PAGEIIPAGEIPAGEII基于單片機的外測式液位儀控制程序設(shè)計摘要本設(shè)計的主要研究方法是利用超聲波回波法進(jìn)行測量，由超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時會被反射，利用單片機記錄超聲波的發(fā)射時間和接收到回波的時間，根據(jù)當(dāng)前環(huán)境下超聲波的速度，即可計算出超聲波傳播的距離，即可確定液面高度。文中介紹了超聲波測液位的基本原理，設(shè)計出了由AT89C51單片機為主控元件的超聲波液位測量系統(tǒng)。設(shè)計了主要由超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路，單片機控制電路和顯示電路構(gòu)成的系統(tǒng)框圖。同時給出軟件系統(tǒng)程序設(shè)計方法，系統(tǒng)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)液位的檢測及顯示功能。在硬件部分，超聲波發(fā)射電路將AT89C51單片機控制的每隔20ms的方波脈沖信號放大到-300V，以滿足超聲波發(fā)射探頭的發(fā)射需要。超聲波接收電路對接收的回波進(jìn)行放大整形，送回單片機。系統(tǒng)以AT89C51單片機為設(shè)計核心，測量得到超聲波的傳播時間，計算出傳播的距離，從而得到所要測量的液位距離,并通過數(shù)碼管顯示出來。在程序設(shè)計部分，根據(jù)系統(tǒng)框圖設(shè)計出主程序流程圖，采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，主要分三部分：主程序，中斷服務(wù)子程序和顯示子程序。再分別根據(jù)各個子程序的流程圖編寫相應(yīng)的程序，使得程序部分適合硬件部分，使系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：液位測量，超聲波，非接觸測量，單片機控制PAGEIIPAGEIIControlProgramDesignofOutsideTestofLiquidLevelBasedonMCUABSTRACTThedesignofthemainresearchmethodistheuseofultrasonicechomethodtomeasuretheemissionfromtheultrasonicsensorultrasonicprobelaunch,whentheultrasonicwaveisreflectedwhenanobstacle,theuseofultrasonictransmittermicrocontrollerrecordsthetimeandthereceivedechotime,Accordingtothespeedofultrasoundunderthecurrentenvironment,youcancalculatethedistanceultrasonicpropagation,fluidlevelscanbedetermined.Thispaperintroducesthebasicprinciplesofultrasonicliquidlevelmeasurement,designedbytheAT89C51microcontrollerasthemaincontrolcomponentoftheultrasoniclevelmeasurementsystem.Designedmainlybytheultrasonictransmittercircuit,theultrasonicreceivercircuit,singlechipcontrolcircuitanddisplaycircuittoformasystemblockdiagram.Proceduresaregivensoftwaresystemdesign,systemimplementationofthestandardliquidleveldetectionanddisplay.Inhardware,ultrasonictransmittercircuitAT89C51Microcontrollersquarewavepulseevery20mssignalamplificationto-300V,inordertomeetthelaunchneedsofultrasonicprobelaunched.Ultrasonicreceivercircuittoamplifythereceivedechoshaping,backtoSCM.AT89C51microcontrollersystemforthedesignofthecore,theKEYWORDS：levelmeasurement,ultrasonic,non-contactmeasurement,MCUcontrol

目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IABSTRACT II1緒論 11.1液位測量系統(tǒng)的現(xiàn)狀 11.2液位計的分類 11.2.1接觸型液位儀表 21.2.2非接觸型液位儀表 31.3液位傳感器的發(fā)展方向 41.4超聲波液位計的優(yōu)缺點與可行性 42超聲波傳感器 62.1超聲波的性質(zhì) 62.1.1超聲波基本性質(zhì) 62.1.2超聲波的衰減 62.1.3超聲波的特性 62.1.4超聲波的折射率 72.2超聲波外測液位檢測方法選擇 82.3超聲波探頭的選取 92.3.1壓電效應(yīng) 92.3.2探頭材料的選取 102.3.3超聲波傳播形式 112.4超聲波換能器的結(jié)構(gòu)和原理 112.5超聲波換能器最佳頻率計算 123液位儀的整體設(shè)計 133.1超聲波液位儀 133.1.1超聲波測距的理論分析 133.1.2超聲波液位儀工作原理 143.3系統(tǒng)總體設(shè)計思想 163.3.1硬件框圖設(shè)計 163.3.2主流程圖設(shè)計 164程序設(shè)計 194.1確定開發(fā)語言 194.2主控制器的確定 204.2.1AT89C51功能說明 204.2.2系統(tǒng)中AT89C51的功能說明 234.3主程序設(shè)計 234.4中斷程序設(shè)計 254.5溫度采集程序設(shè)計 264.6串行口通信設(shè)計 284.7顯示程序 295結(jié)論 335.1程序設(shè)計調(diào)試結(jié)果 335.2設(shè)計總結(jié) 33致謝 35參考文獻(xiàn) 36附錄 38PAGE36陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計說明書)PAGE35基于單片機的外測式液位儀控制程序設(shè)計1緒論1.1液位測量系統(tǒng)的現(xiàn)狀目前，液位測量技術(shù)已經(jīng)廣泛的運用在工業(yè)部門和日常檢測部門中。例如液位測量廣泛應(yīng)用于石油、化工、氣象等部門。從測量條件和環(huán)境來說，有的非常簡單，有的卻十分復(fù)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(hù)上提出嚴(yán)格要求等。因此實現(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。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(jìn)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(dāng)重要。隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，液位測量已應(yīng)用到越來越多的領(lǐng)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(lǐng)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(yīng)用。目前，按照測量液位的感應(yīng)元件與被測液體是否接觸，液位儀表可分為接觸型和非接觸型兩大類。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，還需要有較大的安裝空間，不方便安裝和檢修。