超声波液位仪的设计

1、摘要学士学位毕业设计（论文）超声波液位仪的设计学生姓名： 指导教师：所在学院： 专 业： 2010 年 6 月摘 要液位测量广泛应用于石油、化工、气象等部门。超声波液位计是众多液位计中发展较快、应用较多的一种液位测量仪表。利用超声波测量液位是一种有效的非接触式测量方法，可广泛应用于各种需要测量的场合。近年来，随着高速数字信号、计算机、微电子、传感器等高新技术的应用与研究，超声波液位计的研究得到了长足发展。本文详细介绍了了超声波的物理特性、超声波液位测量技术的基本原理和实现方法，在借鉴和吸收国内外超声波液位测量技术的基础上设计了基于AT89S51的超声波液位计的硬件系统和软件系统，并就可能出现的

2、干扰和影响进行了分析和给出了相应的解决方法。关键词：AT89S51 超声波 测距 液位传感器IIIABSTRACTABSTRACTMeasurement is widely used in the fields of oil industry,chemical industry and meteorology.Among all the level measurement instruments,Ultrasonic level measuremen instrument is developed faster and used more widely.Distance measurement

3、 by ultrasonic is an effective and non-trouching method,and be used in agreat variety kinds of fields that need to find range or ascertain location parameters.In recent years with the high development of high speed digital processing and micro-processor ultrasonic level measurement instrument has ob

4、tained a great advancement. The paper introduces deeply the physical characteristic of the ultrasonic and the basic principle and the realizing method of the ultrasonic level measurement technology.On basis of absorbing and referring to the domestic and foreign advancedultrasonic level measurement t

5、echnology,the hardware and software are designed which is based on ATMEGA128.Also the paper analyzes thoroughly some interference and influence which may be in the measure system and gives solutions.Keywords: AT89S51 Ultrasonic Range finding Level sensor目录目录摘 要IABSTRACTII前言V1 绪论11.1 课题背景11.2 论文研究内容2

6、2 超声波的液位测量原理42.1 超声液位仪理论基础42.2 超声波液位仪工作原理72.3 本章小结83 硬件总体设计93.1 超声液位仪总体设计93.2 单片机电路103.3 发射电路153.4 接收电路163.5 液晶显示电路183.6 蜂鸣报警电路203.7 对电路板进行合理设计203.8 本章小结214 系统软件设计224.1 软件总体设计224.2 本章小结265 实验结果分析及改进275.1 实验结果分析275.2 误差分析及改进措施285.3 本章小结296 结论与展望30结论32参考文献33致谢35附录3645前言前言工业生产中，常常需要测量容器内的液体液位。在一般的生产过程中

7、，液位测量的目的主要是通过液位测量来确定容器里的原料、半成品或产品的数量，以保证生产过程各环节物料平衡以及为进行经济核算提供可靠的依据;另外还为了在连续生产的情况下，通过液位测量，了解液位是否在规定的范围内，从而维持正常生产、保证产品的产量和质量以及保证安全生产。液位测量在工业生产过程中的作用相当重要。随着各行业的快速发展，液位测量已应用到越来越多的领域，不仅用于各种容器、管道内液体液位的测量，还用于水渠、水库、江河、湖海水位的测量。课题针对液位检测的实际问题,开发了一种基于单片机的超声波液位检测仪深入讨论了用超声波作为信号源进行液位检测的可行性及优越性，产生误差的各种原因，提出了相应的解决办

8、法。 超声波液位检测仪以单片机 AT89S51 单片机最小系统为核心，利用超声波作为检测信号的手段，对液位进行检测和数据处理，减少了测量过程中的人工干预，方便了工作人员对液位检测的实时监控。该系统硬件电路设计包含了超声波发射电路、接收电路、LED显示电路、电源电路等。软件设计中，采用模块化程序设计思想。 在设计中，由于需要测量的距离范围从几厘米到几米，针对超声波振幅在传播时呈指数衰减的特性，最大限度地提高驱动能力，对回波进行放大，达到了设计要求。1 绪论1.1课题背景1.1.1超声波液位仪的研究背景与内容超声波液位仪作为一种典型的非接触测量仪器，在很多场合有广泛的应用，诸如工业自动控制，建筑工

