買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1 寧畢業(yè)設計 (論文 ) 基于單片機的超聲波液位 檢測系統(tǒng) 的 設計 與制作 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 劉紅兵 年 月 日 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 業(yè)設計任務書 一、課題名稱： 基于單片機的超聲波液位檢測系統(tǒng) 的 設計 與制作 二、指導老師： 三、設計內(nèi)容與要求 1、課題概述 在許多工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中 ,需要對系統(tǒng)的液位或物料位進行監(jiān)測 ， 特別是對具有腐蝕性的液體液位的測量 ， 傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極 ， 通過給電脈沖來檢測液面 ， 電極長期浸泡在液體中 ， 極 易被腐蝕、電解、失去靈敏性 ， 因而對測試設備的抗腐蝕性要求較高。 超聲波液位檢測是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的技術(shù)手段；我們也可以說是現(xiàn)代國防建設中不可缺少的技術(shù)手段。它可以使企業(yè)在在量化環(huán)境下進行生產(chǎn)，從而極大地降低成本，提高效益，減小對環(huán)境的有害影響。 近幾年來，由于 超聲波 液位檢測 儀 具備經(jīng)久耐用的 足夠 精 度的檢測能力， 更易于使用、更靈活且價格更低廉 。 與傳統(tǒng)的超聲傳感器相比， 又具有很多 新增功能 。這 大大拓展了其應用范圍。 本課題就是首先是以超聲波傳感器作為檢測前端獲取物位信號，以調(diào)理電路進行預處理，然后或以 A/D 變換 器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以單片機）為核心進行控制構(gòu)成簡單的測量系統(tǒng)?；蛘咄ㄟ^計時器對獲得的時間間隔信號直接進行測時，然后根據(jù)聲速計算出液位?；蛘咭詥纹瑱C）的計時單元對為調(diào)理電路送來的與時間間隔有關的脈沖進行時檢測測量，在輸入當?shù)氐膶崟r氣溫等條件以確定聲速，然后由單片機）進行數(shù)據(jù)處理，得到液位測量值。 2、 設計內(nèi)容與要求 1) 方案 以 單片機） （由學生自定）作為控制系統(tǒng)，設計一個物位測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳感器、調(diào)理電路、多路選擇開關、 A/D 變換器、 單片機） 。該系統(tǒng)能測量被測量點的物位值。測量數(shù)據(jù)由 單片機） 進行數(shù)據(jù)存儲和和 顯示。 2)設計要求： 本課題要求設計和制作基于 單片機）的 測控系統(tǒng)實物電路； 實物電路不僅滿足設計要求，同時要滿足高可靠性、高精度、簡單、經(jīng)濟、低成本、低能耗、低電磁污染。 測控系統(tǒng)包括的內(nèi)容： 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 超聲波傳感器 ； 調(diào)理電路； A/D 變換器； 單片機） ； 輸出顯示電路。 系統(tǒng)主要技術(shù)指標： 測量精度： +/- 5； 系統(tǒng)正常工作環(huán)境溫度范圍： 55； 市電電源供電。 四 、設計參考書 ： 單片機原理及應用、原理及應用、檢測技術(shù)、電子元件手冊等。 五 、 設計說明書內(nèi)容 1、封面 2、目錄 3、內(nèi)容摘要（ 200 400字左右，中英文） 4、引言 5、正文（設計方案與選擇，設計方案原理、計算、分析、電路仿真、論證，制作電路、電路硬件調(diào)試、軟件程序編寫流程、軟硬件電路聯(lián)調(diào)、電路操作說明及特點等） 6、結(jié)論 7、致謝 8、附錄（參考文獻、圖紙、材料清單等） 六 、畢業(yè)設計進程安排 第 1周：方案設計討論，教師輔導； 第 23周：分系統(tǒng)方案設計初稿、元件選擇、電路原理圖繪制及電路仿真等； 第 45周：根據(jù)電路仿真的結(jié)果修改設計方案及電路原理、購置電子元件、根據(jù)所購元件的封裝尺寸繪制 接電路并調(diào)試檢修； 第 6周：編寫并調(diào)試程序、軟硬進行聯(lián)調(diào)、根據(jù)制作的實際情況編寫畢業(yè)設計文檔初稿； 第 7周：對所編寫畢業(yè)設計文檔初稿進行自查、討論并完善文稿、輔導答辯； 第 8周：畢業(yè)設計書成績評定、答辯（答辯時嚴格按設計要求檢驗所設計制作的實物電路的功能指標）。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 、畢業(yè)設計答辯與論文要求 1、畢業(yè)設計答辯要求 2、答辯前一周，每個學生應按時將畢業(yè)設計書、電路實物、電路仿真或電路調(diào)試報告等必要資料交指導教師審閱，由指導教師寫出審閱意見。 