【《基于超声波测距的模糊液位检测系统设计》11000字（论文）】

STYLEREF"标题1"\n1STYLEREF"标题1"绪论绪论理论基础超声波在自然界中，存在一种频率高于20000Hz的声波，这种声波人们无法用耳捕捉，我们将这种不可听的声波称为超声波。由于超声波的高频特点，所以超声波具有很多特点：(1)声波的能量集中；(2)频率较高，波长较短，衍射现象不明显，具有很好的定向性。正是由于超声波具有以上的特点，所以超声波在各个应用内的应用较为广泛，可用于测量、焊接、碎石、杀菌等。目前较为广泛的应用是超声检测、处理、清洗以及工业自动化控制应用等[18]。超声波测距由于超声波具有指向性强、能量衰减速度慢的特点，因而被常用于距离的检测。人们根据超声波的特性，总结出了几种检测方法：（1）相位检测法；（2）声波幅值检测法；（3）往返时间检测法；其中人们常用的方法为往返时间检测法。另外的两种方法局限性是检测范围有限以及易受到反射波的干扰。超声波测距的主要构成部分为超声波发射器和接收器。工作原理为通过发射器向被检测方向发射超声波，在发射超声波的同时开始计时，超声波触碰到障碍时立即返回，当接收器接受到反射回来的超声波时停止计时。超声波的声速在空气中为340m/s，而超声波从发射到返回的记录时间为t，所以根据这两个数据可以计算出发射点到反射点之间的距离（s）：s=340t/2。这个原理就是根据超声波遇障会发生反射，通过声速以及记录的时间t来得出两点之间的距离，常用于倒车、避障、建筑或工业场地的测距。其不与被测物体接触的非接触式检测方式的优点，使其成为了测量的理想手段[19]。模糊控制传统的控制理念是建立在对被控对象建立精确数学模型来处理控制问题。但是随着现在控制系统复杂化，一些在通常情况下难以使用传统控制方法控制的被控制的对象出现，人们希望能有一种可以处理此类问题的描述手段以及处理方法。经研究后，人们发现了一种将自然语言植入计算机内，模拟人类的思维思考方式，让计算机发挥智能性与灵活性的控制手段，一种新颖的智能控制手段[20]—模糊逻辑控制。模糊逻辑模糊逻辑允许出现在包含0和1以及它们之间的其他情况发生，即黑和白之间的灰色地带，在它的语言形式中，大多为对于程度的不精确描述。特别是在它的集合中的部分成员关系，没有一个明显的界限。它有关于模糊集合和可能性理论，是1965年卢菲特·泽德教授在加洲柏克莱大学完成了第一篇描述模糊集合理论[21]。模糊逻辑的两项基本原则是：1）让计算机人脑的思维方式考虑、处理、解决问题。2）一切都和程度有关，不存有一个固定的界限范围。模糊逻辑从含义上来划分，可以分为两种：从狭义上讲，模糊逻辑属于一种逻辑系统，是多值逻辑的扩展；但从广义上讲，模糊逻辑几乎与模糊集理论同义，模糊集理论涉及具有不明确边界的对象类，其中隶属度是一个问题。即便模糊逻辑的定义范围较小，但是它的概念和实质也与多值逻辑系统不同。模糊逻辑的重要使用价值和应用潜力表现在对于人工智能与非传统控制系统的研究与应用，利用模糊逻辑可以处理我们所遇到的非传统控制手段能解决的问题。模糊逻辑作为现代逻辑的一个分支，它所能解决的是不同于传统的立论逻辑所能解决的问题。模糊逻辑研究的意义与目的在于本章小结本章节介绍了超声波测距的特点和模糊逻辑控制理论，在超声波测距系统中应用模糊逻辑控制，可以处理处于波动液位环境的测量，为下文选取系统的输入输出变量，建立系统评价函数提供基础。

系统设计整体设计方案经对整体设计方案的全面分析，本设计有以下几个模块构成：按键模块、液晶显示模块、超声波传感器模块、报警模块。在对该液位控制系统实现过程中，想要把各个模块联系在一起，应优先进行各个模块设计，再根据单片机的各个端口与设计要求进行连接，得出总的设计原理图，然后使用软件进行程序编写，并进行逐一对照检查，直至程序符合端口以及对应的功能需求。再根据所设计的设计原理图按端口对应焊接实物。超声波测距模糊液位控制系统采用了超声波传感器测量实时的液位高度变化，将测量所得数据传送给单片机，通过模糊算法得出更加准确的数值，并在液晶显示屏上显示出，报警模块根据外部按键输入的设定值与实时值对比判断是否报警，将信息反馈给单片机控制液位控制模块是否工作。