电源系统如果没有设计好，很容易出现一些意想不到的干扰，影响系统的正常工作。设计电源的时候要考虑的问题很多，主要有以下几个因素：输出的电压、电流和功率、输入的电压和电流、安全因素、输出波形、电磁兼容和电磁干扰、体积限制和成本限制。采用电池供电比较简单，在这就不介绍。利用220V的市电给液位测量系统供电，而单片机、显示器等电路均使用直流电，所以需要加一个直流稳压电源进行转换。本系统采用了由交流电经变压、整流、滤波、稳压而形成的直流电源。早期的直流电源的稳压部分是由独立元件组成，所以元器件多，占用空间大，接线多。自从有了集成稳压器件问世后，大大方便了电源的设计。目前

35、通用的有三端固定式、三端可调式和开关式 。在这个系统中我选用了W78XX系列的三端固定式集成稳压器。由于系统中的集成电路均采用5V的直流电，所以我们具体选用W78XX中的W7805。W7805输出+5V的电压。它同分元件稳压器、多端可调式集成稳压器的工作原理、电路结构基本相同，但是接线十分简单。当输入端远离整流滤波电路时，需外接电容C16，用以减小波纹电压，C17用以改善负载的瞬态响应。本系统需要供电的器件有：AT89C52、超声波发射电路、超声波接收电路、报警电路等。直流电源电路如图3.4所示。图3.4 系统电源电路3.4 液位信息采集电路液位信息采集电路主要由超声波发射电路、超声波接收电路

36、组成。液位信息采集的方法有以下四种，如图3.5所示。图(a)这种方式是超声波传感器位于液面下，超声波在水中传播，测量超声波传感器到液面的距离L。超声波传感器做成收发一体式，超声波传播方向与液面垂直。要求超声波传感器具有防水能力。图(b)这种方式是超声波传感器位于液面上，超声波在空气中传播，测量超声波传感器到液面的距离L。超声波传感器做成收发一体式，超声波传播方向与液面垂直。图(c)这种方式是超声波传感器位于液面下，超声波在水中传播，测量的是距离S。超声波传感器做成分体式，即超声波传感器的发射探头和接收探头分开，超声波传播方向与液面具有一定的夹角。这样超声波传感器距液面的距离L可用下式求得： (

37、3-1)图(d)这种方式与方式(c)类似，两种方式的区别在于(d)方式的超声波发射和接收探头在液面上，超声波在空气中传播，不具有防水性。本系统采用的是图(d)方式。选用探头分体式是因为，一体式传感器，发射和接收使用同一个探头，当探头发射完超声波后，会有余震，必须等余震消失后才能接收超声波，这样会使盲区的距离加大。图3.5 液位信息采集的方法3.4.1 超声波发射电路超声波发射电路主要由单片机、脉冲升压电路和超声波发射探头组成。超声波发射电路如图3.6所示。超声波发射探头采用T-40-16，其中心频率为40kHz。超声波接收探头要接收从液面返回的超声波，超声波在空气中传播和到达液面后的反射都会导

38、致超声波的能量损失，为了提高接收灵敏度，除使用高灵敏度探头外，还要提高发射功率，这样单靠三极管的放大作用是不行的，本系统采用了三极管加反向器的办法提高驱动功率。系统使用AT89C52单片机，由P1.0引脚向外发射频率为40KHz、占空比为50%的方波信号由74LS04来增加驱动能力。R3和R4是限流电阻。P1.0发送0时，经过U1A得到：A=1，B=0；再经过U1B、U1C、U1D、U1E得到：C=0，D=1；超声波传感器发出高电平；P1.0发送1时，经过U1A得到：A=0，B=1；再经过U1B、U1C、U1D、U1E得到：C=1，D=0；超声波传感器发出低电平；单片机发送的方波，关键在于时间

39、的调节。方波的发送若不用单片机，也还有很多种方法。用单片机发送主要是为了计算从发送到接收的时间。图 3.6 超声波发射电路(1)超声波探头T/R-40-XX系列超声波探头是采用压电效用工作的传感器，通常又称为换能器。其震子用压电陶瓷制成，加上共振喇叭可提高动作灵敏度，当处于发射状态时，外加共振频率的电压能产生超声波，将电能转化为机械能。当处于接收状态时，又能很灵敏地探测到共振频率的超声波，将机械能转化为电能。超声波探头是发射和接收超声波的仪器。本系统超声波发射探头采用T-40-16，超声波接收探头采用T-40-16，外形如图3.7，参数如表3.1。图3.7 超声波探头采用收发分体式超声波探头，

40、有以下优点：发射角小，发射距离远，而且余震对接收探头的影响小，降低了调试的复杂性，提高了系统安装的灵活性，减小了盲区，同时提高了检测距离。表3.1 超声波探头参数中心频率（Hz）40±1声压（dB）115灵敏度（dB）-64方向角（°）60分辨率（mm）9检测距离（m）0.2-3主要直径尺寸（mm）外径16.2高度12.2内径10.0 (2) 74LS04六反向器这里采用74LS04来提高驱动的功率，以使超声波发射信号足够大，提高测量距离。74LS04内有六个独立的反向器，每个反向器都可执行逻辑的反向操作，它还可构成振荡器，进行脉冲整形和小信号的电压放大等。其中一个非门用来

