PAGE2PAGE91寧湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院畢業(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2013屆畢業(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：劉紅兵三、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(guān)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。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(guān)、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：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：-20℃—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2~3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4~5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PCB印制電路板圖并制作PCB板、焊接電路并調(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）。七、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(guān)鍵問題，質(zhì)詢與課題密切相關(guān)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。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。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)。或者通過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(guān)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(guān)鍵詞：超聲波，單片機，液位測量AbstractThispaperdiscussesthemeasurementofultrasonicliquidleveldetectionsystemofproblems,firstistheultrasonicsensorsasdetectionfront-endacquisitionlevelsignal,withtheconditioningcircuitforpretreatment,andthentoA/Dconverteranalog-to-digitalconversion,single-chipmicrocomputerasthecorecontrol)toformthesimplemeasurementsystem.Orbythetimeronthetimeintervalsignaldirectlymeasured,thenaccordingtothecalculationofsoundspeedinliquidlevel.Ortothesingle-chipmicrocomputertimingunitforconditioningcircuitsentandthetimeintervalrelatedtopulsedetectionmeasurement,thelocalinputreal-timetemperatureandotherconditionstodeterminethespeedofsound,andthenbythesingle-chipmicrocomputerfordataprocessing,gettheliquidlevelmeasurement.Basedonthestudyoftheultrasonicmeasuringsystemforliquidleveldetectionsystemprocess,theuseoftheoreticalanalysis,circuitdesignandcomputersimulationmethods,completedthesystemhardwareandsoftwaredesign.Thesystemisdividedintorangingmodule,controlmoduleandalarmmodule,andseparatelycarriesontheanalysis,designthesystemarchitectureanddesign.Inthehardwarecircuitisdescribedindetailusingsinglechipcomputertechnologyleveldetectionprinciple,analysedwithSCMasthemaincontrolunitofthesystemhardwareandsoftwaredesign,andthesystemhasbeentestanderroranalysis,givesthesystemstabilityindex.KeyWords:singlechipmicrocomputer,ultrasonic,liquidlevelmeasurement目錄摘要 VAbstract VI目錄 VII第1章緒論 11.1課題研究的背景及意義 11.2課題概述 21.3本文的主要工作 3第2章超聲波測量原理 52.1超聲波 52.1.1超聲波概念及特點 52.1.2超聲波傳播速度 52.1.3超聲波頻率 52.2超聲波傳感器 62.3超聲波液位測量原理 7第3章方案設計 93.1系統(tǒng)設計內(nèi)容和功能 93.2系統(tǒng)方案選擇 103.3超聲波和超聲波傳感器 103.4超聲波傳感器的主要應用 113.5超聲波發(fā)生器選擇 12第4章超聲波液位檢測硬件電路設計 134.1超聲波發(fā)射電路設計 134.2超聲波接收電路設計 144.3單片機最小系統(tǒng)電路 154.4溫度補償電路設計 174.5顯示電路設計 184.6電源電路設計 194.7LED顯示系統(tǒng)設計 194.8報警電路設計 20第5章超聲波液位檢測系統(tǒng)軟件的設計 215.1系統(tǒng)軟件設計框圖 215.2單片機的C程序設計 235.3系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試 285.4調(diào)試分析 28總結(jié) 30參考文獻 31致謝 32湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院學生畢業(yè)設計(論文)第1章緒論1.1課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。1.2課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?？傮w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，P1.0口輸出控制信號從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40KHz的調(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。