该设计的系统结构图如图4-1-1所示：STC89C52STC89C52超声波测距模块液晶显示模块外部电源报警模块按键模块图4-SEQ图4-\*ARABIC1-1原理图超声波测距模块是使用超声波传感器来检测传感器到被测液位系统的的距离，并将该测得的数据传输到单片机中进行处理与输出显示。按键设定模块是用来进行选择不同功能。液晶显示模块是将单片机中已经通过处理所得的液面距离进行实时显示。报警模块是当单片机所得数据测量记录数值不符时，进行报警操作。STC89C52单片机是系统的中央处理单元，系统会在这里将所得到的信息进行处理、控制。超声波传感器选择传统的液位测量仪器大多采用了液位传感器，其工作原理是当液位传感器没入被测液体中某一深度时，在这个位置会产生一个压强，通过测取此时测量位置处的压强后通过原理及公式进行计算得到测量值。而本设计采用了超声波传感器，运用了非接触式检测技术，在检测领域得到广泛应用。在本设计中，采用了HC-SR04超声波传感器具有体积小、探测距离大、低功耗、适用范围光的特点，使用时仅需将探头与被测环境固定来进行使用。单片机选择近几年来，单片机技术发展迅速，在多个领域内单片机均取得了一定成就，由于其广泛的运用以及价格较低，其中一部分的控制系统将选择单片机作为了首要目标。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有可编程Flash存储器。使STC89C52可以为所设计的控制系统选择合适的解决方案。由于单片机的种类、型号多且复杂，所以选择单片机要从以下几个角度出发选择：1）稳定性2）存储性3）运行处理速度4）成本硬件详细设计系统总原理图本系统原理图作为整个设计的核心，可以很直观的帮助别人来了解自己的设计，对后续的实物焊接也有很大的帮助。在本设计中有单片机最小系统、液晶显示、报警电路、液位控制模块、按键模块、超声波传感器等模块组成，结合Altiumdesigner所对应的元件图，绘制出的部分原理图及接线图如下图所示：图4-2-1-b图4-2-1-b按键模块图4-2-1-SEQ图4-2-1-\*alphabeticaSTC89C52单片机图4-2-1-c报警电路 图4-2-1-d超声波传感器图4-2-1-e液晶显示图4-2-1-f接线图STC89C52单片机在一般情况下STC89C52单片机的工作电压范围为3.8V到5.5V之间，STC89C52是宏晶科技公司生产的一种高速、低功耗的单片机。单片机最小系统如图4-2-2所示：图4-2-2STC89C52单片机超声波测距模块图4-2-3为HC-SR04超声波传感器，基本工作原理为管脚（VCC和GND）分别接电源正负极，采用IO口的TRIG（控制端）触发测距，通过施加至少10us的高电平信号来确保模块的正常工作与启动。模块发送8个40khz的方波，自动检测有无信号返回。如果有信号返回，通过IO口ECHO（接收端）输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。通过公式计算检测距离=(高电平时间×声速)/2。超声波传感器电路图如图4-3所示：图4-2-3超声波传感器按键模块本设计的按键模块对应功能为进入波动液位检测模式（按键1）、报警功能开/关（按键2）、截取液位显示（按键3），按下按键1进入波动液位测量功能，对波动的液位环境进行测量校正。按下按键2，开启或关闭蜂鸣器报警功能。按下按键3捕获超声波当前测量值并与之比较。按键模块电路图如图4-2-4所示：图4-2-4按键模块报警模块这里采用蜂鸣器构成报警模块，蜂鸣器采用直流电压供电工作。当接通电源后，振荡器会产生音频信号使电流通过电磁线圈，电流在线圈中产生磁场，振动片在磁铁与线圈的双重作用下产生周期性振动发声。报警模块电路图如图4-2-5所示：图4-2-5报警电路LCD1602液晶显示电路LCD1602液晶显示器作为常用的显示模块，在LCD1602中,16代表每一行可以显示16个字符,02代表总共可以显示两行字符。