非接觸型液位測量主要有超聲波液位儀、微波雷達(dá)液位儀、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(yīng)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(yīng)的范圍比其它的測量手段更廣泛。1.2液位計的分類目前，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(dāng)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)。1.2.1接觸型液位儀表接觸型液位儀表主要有：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。它們的共同特點是測量的感應(yīng)元件與被測液體接觸。人工檢尺法：利用侵入式刻度鋼尺測量液位，取樣測量油溫和密度，通過計算得到液體的體積和重量，這是迄今為止依然在全世界廣泛使用的液位測量方法，也可以把它用作現(xiàn)場檢驗其他測量儀表的參考手段。該方法分為實高測量和空高測量兩種。人工檢尺法具有測量簡單、直觀、成本低等優(yōu)點，但需要測試人員手動測量，不適合惡劣環(huán)境下的操作。另外，需要較長的測量時間，難以實現(xiàn)在線實時測量，即實時性較差且需要手工處理數(shù)據(jù)，不利于數(shù)據(jù)的計算機管理。浮子測量裝置：浮子式測量裝置采用大而重的浮子作為液位測量元件，驅(qū)動編碼盤或編碼帶等顯示裝置，或連接電子變送器以便遠(yuǎn)距離傳輸測量信號。由于機械裝置的使用，這類裝置的測量誤差一般約為1mm，誤差較大。浮子式液位裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等優(yōu)點，但是浮子會隨著液面的波動而波動，從而造成讀數(shù)誤差。該裝置傳動部件較多，容易造成系統(tǒng)的機械磨損，因而增加了系統(tǒng)維護(hù)的開銷。浮子測量裝置的適用范圍為非腐蝕液位的測量。伺服式液位計：伺服式液位計與浮子式液位測量裝置相比，提高了測量精度和可靠性。它采用波動積分電路，消除了抖動，延長了使用壽命。線代伺服液位計的測量精度已達(dá)到40m范圍內(nèi)小于±1mm。但是，由于伺服式液位計仍屬于機械測量裝置，存在機械磨損，影響了測量的精度，因此需要定期維修和重新定標(biāo)且安裝困難。電容式液位計：電容式液位計的核心是電容液位傳感器。該傳感器一般由標(biāo)準(zhǔn)電容、測量電容和比較電容等組成。其中，比較電容用來測量液位的介電常數(shù)，測量電容用來檢測液位的變化，由液體的介電常數(shù)和測量電容的容量計算出液位。電容式液位計的價格較低、安裝容易且可以應(yīng)用于高溫、高壓的測量場合。磁致伸縮液位計：磁致伸縮液位計采用磁致伸縮技術(shù)來測量大罐的油水界面和油氣界面。通常情況下，磁致伸縮液位計安裝有兩個浮子，其中一個浮子的密度小于油品的密度，另一個浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它們分別用來檢測油氣界面和油水界面。磁致伸縮液位計安裝容易，不需要定期維修和重新定標(biāo)，工作壽命較長。其測量精度較高，測量的重復(fù)精度也較高，是比較理想的接觸型液位計。但是磁致伸縮液位計與被測液體接觸，儀器容易受到腐蝕，且液體的密度變化會帶來測量誤差。此外，浮子裝置沿著波導(dǎo)管的護(hù)導(dǎo)管上移動，容易被卡死，從而影響液位的正確測量。1.2.2非接觸型液位儀表非接觸型測量儀表主要包括超聲波液位計、雷達(dá)液位計、射線液位計以及激光液位計等。這類液位測量儀表的共同特點是測量的敏感元件與被測液體不接觸，因此不受被測介質(zhì)影響，也不影響被測介質(zhì)，因而適用范圍較為廣泛，可用于接觸式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)。超聲波液位計：超聲波液位計是非接觸式液位計中發(fā)展最快的一種。超聲波在同一種介質(zhì)中傳播速度相對恒定，遇到被測物體表面時會產(chǎn)生反射，基于此原理研制出了超聲波液位計。目前，智能化的超聲波液位計能夠?qū)邮招盘栕鼍_的處理和分析：可以將各種干擾信號過濾出來；識別多重回波；分析信號強度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息。這樣即便在有外界干擾的情況下，也能夠進(jìn)行精確的測量。超聲波液位計不僅能定點和連接測量，而且能方便地提供遙測和遙控所需的信號。同時，超聲波液位計不存在可動部件，所以在安裝和維護(hù)上相應(yīng)比較方便。超聲測位技術(shù)可適用于氣體、液體或固體等多種測量介質(zhì)，因而具有較大的適應(yīng)性且價格較為便宜。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的超聲波傳感器可測量高達(dá)幾十米的液位。雷達(dá)液位計：雷達(dá)液位計發(fā)明于60年代，通常采用調(diào)頻雷達(dá)原理，利用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)，將微波發(fā)射器和接收器安裝在罐頂，向液面發(fā)射頻率調(diào)制的微波信號。當(dāng)接收到回波信號時，由于來回傳播時間的延遲，發(fā)射頻率發(fā)生了改變。將兩種信號混合處理，所得信號的差頻正比于灌頂?shù)揭好嬷g的距離。雷達(dá)液位計特別適用于高粘度或高污染的產(chǎn)品，如瀝青等。雷達(dá)液位計的測量精度較高，而且無需定期維修和重新定標(biāo)，但是安裝比較復(fù)雜且價格不菲。射線液位計：核輻射放出的射線（如г射線等）具有較強的穿透能力，且穿過不同厚度的介質(zhì)有不同的衰減特性，核輻射式液位計正是利用這一原理來測量液位的。核輻射式液位計的核輻射源用點式或狹長型結(jié)構(gòu)安裝在油罐的外面，狹長型核輻射源檢測元件也安裝在油罐外面，可實現(xiàn)對液位動態(tài)變化的檢測。除利用核輻射射線來測量之外，還可采用中子射線來測量液位。射線液位計安裝非常方便，測量精度較高。因為它沒有任何部件與被測物體直接接觸，特別適用于傳統(tǒng)測量儀表不能解決的測量問題。激光液位計：其測量原理類似于超聲波液位計，只是采用光波代替了超聲波。發(fā)射傳感器發(fā)射出激光，照射到被測液面，在液面處發(fā)生反射，接收傳感器接收反射光，將從發(fā)射至接收的時間換算成液位。激光的光束很窄，在液位計中通過光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成約20mm寬的光束，這樣即使被測物面很粗糙，漫反射光也能被傳感器接收。激光液位計非常適用于開口很狹窄的容器以及高溫、高粘度的測量對象。而缺點是對液面的波動很敏感，大罐內(nèi)的油汽，水汽等微粒對測量不利，且光學(xué)鏡頭必須定期保持清潔。1.3液位傳感器的發(fā)展方向現(xiàn)在很多液體都裝在封閉式容器內(nèi)，而且有很多是易揮發(fā)、易燃、易爆、強腐蝕性的，因此需要非接觸式測量。研究無需對被測容器開孔的超聲波液位儀，實現(xiàn)非接觸測量，是檢測封閉容器內(nèi)易揮發(fā)、易燃、易爆等液體液位的發(fā)展方向。超聲波液位儀是非接觸液位儀中發(fā)展最快的一種，該技術(shù)基于超聲波在空氣中的傳播速度及遇到被測物體表面產(chǎn)生反射的原理。智能化的超聲波液位儀帶有一個功能很強的智能回波分析軟件包，它可以將各種干擾過濾出來，識別多重回波，分析信號強度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息，這樣即便在有擾動條件下讀數(shù)也是精確的。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的超聲換能器可測量高達(dá)15m的液位。超聲波液位計具有廣泛的適用性，可以根據(jù)不同測量場合的需要，采用氣體介質(zhì)、液體介質(zhì)或固體介質(zhì)導(dǎo)聲。既可用來測量航道、水庫的液位高度，也可以測量液化氣罐、化工塔等密閉容器內(nèi)的液面高度。由于超聲波液位計沒有可動部件，不存在機械磨損、機械故障，因而其可靠性和使用壽命比多數(shù)接觸型液位計要高。該測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，不需要其它附加設(shè)施，且安裝、使用、和維護(hù)都比較方便。