1.3本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(guān)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CX20106A組成，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38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(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C16的大小，可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C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯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C語言編程。超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INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。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T0溢出中斷將外中斷0關(guān)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。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端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單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。

第2章超聲波測量原理2.1超聲波2.1.1超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10kHz到1THz之間，常用頻率大約在10kHz到10MHz之間。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。2.1.2超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(guān)。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(guān)系可以由公式（2-1）來表示：（2-1）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。2.1.3超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(guān)系為（2-2）其中，a為衰減系數(shù)，b為介質(zhì)常數(shù)，f為振動頻率。在空氣中，。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（2-2）可知，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2-1所示，超聲波的頻率越高，衰減率就越高，波的傳播距離也就越短。圖2-1聲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40KHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳。2.2超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2-2所示。圖2-2超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)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2-3所示，一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2-3壓電型超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖2.3超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2-4所示。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。圖2.2超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=C×T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40KHz超聲波,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=Vt/2(2-3)然而，超聲波在空氣中傳播的速度V和空氣的溫度有關(guān)。溫度補償：在理想氣體中,超聲波傳播速度可表述為:(2-4)其中,為氣體的比熱值,R為氣體常數(shù),T為熱力學溫度,μ為氣體的分子量。由(2-4)可知: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:(2-5)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3.1系統(tǒng)設計內(nèi)容和功能超聲波液位測量系統(tǒng)框圖如圖3-1。超聲波接收超聲波接收超聲波發(fā)送8051單片機LED顯示溫度檢測555電路圖2.1超聲波液位測量系統(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40kHz的方波，并測量出超聲波從發(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。LCD部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40KHz方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/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)射電路，超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生40KHz的調(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LED數(shù)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(guān)系，采用AT89C51單片機進行控制及數(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)點，可實時檢測液位。