水库水位监测器

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 水库水位监测器设计水库水位监测器设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 测控测控101101 学学 号：号： 100301028100301028 学生姓名：学生姓名： 王北芳王北芳 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间：2013.6.17-2013.6.282013.6.17-2013.6.28 本科生课程设计（论文） 本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：测控技

2、术与仪器注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号100301028学生姓名王北芳专业班级测控101设计题目水库水位监测器设计课程设计（论文）任务设计一个能够利用超声波测距原理设计的水库水位监测报警器。设计任务：设计任务：1采用超声波传感器，设计信号处理电路；2采用单片机，对信号处理电路的输出信息进行处理，计算水库水面相对于超声波传感器的距离；3采用 3 位 LED 数码管设计显示器，显示格式为 x:xx，单位是米。4设计相应的驱动电路；设计要求：设计要求：1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适单片机、传感器等，设计相应驱动电路和键盘电路；2、应用专业绘图软件绘制

3、硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的设计过程，字数应在 4000 字以上。技术参数：技术参数：1测量范围在 0.1 米至 4 米之间；2测量精度 1cm。工作计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。 （2 天，分散完成）2、选择合适传感器、单片机等元器件型号。 （1 天，实验室完成）3、绘制硬件电路图。 （1 天，实验室完成）4、按系统的控制要求，编写软件程序。 （3 天，分散 2 天，实验室 1 天）5、上机调试、修改程序、答辩。 （2 天，实验室完成）6、撰写、打印设计说明书（1 天，分散完成）指导

4、教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 本科生课程设计（论文） 摘 要水情水位测量一直是水文、水利部门的重要课题。为及时发现事故苗头，为及时发现事故苗头，防患于未来，经济实用、可靠的水位监测系统将会发挥巨大的作用。本设计基于单片机的水库水位监测器主要由硬件与软件两部分组成，硬件是基于 AT89C51 芯片为核心的超声波水位测量，采用 AT89C51 单片机进行控制及数据处理，给出了超声波发射和接收电路。软件设计中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、功能模块两大模块。利用超声波传输中距离与时间的关系，设计出了能精确测量水库水位检测

5、器。此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时监测水位。关键词：单片机；测温电路；超声波发射接收 本科生课程设计（论文） 目 录第 1 章 绪 论.1 1第 2 章 课题的方案设计与论证.22.1 系统总体方案论证.22.2 系统总体设计方案.3第 3 章 系统的硬件结构设计.43.1 单片机外围电路.43.2 超声波发射电路设计.43.3 超声波接收电路设计.53.4 LED 显示电路 .63.5 电源电路.73.6 报警电路设计.83.7 测温电路.9第 4 章 系统软件的设计.104.1 超声波测距的算法设计.104.2 主程序流程图.104.3 超声波发射子程序和超声波接收中

6、断程序.134.4 系统的软硬件的调试.13第五章 误差分析.14第六章 课程设计总结.15参考文献.16附录 I.17附录 II.18 本科生课程设计（论文） 1第 1 章 绪 论 近年来，随着工业的发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，液位仪表的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。单片机技术和传感器技术的发展使液位测量方法得到了更进一步的发展。超声波在液位测量中的应用也越来越广，但是就目前的发展水平来说，超声波在测距系统中的应用还有一定的限度，因此研究超声波的水位检测是很有发展前景的。它在技术和产业领域具有广阔的发展空间。本次设计中，通过延时避免了接收未经液面反射

7、的超声波，其次利用温度传感器检测外界温度，采用当前温度下的超声波速度去计算，从而提高了距离计算的精度。在未来，超声波的测距测量将有更大的用途，更大的应用范围。它不但可以帮助人们解决很多生活中的困难，还可以作为科学探测和研究的手段。特别是水位的测量，可以帮助确定水位的高度，以便于其他工作的顺利进行。本设计中采用反射式的方式，超声波传感器发射超声波，遇到液面后超声波被反射回来，超声波接收探头接收超声波。其间通过单片机的控制，P1.0 口输出控制信号从单片机输入到驱动电路驱动超声波发射电路，超声波发生电路产生 40KHz 的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。经过液面反射后超声波接收探