液晶显示模块如图4-2-6所示：图4-2-6液晶显示电路软件详细设计在硬件中对STC89C52单片机进行操作时，需用使用KeiluVision4软件，是将包含.c文件名生成的.hex文件通过烧写软件烧入单片机中。分为主函数，各调用函数用于实现系统整体功能。系统工作流程图工作流程图如图4-3-1所示；图4-3-1工作流程图模糊逻辑系统评价函数波动液位系统的检测需要根据系统的一些评价指标，来完成对检测的输出。在本设计中，我们选择了在波动液位系统的两个峰值，即波峰值、波谷值。在任何的波动液位系统中，波动时总会产生这两个峰值，通过确定评价函数，来建立对波动液位系统的测量进行精度提升输出。本课题所选取系统的两个评价指标为波峰值（BF）和波谷值（BG），因此，本课题所设计的液位检测系统将综合考虑这两个评价指标来完成波动时的液位检测精度提升。当超声波液位检测系统产生检测信号时，系统测距程序计算系统所对应的波峰、波谷值得评价函数值，将这个值作为在显示屏上进行波动液位测量输出（4-4-1）其中：（4-4-2）：系统的的评价函数值；：第i次测量时的波峰值；：第i次测量时的波谷值；：的权系数；：的权系数。由系统评价函数可知，权系数和分别决定了和在评价函数中所占的比例，系统测量按照此评价函数进行。由于在不同的高度的液位波动，所造成的波动峰值、谷值不同；在较小的测量液位范围内，波峰值的出现比波谷值的出现多，这时应该减小波谷值的权系数占比，调高波峰值的权系数占比，反之调大波谷值的权系数占比。模糊控制器评价指标BF和BG的值是通过不同的多出入单输出模模糊逻辑控制器得到的。图4-4-2模糊控制器模糊控制器如图4-2-2所示。模糊化接口模块将定好的输入量转化为模糊输入量，模糊推理模块将输入量通过模糊逻辑规则完成模糊逻辑推理，并得到模糊控制量，解模糊接口模块对模糊控制量进行反模糊化，得到精确的控制量：输入量DS通过模糊逻辑推理得输出量BF。输入量LS通过模糊逻辑推理得输出量BG。模糊控制器的输入量为DS、LS输出量为BF和BG。液位波动峰值短时间DSDS是指在平静z液位波动的过程中，由于出现波峰值，存在一个传感器到波峰的测量时间DS，DS越大证明波峰值越小反之越大。` 液位波动波谷值长时间LSDL指在平静液位波动的过程中，由于出现波谷值，存在一个传感器到波谷的测量时间LS，LS越大证明波谷值越大反之越小。波峰值BF是指液位处于波动环境下的波动上限，但由于波峰起伏程度不同，相邻的波峰值不同。波谷值BG是指液位处于波动环境下的波动下限，但由于波谷的起伏程度也不同，相邻的波谷值也会不同。本课题针对液位检测系统，选取波动液位中的波峰值与波谷值作为检测系统的评价标准，建立系统评价函数。液位检测系统综合考虑系统的这两个指标，来实现波动液位检测。检测系统通过调用程序，计算出各波峰、波谷值所得评价函数值，并对系统波峰值、波谷值评鉴函数值进行比较，最终选取评价函数值小的波浮动作为实时测量波动液位高度显示，实现波动液位检测的优化，在一定程度上减小了波动误差。输入的模糊化及隶属度函数图像DS的模糊化及隶属度函数图像假设液位波动较为激烈时，此时DS的值为1。假设液位平静时，此时0最为合适。当DS的值为0.5时，也认为此时液位上浮波动较为激烈。此时，我们用英文字母“S”、“M”、“L”。来表示形成波峰高度的快“短、适中、长”由此可以得到波峰时间DS的隶属度函数图像如图4-4-3所示：=图4-5-SEQ图4-5-\*ARABIC1DS隶属度函数LS的模糊化及隶属度函数图像假设液位波动较为激烈时，此时LS的值为-1。假设液位平静时，此时0最为合适。当DS的值为-0.5时，也认为此时液位下沉波动较为激烈。此时，我们用英文字母“S”、“M”、“L”。来表示形成波波谷深度的“短、适中、长”。由此可以得到LS的隶属度函数图像如图4-5-2所示:图4-5-SEQ图4-5-\*ARABIC2LS隶属度函数输出量的模糊逻辑推理BF的模糊逻辑推理我们假设系统的波峰值分为三个档次。我们使用英文字母“S”、“M”、“L”分别表示BF值低、适中、高。系统波峰值BF的隶属度函数图像如图4-6-1所示。BF是由DS输入模糊变量确定。