設計具體內(nèi)容：(1)AT89C51主控單元電路(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3.2系統(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AT89C51單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NE555振蕩產(chǎn)生40KH的方波信號，它是基于硬件的基礎上，便于我們可以通過示波器觀察到40KH的方波，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40KH的脈沖信號，在通過CD4069驅(qū)動，將40KH的脈沖信號發(fā)射出去，由于是軟件控制，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1cm以內(nèi)，在方案二中我們通過采用CX20106可以將信號進行放大和整形處理，在CX20106的5腳和7腳串聯(lián)一個200K的電阻可以將頻率穩(wěn)定在40KH。因此在本次設計中，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。3.3超聲波和超聲波傳感器超聲波的兩個主要參數(shù)：頻率：F≥20K/Hz；功率密度：p=發(fā)射功率(W)/發(fā)射面積(cm2);通常p≥0.3w/cm2;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0.35w/cm2，這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(guān)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質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。3.4超聲波傳感器的主要應用超聲波傳感技術(shù)應用在生產(chǎn)實踐的不同方面，而醫(yī)學應用是其最主要的應用之一，下面以醫(yī)學為例子說明超聲波傳感技術(shù)的應用。超聲波在醫(yī)學上的應用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。在工業(yè)方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術(shù)因為無法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。當然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。3.5超聲波發(fā)生器選擇超聲波發(fā)生器可以分為兩類：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。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器，常用材料是壓電式陶瓷。由于超聲波在空氣傳播時會有相當?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應選擇高頻率的傳感器，而長距離測量時應用低頻率的傳感器。一、超聲波接收傳感器及處理芯片CX20106A超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。因此超聲波接受傳感器應該應用集成電路CX20106A，CX20106A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38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(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。適當更改電容的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上二、溫度傳感器的選擇大家知道，聲音在不同溫度的空氣中傳播速度是不同的，所以這里要考慮到溫度補償?shù)膯栴}。溫度傳感器有很多種，例如溫度傳感器AD590。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)。AD590的測溫范圍為-55℃～+150℃。AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓可在4V-6V范圍變化，電流變化1mA，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。輸出電阻為710WM。它的精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。但是考慮到成本問題我選用TS-18B20數(shù)字溫度傳感器。該產(chǎn)品采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用無需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0V至5.5V無需備用電源測量。溫度范圍為-55°C至+125℃。-10°C至+85°C范圍內(nèi)精度為±0.5°C

溫度傳感器可編程的分辨率為9~12位溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒用戶可定義的非易失性溫度報警設置應用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費電子產(chǎn)品溫度計，或任何熱敏感系統(tǒng)。第4章超聲波液位檢測硬件電路設計4.1超聲波發(fā)射電路設計壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。圖4.1超聲波發(fā)射電路電路的設計思想超聲波發(fā)射電路由超聲波換能器稱超聲波振頭）和超聲波發(fā)生器兩部分組成，40KHz的超聲波信號是利用NE555時基電路振蕩產(chǎn)生的，振蕩頻率，通過調(diào)節(jié)信號頻率，使之與換能器的40KHz固有頻率一致，為保證555時基具有足夠的驅(qū)動能力，宜采用+12V電源。工作時，單片機通過P1.0口向超聲波發(fā)生電路發(fā)出控制信號從555振蕩電路的3腳輸入到CD4069驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生40KHz的調(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。4.2超聲波接收電路設計超聲波接收電路CX20106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38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106接收超聲波(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。適當更改電容的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。其電路由圖4.2所示。CX20106的引腳注釋：1腳IN：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。2腳AGC：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C，將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R=4.7Ω，C=3.3μF。3腳C0：該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3μF。4腳GND：接地端。