8、头将接收到的超声波送到单片机进行处理。单片机通过各个引脚来实现和各电路模块的接口连接。并通过软件的设计来控制整个检测过程。一步一步，从发射到接收超声波，定时器的初始化，中断程序的编写，温度的采样，距离的计算，单片机都发挥了重要的最用。它是整个检测系统的内部核心。这次对水库水位监测器的设计获得了具有很大的成果和意义，在这个科学技术是第一生产力的时代，应用科学技术去解决生活中和工作的困难变得具有更高的价值。在设计中，我加深了对超声波的认识，对它的原理掌握的更好了。目前超声波已广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。此外我认识到单片机在各方面都有很大的应用潜能，在自动控制领域它更是发挥了不可

9、替代的作用。本设计利用超声波实现水位的测量，检测方便，易于实时控制，达到了工业的要求，因此具有实际的意义和广泛的应用前景。 本科生课程设计（论文） 2第 2 章 课题的方案设计与论证2.1 系统总体方案论证超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。为使基于单片机的超声波液位测量控制系统具有较好的实用性，并且具有较高的性能/价格比，对该系统的硬件电路作了精心设计。该系统的硬件设计采用

10、了模块化的设计方法。按实现的功能来分可分为以下几个部分。其中 AT89C51 单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完成各种复杂的操作。外围电路包括温度补偿电路、超声波发射及接收电路、报警及显示电路等等。方案一:我们可以用 555 振荡器产生 40KH 的方波信号，它是基于硬件的基础上，便于我们可以通过示波器观察到 40KH 的方波，具有直观且易于观察的特点，有利于电路的检测。方案二:我们可以通过单片机产生 40KH 的脉冲信号，在通过 CD4069 驱动，将40KH 的脉冲信号发射出去，由于是软件控制，准确度比较高。经过比较我们发现，在发射电路中方案一的设计是比较经济实惠而且比较方便，但方

11、案二中的软件设计使发射超声波时间比较容易控制，而且超声波的频率准确度比较高，本设计要求测量精度在 1cm 以内，在方案二中我们通过采用 CX20106 可以将信号进行放大和整形处理，在 CX20106 的 5 脚和 7 脚串联一个 200K 的电阻可以将频率稳定在 40KH。因此在本次设计中，我们选用的是方案二，以提高测量结果的准确度，并且在整个系统中我们都会采用单片机做计算和显示。本设计的显示电路有两种方案：方案一：采用 LCD 液晶显示器。方案二：采用数码管（LED）显示。方案一中，LCD 液晶显示器既能显示数字又能显示文字，功能很大的，但价格要比较贵，且控制较为困难。而方案二，显示数字清

12、晰，电路结构简单，成本低廉。根据对比，方案二优于方案一，所以选择方案二，即采用 LED 进行显示。 本科生课程设计（论文） 32.2 系统总体设计方案本设计基于单片机的超声波液位测量系统主要由单片机、温度检测电路、超声波发射电路、超声波接收电路、LED 显示电路、报警电路等组成。本设计采用模块化设计思想，以单片机 AT89C51 为核心，将其他模块有机的整合在一起，形成一个统一的系统，硬件系统的框图如图 2.1 所示。整个系统由单片机 AT89S51 控制，超声波传感器采用收发分体式，超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中，遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。进行相关处理后，输入单片

13、机的 INT0 脚产生中断，计算中间经历的时间，同时再根据具体的温度计算相应的声速，可得出相应的距离用来显示，当然在一些场合也可根据需要，设置距离报警值。 超声波接收超声波发送AT89C51单片机LED 显示报警系统温度检测图 2.1 硬件系统框图 本科生课程设计（论文） 4第 3 章 系统的硬件结构设计3.1 单片机外围电路单片机选用 AT89C51，经济易用，便于编程。AT89C51 是一种带 4K 字节FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器。对 AT89C

14、51 单片机来说，外围电路应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。本设计不需要进行外部扩展就可满足超声波测距电路的系统要求。下面是 AT89C51 单片机的外围电路。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。电源采用+5V 电源供电。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:24-Jun-2013Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16IN

15、T012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1AT89C51C130pFC230pFS2SW-PBR210KM12MHZ+C320uF+5+5图 3.1 单片机外围电路3.2 超声波发射电路设计压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振

16、荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志电路的设计思想。 本科生课程设计（论文） 5超声波发射电路由超声波换能器（或称超声波振头）和超声波发生器两部分组成， 40KHz 的超声波信号是利用单片机内部发出方波。工作时，单片机通过 P1.0口向超声波发生电路的 3 脚输入到 CD4069 驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波，超声波发生电路产生 40KHz 的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。如图 3.2 所示。123456ABCD654321DCBATitleN