9、程测量和水面高度测量等方面。与激光测距、微波测距等测量方法相比，由于超声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波，时间测量精度的要求也远小于激光测距、微波测距等，因而超声波液位仪电路结构简单，造价低廉，容易设计，且超声波在传播过程中不易受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各个场合均得到广泛应用。然而超声波液位仪在实际应用中也有很多局限性会对测量数据的精确度造成一定的影响。诸如，环境温度、风速等，使其无法达到要求。如何解决这些问题，提高超声波液位仪的精度，具有较大的现实意义。 目前，市场上的超声波液位仪多数采用单片机作为对液位仪控制和运算的核心，系统的硬件设计决定着测量结果的精度。本文在对超声波传

10、播特性研究的基础上，设计了基于单片机的超声波液位仪的硬件系统和软件系统，并对硬件和部分软件分别进行了相关的调试。硬件设计的总体目标是力求在结构简单、成本合理的前提下，尽量完善其功能。由于超声波液位仪需要测量几厘米到几米距离，因此，针对超声波在传播时呈指数衰减的特性，我们采用了最大限度提高驱动能力、对回波进行多级放大等措施，扩大了测量范围。本设计运用单片机系统控制超声波的发射、接收、以及其它的各种功能。 在软件设计中，我们采用模块化程序设计思想，将软件主要分为超声波驱动与数据处理模块。这有利于软件的调试和修改。另外，对设计过程中发现和存在的一些问题从软、硬件两方面，分析了原因并提出了一些解决的措

11、施和改进的办法，为研制更加完善的超声波液位仪打下了基础。 1.1.2 超声波液位仪的现状 经过不断的努力和探索，科技工作者己开发出了种类繁多、各具特色的液位仪。尤其是近二十年来，随着微处理器的引入，测量仪表更是发生了革命性的变化。液位仪的量程从几厘米到几米，测量精度亦大大提高。根据液位测量所涉及的液体存储容器、被测介质以及工艺过程的不同，选择不同类型的液位仪。在进行液位测量前，必须充分了解液位测量的工艺特点，以此作为液位仪设计过程中的参考因素1。 目前，进口的智能化超声波液位仪能够对接收信号做精确的处理和分析。可以将各种干扰信号过滤出来，识别多重回波;分析信号强度和环境温度等有关信息。这样即便

12、在有外界干扰的情况下，也能够进行精确的测量。超声波液位仪不仅能定点和连续测量液位，而且能方便地提供遥测所需的信号。同时，超声波液位仪不存在可动部件，所以在安装和维护上相应比较方便。超声测位技术可适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性。新型气密结构、耐腐蚀的超声波探头可测量十几米的液位2。1.2 论文研究内容1.2.1 研究内容 进口的液位仪功能齐全，精度较高，但是价格比较昂贵且维修不是很方便。对于小型用户来说，不是理想之选。而国内自行研制生产的液位仪价格相对便宜，但精度不高，功能相对单一。为了设计出价格便宜，精度较高的超声波液位仪，本设计采用AT89S51为核心的单片机电路

13、，同时使用双探头的方式发射和接收超声波，基于超声波测距的原理，算出液位的高度。除此之外，也可以使用数字平均滤波的方式来提高数据的精确度。因为超声波在空气中的传播速度大约为334m/s(常温下)，在同一介质中其传播速度相对恒定，与激光的速度(3×108m/s)相比，它的传播速度要慢得多，所以对超声波信号的处理较为容易。因此，这也体现了超声波测距的独到之处，加之其成本较低，所以超声波是比较理想的信号源2。超声波液位测量方法与其它的液位测量方法相比，不易受光线、被测对象颜色等因素影响，利用这样的特性，一般将仪器放置于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境之中。同时超声波探头具有结构

14、简单、价格便宜、体积小、信号处理可靠等特点。综合而言，超声波液位仪具有非接触、精度较高、实时测量、可靠性强等优点，较为适合国内市场。本篇论文研究的主要内容是基于超声波液位仪的设计和提高精度方面的研究。为了提高数据的精确度，重点探讨超声波在测量水平面高度时所受到诸如温度，气候以及超声波强度衰减等因素的影响，以及采取相应的措施来减少误差。 速度的影响： 超声波在工业应用中的频率为 5KHZ-5MHZ，超声波探头到介质表面距离的计算公式如下：D= T×C/2D：探头到介质表面的距离T：声波的传播时间C：波的传播速率 由此可知，除了声波的传播时间的测量准确性，声波的传播速度起着决定性的作用，

