1畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容、重點和難點等研究內(nèi)容超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。利用單片機控制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，并且測量精度較高。超聲波測距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車雷達、機器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如液位、井深、管道長度等場合。因此研究超聲波測距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實意義。本課題的研究內(nèi)容是基于超聲波測距系統(tǒng)開發(fā)出一套適用于液位測量的裝置，具有容器高度輸入，利用單片機超聲波測距系統(tǒng)測量液位并進行計算得出液位高度，并使用LCD進行輸出顯示。本課題的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面（1）研究超聲波的傳播理論；（2）研究超聲波水位測量的基本原理；（3）研究如何利用單片機系統(tǒng)發(fā)生、采集超聲波信號，如何處理數(shù)；（4）研究超聲波水位測量的誤差及其消除（5）研究超聲波水位測量系統(tǒng)的硬件研究重點及難點重點（1）超聲波水位測量基本系統(tǒng)的硬件設(shè)計，使基本硬件電路能滿足測距量程要求和基本精度要求；（2）選擇合適的超聲波發(fā)生接收傳感器,溫度傳感器,并設(shè)計相應(yīng)合理的控制電路，確保檢測系統(tǒng)的精確性（3）正確設(shè)計測距的程序,精確地滿足測量要求,并且設(shè)計出操作簡單、界面直觀簡潔的人機界面難點（1）如何設(shè)計超聲波發(fā)射和接收的放大電路，使之能夠符合單片機采集數(shù)據(jù)要求的同時能夠滿足測量量程要求；（2）如何合理單片機程序，使之能精確測量超聲波發(fā)射接收間隔時間，使測距系統(tǒng)數(shù)據(jù)更加精確；12準備情況（查閱過的文獻資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設(shè)備、實驗條件等）研究概況及發(fā)展趨勢（1）超聲波水位測量研究概況12近年來，隨著電子技術(shù)和信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，液位測量儀表中的測量技術(shù)也發(fā)展很快，經(jīng)歷了由機械式向機電一體化再到自動化的發(fā)展過程。結(jié)合這兩大技術(shù)，尤其是將微處理器引進液位測量系統(tǒng)以后，使得液位計的精度越來越高，越來越向智能化、一體化、小型化的方向發(fā)展。從上世紀八十年代開始，一些發(fā)達國家就借助微電子、計算機、光纖、超聲波、傳感器等高科技的研究成果，將各種新技術(shù)、新方法應(yīng)用到儲罐液位測量領(lǐng)域。電子式測量方法便是其中的重要成果之一。在電子式液位測量方法中，有許多新的測量原理，包括壓電式、應(yīng)變式、雷達式、超聲波式、浮球式、電容式、磁致伸縮式、伺服式、混合式等二十多種測量技術(shù)。由于該方法測量精度高，可靠性強，持續(xù)時間長，安裝維護簡單，因而正在逐步取代舊的機械式液位測量方法。用于儲罐液位測量的眾多電子式技術(shù)中，壓電式、超聲波式、應(yīng)變式、浮球式、電容式五種測量技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，約占總數(shù)的60以上。其中，超聲波式測量技術(shù)的應(yīng)用份額最大。超聲波液位測量有很多優(yōu)點它不僅能夠定點和連續(xù)檢測液位，而且能夠方便地提供遙控或遙控所需的信號。與放射性技術(shù)相比，超聲技術(shù)不需要防護。與目前的激光測量液位技術(shù)相比，超聲方法比較簡單而且價格較低。一般說來，超聲波測位技術(shù)不需要有運動的部件，所以在安裝和維護上有很大的優(yōu)越性。特別是超聲測位技術(shù)可以選用氣體、液體或固體來作為傳聲媒質(zhì)，因而有較大的適應(yīng)性。所以在測量要求比較特殊，一般液位測量技術(shù)無法采用時，超聲測位技術(shù)往往仍能適用。（2）國內(nèi)的發(fā)展趨勢37液位測量廣泛應(yīng)用于石油、化工、氣象等部門。實現(xiàn)無接觸、智能化測量是液位計目前的發(fā)展方向。隨著工業(yè)的發(fā)展，計算機、微電子、傳感器等高新技術(shù)的應(yīng)用和研究，近年來液位儀表的研制得到了長足的發(fā)展，以適應(yīng)越來越高的應(yīng)用要求。從測量范圍來說，有的液位計只能測量幾十厘米，有的卻可達幾十米。從測量條件和環(huán)境來說，有的非常簡單，有的卻十分復雜。例如有的是高溫高壓，有的是低溫或真空，有的需要防腐蝕、防輻射，有的從安裝上提出苛刻的限制，有的從維護上提出嚴格的要求等。按測量液位的感應(yīng)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人類。