5腳RC0：該腳與電源端VCC接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率f0≈38kHz。6腳C：該腳與GND之間接入一個積分電容，標準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳OUT：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22kΩ，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。8腳RC1：電源正極，4.5V～5V。4.3單片機最小系統(tǒng)電路8051單片機采用40腳雙列直插式封裝，其引腳排列及邏輯符號如圖4.2所示。圖4.28051單片機引腳圖下面分別說明各引腳的含義和功能[3]。（1）主電源引腳Vcc和VssVcc──電源端。工作電源和編程校驗（+5V）。Vss──接地端。（2）時鐘振蕩電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1和XTAL2分別用作晶體振蕩電路的反相器輸入和輸出端。在使用內(nèi)部振蕩電路時，這兩個端子用來外接石英晶體，振蕩頻率為晶振頻率，振蕩信號送至內(nèi)部時鐘電路產(chǎn)生時鐘脈沖信號；若采用外部振蕩電路，則XTAL2用于輸入外部振蕩脈沖，該信號直接送至內(nèi)部時鐘電路，而XTAL1必須接地。（3）控制信號引腳RST/Vpp、ALE/PROG、PSEN和EA/VppRST/Vpp──RST為復位信號輸入端。當RST端保持兩個機器周期（24個時鐘周期）以上的高電平時，使單片機完成復位操作。第二功能Vpp為內(nèi)部RAM的備用電源輸入端。當主電源Vcc一旦發(fā)生斷電（稱掉電或失電），降到一定低電壓值時，可通過Vpp為單片機內(nèi)部RAM提供電源，以保護片內(nèi)RAM中的信息不丟失，使上電后能繼續(xù)正常運行。ALE/PROG──ALE為地址鎖存允許信號。在訪問外部存儲器時，ALE用來鎖存P0擴展地址低8位的地址信號。在不訪問外部存儲器時，ALE也以時鐘振蕩頻率的1/6的固定速率輸出，因而它又可用作外部定時或其它需要。但是，在遇到訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，會丟失一個ALE脈沖。ALE能驅(qū)動8個LSTTL門輸入。第二功能PROG是對內(nèi)部ROM編程時的編程脈沖輸入端。PSEN──外部程序存儲器ROM的讀選通信號。當訪問外部ROM時，PSEN產(chǎn)生負脈沖作為外部ROM的選通信號。而在訪問外部數(shù)據(jù)RAM或片內(nèi)ROM時，不會產(chǎn)生有效的PSEN信號。PSEN可驅(qū)動8個LSTTL門輸入端。EA/Vpp──訪問外部程序存儲器控制信號。對80C51，它們的片內(nèi)有4KB的程序存儲器，當EA為高電平時，CPU訪問程序存儲器有兩種情況：第一種情況是訪問的地址空間在0～4K范圍內(nèi)，CPU訪問片內(nèi)程序存儲器；第二種情況是訪問的地址超出4K時，CPU將自動執(zhí)行外部程序存儲器的程序，即訪問外部ROM。當EA接地時，只能訪問外部ROM。第二功能Vpp為編程電源輸入。（4）4個8位I/O端口P0、P1、P2和P3P0口（P0.0～P0.7）是一個8位漏極開路型的雙向I/O口。第二功能是在訪問外部存儲器時，分時提供低8位地址線和8位雙向數(shù)據(jù)總線。在對片內(nèi)ROM進行編程和校驗時，P0口用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。P1口（P1.0～P1.7）是一個內(nèi)部帶提升電阻的準雙向I/O口。在對片內(nèi)ROM編程和校驗時，P1口用于接收低8位地址。P2口（P2.0～P2.7）是一個內(nèi)部帶提升電阻的8位準雙向I/O口。第二功能是在訪問外部存儲器時，輸出高8位地址。在對片內(nèi)ROM進行編程和校驗時，P2口用作接收高8位地址和控制信號。P3口（P2.0～P2.7）是一個內(nèi)部帶提升電阻的8位準雙向I/O口。單片機最小系統(tǒng)，或者稱為最小應用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成單片機可以工作的系統(tǒng)。對8051單片機來說，最小系統(tǒng)應該包括：單片機、晶振電路、復位電路。下面是8051單片機的最小系統(tǒng)電路。圖4.1最小系統(tǒng)電路圖Figure4.1minimumsystemcircuitdiagram圖4.1中，P0.0～P0.7用來控制LED的段碼，P2.0～P2.3用來控制LED的位碼，P1.3用來和溫度傳感器DS18B20連接，超聲波發(fā)射電路和單片機8051的P1.0口連接，而超聲波接收電路連接到8051的外部中斷INT0。因此單片機8051不需要進行外部擴展就可滿足超聲波測距電路的系統(tǒng)要求[4]。電源采用+5V電源供電。晶振X1的頻率是12MHZ。4.4溫度補償電路設計DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器，測溫范圍為-55～125℃，最大分辨率可達0.0625℃。DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用了一線制與單片機相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點。測溫電路圖4.5所示。圖4.5DS18B20DS18B20溫度傳感器：(1)：技術(shù)性能描述獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。測溫范圍－55℃～＋125℃，固有測溫分辨率0.5℃。工作電源：3~5V/DC。在使用中不需要任何外圍元件。測量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送。不銹鋼保護管直徑Φ6。適用于DN15~25，DN40~DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設備測溫。標準安裝螺紋M10X1，M12X1.5，G1/2任選。PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線，便于與其它電器設備連接。(2)：應用范圍該產(chǎn)品適用于冷凍庫，糧倉，儲罐，電訊機房，電力機房，電纜線槽等測溫和控制領域。軸瓦，缸體，紡機，空調(diào)，等狹小空間工業(yè)設備測溫和控制。汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、以及中低溫干燥箱等。供熱/制冷管道熱量計量，中央空調(diào)分戶熱能計量和工業(yè)領域測溫和控制。4.5電源電路設計本系統(tǒng)采用市電220V，50Hz供電，而單片機以及其它芯片均采用直流5V和12V電壓供電。故需要設計降壓電路。本電路使用了由LM7805和LM7812構(gòu)成的橋式穩(wěn)壓整流電路。電路如圖4.7所示。圖4.7電源電路經(jīng)過降壓、橋式整流、濾波后通過LM7805穩(wěn)壓并直接為單片機和其它器件供電，作為齊納二極管/電阻組合的替換方案時，LM7805和LM7812通?？梢愿纳朴行л敵鲎杩惯_兩個數(shù)量級，并降低靜態(tài)電流。LM7805和LM7812可提供本地卡上穩(wěn)壓，結(jié)合單點調(diào)節(jié)，解決分配問題。