學生答辯時對自述部分應寫出書面提綱，內(nèi)容包括課題的任務、 目的和意義，所采用的原始資料或參考文獻、設計基本內(nèi)容和主要方法、成果結(jié)論和評價。 答辯小組質(zhì)詢課題的關鍵問題，質(zhì)詢與課題密切相關的基本理論、知識、設計與計算方法、實驗方法、測試方法，鑒別學生獨立工作能力、創(chuàng)新能力。 1、 畢業(yè)設計論文要求 文字要求：說明書要求打印（除圖紙外），不能手寫。文字通順，語言流暢，排版合理，無錯別字，不允許抄襲。 圖紙要求：按工程制圖標準制圖，圖面整潔，布局合理，線條粗細均勻，圓弧連接光滑，尺寸標注規(guī)范，文字注釋必須使用工程字書寫。 曲線圖表要求：所有曲線、圖表、線路圖、程序框圖、示意圖 等不準用徒手畫，必須按國家規(guī)定的標準或工程要求繪制。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 V 摘 要 本文探討了超聲波測量液位檢測系統(tǒng)的應用問題，首先是以超聲波傳感器作為檢測前端獲取物位信號，以調(diào)理電路進行預處理，然后或以 A/D 變換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以單片機）為核心進行控制構(gòu)成簡單的測量系統(tǒng)?；蛘咄ㄟ^計時器對獲得的時間間隔信號直接進行測時，然后根據(jù)聲速計算出液位。或者以單片機的計時單元對為調(diào)理電路送來的與時間間隔有關的脈沖進行時檢測測量，在輸入當?shù)氐膶崟r氣溫等條件以確定聲速，然后由單片機進行數(shù)據(jù)處理，得到液位測量值。 本文在研究超聲波測量液位檢測系統(tǒng)系統(tǒng)過程中 ,運用理論分析，電路設計和計算機仿真等研究手段 ,完成了系統(tǒng)硬件和軟件的設計。 該系統(tǒng)分為測距模塊、系統(tǒng)控制模塊和顯示報警模塊，并分別對其進行方案分析，構(gòu)建了系統(tǒng)的構(gòu)架和設計方案。在硬件電路中詳細闡述了運用單片機技術(shù)實現(xiàn)液位檢測原理，分析了以單片機為主控單元的系統(tǒng)硬件和軟件設計 ,并對該系統(tǒng)進行了試驗和誤差分析，給出了本系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標。 關鍵詞： 超聲波 ， 單片機 ， 液位測量 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 of of is as , as to Or by on to of in Or to to to of by on of of is on In is in CM as of 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 錄 摘 要 . V . 錄 . 1 章 緒論 . 1 題研究的背景及意義 . 1 題概述 . 2 文的主要工作 . 3 第 2 章 超聲波測量原理 . 5 聲波 . 5 聲波概念及特點 . 5 聲波傳播速度 . 5 聲波頻率 . 5 聲波傳感器 . 6 聲波液位測量原理 . 7 第 3 章 方案設計 . 9 統(tǒng)設計內(nèi)容和功能 . 9 統(tǒng)方案選 擇 . 10 聲波和超聲波傳感器 . 10 聲波傳感器的主要應用 . 11 聲波發(fā)生器選擇 . 12 第 4 章 超聲波液位檢測硬件電路設計 . 13 聲波發(fā)射電路設計 . 13 聲波接收電路設計 . 14 4. 3 單片機最小系統(tǒng)電路 . 16 度補償電路設計 . 18 示電路設計 . 錯誤 !未定義書簽。 源電路設計 . 20 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 示系統(tǒng)設計 . 20 警電路設計 . 錯誤 !未定義書簽。 第 5 章 超聲波液位檢測系統(tǒng) 軟件的設計 . 22 統(tǒng)軟件設計框圖 . 22 片機的 C 程序設計 . 24 統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試 . 29 試分析 . 30 總 結(jié) . 31 參考文獻 . 32 致 謝 . 33 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1 第 1 章 緒論 題研究的背景及意義 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測量容器中液體的液位。在一般的生產(chǎn)過程中，液位測量的目的主要是通過液位測量來確定容器里的原料、半成品或產(chǎn)品的數(shù)量，以保證生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)物料平衡以及為進行經(jīng)濟核算提供可靠的依據(jù) ;另外還為了在連續(xù)生產(chǎn)的情況下，通過液位測量，了解液位是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而維持正常生產(chǎn)、保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量以及保證安全生產(chǎn)。