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2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(yīng)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超聲波液位計、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(yīng)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)。目前，市場上的液位儀表功能各異，價格差異也較大。從價格和功能上比較，國內(nèi)和國外產(chǎn)品存在較大的差異國外的液位測量儀表，功能較全，精度較高，但價格比較昂貴；而國內(nèi)產(chǎn)品其功能和精度相對較低，但價格自然相對便宜。國外液位計量儀表早期大多采用機械原理,但近年來隨著電子技術(shù)的應(yīng)用，逐步向機電一體化發(fā)展，并且發(fā)展了許多新的測量原理。在傳統(tǒng)原理中也滲透了電子技術(shù)及微機技術(shù)，結(jié)構(gòu)有了很大的改善、功能有了很大的提高。從國外液位儀表發(fā)展的技術(shù)動向看，當前主要有三個熱點接觸測量方式的液位儀，非接觸測量方式的液位儀和新原理的小型液位開關(guān)。主要參考文獻1張卓敏基于CPLD的超聲波水位測量系統(tǒng)的研究D武漢理工大學，20102喬秀芳，王正垠一種新型超聲波液位計的開發(fā)與研制J微電子學與計算機，1996,0278813李廣峰，劉昉，高勇超聲波流量計的高精度測量技術(shù)J儀器儀表學報,2001,0654564潘仲明大量程超聲波測距系統(tǒng)研究D國防科學技術(shù)大學,20065王瑩高精度超聲波測距儀的研究設(shè)計D華北電力大學（北京）,20066雷建龍便攜式液位測量儀的研制J傳感技術(shù)學報,2006,041121147繳瑞山，韓全立主編單片機控制技術(shù)及應(yīng)用M北京高等教育出版社，20038譚浩強C語言設(shè)計教程M北京清華大學出版社，20079周潤景等基于PROTEUS的電路及單片機設(shè)計與仿真M北京北京航空航天大學出版社，3201010盧偉，王楊，趙紅東，渠建兵，夏克文高精度超聲波液位測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J儀表技術(shù)與傳感器，2013,07464811蘭羽，汪曉鴻基于AT89C52的超聲波液位測量系統(tǒng)設(shè)計J國外電子測量技術(shù)，2013,10303312盧偉高精度超聲波液位測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)D河北工業(yè)大學，201213曹建海，路長厚，韓旭東基于單片機的超聲波液位測量系統(tǒng)J儀表技術(shù)與傳感器，2004,01394014劉艷艷超聲波液位計的研究D北京化工大學，200715韓升暉基于單片機的超聲波液位計的設(shè)計與實現(xiàn)D華北電力大學，201416潘天放高精度超聲波液位計的研究D南京理工大學，201017朱江超聲波液位儀設(shè)計與精確度的研究D吉林大學，200918周淑云超聲波液位測量系統(tǒng)的應(yīng)用J石油化工自動化，1999,03717219蔣躍元，王文然，李德重，楊念祖自校準超聲波液位測量的研究J機械工業(yè)自動化，1996,02394220CRAWFORDHD,WILDJJ,WOLFPI,ETALTRANSMISSIONOFULTRASOUNDTHROUGHLIVINGHUMANTHORAXJIRETRANSACTIONSONMEDICALELECTRONICS,2009,ME6,ISSUE3,PP141146現(xiàn)有設(shè)備和實驗條件個人計算機、51單片機開發(fā)板、示波器、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表，開放實驗室43實施方案、進度實施計劃及預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計資料實施方案本課題有三個主要問題需要解決，分別是系統(tǒng)整體設(shè)計、系統(tǒng)誤差規(guī)避、系統(tǒng)程序和系統(tǒng)實物設(shè)計制作。其中，系統(tǒng)整體設(shè)計可以通過查閱相關(guān)資料和借鑒工業(yè)成品來解決；系統(tǒng)誤差規(guī)避主要通過所學知識和查閱相關(guān)資料吸取總結(jié)已有經(jīng)驗，提高制作工藝規(guī)避系統(tǒng)誤差和偶然誤差來實現(xiàn)；軟件程序的設(shè)計和實物的制作與調(diào)試可以根5據(jù)所學知識進行，對于該過程中所遇到的問題可以通過查閱相關(guān)資料，和同學討論，詢問指導老師，到實驗室進行試驗等手段解決。本設(shè)計基于單片機的超聲波液位測量系統(tǒng)主要由硬件與軟件兩部分組成，硬件是基于STC89C52芯片為核心的超聲波液位測量，采用STC89C52單片機進行控制及數(shù)據(jù)處理，給出了超聲波發(fā)射和接收電路。利用超聲波傳輸中距離與時間的關(guān)系，設(shè)計出了超聲波液位檢測系統(tǒng)。一、系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容和功能本設(shè)計中采用的是反射式的方式，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。期間通過單片機的控制，I/O口輸出控制信號從NE555振蕩器輸入到CD4069驅(qū)動電路驅(qū)動超聲波發(fā)射。