15、声速的变化取决于传播媒介的不同。在实际应用中，多种因素影响着传播媒介及声速。为了获得更加准确的测量结果，超声波液位仪可以由所处环境的不同来设定不同媒介的声速3。温度的影响：如下表1，温度的变化影响着声速的变化，在正常环境中温度的变化带给声速的变化为0.17%。在实际应用中，由于探头周围环境，超声波传播媒介的温度以及被测介质的温度不尽相同。表 1 波速与温度的关系温 度 -20-10010203010波速m/s 3193253233383443493861.2.2 论文的章节安排 本文首先介绍了超声波液位仪测距的工作原理。接着基于测距原理，介绍了硬件设计。为了提高测量精度，我们又设计了一种以51

16、单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字的超声波液位仪系统。论文研究内容和章节安排如下： 第一章：介绍本课题的背景与意义，研究的历史和现状。 第二章：重点讲解往返时间检测法测距的理论,以及对超声波探头的工作原理进行详细介绍。 第三章：超声波液位仪的主控制电路，重点介绍51单片机和外围电路的设计，以及各种器件的选择。特别是对相关传感器的介绍。 第四章：超声波液位仪的软件设计，包括软件流程图，以及程序代码的关键部分。系统软件程序使用汇编语言编写。 第五章：实验结果分析及改进第六章：结论与展望2超声波的液位测量原理2.1超声液位仪理论基础2.1.1 超声波介绍超声波是一种人耳无法听到的、频率一般超过

17、 20kHz 的声音,它具有以下特性： （1） 波长与辐射: 传播速度是用频率乘以波长来表示。电磁波的传播速度是3×108m/s,而声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s。在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。（2） 反射： 要探测某个物体是否存在，超声波应能够在该物体上得到反射，由于金属、木材、混凝土、橡胶和纸等可以反射近乎100的超声波，因此我们可以很容易地探测到这些物体。由于布、棉花等可以吸收超声波，探测到他们将十分困难。另外，由于不规则反射，通常可能很难探测

18、到表面震动幅度很大的物体。 （3） 温度: 声波传播的速度“V”可以用下列公式（2.1）表示： V=331.5+0.607t(m/s) （2.1 ）式中，t=温度（C），也就是说，声音传播速度随周围温度的变化有所不同。因此，要精确的测量与某个物体之间的距离时，始终检查周围温度是十分必要的。 （4）衰减: 传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是由于衍射现象上的扩散损失，和介质吸收能量产生的吸收损失。 2.1.2 超声波探头的结构和原理 超声波探头是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能芯片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、

19、绕射现象小，特别是方向性好、能够定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射，从而形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此这项技术广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以这种检测手段，必须发射超声波和接收超声波。能同时完成这种功能的装置就是超声波探头，也称为超声换能器4。对应用于工业的超声波探头而言，要求其精确度要达到 1mm，并且具有较强的超声波辐射。利用常规双压电芯片组件振动器的弯曲振动，在频率高于 70kHz的情况下，是不可能达到此目的。所以，在高频率探测中，必须使用垂直振动模式的压电陶瓷。压电

20、陶瓷的声阻抗与空气的匹配就显得十分重要，它的声阻抗为2.6×107kg/m2s,而空气的声阻抗为4.3×102kg/m2s。5个幂的差异会导致在压电陶瓷震动辐射表面上的大量损失。负载压电陶瓷，它可以使超声波探头在高达数百kHz频率的情况下，仍能够正常工作。压电型超声波探头的工作原理：它是借助于压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。超声波探头有两块压电晶片和一块共振板，给它的两级加上脉冲信号，当其频率等于晶片固有频率的时候，压电晶片就会产生共振，并带动共振板一起振动，从而产生超声波。反之，如果电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时。将压迫两片电晶片振动，从而将机械能转