41、为驱动器的一侧提供180°的相移信号，另一侧由相内信号驱动，这种结构使驱动电压提高一倍。为提高超声波探头的驱动电压，采用两个74LS04并联的形式。74LS04是六反向器，其内部结构如图3.8所示。图3.8 74LS六向反向器内部结构3.4.2 超声波接收电路超声波接收电路是用来将探测到的回波的声能转换为电信号，实现超声波回波的接收。在被测液面距离较远的情况下，超声波的回波很弱，为此要求将信号多次放大。放大后的信号整形输出一个方波信号，此方波信号向CPU发中断申请，在中断服务程序中，读取时间计数器的计数值，从而计算被测液位的距离。接收电路主要分为三大部分：接收信号放大电路、倍压检测电

42、路和电压比较电路。信号接收放大电路和倍压检测电路将信号放大，通过电压比较器输出高低电平，达到单片机能识别的范围。(1)接收信号放大电路超声波接收探头和LM358两级放大组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经LM358放大1000倍（60dB），第一级放大100倍（40dB），第二级放大10倍（20dB）。该装置电源用+5V供电，为保证其可靠工作，这里用R20和R21在LM358的同向端有2.5V的中点电压这可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。信号放大电路如图3.7所示。图3.9 接收信号放大电路超声波的回波检测是整个超声波液位测量系统的关键。困难在于回波信号小、频率高

43、，要将超声波接收探头输入的微弱信号进行放大、滤波等处理。增加放大倍数，干扰信号也会随之增加。根据超声波接收探头类型，为电路选择合适的运算放大器，是设计中经常面临的问题，同时为提高性能和降低成本，选择和合理使用运算放大器已经成为系统设计的关键。本设计中采用了LM358运算放大器，LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合，其单位增益频带约为1MHz。由于LM358本身相当于一个低通滤

44、波器，在连续发射40KHz的超声波的时候，接收部分包括运放的输出和比较器的输出口可以很稳定的接收到40KHz的信号。LM358运算放大器的结构如图3.10所示。特性：·内部频率补偿；·直流电压增益高(约100dB)；·单位增益频带宽(约1MHz)；·电源电压范围宽：单电源(3,-30V)；双电源(±15±15V)；·低功耗电流，适合于电池供电；·低输入偏流；·低输入失调电压和失调电流；·共模输入电压范围宽，包括接地；·差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；·输出电压摆幅大(O

45、15V)。图3.10 LM358运算放大器的结构(2)倍压检测电路两级放大的输出端接倍压检测电路（如图3.11），取出反射回来的检测脉冲信号送电压比较电路。由于从接收端来的信号受器件和距离的影响很大，得到的信号会很弱，即使经过放大，能量还有可能很小，不能产生使单片机发生跳变的冲击，因此加上倍压检测电路。但若器件的性能很好，倍压检测电路可以省略。图3.11 倍压检测电路（3）电压比较电路将放大后检波出来的信号送至电压比较电路（如图3.12）。调节滑动电阻器，去除静态工作点带来的电压升高。调节占空比为50%，使在没有信号输入时整个电路处于平衡状态。超声波接收器接收到的是近似正弦波，电压比较电路将正

46、弦波转化为方波，方波的高电平可以使三极管Q2导通。在没有信号的时候，INT输出端为高电平，一旦有信号，这端就为低电平。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：·失调电压小，典型值为2mV；·电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；·对比较信号源的内阻限制较宽；·共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）；·差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；·输出端电位可灵活方便地选用。LM339集成块采用C-14型封装，图3.13为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活

47、，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四电压比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。图3.12 电压比较电路图3.13 LM339内部原理两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出

48、管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。3.5 系统显示电路超声波测量结果通过单片机控制4个七段数码管显示输出。数码管有共阴极连接与共阳极连接两种。对于共阴极的数码管，其com端应接地，相应的字

49、段为高电平时点亮LED；对于共阳极的数码管，其com端接高电平，相应的字段为低电平时点亮LED。数码管显示方式也有两种，即动态显示与静态显示。静态显示方式是把数码管的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或接+5V），每位的段选线分别与单片机I/O口或一个8位锁存器相连。其优点是连接方式简单，易于编程；缺点是将会占用单片机引脚或使用锁存器较多。动态显示方式是将数码管的字段输入端并联在一起，共同与单片机的一个8位I/O端口相连，而各位共阳极或共阴极分别由相应的I/O引脚控制，实现各位的分时选通。同一时刻只有一位数码管显示，其他几位熄灭。单片机控制几位数码管轮流显示，利用LED的余辉和人眼视觉暂留作