由于足夠的散熱設置，LM7805和LM7812穩(wěn)壓器可提供100mA的輸出電流，同時還包含限流功能，以限制峰值輸出在安全值的范圍內(nèi)。LM7805和LM7812為輸出晶體管提供了安全區(qū)域保護，限制內(nèi)部功耗。假如內(nèi)部功耗超出了散熱范圍，熱關(guān)斷電路將會啟動，防止芯片過熱。4.6LED顯示系統(tǒng)設計微機化測控系統(tǒng)中常用的測量數(shù)據(jù)的顯示器有發(fā)光二極管顯示器(簡稱LED或數(shù)碼管)和液晶顯示器(簡稱LCD)。這兩種顯示器都具有線路簡單、耗電少、成本低、壽命長等優(yōu)點，本系統(tǒng)輸出結(jié)果選用4個LED顯示。數(shù)碼管有共陰共陽之分，本系統(tǒng)采用8段共陰型LED，其原理圖如圖所示，每位數(shù)碼管內(nèi)部有8個發(fā)光二極管，公共端由8個發(fā)光二極管的陰極并接而成，正常顯示時公共端接低電平(GND)，各發(fā)光二極管是否點亮取決于a-dp各引腳上是否是高電平。LED數(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu)如圖，外部有12個引腳，其中數(shù)字1,2,3,4為公共端也稱位選端，其余8個引腳稱為段選端，當要使某一位數(shù)碼管顯示某一數(shù)字((0-9中的一個)必須在這個數(shù)碼管的段選端加上與數(shù)字顯示數(shù)字對應的8位段選碼(也稱字形碼)，在位選端加上低電平即可。由于系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容比較簡單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟。LED有共陰極和共陽極兩種。如圖所示。二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，而共陽極則將發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接入+5V的電壓。一位顯示器由8個發(fā)光二極管組成，其中7個發(fā)光二極管構(gòu)成字型“8”的各個筆劃（段）a～g，另一個小數(shù)點為dp發(fā)光二極管。當在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護各段LED不被損壞，需外加限流電阻。符號和引腳共陰極共陽極圖4.8數(shù)碼管類型數(shù)碼管顯示器有兩種工作方式，即靜態(tài)顯示方式和動態(tài)掃描顯示方式。為節(jié)省端口及降低功耗，本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描顯示方式。動態(tài)掃描顯示方式需要解決多位LED數(shù)碼管的“段控”和“位控”問題，本電路的通過P0口實現(xiàn)：而每一位的公共端，即LED數(shù)碼管的“位控”，則由P2口控制。這種連接方式由于多位字段線連在一起，因此，要想顯示不同的內(nèi)容，必然要采取輪流顯示的方式，即在某一瞬間，只讓其中的某一位的字位線處于選通狀態(tài)，其它各位的字位線處于斷開狀態(tài)，同時字段線上輸出這一位相應要顯示字符的字段碼。在這一瞬時，只有這一位在顯示，其他幾位則暗。在本系統(tǒng)中，字位線的選通與否是通過NPN8050三極管的導通與截止來控制，即三極管處于“開頭”狀態(tài)。在單片機應用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時,再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法較為簡單與便利。在顯示電路的設計上，利用單片機的P0～P2口來控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比較浪費管腳資源，但是對單片機的理論知識要求相對比較低，而且超聲波發(fā)射和接收電路并不需要很多的管腳來支持，所以我選擇這種方案。數(shù)碼管的選擇上，為了使數(shù)碼管亮度大，本人選擇了共陰極的數(shù)碼管，數(shù)碼管管腳接到高電平發(fā)亮。顯示及其驅(qū)動電路的原理圖見圖3.5.第5章超聲波液位檢測系統(tǒng)軟件的設計5.1系統(tǒng)軟件設計框圖根據(jù)以上所述系統(tǒng)硬件設計和所完成功能，系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)以下功能：1.信號控制在系統(tǒng)硬件中，己經(jīng)完成了超聲波發(fā)射驅(qū)動電路、回波檢測電路的設計。在系統(tǒng)軟件中，要完成發(fā)射脈沖信號、采集回波信號。2.數(shù)據(jù)存儲為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時間差，要讀出此刻計數(shù)器的計數(shù)值，然后存儲在RAM中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計數(shù)器清零。3.信號處理RAM中存儲的計數(shù)值并不能作為距離值直接顯示輸出，因為計數(shù)值為十六進制數(shù)，先要將十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，然后根據(jù)計數(shù)值與實際距離的轉(zhuǎn)換公式計算出距離值。軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序。如圖所示。主程序完成初始化工作。如圖5.1所示為系統(tǒng)的主程序流程。開始開始程序初始化定時中斷子程序收到回波結(jié)束是否外部中斷子程序圖5.1主程序流程圖外部中斷入口關(guān)外部中斷讀取時間值計算距離輸出結(jié)果外部中斷入口關(guān)外部中斷讀取時間值計算距離輸出結(jié)果開外部中斷結(jié)束發(fā)射完否否是發(fā)射超聲波定時器初始化停止發(fā)射定時中斷入口結(jié)束圖5.2定時服務子程序圖5.3外部中斷服務子程序5.2單片機的C程序設計1、編譯環(huán)境使用C語言肯定要使用到C編譯器，以便把寫好的C程序編譯為機器碼，這樣單片機才能執(zhí)行編寫好的程序。KEILuVISION3是眾多單片機應用開發(fā)軟件中優(yōu)秀的軟件之一，它支持眾多不同公司的MCS51架構(gòu)的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體，同時還支持，PLM，匯編和C語言的程序設計，它的界面和常用的微軟VC++的界面相似，界面友好，易學易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。因此很多開發(fā)51應用的工程師或普通的單片機愛好者，都對它十分喜歡。