21、换为电能，此时的探头就成了超声波接收器。 如图1所示，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是由谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电芯片构成。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射，并且可以使超声波聚集在振动器的中央部位12。图1 超声波探头2.1.3 T/R40-16 超声波探头超声波探头选用40kHz的T/R40-16 型压电陶瓷传感器，如图2所示。当T/R40-16 超声波探头在输入频率为40kHz时，各种特性呈现最佳状态。因此为了得到最佳效果必须使单片机输出方波的为40kHz5。 图2 超声波探头标号超声波探头的性能指标：中心频率40kHz，发射声压大于115d

22、B，电容2400 pF，允许输入电压12V。其发射探头频率特性曲线图在中心频率 40kHz 处，超声发射器所产生的超声机械波最强，即在f0处所产生的超声声压能级最高。而在f0两侧，声压能级迅速衰减，因此，超声波发射时要用非常接近中心频率f0的交流电压来驱动。同样，接收探头器在中心频率 f0处输出电信号的幅度最大，即在f0处探头的灵敏度最高.如图3传感器频率特性。 图3 传感器频率特性2.1.4 传感器的指向角 超声波探头的指向角是声束半功率点的夹角，是影响液位仪的一个重要技术参数，它直接影响测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长，圆形传感器半径 r 有关。指向角越小，空间分辨越高，

23、则要求传感器半径 r 越大。由公式（2.2），可知。 （2/ ) ×r×sin( /2 )=1.615 （2.2） 选 f0=40kHz 时，C/f0=8.5mm。当f0选定后，指向角近似与传感器半径成反比。指向角愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径 r 愈大。鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下，选用国产现有压电传感器片最大半径 r=6.3mm，故=2×arcsin(1. 615/2 ××r)=75°，超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是 0°时声压最大，角度逐

24、渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为40° 80°，如图4所示。 图4 传感器指内角2.2超声波液位仪工作原理2.2.1 超声波液位仪工作原理 超声波液位仪的基本工作原理是利用超声波传播时间和传播速度来确定液面距离。即所谓的脉冲-回波方式6。如图5所示，由超声波的入射和反射之间的夹角，可以计算出探头距液面垂直高度 L=Scos(/2 ),L 为超声波到液面的垂直距离，S 为实际距离，液位高度计算公式为: L=v× t/2cos(/2 ) （2.3 ）其中，v 表示超声波声速，t 表示超声波传播时间。单片机根据脉冲发射时间和接收的时间计算出时间差 t，即超声

25、波在空气中传播的时间，并由式： S=1 /2Ct （2.4 ）计算出距离 S，式中参数C是超声波在空气中传播速度，因而设置温度传感器进行修正。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波液位仪专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过温度补偿和数字平均滤波的方法，可以将数据提高到毫米级。图5 超声波液位原理图2.2.2 测量盲区 由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区 。

26、用脉冲回波测量距离时，液面与超声波探头间的距离既不能太远也不能太近，存在着近限和远限。距离过远时，接收到的信号太弱，以致无法从噪声信号中分辨出来，这是远限所以存在的原因。在距离过近时，接收信号将落进盲区中而无法分辨，这是近限所以存在的原因7。 超声波液位仪在使用一个探头情况下，同时发射和接收超声波，由于在探头上施加的发射电压强达几十伏甚至上百伏以上，虽然发射信号只维持一个极短的时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定的余振，因此在一段较长时间内，加载接收放大器输入端的发射信号幅值仍是相当强的，可以达到限幅电路，引起探头振动，不能进行正确的测量，在这种情况下，选用两个探头分别用于发送和接收。

27、双探头方式，不仅可以增加探测距离，还可以减小盲区。由于发射探头上并不直接施加发射电压，所以，从理论上说，可以没有盲区。但是，由于接收电路多少会受到发射电路的感应，并且发射探头所发出的超声波可能有部分直接绕道接收探头，因此实际上仍存在一定的盲区，不过他要比单探头方式的盲区小很多。所以，在本设计中，选取了双探头的工作方式，减小盲区，同时提高检测的距离。 2.3 本章小结 本章介绍了超声波的特性，对超声波在传播过程中的衰减与声波所在介质等关系进行了分析，在超声波测量工作原理中，分析指出把超声波往返时间的测量转化对计数脉冲个数的测量。在下面的章节中，我们将进行具体的硬件设计。3硬件总体设计3.1超声液

