基于单片机的超声波液位控制器设计

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基于单片机的超声波液位控制器设计

摘要

课题针对液位检测的实际问题,开发了一种基于单片机的超声波液位检测仪.深入探讨了用超声波作为信号源进行液位检测的可行性及优越性，产生误差的各种原因，提出了相应的解决方法。

超声波液位检测仪以单片机AT89C51单片机最小系统为核心，利用超声波作为检测信号的手段，对液位进行检测和数据处理，减少了测量过程中的人工干预，便利了工作人员对液位检测的实时监控。

该系统硬件电路设计包含了超声波发射电路、接收电路、温度测量电路和液晶显示电路。软件设计中，采用模块化程序设计思想，将软件主要分为超声波驱动与数据处理模块、功能模块两大模块。对软件的这种“自顶向下〞的模块化软件编程方法能使软件的结构明了，有利于软件的调试和修改。

在设计中，由于需要测量的距离范围从几米到十几米，针对超声波振幅在传播时呈指数衰减的特性，最大限度地提高驱动能力，对回波进行多级放大，达到了设计要求。由于测量精度要求很高，系统进行了温度补偿设计。试验结果说明

该设计方法可以提高明声波液位检测仪的测量精度并且硬件开销不大。

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目录

第一章绪论1

1.1课题背景11.1.1超声波液位仪的研究背景与内容11.1.2超声波液位仪的现状11.2论文研究内容21.2.1研究内容21.2.2论文的章节安排3

其次章超声波的液位测量原理5

2.1超声液位仪理论基础52.1.1超声波介绍52.1.2超声波探头的结构和原理52.1.3T/R40-16超声波探头72.1.4传感器的指向角Θ82.2超声波液位仪工作原理92.2.1超声波液位仪工作原理92.2.2测量盲区102.3本章小结11

第三章硬件总体设计12

3.1超声液位仪总体设计123.2单片机电路143.2.1复位电路设计153.2.2电源电路设计163.2.3时钟振荡器173.3发射电路183.4接收电路19

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3.5液晶显示电路203.6温度测量电路213.7串行通信口电路233.8本章小结25

第四章系统软件设计26

4.1软件总体设计264.1.1软件设计流程图264.1.2主程序结构流程图274.1.3回波接收流程图294.1.4中断程序流程图294.1.5串行口通信流程图304.1.6DS18B20流程图314.2软件程序调试334.2.1复位电路程序调试334.2.2发送和接收超声波程序调试344.2.3显示程序调试354.2.4温度传感器程序调试364.2.5通讯子程序调试384.3本章小结39

第五章液位测量精度的提高和误差分析40

5.1提高液位测量精度的主要方法405.1.1温度测量405.1.2算术平均滤波455.2误差分析475.3本章小结48

总结49

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第一章绪论

1.1课题背景

1.1.1超声波液位仪的研究背景与内容

超声波液位仪作为一种典型的非接触测量仪器，在好多场合有广泛的应用，诸如工业自动控制，建筑工程测量和水面高度测量等方面。与激光测距、微波测距等测量方法相比，由于超声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波，时间测量精度的要求也远小于激光测距、微波测距等，因而超声波液位仪电路结构简单，造价低廉，简单设计，且超声波在传播过程中不易受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各个场合均得到广泛应用。然而超声波液位仪在实际应用中也有好多局限性会对测量数据的确切度造成一定的影响。诸如，环境温度、风速等，使其无法达到要求。如何解决这些问题，提高明声波液位仪的精度，具有较大的现实意义。

目前，市场上的超声波液位仪多数采用单片机作为对液位仪控制和运算的核心，系统的硬件设计决定着测量结果的精度。本文在对超声波传播特性研究的基础上，设计了基于单片机的超声波液位仪的硬件系统和软件系统，并对硬件和部分软件分别进行了相关的调试。硬件设计的总体目标是力求在结构简单、成本合理的前提下，尽量完善其功能。由于超声波液位仪需要测量十几米距离，因此，针对超声波在传播时呈指数衰减的特性，我们采用了最大限度提高驱动能力、对回波进行多级放大等措施，扩大了测量范围。本设计运用单片机系统控制超声波的发射、接收、温度测量以及其它的各种功能。

在软件设计中，我们采用模块化程序设计思想，将软件主要分为超声波驱动与数据处理模块。这有利于软件的调试和修改。由于对计算的精度要求较高，所以本设计采用温度补偿和数字平均滤波的方法提高计算精度。另外，对设计过程中发现和存在的一些问题〔从软、硬件两方面〕，分析了原因并提出了一些解决的措施和改进的方法，为研制更加完善的超声波液位仪打下了基础。

1.1.2超声波液位仪的现状

经过不断的努力和摸索，科技工己开发出了种类繁多、各具特色的液

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位仪。特别是近二十年来，随着微处理器的引入，测量仪表更是发生了革命性的变化。液位仪的量程从几米到十几米，测量精度亦大大提高。根据液位测量所涉及的液体存储容器、被测介质以及工艺过程的不同，选择不同类型的液位仪。在进行液位测量前，必需充分了解液位测量的工艺特点，以此作为液位仪设计过程中的参考因素[5]。

目前，进口的智能化超声波液位仪能够对接收信号做确切的处理和分析。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。这样即便在有外界干扰的状况下，也能够进行确切的测量。超声波液位仪不仅能定点和连续测量液位，而且能便利地提供遥测所需的信号。同时，超声波液位仪不存在可动部件，所以在安装和维护上相应比较便利。超声测位技术可适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性。新型气密结构、耐腐蚀的超声波探头可测量十几米的液位[3]。

1.2论文研究内容1.2.1研究内容

进口的液位仪功能齐全，精度较高，但是价格比较昂贵且维修不是很便利。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仪价格相对低廉，但精度不高，功能相对单一。为了设计出价格低廉，精度较高的超声波液位仪，本设计采用89C51为核心的单片机电路，同时使用双探头的方式发射和接收声波，基于超声波测距的原理，算出液位的高度。由于在户外测距，受到天气的干扰因素比较多，因此采取温度补偿的方式，来弥补外部因素造成的误差。除此之外，也可以使用数字平均滤波的方式来提高数据的确切度。由于超声波在空气中的传播速度大约为334m/s(常温下)，在同一介质中其传播速度相对恒定，与激光的速度(3×108m/s)相比，它的传播速度要慢得多，所以对超声波信号的处较为简单。因此，这也表达了超声波测距的独到之处，加之其成本较低，所以超声波是比较理想的信号源[2]。超声波液位测量