基于单片机的外测2

1、基于单片机的外测式液位仪控制电路设计小组成员：刘瑶、崔圆圆、徐婷婷、郑缘芬、王凯本课题的研究内容 (1) 超声波外测液位检测系统的方案论证。 (2) 超声波外测液位检测系统的硬件设计。硬件电路包括超声波发射、接收电路、单片机控制电路、温度测量电路、显示电路、与上位机通信电路和电源电路。 (3) 超声波外测液位检测系统的软件设计。采用模块化程序设计思想，编写相应的软件程序，并进行调试和运行。 硬件系统总体方案设计 超声波液位探测系统是根据“回波测距”的原理设计的。由超声波的发射器发射超声波，当超声波遇到障碍物时反射回来，再由超声波接收系统接收。测出从超声波发射该脉冲束至接收到回波信号的传输时间，

2、即渡越时间，由于超声波在同一种介质中的传输速度是不变的（设所处的介质的密度和温度等相关因素不变的情况下）。那么由渡越时间和声速，就可算出要测的距离。 超声波液位探测系统总体框架图 AT89C51单 片 机超声波接收超声波发射温 度 补 偿液 晶 显 示数据传输AT89C51 本系统选用的单片机为AT89C51。它是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含有4K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统兼容，片内置通用8位中

3、央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大，AT89C51单片机可以提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 超声波传感器工作原理 超声波传感器，它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。超声波传感器内部结构里有两块压电晶片和一块共振板。给压电片的两电极加脉冲信号，即触发脉冲，当其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。在超声波传感器工作时为提高探头发射超声波的效率，常使晶片在共振状态下使用，这会

4、使振动不易停止，难以形成窄脉冲；因此常在晶片背面装上一个吸收块以增大晶片的振动阻尼，并吸收晶片背面发出的超声波。 超声波传感器探头结构简图 发射电路 在系统中，采用一个超声波探头作为发射和接收的器件。当探头发射超声波时，探头中压电晶片受300V高频电脉冲激励后，产生振动，发生逆压电效应，将电能转换成声能，探头发射超声波，当探头接收超声波时，超声波作用于晶片，晶片受迫振动引起形变发生正压电效应，将声能转换成电能。接收电路 超声波接收电路设计由反向比例运算电路,滤波电路和阈值电压比较三部分组成，超声波在传播的传播过程中不可避免地衰减，再经过物体表面的吸收、散射后，反射回来的回波信号已经极其微弱，要

5、想测到回波，必须对其进行滤波放大，放大调节后的信号作为输入信号，变成直流电平。接收部分的电路图123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:15-Jun-2011Sheet of File:H:电路图MyDesign3.ddbDrawn By:12U5CA74hc1412U5BA74hc14D3ln4001D2ln4001Q2S8050U6BLM324U7C81uC71uC91uC100.1uC151uC51uC61uLS2R810KR1010KR710KR91KR151KR1210KR1110KR4200KR610KR5100KR1310K

6、U6ALM324+12V+5VOUTGNDVDDSDLSCAMAX5381+5V+12V液晶显示电路 液晶显示电路使用的是12864点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（1616点阵）、128个字符（816点阵）可与CPU直接连接，并且提供两种接口来连接微处理机即8位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面位移、睡眠模式等。串行通信口电路 由于单片机提供的是TTL的电平，而计算机提供的是RS232电平，要实现单片机与计算机的通信，必须对它们的电平进行转换，可用MAX232芯片来实现。 设计中实现了超声波液位仪的远程通讯功能，将单片机获得

7、的液位数据传送到上位机，以便于工作人员的监控和操作，并可将历史数据存储在PC机内，尤其适用于室外测量或恶劣环境下的测量，由此使得系统的应用范围更广。本系统采用的是9芯的D型RS-232连接器串行通讯，通讯距离最远可达15m。温度测量电路 超声波液位仪系统的温度测量电路，采用数字温度传感器DS18B20来采集温度参数 DS18B20是美国DALLAS公司生产的1-wire总线串行数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、抗干扰能力强、易于与微处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。信号经过单线接口仅需一条线。 DS18B20 的电源可以由数据线本身提供,而不需要外部电源。它的测量温度范围为-55+

8、125，精度可达0.0675，最大转换时间为200ms。具体测量过程 按照液位测量仪的需要，超声波驱动与数据处理模块主要任务是用单片机产生40kHz的脉冲，驱动超声波探头器发射超声波，同时采用计数器计时；当超声波接收器接收到回波信号时停止计时，由此得出超声波的传输时间T,再利用公式，可求出待测距离h，由此算出液体的高度。 公式： h=1/2*v*T系统软件设计 单片机液位仪的软件功能是控制超声波的发射和接收，对超声波的传输时间进行测量，结合超声波的传播速度，计算出距离，并把数字滤波后的结果显示出来。要实现上述功能，软件包含初始化、参数读入、超声波发射、超声波传输计时、声速计算、超声波传输距离计

9、算、数字滤波、计算结果显示等功能模块。 主程序运行过程 程序首先完成初始化过程，然后是一个重复的控制发射信号，而且每次发射周期结束都会判断在发射信号后延时等待的过程中是否发生了中断，即回波是否到达。 由于采用了单片机89C51并考虑整个系统的控制流程，整个系统软件都由89C51 系列单片机C语言实现。由于距离值的得出及显示是在中断子程序中完成的，因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待。在中断响应之后，原始数据经计数值与距离值换算子程序，二进制与十进制转换子程序后显示输出。 主程序框图初 始 化收到反射信号发射超声波计数器开始计时延时1.8ms防止超声波振荡计数器停止计时，读取温度，计算距离显

10、示温度，距离计数器溢出显示ERRORYESNOYESNO开 始结 束超声波液位计优点 （a）非接触式测量，超声波换能器安装在液面上方，不与被测介质接触，可方便的测量腐蚀性、粘稠或有毒液体，避免被被测液体腐蚀或污损，免于维护。 （b）通用性好，液位计即可测量开渠液位，也可测量大型储罐等的液体液位。安装拆卸方便。 （c）适应性强，使用范围广，不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，对被测液体的物理化学性质的适应性极强。适用于有毒、有腐蚀、高粘度的液体液位测量，弥补了其他液位计在此类恶劣测量环境中的不足。几乎没有机械可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。换能器内的压电元件以声频振动，振幅小，寿命长。超声波液位计缺点 超声波液位计也有其自身的局限性，主要表现在被测