28、位仪总体设计液位系统硬件电路主要由单片机系统、电源电路接收模块、LED显示模块和报警模块等模块构成如图6所示。通过对系统各部分所需要的电压和电流的计算，来选择不同的电子器件，经过不断地测试，达到了硬件总体设计要求超。超声波液位仪硬件设计如图7所示。 图6 超声波液位仪结构框图图7 超声波液位仪硬件设计3.2 单片机电路作为超声波液位仪系统的核心部件，单片机的选择对整个系统功能的优化起着至关重要的作用。面向工控领域的单片处理器，目前广泛应用的有 51 系列的8 位单片机及面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器(DSP)。DSP 器件在工控领域的应用，从长远看是一个必然的趋势，但目前 DSP 器

29、件的使用偏重于高端应用领域，对于智能仪表所开发的功能得不到充分利用，不能很好的体现器件优势。51单片机具有开发技术成熟、应用广泛等优点，尤其是在ATMEL公司将Flash存储技术应用到单片机产品中，将Flash存储技术与Intel公司的 MCS-51核心技术相结合，形成了 AT89系列单片机8。 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能，CMOS 8位单片机，片内含 4K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器和12位的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51指令系统，内置通用8位中央处理器（CPU）和

30、 Flash 存储单元，功能强大。AT89C51单片机的高性价比，可灵活应用于各种控制领域9。 按设计要求，根据超声波液位仪原理，以 AT89C51 单片机系统为核心电路，开发超声波液位仪。它的部分引脚具体说明如表2： 表2 单片机部分引脚介绍名称管脚名类型名称和功能DIPLCCQFPGND202216I地Vcc404438I电源：提供掉电、空闲、正常工作电压RST9104I复位：当晶振在运行中，只要复位管脚出现 2 个机器周期高电平即可复位，内部有扩散电阻链接到 Vcc即可实现上电复位。XTAL2 182014O晶体 2：反向振荡放大输出XTAL1 192115I晶体 1：反向振荡放大器输入

31、和内部时钟发生电路输入/PSEN 293227O程序存储使能：当执行外部程序存储器代码时，/PSEN 每个机器周期被激活两次，在访问外部数据存储器时，/PSEN 无效，访问内部程序存储器时/PSEN 无效。/EA/VPP 313529I外部寻址使能/编程电压：在访问ALE 整个外部程序存储器时，/EA 必须外部置低。如果/EA 为高时，将执行内部程序，除非程序计数器包含大于片内 FLASH 的地址。该引脚在对 FLASH 编程时接5V/12V 编程电压。如果保密位 1已编程，/EA 在复位时由内部锁存。ALE3033270地址锁存使能：在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下

32、，ALE 输出信号恒定为 1/6 振荡频率。并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个 ALE 脉冲将被忽略。3.2.1复位电路AT89C51的上电复位电路如图3.3所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1µF。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的

33、时间。上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。在图8的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害10。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。图8 单片机复位电路（上电复位）3.2.2 电源电路设计 电源是整个系统的能源中心，系统中所有器

34、件的运作都需要电源来提供能量，因此系统电源的质量在很大程度上影响到单片机系统的稳定性。交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压，如图 9所示：变压器整流电路滤波电路稳压电路 图9 电源电路设计框图直流电源的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=，是变压器的效率。滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分减少，输出恒稳的直流电。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。各滤波电容 C 满足公式（3.1）：RC=（35）T/

35、2 (3.1)式中T为输入交流信号周期，RC为整流滤波电路的等效负载电11。电源电路设计，如图10所示。图10 电源电路H7805系列3端正稳压电路,TO-220封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达 1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流12。结构如图11所示。 图11 H7805引脚图3.2.3 时钟振荡器 晶体振荡器,以下简称晶振,是基于晶体的压电效应原理制造而成的。当在晶片的两面上加交变电压时，晶片因反复的机械变形产生振动，而这种机械振动又会反过来产生交变电压。当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅

36、明显加大，比其它频率下的振幅大得多，并且产生共振，这种现象称为压电谐振.晶振发生振荡必须附加外部时钟电路,一般是一个放大反馈电路,只有一片晶振是不能实现震荡的，于是就有了时钟振荡器。将外部时钟电路跟晶振放在同一个封装里面,一般都4个引脚,两条电源线为里面的时钟电路提供电源,又叫做有源晶振,时钟振荡器,或简称钟振.好多钟振一般还要做一些温度补偿电路在里面,让振荡频率能更准确。设计中使用 12MHz的晶振，通过单片机内部 6分频，发生2MHz的ALE 信号，经过超声波发射电路，获得探头所需的40kHz 的频率。XTAL1和XTAL2分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出端。这个振荡器可以使用