液位的測量在工業(yè)生產(chǎn) 過程中的作用已經(jīng)相當重要。 隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，液位測量已應用到越來越多的領域，不僅用于各種容器、管道內(nèi)液體液位的測量，還用于水渠、水庫、江河、湖海水位的測量。這些領域使用傳統(tǒng)的液位測量手段已經(jīng)無法滿足對其精確性的要求，所以超聲波液位測量這種新的測量方向已經(jīng)成為一種新的手段被廣泛的應用。 在目前市場上，按測量液位的感應元件與被測液體是否接觸，液位儀表可以分為接觸型和非接觸型兩大類 3。接觸型液位測量主要有 :人工檢尺法、浮子測量裝置、伺服式液位計、電容式液位計以及磁致伸縮液位計等。它們的共同點是測量的感應 元件與被測液體接觸，即都存在著與被測液體相接觸的測量部件且多數(shù)帶有可動部件。因此存在一定的磨損且容易被液體沾污或粘住，尤其是桿式結(jié)構(gòu)裝置，還需有較大的安裝空間，不方便安裝和檢修。 非接觸型液位測量主要有微波雷達液位計、射線液位計以及激光液位計等。顧名思義，這類測量儀表的共同特點是測量的感應元件與被測液體不接觸。因此測量部件不受被測介質(zhì)影響，也不影響被測介質(zhì)，因而其適用范圍較為廣泛，可用于接觸型測量儀表不能滿足的特殊場合，如粘度高、腐蝕性強、污染性強、易結(jié)晶的介質(zhì)。 超聲波液位測量計就屬于非接觸型液位測量的一 種，所以它也有不受被測介質(zhì)影響，不影響被測介質(zhì)，能適應粘度高、腐蝕性強、污染性強、易結(jié)晶、高溫、高壓、低溫、低壓、有輻射性、毒性、易揮發(fā)易爆等特殊介質(zhì)的測量的特點，能適應的范圍比其它的測量手段更廣泛。隨著科學的發(fā)展液位的檢測方法也在變化，精度也有了更佳的提高。單片機技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展使液位測量方法得到了更進一步的發(fā)展。超聲波在液位測量中的應用也越來越廣，但是就目前的發(fā)展水平來說，超聲波在測距系統(tǒng)中的應用還有一定的限度，因此研究超聲波的液位檢測是很有發(fā)展前景的。它在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)領域具有廣闊的發(fā)展空間。本次設 計中，通過外界環(huán)境溫度的檢測提高了超聲波測距的精度。通過延時避免了接收未經(jīng)液面反射的超聲波，其次利用溫度傳感器檢測外界溫度，采用當前溫度下的超聲波速度去計算，從而提高了距離計算的精度。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 2 題概述 通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時的 時間差 就可以知道距離了。這與 雷達 測距原理相似。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。（超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù) 計時器 記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2） 超聲波指向性強，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因 而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物 位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移 動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。 為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。本文所介紹的三方向（前、左、右） 超聲波測距 系統(tǒng)，就是為機器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個運動距離信息。 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多 超聲波發(fā)生器 。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一 類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有 加爾 統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生 的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 在未來，超聲波的液位測量將有更大的用途，更大的應用范圍。