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機嵌入式的應(yīng)用，超聲波液位計的精度有了進(jìn)一步的提高，功能更加齊全。1.4超聲波液位計的優(yōu)缺點與可行性目前國內(nèi)液位計的生產(chǎn)采用引進(jìn)加仿制的手段。近年來，國內(nèi)多家公司和科研機構(gòu)陸續(xù)推出自行研制的液位測量儀表，其精度日益提高。進(jìn)口的液位計功能齊全，精度較高，但是價格比較昂貴且維修不是很方便。對于小型用戶來說，不是理想之選。而國內(nèi)自行研制生產(chǎn)的液位計價格相對便宜，但精度不高，功能相對單一。超聲波在空氣中的傳播速度大約為334m/s（常溫下），在同一介質(zhì)中其傳播速度相對恒定，與激光的速度（3*108與其它種類的液位計相比，超聲波液位計具有以下優(yōu)點：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(hù)。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。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)的壓電元件儀聲頻振動，振幅小，壽命長。穩(wěn)定性好，但是超聲波液位計也有其自身的局限性，主要表現(xiàn)在被測液體易揮發(fā)時，液面上方的空氣密度不均勻，會導(dǎo)致測量誤差較大；當(dāng)被測液體液位有較大波浪時，易引起聲波反射混亂，產(chǎn)生誤差；另外，超聲波液位測量液位時有無法避免的盲區(qū)，因此小距離測量比較困難。

2超聲波傳感器2.1超聲波的性質(zhì)簡單來說，超聲波就是超過人耳能聽到的物體振動的聲音的頻率范圍的聲波。一般來說是指聲音超過了20000Hz以上的聲波稱之為超聲波。與光波不同，聲波是一種彈性機械波，即機械振動在彈性媒質(zhì)中的傳播。超聲波有以下幾個特點：1.頻率高波長短定向好；2.振幅小加速度大能量集中功率高強度大；3.在不同介質(zhì)界面上大部分能量反射，因而，超聲波特別適合于距離測量。2.1.1超聲波基本性質(zhì)和其他聲波一樣，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，并有各自的傳播速度。例如，在常溫下空氣中的聲速約為334m/s，在水中的聲速約為1440m/s，而在鋼鐵中約為5000nl/s。其在空氣中的傳播速度主要與空氣的壓力和溫度有關(guān)，正常條件下由于大氣壓力變化很小因此其傳播速度主要考慮溫度的影響在空氣中傳播速度為C=331.5+0.607T(m/s)（2-1）其中C為超聲波聲速，T為傳播介質(zhì)的溫度。在溫度已知時超聲波速度就能通過公式計算出來，在這個時候只要記錄從發(fā)射到接收超聲波的時間即可求出被測距離。超聲波的另一個特性是超聲波頻率越高，超聲波與光波的某些特性（如反射、折射定律）就越相似。=C/f（2-2）其中為超聲波波長、f為超聲波頻率、C為超聲波速度。2.1.2超聲波的衰減在傳播的過程中，衰減系數(shù)與聲波介質(zhì)以及頻率的關(guān)系為衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為:a=bf2（2-3）其中，為衰減系數(shù)，b為介質(zhì)常數(shù)，f為振動頻率。在空氣中，聲波在介質(zhì)中傳播時會被吸收而衰減，氣體吸收最強而衰減最大，液體其次，固體吸收最小而衰減最小。因此，對于一給定強度的聲波，在氣體中傳播的距離會明顯比在液體和固體中傳播的距離短。另外，聲波在介質(zhì)中傳播時衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大，因此，超聲波比其他聲波在傳播時的衰減更明顯。2.1.3超聲波的特性超聲波的束射特性由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且，遵守幾何光學(xué)上的定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時就會產(chǎn)生折射，也就是要改變它的傳插方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射也愈大。超聲波的吸收特性聲波在各種物質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，強度會漸進(jìn)減弱，這是因為物質(zhì)要吸收掉它的能量。對于同一物質(zhì)，聲波的頻率越高，吸收越強。對于一個頻率一定的聲波，在氣體中傳播時吸收最歷害，在液體中傳播時吸收比較弱，在固體中傳播時吸收最小。超聲波的能量傳遞特性超聲波所以往各個工業(yè)部門中有廣泛的應(yīng)用，主要還在于比聲波具有強大得多的功率。當(dāng)聲波到達(dá)某一物資中時，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也跟著振動，振動的頻率和聲波頻率―樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動所獲得的能量除了與分子的質(zhì)量有關(guān)外，是由分子的振動速度的平方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量、超聲波的頻率比聲波可以高很多，所以它可以使物資分子獲得很大的能量,換句話說，超聲波本身可以供給物質(zhì)足夠大的功率。超聲波的聲壓特性當(dāng)聲波通入某物體時,由于聲波振動使物質(zhì)分子產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。液體介質(zhì)中聲速與溫度的關(guān)系幾乎除水以外的所有液體，當(dāng)溫度升高時，容變彈性模量減小，聲速降低。惟有水例外，溫度在74℃左右時聲速達(dá)最大值，當(dāng)溫度低于74℃時，聲速隨溫度高而增加，當(dāng)溫度高于c=1557-0.0245(74-t)2（2-4）其中，c為超聲波在水中的傳播速度、t為水的溫度。表2-1不同溫度下的水中聲速溫度（攝氏度）102025304050607080聲速（米/秒）1448148314971510153015441552155515542.1.4超聲波的折射率當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，因為兩種介質(zhì)密度不同及聲波在其中傳播的速度不同，在分界面上聲波會產(chǎn)生反射和折射，其反射系數(shù)R為（2-5）其中，、分別是反射和入射聲波的聲強；、分別是聲波的入射角和反射角；、分別是兩種介質(zhì)的聲阻抗；其中、；、分別是兩種介質(zhì)的密度，、分別是在兩種介質(zhì)里的速度。聲波垂直入射時，=0，=0;則反射系數(shù)R為（2-6）由上式可以看出，與相差越小，R值也越小，說明反射越弱，當(dāng)=時，R=0，說明這時沒有反射，聲波全部透射。當(dāng)反射介質(zhì)聲阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射介質(zhì)聲阻抗時，即所謂的硬邊界。這時，入射波的介質(zhì)速度在碰到分界面時好像彈性碰撞一樣，變成一個反向速度，反射波質(zhì)點速度與入射波質(zhì)點速度相位改變，反射聲壓與入射聲壓同相位。比如，當(dāng)聲波從水傳播到空氣，在常溫下，它們的聲阻抗約為、，代入公式可得，R=0.999。這說明聲波從液體傳播到氣體或相反的情況下，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。表2-2給出了幾種常見介質(zhì)的反射系數(shù)。表2-2幾種常見介質(zhì)的反射系數(shù)第一介質(zhì)第二介質(zhì)聲阻抗鋁鋼銅水銀玻璃水空氣鋁1.70010.020.721鋼4.5600.010.160.310.881銅3.961水銀1.9300.040.751玻璃1.8000.651水0.1301空氣0.00004102.2超聲波外測液位檢測方法選擇超聲波連續(xù)液位測量的方法有多種，如超聲脈沖回波法、共振法、頻差法、超聲衰減法等。超聲脈沖回波法的基本原理是超聲波探頭（又稱超聲波換能器）發(fā)射超聲脈沖，在介質(zhì)中傳播，經(jīng)反射后再通過介質(zhì)回到接收探頭，測出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需要的時間，根據(jù)介質(zhì)中超聲波的傳播速度，就能算得被測液體的液位。