2、C程序//超聲波液位計程序清單：//晶振=12MHz//MCU=AT89C51//P0.0-P0.7共陽數(shù)碼管引腳//Trig=P1^0//Echo=P3^2#include<reg51.h>//包括一個51標準內(nèi)核的頭文件#defineucharunsignedchar//定義一下方便使用#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlong//***********************************************sfrCLK_DIV=0x97;//為AT單片機定義,系統(tǒng)時鐘分頻//為AT單片機的IO口設置地址定義sfrP0M1=0X93;sfrP0M0=0X94;sfrP1M1=0X91;sfrP1M0=0X92;sfr P2M1=0X95;sfr P2M0=0X96;//***********************************************sbitTrig=P1^0;//產(chǎn)生脈沖引腳sbitEcho=P3^2;//回波引腳sbittest=P1^1;//測試用引腳ucharcodeSEG7[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};//數(shù)碼管0-9uintdistance[4];//測距接收緩沖區(qū)ucharge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i;//自定義寄存器bitsucceed_flag;//測量成功標志//********函數(shù)聲明voidconversion(uinttemp_data);voiddelay_20us();//voidpai_xu();voidmain(void)//主程序{uintdistance_data,a,b;ucharCONT_1;CLK_DIV=0X03;//系統(tǒng)時鐘為12MHz晶振P0M1=0;//將io口設置為推挽輸出P1M1=0;P2M1=0;P0M0=0XFF;P1M0=0XFF;P2M0=0XFF;i=0;flag=0; test=0; Trig=0;//首先拉低脈沖輸入引腳 TMOD=0x11;//定時器0，定時器1，16位工作方式 TR0=1; //啟動定時器0IT0=0;//由高電平變低電平，觸發(fā)外部中斷 ET0=1;//打開定時器0中斷//ET1=1;//打開定時器1中斷 EX0=0;//關(guān)閉外部中斷 EA=1;//打開總中斷0 while(1)//程序循環(huán) {EA=0;Trig=1;delay_20us();Trig=0;//產(chǎn)生一個20us的脈沖，在Trig引腳while(Echo==0);//等待Echo回波引腳變高電平succeed_flag=0;//清測量成功標志EX0=1;//打開外部中斷TH1=0;//定時器1清零TL1=0;//定時器1清零TF1=0;//TR1=1;//啟動定時器1EA=1;while(TH1<30);//等待測量的結(jié)果，周期65.535毫秒（可用中斷實現(xiàn)）TR1=0;//關(guān)閉定時器1EX0=0;//關(guān)閉外部中斷if(succeed_flag==1){distance_data=outcomeH;//測量結(jié)果的高8位distance_data<<=8;//放入16位的高8位distance_data=distance_data|outcomeL;//與低8位合并成為16位結(jié)果數(shù)據(jù)distance_data*=12;//因為定時器默認為12分頻distance_data/=58;//微秒的單位除以58等于厘米}//為什么除以58等于厘米，Y米=（X秒*344）/2 //X秒=（2*Y米）/344==》X秒=0.0058*Y米==》厘米=微秒/58if(succeed_flag==0){distance_data=0;//沒有回波則清零test=!test;//測試燈變化}///distance[i]=distance_data;//將測量結(jié)果的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)///i++; /// if(i==3) /// { /// distance_data=(distance[0]+distance[1]+distance[2]+distance[3])/4;///pai_xu();///distance_data=distance[1]; a=distance_data;if(b==a)CONT_1=0;if(b!=a)CONT_1++;if(CONT_1>=3) {CONT_1=0; b=a; conversion(b); } /// i=0; /// } }}//***************************************************************//外部中斷0，用做判斷回波電平INTO_()interrupt0//外部中斷是0號{outcomeH=TH1;//取出定時器的值outcomeL=TL1;//取出定時器的值succeed_flag=1;//至成功測量的標志EX0=0;//關(guān)閉外部中斷}//****************************************************************//定時器0中斷,用做顯示timer0()interrupt1//定時器0中斷是1號{ TH0=0xfd;//寫入定時器0初始值 TL0=0x77; switch(flag){case0x00:P0=ge;P2=0xfd;flag++;break; case0x01:P0=shi;P2=0xfe;flag++;break; case0x02:P0=bai;P2=0xfb;flag=0;break;}}//*****************************************************************/*//定時器1中斷,用做超聲波測距計時timer1()interrupt3//定時器0中斷是1號{TH1=0;TL1=0;}*///******************************************************************//顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序voidconversion(uinttemp_data){ucharge_data,shi_data,bai_data;bai_data=temp_data/100;temp_data=temp_data%100;//取余運算shi_data=temp_data/10;temp_data=temp_data%10;//取余運算ge_data=temp_data;bai_data=SEG7[bai_data];shi_data=SEG7[shi_data];ge_data=SEG7[ge_data];EA=0;bai=bai_data;shi=shi_data;ge=ge_data; EA=1;}//******************************************************************voiddelay_20us(){ucharbt;for(bt=0;bt<100;bt++);}/*voidpai_xu(){uintt;if(distance[0]>distance[1]){t=distance[0];distance[0]=distance[1];distance[1]=t;}/*交換值if(distance[0]>distance[2]){t=distance[2];distance[2]=distance[0];distance[0]=t;}/*交換值if(distance[1]>distance[2]){t=distance[1];distance[1]=distance[2];distance[2]=t;}/*交換值 }5.3系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用15的超聲波換能器tct40-10f1(T發(fā)射)和CX20106A（R接收），中心頻率