1、基于單片機的外測式液位儀控制電路設(shè)計小組成員：劉瑤、崔圓圓、徐婷婷、鄭緣芬、王凱本課題的研究內(nèi)容 (1) 超聲波外測液位檢測系統(tǒng)的方案論證。 (2) 超聲波外測液位檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計。硬件電路包括超聲波發(fā)射、接收電路、單片機控制電路、溫度測量電路、顯示電路、與上位機通信電路和電源電路。 (3) 超聲波外測液位檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計。采用模塊化程序設(shè)計思想，編寫相應(yīng)的軟件程序，并進行調(diào)試和運行。 硬件系統(tǒng)總體方案設(shè)計 超聲波液位探測系統(tǒng)是根據(jù)“回波測距”的原理設(shè)計的。由超聲波的發(fā)射器發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時反射回來，再由超聲波接收系統(tǒng)接收。測出從超聲波發(fā)射該脈沖束至接收到回波信號的傳輸時間，

2、即渡越時間，由于超聲波在同一種介質(zhì)中的傳輸速度是不變的（設(shè)所處的介質(zhì)的密度和溫度等相關(guān)因素不變的情況下）。那么由渡越時間和聲速，就可算出要測的距離。 超聲波液位探測系統(tǒng)總體框架圖 AT89C51單 片 機超聲波接收超聲波發(fā)射溫 度 補 償液 晶 顯 示數(shù)據(jù)傳輸AT89C51 本系統(tǒng)選用的單片機為AT89C51。它是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含有4K bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令系統(tǒng)兼容，片內(nèi)置通用8位中

3、央處理器（CPU）和FLASH存儲單元，功能強大，AT89C51單片機可以提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 超聲波傳感器工作原理 超聲波傳感器，它是借助壓電晶體的諧振來工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)里有兩塊壓電晶片和一塊共振板。給壓電片的兩電極加脈沖信號，即觸發(fā)脈沖，當(dāng)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，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)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，此時的傳感器就成了超聲波接收器。在超聲波傳感器工作時為提高探頭發(fā)射超聲波的效率，常使晶片在共振狀態(tài)下使用，這會

4、使振動不易停止，難以形成窄脈沖；因此常在晶片背面裝上一個吸收塊以增大晶片的振動阻尼，并吸收晶片背面發(fā)出的超聲波。 超聲波傳感器探頭結(jié)構(gòu)簡圖 發(fā)射電路 在系統(tǒng)中，采用一個超聲波探頭作為發(fā)射和接收的器件。當(dāng)探頭發(fā)射超聲波時，探頭中壓電晶片受300V高頻電脈沖激勵后，產(chǎn)生振動，發(fā)生逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換成聲能，探頭發(fā)射超聲波，當(dāng)探頭接收超聲波時，超聲波作用于晶片，晶片受迫振動引起形變發(fā)生正壓電效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)換成電能。接收電路 超聲波接收電路設(shè)計由反向比例運算電路,濾波電路和閾值電壓比較三部分組成，超聲波在傳播的傳播過程中不可避免地衰減，再經(jīng)過物體表面的吸收、散射后，反射回來的回波信號已經(jīng)極其微弱，要

5、想測到回波，必須對其進行濾波放大，放大調(diào)節(jié)后的信號作為輸入信號，變成直流電平。接收部分的電路圖123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:15-Jun-2011Sheet of File:H:電路圖MyDesign3.ddbDrawn By:12U5CA74hc1412U5BA74hc14D3ln4001D2ln4001Q2S8050U6BLM324U7C81uC71uC91uC100.1uC151uC51uC61uLS2R810KR1010KR710KR91KR151KR1210KR1110KR4200KR610KR5100KR1310K

6、U6ALM324+12V+5VOUTGNDVDDSDLSCAMAX5381+5V+12V液晶顯示電路 液晶顯示電路使用的是12864點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國標(biāo)GB2312碼簡體中文字庫（1616點陣）、128個字符（816點陣）可與CPU直接連接，并且提供兩種接口來連接微處理機即8位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面位移、睡眠模式等。串行通信口電路 由于單片機提供的是TTL的電平，而計算機提供的是RS232電平，要實現(xiàn)單片機與計算機的通信，必須對它們的電平進行轉(zhuǎn)換，可用MAX232芯片來實現(xiàn)。 設(shè)計中實現(xiàn)了超聲波液位儀的遠(yuǎn)程通訊功能，將單片機獲得