共振法的基本原理是調(diào)節(jié)超聲波的頻率，使得探頭和液面之間建立駐波共振狀態(tài)，這時探頭與液面之間的距離就與超聲在介質(zhì)中的波長成一定的比例關(guān)系。當(dāng)超聲波速度已知時，就可根據(jù)共振頻率計算波長再換算出探頭到液面的距離。頻差法就是讓超聲探頭發(fā)出調(diào)頻的超聲波，超聲波的頻率隨傳播距離的不同而不同，根據(jù)接收信號和發(fā)射信號間的頻差可得到從發(fā)射到接收的時間。超聲衰減測量顧名思義就是超聲波在被測介質(zhì)中的衰減量隨距離變化，根據(jù)接收信號和發(fā)射信號間的衰減量變化測量液位。從以上方法的對比中可以看出，用共振法檢測液位受到一些具體條件的限制，需要與液面建立駐波關(guān)系，并且它屬于一種接觸式測量方法。頻差法需要調(diào)頻器產(chǎn)生調(diào)制頻率，衰減法需要測量超聲波的衰減量。相比較而言，超聲波脈沖回波法無需與液面之間建立駐波，并且可以實現(xiàn)非接觸測量。所以，脈沖回波法是其中最合適的方法，本文將采用該方法實現(xiàn)超聲波外測液位檢測。2.3超聲波探頭的選取作為檢測液位用的超聲波探頭，由于工程上特殊環(huán)境的需要，對靈敏度、穩(wěn)定性和老化性能有較高的要求，必須有足夠大的信噪比、較好的時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性；還要根據(jù)具體情況具有如防爆、防輻射、防漏、耐高溫或低溫、高壓或負(fù)壓等性能。在滿足探頭的性能和測量條件要求的同時，還要兼顧到成本低廉，安裝維修方便等方面的要求。一般來說，單探頭自發(fā)自收的工作方式是優(yōu)先考慮采用的方式。第一，單探頭方式中計算液位的公式比較簡單，而雙探頭方式的計算公式都須進(jìn)行一些修正；第二，探頭少，所用的接插件數(shù)量少，出現(xiàn)故障的可能性也相對減少。從經(jīng)濟、安裝和維修等各個角度來看，都較有利。但是，雙探頭有盲區(qū)小的獨特優(yōu)點。雙探頭方式由于發(fā)射探頭和接收探頭是分開的，接收探頭上并不直接施加發(fā)射電壓，所以從理論上說，可以沒有盲區(qū)。但是由于接收電路多少會受到發(fā)射電路的感應(yīng)，并且發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波可能有部分直接進(jìn)入接收探頭，因此實際上仍存在一定的盲區(qū)。關(guān)于縮短盲區(qū)時間的措施，不少是在發(fā)射頻率愈高時才愈有效。2.3.1壓電效應(yīng)超聲波探頭使用最多的是由壓電晶片或壓電陶瓷制成的換能器。超聲波的接收和反射是基于壓電晶片的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。其工作原理是當(dāng)壓電晶片受發(fā)射脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，此即逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，此為正壓電效應(yīng)。前者是超聲波的發(fā)射，后者為超聲波的接收。壓電晶片的振動頻率即探頭的工作頻率，主要取決于晶片的厚度和超聲波在晶片材料中的傳播速度，為得到較高的頻率，要使晶片在共振狀態(tài)下工作，此時晶片厚度為1/2波長。通常我們一般使用PVDF壓電薄膜材料，此材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面積上有很大的選擇余地，易于加工且頻率范圍寬，常用來制成的超聲換能器。常見的壓電晶片的材料參數(shù)見表2-3。表2-3幾種常用壓電晶片材料的主要參數(shù)材料居里點介電常數(shù)聲阻抗特性壓電應(yīng)變常數(shù)壓電電壓常數(shù)石英5704.515.22.050鈦酸鋇系11517003016013鋯鈦酸鉛190-300150028320-24.4偏鈮酸鉛>40030020.58532鋯鈦鉛1201000270125-19014-21其中，壓電材料的居里點是指壓電材料完全喪失壓電效應(yīng)的溫度，介電常數(shù)反映了材料的介電性質(zhì)，在制造探頭考慮阻抗匹配時起作用，壓電應(yīng)變常數(shù)是指當(dāng)壓電體處于應(yīng)力恒定的狀態(tài)時，由于電場強度變化所產(chǎn)生的應(yīng)變變化與電場強度變化之比，它關(guān)系著晶片發(fā)射性能的好壞，壓電電壓常數(shù)是指壓電體在電位移恒定時，由于應(yīng)力變化所產(chǎn)生的電場強度變化與應(yīng)力變化之比，它關(guān)系著晶片接收性能的好壞。壓電片的振動方式有很多種，如薄片的厚度振動，縱片的長度振動，橫片的長度振動，圓片的徑向振動，圓管的厚度、長度、徑向和扭轉(zhuǎn)振動，彎曲振動等。其中，以薄片厚度振動用的最多。由于壓電晶片本身較脆，并因各種絕緣、密封、防腐蝕、阻抗匹配以及防護(hù)不良環(huán)境要求，壓電元件往往裝在殼體內(nèi)構(gòu)成探頭。2.3.2探頭材料的選取超聲波換能器，又稱超聲波探頭，主要由電極、壓電晶片、阻尼塊、保護(hù)膜等組成。目前，超聲波技術(shù)中廣泛應(yīng)用的超聲波換能器主要有壓電陶瓷換能器、磁致伸縮換能器和靜電換能器。壓電陶瓷是應(yīng)用范圍最廣泛的一種壓電材料，它不僅價格低廉，而且其主要性能比石英強很多。為了獲得理想的超聲發(fā)射波和接收波，阻尼塊應(yīng)具有聲阻抗與容器外壁相近和較強的吸聲作用的特點，盡可能多的吸收掉向后發(fā)射的聲波。此外，因各種絕緣、密封、防腐蝕、阻抗匹配等要求，壓電元件往往裝在一定外殼中，外殼材料有必要時應(yīng)采用耐高溫、耐腐蝕材料。磁致伸縮換能器是當(dāng)前理想的接觸式液位檢測換能器。靜電換能器由于其特殊結(jié)構(gòu)，也只能在空氣中傳播超聲波。根據(jù)課題的檢測方式，選擇壓電陶瓷換能器。2.3.3超聲波傳播形式超聲波在介質(zhì)中傳播可以有不同形式，它取決于介質(zhì)可以承受何種作用力以及如何對介質(zhì)激發(fā)超聲波。縱波：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與超聲波的傳播方向一致時，此超聲波為縱波波形，任何介質(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時均能產(chǎn)生縱波。橫波：當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與超聲波垂直時，此種超聲波為橫波波形。由于固體介質(zhì)除了能承受體積變形外，還能夠承受切變變形。當(dāng)其中剪切力交替作用于固體介質(zhì)時均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。表面波：是沿著固體表面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì)的波。根據(jù)本文的研究對象是測量液位，所以超聲波在介質(zhì)中的傳播形式應(yīng)選擇縱波。常用的超聲波探頭有直探頭和斜探頭兩種，一般，直探頭產(chǎn)生縱波，斜探頭產(chǎn)生橫波或表面波。又由于氣體和液體的聲阻抗率相差很大，所以垂直入射時的反射系數(shù)是很大的。因此，本文將選用超聲波縱波直探頭。2.4超聲波換能器的結(jié)構(gòu)和原理超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能芯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、能夠定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透能力很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射，從而形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此這項技術(shù)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以這種檢測手段，必須發(fā)射超聲波和接收超聲波。