50、用，达到同时显示的目的。本设计选用的是共阳极数码管，单片机采用动态显示方式。由于单片机的驱动能力不够，故通过P1.4、P1.5、P1.6、P1.7三个引脚控制PNP晶体管的开关来驱动数码管。P0与数码管字段输入端相连，如图3.14所示3.6 报警电路蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，广泛应用于计算机，打印机，复印机，报警器，电话机等电子产品中作为发声器件。它主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。本设计中用的是电磁式蜂鸣器。电磁式蜂鸣器由振荡器，电磁线圈，磁铁，震动膜片及外壳组成。其发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声，因此需要一定的电流才能驱动它。用单片机驱动

51、蜂鸣器时，由于单片机的的I/O引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大电路。这里通过一个三极管来放大I/O口线的电流以驱动蜂鸣器。报警器的硬件电路图如图3.15所示。图中蜂鸣器的正极接Vcc（+5V）电源，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基极B经过1K的限流电阻后由单片机的P1.3引图3.14 动态显示电路脚控制。当P1.3输出高电平时三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P1.3输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，可以通过程序控制P1.3脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭声音。图3.15 报警

52、电路3.7 通讯接口模块MAX232为TTL电平与RS232电平转换电路，即将单片机的电压信号泵高到与计算机串口相匹配的电压信号。单片机系统的接口电平为5V的TTL电平，必须通过一个电平转换电路才能和PC机的串行通信COM口连接，否则将损坏PC机的COM口和单片机芯片。串口通讯原理如图3.16所示。图3.16 通讯接口电路从单片机的TXD引脚输出的串行数据经过T1IN引脚传输到MAX232芯片中，经过数据格式的转换、电压泵高，由T1OUT引脚输出到DB9的第2引脚(即PC机数据信号输入接口)；从PC机输出的串行数据经过R1IN引脚传输到MAX232芯片中，经过数据格式的转换、电压泵低，由R10

53、UT引脚输出到单片机的RXD引脚。4 超声波液位测量系统的软件设计本系统软件包括主程序、定时中断子程序、外部中断子程序、数码显示子程序和报警子程序等。其主要作用是系统功能的实现以及数据的处理与传输，软件主要实现以下功能：（1）发射超声波：单片机的P1.0口发出40KHz的方波信号，驱动换能器发出超声波。（2）回波检测：回波信号在单片机的INT1引脚产生一个下降沿，引发软件中断。（3）信号处理：单片机内部定时器记录超声波发射与接收时间差，然后计算出测量距离。（4）数据显示与传输：将结果通过4位七段数码管显示出来，并通过串行口传输，以实现远程控制。4.1 主程序在单片机上电复位后，程序首先进行数据

54、初始化过程，对单片机内部的寄存器和连接的外设进行赋初值，同时对回波标志位进行清零；然后进入发射程序，发射40KHz方波，同时50s内禁止一切中断。因为在发射的过程中没有回波到来，而接收回路中发射方波的直射波幅值很大，幅值远远超出门槛电平，如果此时中断开放的话，则会引起误判，所以在发射完毕后再打开中断。如果没有收到回波，定时器0溢出中断，跳转到toofar子程序，则发出报警并显示为0000；如果在限定的时间内收到回波，则转入外部中断程序并与设定值作比较。中断返回后调用calcu子程序计算出测量结果，调用display子程序显示结果后返回启动下一次发射。主程序流程图如图4.1所示4.2 定时中断子

55、程序定时中断子程序流程如图42所示。本系统中利用定时中断子程序在P1.0口输出40KHz方波，同时利用AT89C52单片机的16位定时器/计数器T0计算从超声波发射到超声波返回的时间。其中40KHZ的脉冲波是利用AT89C52单片机的16位定时器/计数器T1来产生的。由于系统要产生40KHz的方波信号，也就是16位定时器/计数器T1要控制P1.0口每隔12.5s电压要跳变一次。4.3 外部中断子程序外部中断子程序流程如图4.3所示。系统发射超声波，为了使超声波液位传感器的Toofar子程序报警子程序display子程序calcu子程序外部中断程序开中断T0和INT1在时间范围内收到中断信号？开

56、始系统初始化发射方波清回波标志位开始计时在设定值之内？NYNY图4.1 主程序流程图接收探头能够接收到正确的回波，需要延时一段时间后，进入外部中断子程序。在返回停止发射是否发射完4个状态定时中断入口定时器初始化发射超声波NYY图4.2 T1定时中断子程序此前，单片机不停的扫描INT1引脚，如果INT1接收的信号由高电平变为低电平，此时表明超声波回波信号已经返回，同时单片机就停止TO的计时，将计时时间t存储,并调用计算子程序，计算出传感器到目标物体之间的距离。外部中断入口关外部中断保存当前定时器0的值修改标志位中断返回图4.3 T0外部中断子程序流程图计算子程序就是对采集的数值进行处理，计算出超声波探头到液面的距离。根据计数器的计数值和单片机的主频来计算发射的超声波与其碰到液面产生的回波的时间差t。计算出超声波探头到液面的距离。利用AT89C52单片机内置的定时器T1完成计时功能，即发射超声波就开始计数，收到超声波回波信号就停