經(jīng)過液面反射后超聲波接收探頭將收集到的超聲波送到單片機進行處理，輸出由LCD數(shù)碼管顯示。利用超聲波傳輸中距離與時間的關(guān)系，設(shè)計出能測量兩點間距離的超聲波液位檢測系統(tǒng)。利用所設(shè)計的液位檢測系統(tǒng)，對液面進行了測試，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)點，可實時測量液位。設(shè)計具體內(nèi)容（1）STC89C52主控單元電路（2）超聲波發(fā)射電路（3）超聲波接收電路（4）報警及顯示電路二、具體如下1、硬件設(shè)計本系統(tǒng)包括以下幾部分以單片機STC89C52為核心，周圍電路包括顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收電路、掃描驅(qū)動等。系統(tǒng)總體方案的設(shè)計本設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，以單片機STC89C52為核心，將其他模塊有機的整合在一起，形成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。STC89C52是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。采用STC89C52來實現(xiàn)對CX20106A紅外接收芯片和CD4069系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機通過P10引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與液位之間的距離，再由已知容器高度計算液位高度。系統(tǒng)組成如圖1所示6STC89C52單片機超聲波接收超聲波發(fā)送LCD顯示報警系統(tǒng)圖1系統(tǒng)組成555電路2、軟件設(shè)計由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分。（1）超聲波測距儀的算法設(shè)計超聲波測距的原理為超聲波發(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R所收到。這樣只要計算出從發(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。距離的計算公式為2TCSD其中，D為被測物與測距儀的距離，S為聲波的來回的路程，C為聲速，T為聲波來回所用的時間。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(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INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。（2）測量結(jié)果計算過程的分析首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16位的定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲01MS（這也就是測距器會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用12MHZ的晶振，機器周期為1S，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按下式計算即可測得被測液位與測距儀之間的距離，設(shè)計時取20時的聲速為344M/S則有0217/0CMDCT其中T0為計數(shù)器T0的計數(shù)值；液位H由容器高度H和D相減得出7測出距離后結(jié)果將以十進制BCD碼方式LCD顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。主程序框圖如圖2所示程序初始化定時中斷子程序收到回波外部中斷子程序顯示結(jié)果圖2程序框圖開始是是是進度實施計劃第一階段（2月28日至3月6日）完成超聲波液位測量方案的設(shè)計，查找基于單片機超聲波液位測量資料，畫出超聲波液位測量原理框架圖，提交硬件其原理草圖一份。第二階段（3月7日至3月13日）硬件電路模塊方案設(shè)計。具體包括單片機最小系統(tǒng)，超聲波發(fā)射與接收模塊，LCD顯示模塊等。第三階段（3月14日至3月16日）系統(tǒng)軟件設(shè)計。內(nèi)容包括主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分。第四階段（3月17日至3月20日）硬件設(shè)計布局。器件選型，如芯片；對電路進行調(diào)試。提交PCB圖源文件一份。第五階段（3月21日至3月31日）方案論證。包括硬件電路原理和軟件變成設(shè)計的可行性論證。第六階段（4月1日至5月5日）軟件編程并與硬件進行聯(lián)調(diào)，最后提交該電路板。8第七階段（5月6日至5月30日）整理畢設(shè)相關(guān)材料，撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書，以及之后對畢業(yè)設(shè)計說明書的修改。預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計資料1、完成二萬字左右的畢業(yè)設(shè)計說明書（圖表資料齊