能同時完成這種功能的裝置就是超聲波探頭，也稱為超聲換能器。超聲波換能器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。其實質(zhì)上是一種可逆的換能器，將電振蕩的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振蕩，形成超聲波：或者由超聲波能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娬袷?。一般壓電式超聲波換能器有兩個共振頻率：低頻共振頻率叫串聯(lián)共振頻率(ft)，此時阻耗(R)最小，用于發(fā)送超聲波；高頻的共振頻率稱為逆共振頻率(fa)，主要是產(chǎn)生共振，用于接收超聲波。而在串聯(lián)共振頻率(ft)處發(fā)送靈敏度最高，在逆共振頻率(fa)處接收靈敏度最高。所以選用一對超聲波換能器，使其效率最高。對應(yīng)用于工業(yè)的超聲波探頭而言，要求其精確度要達(dá)到1mm，并且具有較強的超聲波輻射。利用常規(guī)雙壓電芯片組件振動器的彎曲振動，在頻率高于70kHz的情況下，是不可能達(dá)到此目的。所以，在高頻率探測中，必須使用垂直振動模式的壓電陶瓷。壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就顯得十分重要，負(fù)載壓電陶瓷，它可以使超聲波探頭在高達(dá)數(shù)百kHz頻率的情況下，仍能夠正常工作。壓電型超聲波探頭的工作原理：它是借助于壓電晶體的諧振來工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。超聲波探頭有兩塊壓電晶片和一塊共振板，給它的兩級加上脈沖信號，當(dāng)其頻率等于晶片固有頻率的時候，壓電晶片就會產(chǎn)生共振，并帶動共振板一起振動，從而產(chǎn)生超聲波。反之，如果電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號時。將壓迫兩片電晶片振動，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電能，此時的探頭就成了超聲波接收器。2.5超聲波換能器最佳頻率計算按照聲波的特性，頻率越低聲波指向性越差，但傳送的距離越遠(yuǎn)；高頻聲波指向性好，但容易衰減。因此要合理選定超聲波換能器頻率。面積為S的發(fā)射換能晶體，在以頻率f發(fā)射波長為λ的聲波時，其指向性的增益為： (2-7)所以其頻率越高，指向性越好，測量精度也高。而超聲波的吸收值α為：（2-8）其中，c1超聲波散射衰減系數(shù)；c2超聲波吸收衰減系數(shù)；即頻率越高，吸收也越大，可測量距離越小，反之則可測距離越大。因此需要確定一個最佳頻率，從而提高精度。

3液位儀的整體設(shè)計3.1超聲波液位儀3.1.1超聲波測距的理論分析本文中運用的是超聲波往返時間檢測法進(jìn)行距離的測量的。即，檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波的時候算起，通過介質(zhì)的傳播在反射回來的到接收器的時間，叫往返時間。用往返時間與介質(zhì)中超聲波的速度相乘，就可以得到超聲波運動的距離，然而實際的距離為所得到距離的一半，如果測量高度為h、超聲波在介質(zhì)里的傳播速度為v，傳播時間為t，可以得到：（3-1）這個公式使用于自發(fā)自收單感應(yīng)器方式。探頭采用垂直的方式發(fā)射超聲波，然后再讓超聲波原路返回到探頭。如果采用一發(fā)一收雙感應(yīng)器方式，那么探頭就不在采用垂直于介質(zhì)面發(fā)射的方式，因此用上面的公式計算的出來就不在是真實高度，而是超聲波經(jīng)過的路程。這就需要加入角α，α角為豎直方向與超聲波方向的夾角。α角示意圖如圖3-1所示。

發(fā)射探頭接收探頭入射角α圖3-1α角示意圖因此，系統(tǒng)要把測得超聲波經(jīng)過的距離換算成真實的高度。如果超聲波經(jīng)過的距離為L，要測量的真實高度為h，那么超聲波經(jīng)過的距離與真實高度之間有這樣的關(guān)系：h=L×cos(α)（3-2）這時h為要測量的真實高度。在公式中，α為超聲波的入射角。如果實際情況無法測得α角時，還可以通過測得兩個探頭之間的距離m來得到需要測量的高度，即（3-3）來計算。一般說來，單探頭的自發(fā)自收工作方式是優(yōu)先考慮采用的。這是因為單探頭方式中液位計算公式比較簡單，同時檢測系統(tǒng)也簡單，安裝、維修比較方便。但是，單發(fā)單收的探頭檢測死區(qū)較大。為避免這一點，有時還需要采用雙探頭的設(shè)計。本設(shè)計采用的是超聲波往返時間檢測法。其原理為：超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)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所接收到。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。距離計算公式為：d=s/2=ct/2(3-4)其中d為被測物與測距器的距離，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。3.1.2超聲波液位儀工作原理超聲波液位儀的基本工作原理是超聲波換能器由脈沖信號激勵發(fā)出超聲波，聲波在介質(zhì)中傳播到達(dá)液面時，經(jīng)液面反射形成反射波，反射波再經(jīng)介質(zhì)傳播返回到換能器，換能器把聲信號轉(zhuǎn)換成電信號。由二次儀表測出超聲波傳播速度和換能器的安裝高度，就可計算液位高度。利用超聲波傳播時間和傳播速度來確定液面距離。本文采用超聲脈沖回波法測液位。超聲脈沖回波法的基本原理是由超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時會被反射，利用單片機記錄超聲波發(fā)射的時間和接收到回波的時間，根據(jù)當(dāng)前環(huán)境下超聲波的傳播速度，即可通過公式3-5計算出超聲波傳播的距離，也就得到了障礙物離測試系統(tǒng)的距離。測量原理如圖3-1所示。S=C×(t/2)(3-5)式中S為被測距離，C為超聲波的傳播速度，t為回波時間，t=T1+T2。圖3-2超聲波測距原理圖利用超聲波在液體中傳播時，有較好的方向性，且傳播過程中能量損失較少，遇到分界面時能反射的特性，可用回波測距的原理，測定超聲波發(fā)射后遇液面反射回來的時間，以確定液面的高度。超聲波液位檢測的原理圖如圖3-3所示。圖3-3超聲波液位儀原理圖由圖3-3可知

h=H-S(3-6)式中S為超聲波探頭到液面的距離，可由式3-5求得，H為超聲波探頭到容器底的距離需要提前測定，h為所要測的液位高度。3.3系統(tǒng)總體設(shè)計思想超聲波儀液位探測系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要包括AT89C51單片機系統(tǒng)，超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、液位顯示電路等主要部分；軟件部分主要包括主程序、顯示程序、中斷程序、溫度測量程序等。3.3.1硬件框圖設(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，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。根據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計要求，不光需要檢測部分，還需要加入運算部分。要實現(xiàn)對所測液位的自動探測，和對探測數(shù)據(jù)的具體顯示功能。主要的設(shè)計部分的總體框架圖如圖3-4所示。圖3-4超聲波液位探測系統(tǒng)總體框架圖3.3.2主流程圖設(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(jìn)行測量，結(jié)合超聲波的傳播速度，計算出距離，并把結(jié)果顯示出來。要實現(xiàn)上述功能，軟件包含初始化、超聲波發(fā)射、超聲波傳輸計時、超聲波傳輸距離計算、計算結(jié)果顯示等功能模塊。軟件設(shè)計運用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進(jìn)行分別編程，這樣不但使得整個軟件的層次和結(jié)構(gòu)比較清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。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3-4，可求出待測距離S，由此算出液體的高度。主程序流程圖如圖3-5所示。圖3-5主程序流程圖