它不但可以幫助人們解決很多生活中的困難，還可以作為科學探測和研究的手段。特別是水位的測量，可以幫助確定水位的高度，以便于其他工作的順利進行。 本設計中采用反射式的方式，超聲波傳感器發(fā)射超聲波，遇到液面后超聲波被反射回來，超聲波接收探頭接收超聲波。其間通過單片機的控制， 輸出控制 信號從555 振蕩器輸入到驅(qū)動電路驅(qū)動超聲波發(fā)射電路， 超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生 40調(diào)制脈沖，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。經(jīng)過液面反射后超聲波接收探頭將接收到的超聲波送到單片機進行處理。單片機通過各個引腳來實現(xiàn)和各電路模塊的接口連接。并通過軟件的設計來控制整個檢測過程。一步一步，從發(fā)射到接收超聲波，定時器的初始化，中斷程序的編寫，溫度的采樣，距離的計算，單片機都發(fā)揮了重要的最用。它是整個檢測系統(tǒng)的內(nèi)部核心。 這次對超聲波液位檢測的設計獲得了具有很大的成果和意義，在這個科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力的時代，應 用科學技術(shù)去解決生活中和工作的困難變得具有更高的價值。在設計中，我加深了對超聲波的認識，對它的原理掌握的更好了。目前 超聲波已廣泛運用于買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 3 診斷學、治療學、工程學、生物學等領域。此外我 認識到單片機在各方面都有很大的應用潛能，在自動控制領域它更是發(fā)揮了不可替代的作用。本設計利用超聲波實現(xiàn)液位的測量，檢測方便，易于實時控制，達到了工業(yè)的要求，因此具有實際的意義和廣泛的應用前景。 文的主要工作 本文主要是針對 在許多工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中 ,需要對系統(tǒng)的液位或物料位進行監(jiān)測 ， 特別是對具有腐蝕性的液體液位的測量 ， 傳統(tǒng)的電極 法是采用差位分布電極 ， 通過給電脈沖來檢測液面 ， 電極長期浸泡在液體中 ， 極易被腐蝕、電解、失去靈敏性 ， 因而對測試設備的抗腐蝕性要求較高。 超聲波液位檢測是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的技術(shù)手段；我們也可以說是現(xiàn)代國防建設中不可缺少的技術(shù)手段。它可以使企業(yè)在在量化環(huán)境下進行生產(chǎn)，從而極大地降低成本，提高效益，減小對環(huán)境的有害影響。 近幾年來，由于 超聲波 液位檢測 儀 具備經(jīng)久耐用的 足夠 精 度的檢測能力， 更易于使用、更靈活且價格更低廉 。 與傳統(tǒng)的超聲傳感器相比， 又具有很多 新增功能 。這 大大拓展了其應用范圍。 本課題就是首先是以超聲波傳 感器作為檢測前端獲取物位信號，以調(diào)理電路進行預處理，然后或以 A/D 變換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以單片機）為核心進行控制構(gòu)成簡單的測量系統(tǒng)?；蛘咄ㄟ^計時器對獲得的時間間隔信號直接進行測時，然后根據(jù)聲速計算出液位?；蛘咭詥纹瑱C）的計時單元對為調(diào)理電路送來的與時間間隔有關的脈沖進行時檢測測量，在輸入當?shù)氐膶崟r氣溫等條件以確定聲速，然后由單片機）進行數(shù)據(jù)處理，得到液位測量值。 超聲波檢測接收電路主要是由集成電路 成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 380為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用無信號時輸出高電平 )，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容 以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 超聲波測距儀的軟件設計主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序有較復雜的計算（計算距離時），所以控制程序可采用 聲波測距儀 主程序利用外中斷 1檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計時器 將測距成功標志字賦值 1。買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 4 如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 關閉，并將測距成功標志字賦值 2以表示此次測距不成功。 