17、umberRevisionSizeBDate:27-Jun-2013Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:发发发发发T-40UIE4069U1D4069U1A4069U1B4069U1C4069R191KR181K+5+5P1.0 图 3.2 超声波发射电路3.3 超声波接收电路设计本设计中超声波接收电路用的是 CX20106A，它是是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控。考虑到红外遥控常用的载波频率 38kHz 与测距的超声波频率 40kHz 较为接近，可以利

18、用它制作超声波检测接收电路。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。适当更改电容的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。其电路由6C图 3.3 所示。 本科生课程设计（论文） 6 图 3.3 超声波接收电路 图中 CX20106 各引脚的接法：1 脚 IN：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40k。2 脚 AGC：该脚与GND 之间连接 RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻 R 或减小 C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但 C 的改变

19、会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，选用 R=4.7，C=3.3F。3 脚 C0：该脚与 GND 之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，我选用 C 为3.3F。4 脚 GND：接地端。5 脚 RC0：该脚与电源端 VCC 接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率 f0 阻值越大，中心频率越低。例如，取 R=200k 时，fn42kHz，若取 R=220k，则中心频率 f038kHz。6 脚 C：该脚与 GND 之间接入一个积分电容，标准值为 330pF，如果该电容取得太大，会使探测

20、距离变短。7 脚OUT：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为 22k，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。8 脚 RC1：电源正极，4.5V5V。3.4 LED 显示电路单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称 LED。液晶显示器简称 LCE。前者价廉，配置灵活，与单片机接口灵活；后者可进行图形显示但接口比较复杂，成本较高。数码管具有低能耗、低损耗、低压，对外界环境要求低，易维护的优点，虽只能显示非常有限的符号和数码字，但可完全满足本设计。在显示部分采用 LED 动态显示技术，节省单片机空间，而且动态显

21、示电流很小，单片机123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:24-Jun-2013Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:发发发发发R-40INC1C2GNDfoC3OUTVCC12345678U3CX20106R21200kR2210KR2010KC53.3uFC51uFC6330pF+5INT0 本科生课程设计（论文） 7可以提供。LED 之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起

22、来是：亮度高、工作电压低、功耗小、大型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。 LED 的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。超级灰度控制具有 1024-4096 级灰度控制，显示颜色 16.7M 以上，色彩清晰逼真，立体感强。在单片机应用系统中，LED 数码管的显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的 IO 接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时,再发送新的字形码，因此，使用这种方法较为简单与便利。在显

23、示电路的设计上，利用单片机的 P0P2 口来控制数码管显示，这种接法虽然比较浪费管脚资源，但是对单片机的理论知识要求相对比较低，而且超声波发射和接收电路并不需要很多的管脚来支持，所以我选择这种方案。数码管的选择上，为了使数码管亮度大，本人选择了共阴极的数码管，数码管管脚接到高电平发亮。显示及其驱动电路的原理图见图 3.4。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:30-Jun-2013Sheet of File:C:Documents and SettingsAdministrator发发MyDesign.ddbDrawn By:R168

24、0R2680R3680R4680R5680R6680R7680R8680Q258050Q358050Q458050abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpJ1abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpJ2abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpJ3R12680R13680R14680+5P00P01P02P03P04P05P06P07P24P25P26P27图 3.4 LED 显示电路3.5 电源电路 本系统采用市电 220V，50Hz 供电，而单片机以及其它芯片均采用直流 5V 和 本科生课程设计（论文） 812V 电压供电。故需要设计降压

25、电路。本电路使用了由 LM7805 和 LM7812 构成的桥式稳压整流电路。电路如图 3.5 所示。经过降压、桥式整流、滤波后通过 LM7805 稳压并直接为单片机和其它器件供电，作为齐纳二极管/电阻组合的替换方案时，LM7805 和 LM7812 通常可以改善有效输出阻抗达两个数量级，并降低静态电流。由于足够的散热设置，LM7805 和 LM7812 稳压器可提供 100mA 的输出电流，同时还包含限流功能，以限制峰值输出在安全值的范围内。LM7805 和 LM7812 为输出晶体管提供了安全区域保护，限制内部功耗。假如内部功耗超出了散热范围，热关断电路将会启动，防止芯片过热。图中电源由电

26、源变压器、桥式整流电路、两个滤波电容，两个防自激电容和一只稳压器构成。220V 交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路和滤波电容的整流和滤波，在稳压器的 VI 和 GND 两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805 的稳压和电容的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为单片机电路的电源。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:28-Jun-2013Sheet of File:C:PROGRAM FIL