7、的液位數(shù)據(jù)傳送到上位機，以便于工作人員的監(jiān)控和操作，并可將歷史數(shù)據(jù)存儲在PC機內(nèi)，尤其適用于室外測量或惡劣環(huán)境下的測量，由此使得系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣。本系統(tǒng)采用的是9芯的D型RS-232連接器串行通訊，通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)15m。溫度測量電路 超聲波液位儀系統(tǒng)的溫度測量電路，采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來采集溫度參數(shù) DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的1-wire總線串行數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、抗干擾能力強、易于與微處理器接口等優(yōu)點，適合于各種溫度測控系統(tǒng)。信號經(jīng)過單線接口僅需一條線。 DS18B20 的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供,而不需要外部電源。它的測量溫度范圍為-55+

8、125，精度可達(dá)0.0675，最大轉(zhuǎn)換時間為200ms。具體測量過程 按照液位測量儀的需要，超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊主要任務(wù)是用單片機產(chǎn)生40kHz的脈沖，驅(qū)動超聲波探頭器發(fā)射超聲波，同時采用計數(shù)器計時；當(dāng)超聲波接收器接收到回波信號時停止計時，由此得出超聲波的傳輸時間T,再利用公式，可求出待測距離h，由此算出液體的高度。 公式： h=1/2*v*T系統(tǒng)軟件設(shè)計 單片機液位儀的軟件功能是控制超聲波的發(fā)射和接收，對超聲波的傳輸時間進行測量，結(jié)合超聲波的傳播速度，計算出距離，并把數(shù)字濾波后的結(jié)果顯示出來。要實現(xiàn)上述功能，軟件包含初始化、參數(shù)讀入、超聲波發(fā)射、超聲波傳輸計時、聲速計算、超聲波傳輸距離計

9、算、數(shù)字濾波、計算結(jié)果顯示等功能模塊。 主程序運行過程 程序首先完成初始化過程，然后是一個重復(fù)的控制發(fā)射信號，而且每次發(fā)射周期結(jié)束都會判斷在發(fā)射信號后延時等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即回波是否到達(dá)。 由于采用了單片機89C51并考慮整個系統(tǒng)的控制流程，整個系統(tǒng)軟件都由89C51 系列單片機C語言實現(xiàn)。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進入中斷響應(yīng)的等待。在中斷響應(yīng)之后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)計數(shù)值與距離值換算子程序，二進制與十進制轉(zhuǎn)換子程序后顯示輸出。 主程序框圖初 始 化收到反射信號發(fā)射超聲波計數(shù)器開始計時延時1.8ms防止超聲波振蕩計數(shù)器停止計時，讀取溫度，計算距離顯

10、示溫度，距離計數(shù)器溢出顯示ERRORYESNOYESNO開 始結(jié) 束超聲波液位計優(yōu)點 （a）非接觸式測量，超聲波換能器安裝在液面上方，不與被測介質(zhì)接觸，可方便的測量腐蝕性、粘稠或有毒液體，避免被被測液體腐蝕或污損，免于維護。 （b）通用性好，液位計即可測量開渠液位，也可測量大型儲罐等的液體液位。安裝拆卸方便。 （c）適應(yīng)性強，使用范圍廣，不受介質(zhì)密度、介電常數(shù)、導(dǎo)電性等的影響，對被測液體的物理化學(xué)性質(zhì)的適應(yīng)性極強。適用于有毒、有腐蝕、高粘度的液體液位測量，彌補了其他液位計在此類惡劣測量環(huán)境中的不足。幾乎沒有機械可動部件，無磨損，使用壽命長，重量輕。換能器內(nèi)的壓電元件以聲頻振動，振幅小，壽命長。超聲波液位計缺點 超聲波液位計也有其自身的局限性，主要表現(xiàn)在被測