超聲波測距的 算法設計 原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算 出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器 用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在 片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 5 第 2 章 超聲波測量原理 聲波 聲波概念 及特點 超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，是機械振動在媒介中的傳播過程 ， 由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特 別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波是人耳聽覺 范圍 值以上的振動，頻率范圍在 10 1間，常用頻率大約在 10 10間。超聲波的波型分縱波、橫波、瑞利波和表面波。 超聲波按傳播方式可分為縱波和橫波?？v波的傳播方向與質(zhì)點的振動方向一致，縱波可以在氣液和固體中傳播。橫波的傳播方向垂直于質(zhì)點的振動方向橫波只能在固體中傳播。超聲 波 的物理性質(zhì)有：反射與折射、衰減與吸收、疊加與干涉等。 聲波傳播速度 由于超聲波也是一種聲波，超聲波在傳播介質(zhì)中的傳播的速度和介質(zhì)的特性有關。理論上，在 13 的海水里，聲音的傳播速度是 1500m/s。在 25 的空氣中傳播的速度是344m/s，在溫度為 0 時的速度是 334m/s。超聲波的傳輸速度和聲波一樣，超聲波在空氣中傳播時，空氣的溫度、大氣壓力、濕度等都對超聲波的聲速有影響，其中溫度對速度的影響最大。 超聲波在空氣中傳播時，傳輸速度和溫度的關系可以由公式（ 2表示： 3 3 1 0 （ 2 在測量過程中，如果溫度變化不大，則可以認為聲速是不變的。如果對測量精度要求較高，為了減小誤差，避免因環(huán)境溫度變化而帶來的偏差，必須對環(huán)境溫度進行檢測，通過溫度補償?shù)姆椒▽β曀龠M行校正，以實現(xiàn)能夠精確測量。 聲波頻率 超聲波在傳播過程中，衰減系數(shù)與聲波介質(zhì)以及頻率的關系為 2a （ 2 其中， 空氣中， 1 3 22 1 0 /b s 。其物理意義為，聲波在空氣中傳播，由于空氣運動摩擦的原因，能量被吸收損耗。由公式（ 2知，超聲波的頻率越高，衰減也就越大，其傳播的距離也就越短。傳播到買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 6 空氣中的超聲波強度隨距離的變化成比例地減弱，這是因為衍射現(xiàn)象所導致的在 地 球表面上的擴散損失，也是因為介質(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。如圖 2聲波的頻率越高，衰減率就越高，波的傳播距離也就越短。 圖 2壓在不同距離下的衰減特性 超聲波傳感器的工作頻率是測距系統(tǒng)的主要參數(shù)，它直接影響超聲 波的擴散和吸收損耗，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感 器 的尺寸。對于不同占空比的超聲波，其發(fā)送接收效率不同，一般 50%的占空比頻率為 40右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳。 聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。 目前超聲波傳感器大致可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛 型 、液哨 型 和氣流旋笛 型等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。 在超聲波 測距的應用中，最為常用的是壓電型傳感器。壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是借助壓電晶體的諧振來工作的，即陶瓷的壓電效應。 超聲波傳感器 習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。其結(jié)構(gòu)原理如圖 2。 圖 2聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 7 超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。當它的兩電極 板 加脈沖信號 (觸發(fā)脈沖 )，若其頻率等于晶片的固有頻率時，壓電晶片就會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，電能轉(zhuǎn)換為機械能，此現(xiàn)象稱為逆壓電效應。機械能以波動的方式向外輻射傳播，產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當共振板接收到 回波信號時，將壓迫兩壓電晶片振動，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電信號， 這 現(xiàn)象稱為壓電效應，此時的傳感器就成了超聲波接收器。