27、ESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:12Jout1DC12V12Jout2DC12V12JinAC220VVin2GND1+5V3LM7812CTU5Vin2GND1+12V3LM7805CTU4T11234BRIDG1IN4007C71000uFC91000uFC8100uFC10100uFC110.33uFC120.33uF12JinAC220VT21234IN4007BRIDGE1C130.33uFC140.33uF图3.5 电源电路3.6 报警电路设计为了在某些紧急状态或反常状态下，能使操作人员不致忽视，以便及时处理，

28、往往需要有某种更能引起人们注意提起警觉的报警信号产生，这种报警信号通常有三种类型:闪光报警、鸣音报警、语音报警，本系统采用简单易行的压电式蜂鸣器报警电路。 本科生课程设计（论文） 9123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:24-Jun-2013Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:发发发BUZZERQ1s8050R11K+5P1.4 图 3.6 报警电路如图 3.8 所示报警电路，报警设备选用压电式蜂鸣器，它约需要 1

29、0mA 的驱动电流，只需在其两条引线上加 3 一 15V 的直流电压，即可产生 3KHz 左右的蜂鸣声音，图中蜂鸣器的一端接在高电平+5V，另一端接 Pl.4，在初态 Pl.4 始终输出高电平1，当需要报警时，程序对其端口清零即可，声音的长短可用延时程序控制实现。3.7 测温电路由于声音的速度在不同的温度下有所不同，为提高系统的精度，采用了温度补偿功能。这里使用的是DS18B20温度传感器，它是是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，测温范围为-55125，最大分辨率可达0.0625。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用了一线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，

30、具有低成本和易使用的特点。测温电路图3.7所示。DS18B20温度传感器：独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理 器与DS18B20的双向通讯。测温范围55125，固有测温分辨率0.5。工作电源：35V/DC。在使用中不需要任何外围元件。测量结果以912位数字量方式串行传送。不锈钢保护管直径6。适用于DN1525，DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。标准安装螺纹M10X1，M12X1.5，G1/2任选。PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，便于与其它电器设备连接。应用范围：该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽

31、等测温和控制领域。轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。 本科生课程设计（论文） 10123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Jun-2013Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:VCCD0GND123J5DS18B20+5R34.7KP1.3图 3.7 测温电路第 4 章 系统软件的设计水

32、库水位监测器的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。我们知道 C 语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时） ，又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时） ，所以控制程序可采用 C 语言和汇编语言混合编程。 4.1 超声波测距的算法设计 超声波测距的原理为超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 R 所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距

33、离。距离的计算公式为： （4-2/*2/tcsd1） 其中，d 为被测物与测距仪的距离，s 为声波的来回的路程，c 为声速，t 为声 本科生课程设计（论文） 11波来回所用的时间。 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。4.2 主程序流程图 软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图 4.1 所示。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。

34、 定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。主程序首先对系统环境初始化，设置定时器 T0 工作模式为 16 位的定时计数器模式，置位总中断允许位 EA 并给显示端口 P0 和 P2 清 0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟 0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断 0 接收返回的超声波信号。 N Y4.1 主程序流程图开始初始化启动定时器调用中断程序是否监测到波？开始 本科生课程设计（论文） 12 N Y 4.2 定时中断

35、子程序 4.3 外部中断子程序 主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器 T0 工作模式为 16 位定时计数器返回定时器初始化发射超声波停止发射是否发射完关外部中断读取时间计算距离开外部中断结果输出返回开始 本科生课程设计（论文） 13模式。置位总中断允许位 EA 并给显示端口 P0 和 P1 清 0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约 0.1 ms（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断 0 接收返回的超声波信号。由于采用的是 12 MHz 的晶 振，计数器每计一个数就是 1s，当主程序检测

36、到接收成功的标志位后，将计数器 T0 中的数（即超声波来回所用的时间）按式（4-2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取 20时的声速为 344 m/s 则有： (4-2) cmTtcd10000/01722/*其中，T0 为计数器 T0 的计算值。测出距离后结果将以十进制 BCD 码方式送往 LED 显示约 0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用 C 语言编写。4.3 超声波发射子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是通过 P1.0 端口发送 2 个左右超声波脉冲信号（频率约 40kHz 的方波） ，脉冲宽度为 12

37、s 左右，同时把计数器 T0 打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程。 超声波测距仪主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即 INT0 引脚出现低电平） ，立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器 T0 停止计时，并将测距成功标志字赋值 1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器 T0 溢出中断将外中断 0 关闭，并将测距成功标志字赋值 2 以表示此次测距不成功。 前方测距电路的输出端接单片机 INT0 端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门 IC3A 的输出接单片机 INT1 端口，同时单片机