37、石英晶体，也可以使用陶瓷谐振器。本系统使用12MHz的石英晶振作为系统的时钟源13。晶体的连接方式如图12所示。电容C1和C2起去除噪声的作用，且应保持两个电容的值一样。本系统电容值C20=C25=20PF。 图12 晶体振荡器的连接3.3超声波发射电路超声波发射电路原理图如图13所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。

38、上位电阻R8、R9一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间14。图13 超声波发射电路原理图超声波探头超声波探头是发射和接收超声波的仪器。本系统超声波发射探头采用T40-16，超声波接收探头采用R40-1615，外形如图14所示 图14 超声波探头采用收发分体式超声波探头，有以下优点：发射角小，发射距离远，而且余震对接收探头的影响小，降低了调试的复杂性，提高了系统安装的灵活性，减小了盲区，同时提高了检测距离。74LS04六反向器这里采用74LS04来提高驱动的功率，以使超声波发射信号足够大，提高测量距离。74LS04内有六

39、个独立的反向器，每个反向器都可执行逻辑的反向操作，它还可构成振荡器，进行脉冲整形和小信号的电压放大等。其中一个非门用来为驱动器的一侧提供180°的相移信号，另一侧由相内信号驱动，这种结构使驱动电压提高一倍。为提高超声波探头的驱动电压，采用两个74LS04并联的形式16。74LS04是六反向器，其内部结构如图15所示图15 74LS04内部结构3.4超声波接收电路由于超声波在空气中传播，其能量会随传输距离的增大而减小，从远距离障碍物反射的回波信号一般比较弱(接收电压为mv级)，所以在设计超声波接收电路时，要有较大的放大倍数;为减小环境噪声对回波信号的影响，也要考虑选用滤波特性较好的电路

40、，使回波易于检测17。超声波接收电路使用了集成电路CX20106A。CX20106A是日本索尼公司生产的红外遥控系统中作接收预放用的双极型集成电路，红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器18。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路(如图16)。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力CX20106A的内电路框图及信号流向如16图(a)所示，引脚如16图（b）所示。 图16 CX2OIO6的内电

41、路框图及信号流向和引脚其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载;其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节，不需要外接电感，可避免外磁场对电路的干扰，可靠性较高。CX20106A接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求。同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减小电噪声。本系统所用的接收电路如图17所示;图17 超声波检测接收电路3.5 显示电路 单片机采用89S51 或其兼容系列。采用12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用

42、P1.0 端口输出超声波转化器所需的40KHz 方波信号，利用外中断0口检测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS245驱动，位码用PNP三极管驱动。单片机及显示电路原理图如图18所示。图18 单片机及显示电路原理图74LS245双向总线发送器/接收器(3S) 简要说明: 245为三态输出的八组总线收发器19,其封装如图19所示。图19 双列直插封装LED显示器七段LED数码显示器内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的极管接线形式，可分为共阴极型和共阳极型。在共阴极接法中，LED数码管的ga七个发光二极管因加正电压而发亮

43、，因加零电压而不发亮。数码管的外形结构如图20(a)所示。而在共阳极接法中，刚好与共阴极接法向反,LED数码管具有亮度大，响应速度快等优点20。数码管管脚原理图，如图20（b）、(c)所示。图20(a) 数码管的外形结构图20（b）数码管管脚图（共阴极）图20（c）数码管管脚图（共阳极） LED显示器有静态显示和动态显示两种。本设计中采用动态显示方式，以实时显示液位变化。由于LED数码管发光所需平均电流为1020 mA，单片机端口线无法直接提供，因此必须外加驱动器，再与LED引脚相连。驱动器的选择与显示方式有关，静态显示时只需考虑段的驱动，动态显示时须同时考虑段与位的驱动。比较简单的驱动电路可