4程序設(shè)計系統(tǒng)軟件主要是單片機的軟件設(shè)計，其主要作用是系統(tǒng)功能的實現(xiàn)以及數(shù)據(jù)的處理與傳輸。軟件主要實現(xiàn)以下功能：發(fā)射超聲波：單片機的P1.0口發(fā)出寬度為40us的脈沖信號，控制定時器發(fā)出200kHZ方波從而驅(qū)動換能器發(fā)出超聲波?；夭z測：回波信號在單片機的INT1引腳產(chǎn)生一個下降沿，引發(fā)軟件中斷。信號處理：單片機內(nèi)部定時器記錄超聲波發(fā)射與接收時間之差，然后計算出測量的距離。數(shù)據(jù)顯示與傳輸：將結(jié)果通過七段數(shù)碼管顯示出來，并將結(jié)果通過P2口傳輸。4.1確定開發(fā)語言所學(xué)語言主要有匯編語言和C語言，匯編語言是是最接近機器碼的一種語言，它用來表示機器指令的符號語言，一種用文字助記符。占用資源少是其主要優(yōu)點，程序執(zhí)行效率高。匯編語言調(diào)試起來也比較方便是因為它一條指令就對應(yīng)一條機器碼，每一步的對應(yīng)都很清楚，并且程序大小和堆棧調(diào)用情況都容易掌控。但是因為不同的類型的單片機的指令系統(tǒng)是有區(qū)別的，所以其匯編語言也有些差異，不易移植。單片機的匯編語言和其他匯編語言也很相像。指令系統(tǒng)比第一代微處理器要好一些。單片機的C語言是一種具備匯編語言功能以及多種高級語言的編譯型程序設(shè)計語言。C語言可以直接控制系統(tǒng)硬件，此外還具有許多其他功能。如庫函數(shù)功能多樣，操作運算速度快，編譯效率強，可移植性也較強。值得一提的是在軟件開發(fā)中如果采用模塊化程序設(shè)計方法C語言就具有明顯的優(yōu)勢，因其具有完整的程序模塊結(jié)構(gòu)。它與匯編相比，有如下幾大優(yōu)點：模塊化編程技程序函數(shù)可互有差異且組織結(jié)構(gòu)規(guī)范，其最大的優(yōu)點就是使程序的可讀性得到很大的提高，程序結(jié)構(gòu)化趨于完善。采用C語言編程，使得其數(shù)據(jù)處理力較強，它能將已編好的程序輕松的植入新程序且所需要的編程及程序調(diào)試周期短，效率高。C語言程序最大的優(yōu)點就是它不依賴于機器硬件系統(tǒng)，因此它能較快地移植且不做修改。它是一種中級語言。他具有承上啟下功能，上則具有高級語言的基本結(jié)構(gòu)和語句，下則具備低級語言的實用性，他可以對位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作，就像匯編語言，上述三個地址是計算機最基本的工作單元。它是結(jié)構(gòu)式語言。結(jié)構(gòu)式語言的顯著特點是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，有各種各樣的數(shù)據(jù)類型，這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦阌谑褂?、維護(hù)以及調(diào)試。C語言功能齊全。并引入了指針概念，可使程序效率更高。另外C語言也具有強大的圖形功能，支持多種顯示器和驅(qū)動器。而且計算功能、邏輯判斷功能也比較強大，可以實現(xiàn)決策目的的游戲。綜上所述，本文設(shè)計選擇用C語言編寫程序。4.2主控制器的確定微處理器的選擇需要考慮很多因素，比如功能、價格、安全性能、個人喜好、硬件設(shè)計的簡單性和軟件支持等。對于本設(shè)計而言，有多種微處理器芯片可供選擇，如51單片機、PIC單片機、MSP430單片機等。相對于51單片機來講，PIC單片機具有抗干擾性能好、雙向驅(qū)動電流大、功耗低等優(yōu)點。然而51單片機的突出特點是價格低，編程資源豐富。MSP430單片機比PIC單片機具有更多的優(yōu)越性，但是價格要比PIC單片機和51單片機都要高。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CMOS8位單片機，片內(nèi)含有4Kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes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。這正是本設(shè)計選用AT89C51的原因所在。AT89C51的引腳圖如圖4-1圖4-1AT89C51引腳圖4.2.1AT89C51功能說明主要性能參數(shù)a)與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容b)4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器c)1000次擦寫周期d)全靜態(tài)操作:OHz-24MHze)三級加密程序存儲器f)128X8字節(jié)內(nèi)部RAMg)32個可編程I/0口線h)2個16位定時/計數(shù)器i)6個中斷源j)可編程串行UART通道k)低功耗空閑和掉電模式引腳功能說明Vcc：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/0口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1"，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（Iμ）。Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1"，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（Iμ）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令)時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(如執(zhí)行MOVX@RI指令)時，P2口線上的內(nèi)容(也即特殊功能寄存器(SFR),區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容，)在整個訪問期間不改變。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其它控制信號。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IμP3口除了作為一般的I/0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表4-1所示:表4-1P3口第二功能表端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外中斷0）P3.3（外中斷1）P3.4T0（定時/計數(shù)器0）P3.5T1（定時/計數(shù)器1）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。ALE/：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是:每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖()。如有必要，可通過對特殊功能寄存器(SFR)區(qū)中的BEH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE無效。：程序儲存允許(}輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C51山外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的信號不出現(xiàn)。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器(地址為0000H-FFFFH)，EA端必須保持低電平(接地)。