38、P1.3 和 P1.4 接到 IC3A 的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。 4.4 系统的软硬件的调试超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中超声波发射和接收采用 15 的超声波换能器 TCT40-10F1（T 发射）和 TCT40-10S1（R 接收） ，中心频率为 40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距 48cm，其余元件无特殊要求。若能将超 本科生课程设计（论文） 14声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容 C0 的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。 硬件电路制作完成并调

39、试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为0.075.5m，测距仪最大误差不超过 1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。第五章 误差分析水库水位监测器的原理是利用超声波测距，利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。 由于超声波的声速与温度有关，在实际测量中，因温度的不同则应通过温度补偿的方法加

40、以校正。测温范围为-55125，最大分辨率可达 0.0625。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为 331.45 米/秒，由单片机负责计时，单片机使用 12.0M 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。采用 AT89C51 单片机，晶振:12M,单片机用 P1.0 口输出超声波换能器所需的 40KHZ 方波信号,利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的 3 位共阳 LED 数码管。声速受温度的影响为： （5-)273/(1 cc1）当温度从 040 度变化时，将会产生 7%的声速变化。在声波传送过程中，声强随频率的增高

41、衰减增大。在回波信号放大与整形的过程中，远目标幅度小、信噪比 本科生课程设计（论文） 15低，可能导致整形失败或越过门槛的时刻前后移动，这也是影响测量距离的原因之一。这里的误差包含两种：一种是固定误差，测量的起始位置与探头的压电晶片所在的位置之间的距离，这种误差不随测量环境和距离的变化而变化；另一种是可变误差，随距离的增大而增大，主要是由接受超声波越过整形门槛的时间与超声波实际到达探头的时间不同引起的。因此，在除温度以外其他环境因数相对稳定的情况下，测量误差可表示为： （5-2）C1为总误差，为固定误差，为超声波越过整形门槛的时间与超声波实际到1达探头的时间差，C 为超声波在某种温度下的速度。

42、超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟 340 米（15时）。X2 是声波返回的时刻，X1 是声波发声的时刻，X2-X1 得出的是一个时间差的绝对值，假定 X2- X1=0.03S，则有 340m0.03S=10.2m。由于在这 10.2m 的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离。 第六章 课程设计总结由于时间和其它客观上的原因，此次设计没有做出实物。但是对设计有一个很好的理论基础。设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。以数字的形式显示测量距离。超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的

43、时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用 P1.0 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，利用外中断 0 口监测超声波接收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 74LS2

44、44 驱动， 本科生课程设计（论文） 16位码用 PNP 三极管 8550 驱动。超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成，它是一款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。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。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。超声波测距的算法设计原理为超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器

45、R 所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 在元件及调制方面，由于采用的电路使用了很多集成电路。外围元件不是很多，所以调试应该不会太难。一般只要电路焊接无误，稍加调试应该会正常工作。电路中除集成电路外，对各电子元件也无特别要求。根据测量范围要求不同

46、，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C0的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。 参考文献1胡平超声波测距仪的研制J.计算机与现代化2003，102时德刚刘哗.超声波测距的研制J计算机测量与控制2002，10.3张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：中国科技大学出版社，1993.10.4时德刚.刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制，2002.10. 5梅丽风.单片机原理及接口技术.清华出版社.2009.04.6王福瑞单片微机测控系统设计大全M北京：北京航空航天大学出版社.1998.282-283 页.7王大海新型温湿度自动控制系

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48、roelectronics-Printed in Italy-All Rights Reserved，200114Tom RWatt. Cooling our tomorrows economically，ASHRAE Journal15Olton W Instrumentation & process measurement，Longman Scientific & Technical1991附录 I发发发发发T-40UIE4069U1D4069U1A4069U1B4069U1C4069R191KR181K+5+5发发发发发R-40INC1C2GNDfoC3OUTVCC12345678U3C

49、X 20106R21200kR2210KR2010KC53.3uFC51uFC6330pF+5INT 0R1680R2680R3680R4680R5680R6680R7680R8680Q258050Q358050Q458050abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpJ1abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpJ2abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpJ3R12680R13680R14680+5发发发BU ZZ ERQ1S8050R11K+5P1.4VCCD0GND123J5DS18B20R34.7KP1.0P00P01P02P03P04P05P06P07P24P25P26P2712Jout1DC12V12Jout2DC12V12JinAC220VVin2GND1+5V3LM 7812CTU 5Vin