壓電型超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖 2個復合式振動器被靈活地固定在底座上。該復合式振動器是諧振器以及由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一個結(jié)合體。諧振器呈喇叭形諧振器金屬片喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產(chǎn)生的超聲波， 并且 壓電陶瓷可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。 圖 2電型超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 聲波 液位 測量原理 通常，超聲波發(fā) 生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩級外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時， 壓電晶片將會發(fā)生共振 , 并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。 在超聲波探測電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，其寬度為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔，被測物距越遠，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法易受反射波的影響，精度不高。 本文硬件設計采用超聲波往返時間檢測法，其測量原理圖如 圖 2示。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 8 圖 聲波液位測量示意圖 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點 到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。 測距的公式表示為： L=CT 式中 L 為測量的距離長度； C 為超聲波在空氣中的傳播速度； T 為測量距離傳播的時間差 (T 為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半 )。 超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。 由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。 傳感器發(fā)出 40聲波 , 但并不是單獨發(fā)射一個脈沖 ,而是一串的幾個脈沖 , 并對測量邏輯電路提供一個短脈沖，開始計時 ,超聲波接收器接收到遇到障礙而返回的脈沖串前端 , 同樣也對測量邏輯電路提供一個短脈沖 ,計時結(jié)束 ,這就得到了超聲波運行時間間隔 t(s), 結(jié)合空氣中超聲波傳播速度 v(m/s),根據(jù)運動定律 , 我們便得到所要測量的目標距 S(m) :S= (2然而，超聲波在空氣中傳播的速度 V 和空氣的溫度有關。 溫度補償： 在理想氣體中 , 超聲波傳播速度可表述為 : (2其中 , c 器 輸 入 電 壓接 收 信 號 幅 值發(fā) 射 信 號 幅 值接 收 閾 值為氣體的比熱值 , R 為氣體常數(shù) , T 為熱力學溫度 , 為氣體的分子量。由 (2知 :聲速與熱力學溫度的平方根成正比 , 溫度越高聲速越大。實驗表明 , 實用的溫度值經(jīng)驗公式為 : 1 (2買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 9 對于 T 值 , 可使用溫度傳感器采集并送給單片機進行計算。 第 3 章 方案設計 統(tǒng)設計內(nèi)容和功能 超聲波液位測量系統(tǒng)框圖如圖 3 圖 聲波液位測量系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)主要由 五 個部分組成：單片機控制部分，液晶顯示 、報警 部分， 溫度檢測部分，超聲波發(fā)射部分和超聲波接收部分。單片機控制部分用來產(chǎn)生 40測量出超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時間，驅(qū)動液晶顯示模塊，采集溫度測量部分的溫度信息以及進行數(shù)據(jù) 的處理。溫度測量部分用來測量環(huán)境溫度，對溫度進行補償，來減少環(huán)境溫度變化對測量精度的影響。 分用來顯示測量的結(jié)果，即可以顯示出 距離 。發(fā)射部分由單片機產(chǎn)生的 40波信號作為控制信號，控制驅(qū)動電路使超聲波傳感器發(fā)射出超聲波。