因为每一个输入变量均有3种输入模式，输入变量的输入模式之间相互结合，所以输出结果得到了3种模糊逻辑控制规则。图4-6-SEQ图4-6-\*ARABIC1BF隶属度函数BG模糊逻辑推理我们假设系统的波峰值分为三个档次。我们使用英文字母“S”、“M”、“L”分别表示BG值很低、适中、高。系统波峰值BF的隶属度函数图像如图4-6-2所示。BG是由LS输入模糊变量确定。因为每一个输入变量均有3种输入模式，输入变量的输入模式之间相互结合，所以输出结果得到了3种模糊逻辑控制规则。图4-6-SEQ图4-6-\*ARABIC2BG隶属度函数评价函数的权系数确定通过30组测距实验，每组取得的7个波峰波谷值，由于不同的数据组内波峰波谷值的占比不同，通过计算可以得到评价函数：在该评价函数中，为波峰的权系数占比，为波谷的权系数占比。通过实验发现，在低液位的测量过程中，发现波峰值得出现总是略多于波谷值出现，通过波峰波谷值得占比计算后得出：（4-3）通过计算对比，当平静时的精确值为8.76cm时，波峰值BF=8.97cm，波谷值BG=8.43cm,通过评价函数可以计算出但是，由于HC-SR04超声波传感器本身的物理特性原因，其超声波发射电路的工作信号仅仅为40Hz且无法增大,在这种工作频率下进行发射超声波，其受到的环境影响较大。对此，在屏幕实际输出时，其显示的值是不断跳动的，但显示为一个可以接受的波动范围，对此我们认定在这个范围内的显示值，即为波动时的测量值。本章小结本章首先对液位检测系统的总原理图进行展示与叙述，然后介绍了主程序，以及主程序的工作流程图和软件部分设计，分析了如何应用软件编程并将对应功能实现的过程。对原理图中的各个模块进行介绍，通过对各个模块的解释与介绍清楚了本设计中各个模块的工作原理和所需器件构成。这样可以减少在后续实物焊接的失误，也可以让人能更好的理解自己的设计原理。再通过对软件系统部分的分析，我们可以了解系统的整个工作流程以及工作方式，以及是如何对超声波测距所得结果进行优化，都进行了简要分析。系统的实现系统的实现首先根据各个元器件的特点与功能使用AltiumDesigner10软件完成硬件电路图的绘制，接下来完成实物各个模块的焊接。再使用KeiluVision4软件完成对各个部分的功能编程与形成.hex文件。最后根据设计任务的要求，对整体设计的各个部分进行逐一调试，不断修改软件与硬件设计。最终实现超声波液位控制系统的全部功能。系统的测试对对超声波液位检测系统进行测试的目的在于检查并验证是否满足设计所要求的功能或搞清楚预料结果与实验结果之间的不同。完成超声波液位检测系统的设计之后，对其进行反复的全面调试，以提高系统的精确度、稳定性。测试结果如系统测试表6-1所示：表6-1系统测试测试类型测试名称测试内容测试结果功能测试显示功能液晶屏显示内容如测试流程（1）所述报警功能蜂鸣器报警如测试流程（2）所述检测功能按键进入对应功能如测试流程（3）所述波动液位检测功能模式切换如测试流程（3）所述性能测试准确性检测值对比如测试流程（4）所述实时性显示时间如测试流程（5）所述通用性实物外形如测试流程（6）所述测试流程（1）：将实物通电，显示模块工作，LCD1602液晶屏上显示正常内容，无乱码输出。如图6-1所示。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s11测试流程（1）测试流程（2）：将实物通电，按下按键2进入报警功能，出现报警时，红色灯亮起，蜂鸣器报警。如图6-2所示：图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s12测试流程（2）测试流程（3）：将实物通电，按下按键1进入波动液位测量模式，再次按下按键1退出该模式，显示结果如图6-3所示：图6-3测试流程（3）在进行测试流程（3）的过程中，普通测量状态下的个别组的数据存在一定误差，由于超声波的反射波在反射过程中会存在一定丢失，以及扫描的显示时间为1s,中间的个别数据会存在丢失，这是正常的允许误差。测试流程（4）：将实物通电，进行普通测量。