44、成由三极管构，利用三极管的放大作用驱动LED显示。本设计中正是采用此方法实现驱动功能。在显示位数较多时，直接使用三极管驱动电路比较复杂，多采用集成电路驱动器21。3.6蜂鸣报警电路本设计采用电磁式蜂鸣器作为警戒液位报警提示。他与单片机的连接如图21所示，单片机AT89S51的P11口通过PNP型三极管驱动蜂鸣器。当P11输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器发出报警声22。图21 蜂鸣报警器电路3.7对电路板进行合理设计合理的布局是布线的前提和根本，在PCB设计时应根据电路的布局规则和相关原理首先对元器件进行合理的布局。在实际PCB设计中，通过分析干扰产生的机理和可能的干扰途径，主要采取了以下措施：

45、1.将整个电路按功能划分为几个模块，合理布局，以减少模块间的噪声耦合。2.在直流电源回路中，负载的变化会引起电源干扰，当电路从一种状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声。在靠近集成芯片的电源引脚附近与地之间并接0.1F的旁路电容，以抑制电源线上的电压波动。3.避免数字电路和模拟电路使用同一电源。模拟地和数字地只有一个共接点，其接点选在电源输入处。4.地线和电源线尽量加宽，走线尽量短，电路板上空余不用的地方都铺地。若接地线用很细的线条，则接地电位会随电流的变化而变化，使其抗噪性能降低。5.单片机的数据线、控制线要尽量短，以减少对地电容。数据线的各线长短、布线

46、方式应尽量一致，以免造成各线的阻抗差异过大，使数据和地址信号传输过程中到达终端时波形差异过大，同时也避免形成各线上信号的不同步。6.对单片机的各引脚，易受到干扰而引起误操作的管脚采用上拉或下拉处理，使其处于稳定状态避免误操作。未用的I/O引脚，如果引脚默认为输入引脚，需要将其上拉或下拉为固定的电平，以降低功耗；如果默认状态为输出引脚，则可以悬空不接23。3.8 本章小结 本章基于时差测距原理设计了89S51 单片机为核心的低成本、高精度、LED显示超声波液位仪数据系统，介绍了系统设计，给出了原理框图和硬件各部分的功能。4系统软件设计4.1 软件总体设计 4.1.1 软件设计流程图 单片机液位仪

47、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、超声波传输距离计算、计算结果显示等功能模块。软件总体流程图,如图22所示。图22 软件总体框图软件设计运用模块化程序设计思想，对不同功能的程序进行分别编程，这样不但使得整个软件的层次和结构比较清晰，而且有利于软件的调试和修改。 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

48、停止计时，由此得出超声波的传输时间T,再利用第二章所介绍的公式，可求出待测距离h，由此算出液体的高度24。4.1.2 主程序结构流程图 主程序是单片机程序的主体，它负责调用系统的子程序，中断程序等各个功能转换。如图所示为系统的主程序流程。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89S51并考虑整个系统的控制流程，整个系统软件都由89S51 系列单片机 汇编语言实现。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

49、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。如图23。 图23 主程序结构框图4.1.3 回波接收流程图图24 回波接收结构4.1.4 中断程序流程图中断服务程序是响应单片机的外部中断。在系统硬件中，发射的40KHz 脉冲信号遇到障碍物反射后，经接收检测电路产生外中断信号至单片机。在中断服务程序中，要从把进入中断服务程序处的计数值读出并保存在RAM 中，再对该数据进行处理，计算得到相应的距离值，并转换为十进制，最后显示输出。如图 25和图26。 图25 定时中断子程序框图 图26外部中断结构框图 4.1.5报警系统子程序报警系统子程序流程如图27所示。当系统显示完所测的液位

50、后，单片机判断当前位置是否达到预先设定的值，如果达到，报警，否则返回。图27 报警系统子程序流程4.2 本章小结 本章主要介绍了系统的超声波流量计的软件设计。分析设计出超声波流量计的各种程序模块的设计流程。5 实验结果分析及改进5.1 实验结果分析为了验证系统的测量精度，在实验进行了实地测验。正对光滑硬质表面进行测量，探头间的距离为4cm。超声测距系统实物如图5.1示。本测距系统测距范围0.275m。0.27m2m内测量数据如图表5.2所示，不同时刻在同一点测3个值26。表28所示实际距离是卷尺测量得到的。 图28 超声测液位仪(a)图3 超声波液位仪测距系统测量值与实际值 单位cm实际值27