超聲波接收部分則負責對超聲波接收傳感器產(chǎn)生的電信號進行濾波放大，經(jīng)過檢波電路，產(chǎn)生接收中斷信號，使單片機能夠計算出超聲波發(fā)射到接收所消耗的時間。 本設計中采用反射式的方式，超聲波傳感器發(fā)射超聲波，遇到液面后超聲波被反射回來，超聲波接收探頭接收超聲波。其間通過單片機的控制， I/出控制信號從 動電路驅(qū)動超聲波發(fā)射電路， 超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生 40調(diào)制脈沖，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。經(jīng)過液面反射后超聲波接收探頭將接收到的超聲波送到單片機進行處理。輸出由 碼管顯示 ，通過盲區(qū)的消除以及環(huán)境溫度的采樣，提高了測距的精確度。利用超聲波傳輸中距離與時間的關系，采用片機進行控制及數(shù)據(jù)處理，設計出了能精確測量兩點間距離的超聲波液位檢測系統(tǒng)。利用所設計出的超聲波液位檢測系統(tǒng)，對液面進行了測試，采集當時的環(huán)境溫度獲得精確的速度， 計算出液面距離。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測量精度高的優(yōu)超聲波接收 超聲波發(fā)送 8051 單片機 溫度檢測 555 電路 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 10 點，可實時檢測液位。 設計具體內(nèi)容： (1)(2)超聲波發(fā)射電路 (3)超聲波接收電路 (4)溫度補償電路 (5)報警及顯示電路 統(tǒng)方案選擇 為使基于單片機的超聲波液位測量控制系統(tǒng)具有較好的實用性，并且具有較高的性能 /價格比，對該系統(tǒng)的硬件電路作了精心設計。該系統(tǒng)的硬件設計采用了模塊化的設計方法。按實現(xiàn)的功能來分可分為以下幾個部分。其中 片機是整個電路的核心，它控制其他模塊來完成各種復雜的操作。外 圍電路包括溫度補償電路、超聲波發(fā)射及接收電路、報警及顯示電路等等。 方案一 :我們可以用 蕩產(chǎn)生 40是基于硬件的基礎上，便于我們可以通過示波器觀察到 40方波，具有直觀且易于觀察的特點，有利于電路的檢測。 方案二 :我們可以通過單片機產(chǎn)生 40通過 40于是軟件控制，準確度比較高。 經(jīng)過比較我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射電路中方案一的設計是比較經(jīng)濟實惠而且比較方便，但方案二中的軟件設計使發(fā)射超聲波時間比較容易控制，而且超聲波的頻率準確 度比較高，本設計要求測量精度在 1內(nèi)，在方案二中我們通過采用 5腳和 7腳串聯(lián)一個 2000此在本次設計中，我們選用的是方案二，以提高測量結(jié)果的準確度，并且在整個系統(tǒng)中我們都會采用單片機做計算和顯示。 聲波和超聲波傳感器 超聲波的兩個主要參數(shù)： 頻率： F20K/ 功率密度： p=發(fā)射功率 (W)/發(fā)射面積 (通常 p在液體中傳播的超聲波能對物體表面的污物進行清洗，其原理可用 “空化 ”現(xiàn)象來解釋：超聲波振動在液體中傳播的音波壓強達到一個大氣壓時，其功率密度為 時超聲波的音波壓強峰值就可達到真空或負壓，但實際上無負壓存在，因此在液體中產(chǎn)生一個很大的壓力，將液體分子拉裂成空洞 空化核。此空洞非常接近真空，它在超聲波壓強反向達到最大時破買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 11 裂，由于破裂而產(chǎn)生的強烈沖擊將物體表面的污物撞擊下來。這種由無數(shù)細小的空化氣泡破裂而產(chǎn)生的沖擊波現(xiàn)象稱為 “空化 ”現(xiàn)象。 太小的 聲強 無法產(chǎn)生空化效應。 一 、超聲波的特性 （ 1） 超 聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 （ 2） 超聲波可傳遞很強的能量。 （ 3） 超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 （ 4） 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和 空化現(xiàn)象 。 二 、超聲波的特點 （ 1） 超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中。 （ 2） 超聲 波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠的距離。 （ 3） 超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應）。 超聲波是一種波動形式，它可以作為探測與負載信息的載體或媒介（如 B 超等用作診斷）；超聲波同時又是一種能量形式，當其強度超過一定值時，它就可以通過與傳播超聲波的媒