需注意的是：如果加密位EB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平(接Vcc端)，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，然這必須是該器件是使用12V編程電源Vpp。XTALl：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。4.2.2系統(tǒng)中AT89C51的功能說明AT89C51的P1.0管腳產(chǎn)生周期為40us的方波，當(dāng)P1.0由低變高時，發(fā)射電路產(chǎn)-300V電脈沖信號，激勵探頭發(fā)射超聲波，同時單片機啟動定時器T1計時，接收電路收到回波信號送回單片機作為外中斷INT0的觸發(fā)信號，引起CPU在本系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)射電路產(chǎn)生-300V窄脈沖電信號加到探頭，使其發(fā)射超聲波，同時-300V窄脈沖電信號回送到接收電路，將有40us的振蕩，對于這些振蕩必須消除，消除方法為：只用反射回波的第一個脈沖信號。單片機發(fā)射超聲波，立即啟動定時器計時，當(dāng)計時時間T<40us時,回波信號的通道關(guān)閉，關(guān)閉中斷。當(dāng)T>40us時，采集回波信號的通道打開，開中斷，準(zhǔn)備接收標(biāo)準(zhǔn)桿的中斷，進(jìn)入中斷后，讀取定時器計數(shù)值t0，采集回波信號的通道關(guān)閉，關(guān)中斷。當(dāng)T>40us時，采集回波信號的通道打開，開中斷，準(zhǔn)備接收水面中斷后，停止定時器計時，讀取定時器計數(shù)值t1，并計算出液體的高度。4.3主程序設(shè)計軟件是為硬件服務(wù)的，只有硬件在軟件的指揮下，按預(yù)定的目的工作，整體才會發(fā)揮其作用，軟件設(shè)計要依據(jù)硬件實現(xiàn)的功能而定，軟件設(shè)計采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，主要分三部分：主程序和中斷服務(wù)子程序和顯示子程序。主程序流程圖如圖3-5所示。在單片機上電復(fù)位后，程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化過程，對單片機內(nèi)部的寄存器和連接的外設(shè)進(jìn)行賦初值，同時對回波標(biāo)志位進(jìn)行清零；而后進(jìn)入發(fā)射程序，對P1.0置1，同時在40us內(nèi)禁止一切中斷。因為在發(fā)射的過程中沒有回波到來，而接收回路中發(fā)射脈沖的直射波幅值卻很大，幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過門檻電平，如果此時中斷開放的話，則會引起誤判，所以在發(fā)射完畢后再打開中斷。如果沒有收到回波，則認(rèn)定測量結(jié)果為0；如果在限定時間內(nèi)收到回波，則轉(zhuǎn)入外部中斷程序。中斷返回后調(diào)用計算子程序計算出測量結(jié)果，調(diào)用顯示子程序顯示結(jié)果后返回啟動下一次發(fā)射。軟件設(shè)計運用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進(jìn)行分別編程，這樣不但使得整個軟件的層次和結(jié)構(gòu)比較清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。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(3-4)，可求出待測距離S，由此算出液體的高度h。主程序代碼如下：void main(void){while(1){P10=0; //超聲波發(fā)送初始化TMOD=0x11; //定時器方式0 TL0=0xe9; TH0=0xe9;//定時器0賦初值P10=1; //超聲波發(fā)送for(j=0;j<=20;j++); //延時40usP10=0;TR0=1; //開始計時EA=1;ET0=1;EX1=1; //開中斷while(flag0==0);if(flag0==1){flag0=0;if(flag1==1){tim=0;flag1=0;}else tim=(time[0]*256+time[1])*0.172;} MnLed();MnApp();}}4.4中斷程序設(shè)計所謂中斷是指中央處理器CPU正在處理某件事情的時候，外部發(fā)生了某一事件，請求CPU迅速去處理，CPU暫時中斷當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)入處理所發(fā)生的事件，處理完后，再回到原來被中斷的地方，繼續(xù)原來的工作，這樣的過程稱為中斷。我們主要使用外部中斷源和定時器T0中斷。用T0來定時40μs中斷，外部中斷用來計時從發(fā)射超聲波到接收發(fā)射波的時間差time0和time1。INT0中斷服務(wù)程序流程如圖4-2所示，T0中斷服務(wù)程序流程如圖4-3所示。圖4-2外部中斷流程圖圖4-3定時器0中斷流程圖INT0中斷服務(wù)程序如下：voidINT0_ISR(void)interrupt0{time[0]=TH0;time[1]=TL0;for(j=0;j<=1000;j++);TL0=0xe9;TH0=0xe9;TH1=0x00;TL1=0x00;flag0=1;flag1=0;}4.5溫度采集程序設(shè)計由于超聲波在空氣中的傳播速度和溫度有關(guān)，為了修正超聲波的速度，就需要測量溫度，以便獲得準(zhǔn)確的超聲波速度。溫度測量就是為了實現(xiàn)這一目的。在電路中增設(shè)了溫度檢測模塊，采用DS18B20芯片進(jìn)行溫度檢測，將對外界檢測到的溫度返回單片機中，并通過溫度速率表查得最接近檢測到的溫度的速度值，代入距離計算公式，從而得到比較精確的距離，提高了超聲波測距的精度。初始化DS18B20關(guān)鍵代碼如下：init_DS18B20(void)//初始化函數(shù){unsignedcharx=0;DQ=1;//DQ復(fù)位delay(8);//稍做延時DQ=0;//單片機將DQ拉低delay(80);//精確延時大于480usDQ=1;//拉高總線delay(14);x=DQ;//稍做延時后如果x=0則初始化成功x=1則初始化失敗delay(20);}溫度傳感器DS18B20的溫度采集流程圖4-4所示。圖4-4DS18B20的溫度采集流程圖溫度采集程序的主要功能是使用單片機和溫度傳感器完成對溫度的檢測和補償。通過89C51完成對DS18B20芯片的控制和數(shù)據(jù)傳輸。4.6串行口通信設(shè)計為了便于數(shù)據(jù)的存儲和管理，需要超聲波液位檢測儀與PC機進(jìn)行通訊，將有關(guān)數(shù)據(jù)存入PC機中，操作人員可以通過這些數(shù)據(jù)清楚地了解當(dāng)前的液位情況。本設(shè)計將串行口的工作方式定義為方式1，這時它是一個8位的異步串行通訊口，TXD為數(shù)據(jù)輸出線，RXD為數(shù)據(jù)輸入線。由于此時單片機比較空閑,所以可以采用查詢方式進(jìn)行通訊。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先發(fā)一個字節(jié)的請求碼0FFH，接收到上位機的應(yīng)答后，向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)的個數(shù)，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機接收完數(shù)據(jù)后，要向液位儀發(fā)送一個確認(rèn)碼，如果接收的數(shù)據(jù)個數(shù)不對，則重新發(fā)送；若正確，則終止通訊，流程圖如圖4-5所示。圖4-5串行口通信流程圖程序的代碼內(nèi)容如下：voidint_serial(){TMOD=0X20;//定時器T1使用工作方式2TH1=0xEF;//設(shè)置初值TL1=0xEF;TR1=1;//開始計時PCON=0x00;//SMOD=0;SCON=0x50;//工作方式1，波特率1200bit，允許接收receive(0XF0);//接收數(shù)據(jù)send();//發(fā)送數(shù)據(jù)}程序初始化中，主要是對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及串口部分的初始化本設(shè)計采用定時器1作為數(shù)據(jù)傳輸率發(fā)生器，工作模式設(shè)定為2，因此TMOD寄存器初值應(yīng)為20H。