测试流程（5）；将实物通电，进行观察，观察显示屏的测量数值变化速度。测试流程（6）：将传感器分别置于不同的测量环境，观察是否能正常进行液位测量。综上所述，本次设计显示功能、波动液位检测功能、报警功能、检测功能和准确性、实时性、通用性的性能需求，达到了预期的设计目标。本章小结本章对系统的软件和硬件的实现进行了介绍，并且对系统各个模块进行了测试，通过实验数据表明，本设计符合设计需求。6总结与展望总结与展望论文总结水基于超声波的模糊液位检测系统以超声波测距的结果为指标，通过模糊算法实现对波动的液位的检测，使液位检测接平静时的测量值。相信以后在液位检测方面，超声波的使用将会不断完善，使液位检测系统更加准确。本设计经过测试，可以实现两种不同的功能模式，一种是普通状态下的正常液位检测，另一种是处于波动状况的液位环境检测，当液位处于波动时，通过特殊功能状态，测量值趋于平静时的测量值，防止出现误报警状况。本论文主要实现以下方面的内容：（1）深入研究了STC89C52单片机与各个模块之间的功能与协同国祚。（2）实现了超声波传感器与单片机的联动协同工作，降低了干扰，提升了精确度。（3）实现了普通工作状态与特殊工作状态的切换、测量实现。（4）实现了对液位变化时的实时监测功能。但是本设计在测量时也发现了一些问题：（1）由于传感器本身的物理特性，测试的距离数据浮动很大。这是由于如果测量时距离太近，不能保证接收模块能够接收到发射模块的信息，从而导致测距失败，显示的测量值非正常值。（2）有时的测量值可能比实际值略大或略小，可能原因是因为传感器未正常摆放，未与测量环境成垂直状态。（3）超声波的发射电路在波动液位环境中，并不是一定是垂直反射，在这个反射期间，有可能会丢失一部分反射波，造成对检测的误差。同时超声波的反射在两种不同密度的介质间进行时也会存在一定的丢失，从而造成测量波动。（4）测量环境中有着各类影响因素，在测量时，测量范围为2-50cm时会存在一定的小型误差，在50-400cm内也存在了一定误差。因为在流体环境中，相对于流体而言，声速在温度T不为常数的流场中，各点的声速是不一样的。本设计未考虑到这点，未引入温度传感器将温度因素考虑在内，以至于测量时波动较大，存在了一定误差。（4）HC-SR04相较其他传感器来说，限制较多。首先，HC-SR04的测距范围为2-400cm，无法测量紧贴被测环境时的距离；其次传感器内部大部分芯片电路若因为电压的下降，不仅会导致超声波的信号强度降低，一些逻辑功能也可能异常；并且由于超声波发射电路的工作频率仅为40Hz,无法提升，导致了受到的影响较多，产生了误差。这是一些在测试中发现的问题，大部分由于传感器本身的物理特性所导致的问题。。工作展望随之自动控制技术的迅速发展，液位检测系统的设计在不断更新，同时超声波传感器的使用频率与使用领域也逐渐扩大，超声波传感器的功能、精度、准确性也在逐渐提升。本设计能够按预期的方案予以实现，完成超声波模糊液位检测系统，完成测距、液位控制功能。但是由于本人能力有限，本系统的设计还存在一些不足之处：（1）本设计采用的超声波传感器只考虑到了对波动液位环境的测量精度提升，未考虑到外界环境的其他的干扰。可以将其他干扰因素添加，再次提高精确度。（2）传感器个数较少，无法做到多方位的检测，从而提升准确性。（3）可以引入其他类别的传感器，加强超声波传感器的测距精度。（4）应该通过对比不同类别幸好的超声波传感器的效果后，选择效果更好的超声波传感器。例如KUS550系列超声波测距传感器、SMD超声传感器等。致谢PAGE23西安交通大学硕士学位论文PAGE24参考文献汪国明.液位计的分析[J].建筑工程技术与设计,2014,000(034):982-982.吴世超.对模糊逻辑的几点哲学思考[J].山花:下半月,2010(12).单片机在模糊逻辑控制中的应用[J].黑龙江大学自然科学学报,2000,17(002):67-6徐乐年,林敏,孙崇雨,许艳云.电容式灌装液位检测系统的设计[J].仪表技术与传感器,2019(02):72-74.李丽宏,谢克明.液位自动检测的现状与发展[J].太原理工大学学报