51、406080120140180200测量值次数128416182121142182201227426181122141181201328416181122140182202从表3中数据可以看出，最大测距误差不超过2cm,数据比较稳定，具有一定的可重复性。但数据不能全吻合，主要有以下几个原因：(1)每次测量时，探头的位置，方向有微小变动。而且环境条件不同也会得到不同的结果。(2)盲区的出现是因为发射信号必须有一个上升时间，当距离太近时计算机系统已不能处理迅速返回的反射波信号，所以距离小于0.27m时测量误差明显增加。远距离时，回波信号微弱，混有大量的噪声，对门限判定造成很大干扰，易产生误判。(3

52、)由于反射物而引起的偶然误差，这可能是测量中最大的误差源。发射探头发出的超声波并非直线传播，而是呈喇叭状扩散传播的。反射物表面不是很平整，而且也并不一定垂直于两探头的轴线，所以反射回来的波也许是从A点获得，也许是从B点获得，测得的结果必然不想同。在应用中往往由于被测物表面材质、系统中元器件参数误差等因素的影响，所以测距范围在3m内是最好的，而最小测量距离受限于回波干扰，所以最小测距为27cm左右27。5.2误差分析及改进措施表3中实验结果分析及改进主要来自以下几个方面:(1)回波起伏误差。由于空气气流的起伏、目标的形状和粗糙度不同、传感器的响应特性较差等原因，使得传感器的回波信号不是一个规则信

53、号，有较大的不确定性，给触发闭值的设置带来难度，从而带来测量误差28;(2)声速的误差。一般的超声测量只考虑了声速随温度的变化情况，而且为了计算方便，把原始公式用一个较为简单的公式代替。实际上，除温度外，声速还与气压、湿度、风速等有关，尤其在恶劣的野外环境下，后面几种因素的影响不可忽略，此时就有了较大的测量误差;(3)直达波的影响。有一部分声波从发射探头直接传到接收探头，这部分信号直接加到回波信号中，干扰回波信号的检测。可以通过软件算法对直达波进行识别，消除直达波误报警情况。芯片一旦判定收到的超声波信号是声波衍射返回的信号，则自动忽略该结果，芯片继续等待在该探头工作周期内是否有有效反射波，有则

54、进行处理，没有则转入下一探头的驱动29。(4)对t的计数误差。因为t=Nt，其中，N为计数器的计时结果，t为时基时隙，所以每次测量就有计时误差，t由单片机的计时时钟决定，主要和单片机的指令速度有关;(5)测距系统本身带来的系统误差。主要是超声换能器的反应有一定的时间延迟;系统对回波信号的处理需要一定的时间;数据处理过程中带来的误差，如AI89S51是8位的单片机，处理精度不高，在数据处理过程中如整数与小数的相乘就会带来误差等，这些误差都是系统误差。(6)反射角度误差。如果系统是用来测量面与点的距离，则被测物、换能器及换能器所在测量参考平面三者之间存在一个几何角度，即反射波入射到换能器的角度，当

55、这个角度不是90度时，系统测量到的距离是障碍物与换能器之间的距离而不是和测量参考平面之间的距离，这就会造成测量误差。当障碍物的距离较小时，这个误差就会成为近距离时的主要误差来源。如果超声测距系统应用在要求较高的应用中，就要考虑以上所说的种种误差，想办法加以克服，最大限度地减小它们的影响30。5.3本章小结本章主要介绍了系统的实验结果分析及改进，和实验误差产生的原因。6 结论与展望本文通过对超声波在媒质中的传播特性，超声换能器的工作机理和测距算法分析，研究超声波信号的衰减以及脉冲信号的驱动特性，并据此设计脉冲信号的发射电路，基于AT89S51单片机作为主控芯片完成液位系统测量的设计，利用集成芯片CX20106A检测回波信号，然后通过得到的渡越时间计算液位距离。本系统采用了新型振动模式超声波探头、抗干扰电路、单片机系统以及合理的软件算法，使得本系统具有以下优点:(1)采用了超声波空气传感器作探头，体积小、灵敏度高、安装简单、使用方便，转换效率也较高。(2)发射探头的频率信号来自单片机系统，准确、稳定、可靠，而且可以随时通过软