使用12MHZ的晶振，則定時器T1的時間常數(shù)初始值x為：x=256-[fosc×（SMOD+1）/（384×數(shù)據(jù)傳輸率）]（4-1）因為晶振fosc=12MHZ，SMOD=0,數(shù)據(jù)傳輸率需與PC機的數(shù)據(jù)傳輸率一致，所以為9600bit/s,按照上式可以算出x應(yīng)為，即TH1和TL1處置均為0XEF。4.7顯示程序超聲波測量結(jié)果通過單片機控制七段數(shù)碼管顯示得出。數(shù)碼管有共陰極連接與共陽極連接兩種。對于共陰的數(shù)碼管，其com端應(yīng)接地，相應(yīng)的字段為高電平時點亮LED；對于共陽極的數(shù)碼管，其com端接高電平，相應(yīng)的字段為低電平時點亮LED。數(shù)碼管顯示方式也有兩種，即靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示方式是把數(shù)碼管的共陰極（或共陽極）連接在一起并接地（或接+5V），每位的段選線分別與單片機I/O口或一個8位鎖存器項鏈。其優(yōu)點是連接方式簡單，易于編程；缺點是將會占用單片機引腳或使用鎖存器較多。動態(tài)顯示方式是將數(shù)碼管的字段輸入端并聯(lián)在一起，共同與單片機的一個8位I/O端口相連，而各位的共陽極或共陰極分別由相應(yīng)的I/O控制，實現(xiàn)各位的分段選通。同一時刻只有一位數(shù)碼管顯示，其他幾位熄滅。單片機控制幾位數(shù)碼管輪流顯示，利用LED的余暉和人眼視覺暫留作用，達(dá)到同時顯示的目的。所以通過兩種顯示方式對比，本設(shè)計采用動態(tài)顯示的方法進(jìn)行顯示，電路圖如圖4-6所示。本文顯示程序主要完成對測量數(shù)據(jù)的輸出。如圖4-7所示為顯示程序流程圖。圖4-6數(shù)碼管電路圖4-7顯示程序流程圖顯示子程序如下：void MnLed(void){ ComPortBuf = 0xfe; for(ScanBitCnt=0;ScanBitCnt<=3;ScanBitCnt++) { DataPort=CODE[LedDispBuff[ScanBitCnt]]; //段選 ComPort=ComPortBuf; //位選 ScanTimeCnt=ScanTime; while(ScanTimeCnt--); //掃描延時 ComPort=0xff; ComPortBuf<<=1; ComPortBuf++; }}

5結(jié)論5.1程序設(shè)計調(diào)試結(jié)果在軟件設(shè)計部分，運用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進(jìn)行編程，這樣不但使整個軟件的層次比較清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。程序編寫完成后，在Keil里進(jìn)行程序編譯，編譯結(jié)果如圖5-1。KeiluVision2是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng)c語言的語法來開發(fā)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用,而且大大的提高了工作效率和項目開發(fā)周期,他還能嵌入?yún)R編，您可以在關(guān)鍵的位置嵌入，使程序達(dá)到接近于匯編的工作效率。圖5-1程序設(shè)計調(diào)試結(jié)果在編寫程序時，先編寫模塊程序也就是子程序，子程序編寫之后，再根據(jù)主程序流程圖編寫主函數(shù)。在調(diào)試過程中，有出現(xiàn)差錯的地方，可以根據(jù)模塊進(jìn)行檢查，也可以通過在Keil里用分步調(diào)試的方法進(jìn)行編譯，直觀清楚的檢查出錯誤的地方。經(jīng)過不斷的修改和調(diào)試，最終編譯成功。5.2設(shè)計總結(jié)本文介紹的基于單片機的液位測量系統(tǒng)，論文首先介紹了超聲波傳感器的前景和優(yōu)缺點，分析了利用超聲波檢測液位的可行性，然后簡單介紹了系統(tǒng)的硬件電路，硬件電路以89c51單片機系統(tǒng)為控制核心，設(shè)計了超聲波發(fā)射電路、接收電路、顯示電路等模塊。利用了超聲波測距原理實現(xiàn)了非接觸測量的設(shè)計。設(shè)計的重點主要在于程序設(shè)計部分，在程序設(shè)計中，采用了模塊化程序設(shè)計思想，設(shè)計了主程序、中斷程序、溫度測量程序、串行口通訊程序以及顯示程序。使得程序部分適合硬件部分，使系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)。在整個設(shè)計工作過程中，首先查閱資料了解了超聲波特性以及超聲波探頭器的工作原理，根據(jù)原理設(shè)計出超聲波液位測量的系統(tǒng)框圖，對硬件設(shè)計有一定的理解，在硬件結(jié)構(gòu)掌握的基礎(chǔ)上，主要完成程序設(shè)計，完成主程序流程圖設(shè)計，主要包括主程序，中斷子程序以及顯示子程序，根據(jù)各個模塊流程圖編寫相應(yīng)的程序，達(dá)到設(shè)計要求。

致謝在論文工作結(jié)束之際，我向所有幫助過我的同學(xué)和老師們表達(dá)我最真誠的謝意！有了他們的幫助，我才能夠順利地完成論文的各項工作。首先感謝我的導(dǎo)師郭文強老師，在郭老師的言傳身教和悉心指導(dǎo)下，我順利地完成了畢業(yè)設(shè)計的選題及設(shè)計。他努力探索、務(wù)實創(chuàng)新的治學(xué)精神和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、一絲不茍的治學(xué)態(tài)度給我樹立了榜樣，激勵我勤奮進(jìn)取，他為人師表、襟懷坦蕩的風(fēng)范更是讓我受益匪淺！在此謹(jǐn)向我的導(dǎo)師致以最誠摯的謝意！同時，在論文的寫作過程中，也得到許多同學(xué)的寶貴意見，大學(xué)四年學(xué)習(xí)和生活中幫助我的老師和同學(xué)們，在此一并致以最誠摯的謝意。最后，向在百忙之中抽出時間對本文進(jìn)行評審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心的感謝！

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附錄//==================================================//文件名稱: 液位程序//功能說明:包括主循環(huán)，調(diào)用函數(shù)//硬件描述://資源說明:12M晶體//創(chuàng)建日期://軟件版本:2011v.00//===================================================#include<reg51.h>#include<math.h>#include<intrins.h>#include<stdio.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitP10=P2^3; //超聲波發(fā)送使能位bitdataflag0=0; //超聲波返回標(biāo)志位bitdataflag1=0; //超出測試范圍標(biāo)志位uintj;uinttim;//液位數(shù)據(jù)uchartime[2];//================數(shù)碼管定義====================#define LedNum 4 //數(shù)碼管個數(shù)4uchar data LedDispBuff[LedNum];uchar data IntgerH; //BCD碼表示uchar data IntgerM;uchar data IntgerL;uchar data DecimalH;uchar data DecimalMH;uchar data DecimalML;uchar data DecimalL;uint code TempTab[]={0