液位控制系统设计

1、毕业设计(论文) 题目名称液位控制系统的设计与研究系别电气信息工程系专业/班级学生学号指导教师（职称）宁夏理工学院毕业设计摘 要 本文设计的基于单片机的液位监控系统是一种利用超声波技术、电子技术、电磁开关技术相结合来实现非接触式液位测量和控制系统，能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用，在工业监测和控制等方面得到了广泛应用。近些年来，工业水平的不断发展对液位测量的精度、广度和抗干扰性提出了越来越高的要求，超声波测距技术本身也在不断的完善和发展，测距仪更趋向小型化和智能化，逐步实现了高精确度、高可靠性、安全性和多功能化。本设计的主要任务是以单片机为主控制器，开发一个基于单片机的液位监控系统

2、，可测量并显示液位，还可以通过单片机控制把液位限定在某一范围内，在单片机控制失效的情况下发出报警信号，提醒工作人员进行手动控制。研究内容包括超声波测距的基本原理与方法、精度影响因素的分析与解决办法、单片机对阀门的控制方法、监控系统的整体方案设计、硬件设计、软件流程设计等。设计完成之后提供一套可以使用的超声波测距仪，测量范围和测量精度满足一般工业应用需要。设计完成之后应提供一套可以用于一般工业生产的液位监控系统。通过毕业设计的整个过程，可以综合运用传感器、单片机、电子电路和程序设计方面的知识，锻炼和提高动手能力、参与科研工作的能力。关键词：单片机；超声波；测距；液位监控AbstractThe m

3、onolithic machine-based liquid place supervisory control system the main body of a book is designed has been that one kind of the contact-type liquid making use of the ultrasonic technology , electron technology , electromagnetism switch technology to realize combining with coming each other place m

4、easures and controls system , has been able to be put into use under some specially appointed occasion or environment is comparatively very bad situation , has got extensive use in the field of industry monitoring and controlling and so on. Horizontal uninterrupted growth of industry has brought for

5、ward the more and more high request to accuracy , extent and anti-interference sex that the liquid place measures in recent year, self cant be in the ultrasonic distance measurement technology perfect ceaseless and developed, the range finder is incline to minaturized and intellectualized , step by

6、step have realized high precision , high reliability , security and multifunctional-rization.This designs primary mission is by the monolithic integrated circuit primarily controller, develops one based on monolithic integrated circuits fluid position supervisory system, measurable quantity and disc

7、losing solution position, but may also through the monolithic integrated circuit control the fluid position define that in some scope, the situation which expires in the monolithic integrated circuit control after-crops the alarm, the reminder staff carries on the hand control. Research content incl

8、uding ultrasonic rangings basic principle and method, precision influencing factor analysis and solution, monolithic integrated circuit to valve control method, supervisory systems overall plan design, hardware design, software flow design and so on. After the design completes, provides the ultrason

9、ic wave distance gauge which a set may use, the measuring range and the measuring accuracy meet the general industrial application needs. After the design completes, should provide a set to be possible to use in the general industrial production the fluid position supervisory system. Through graduat

10、ion projects entire process, may synthesize the utilization sensor, the monolithic integrated circuit, the electronic circuit and the programming aspect knowledge, the exercise and enhancement beginning ability, participation scientific effort ability.Keywords：Monolithic machine ；Ultrasonic ；Distanc

11、e measurement ；The place monitors liquid目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1课题的提出和意义11.1.1 课题的提出11.1.2 课题意义11.2 国内外液位监测技术的发展现状11.3 国内外超声波测距方面的研究现状21.4 本文的主要内容32 超声波液位测量的理论基础42.1 超声波的定义42.2 超声波的物理特性42.2.1 超声波的类型42.2.2 超声波的传播42.3 超声波液位测量原理42.4 超声波测距原理52.4.1 超声波回波检测法52.4.2 发射脉冲波形52.4.3 超声波渡越时间的计量方法分析62.5 超声波接收发射

12、装置63 超声波液位监控系统硬件设计83.1 系统总体方案设计83.2 超声波测距系统的硬件设计83.2.1 超声波频率的选择83.2.2 单双探头的选择93.2.3 超声波发射电路93.2.4 超声波的接收和处理单元123.2.5 温度补偿单元153.2.6 显示电路设计183.2.7 键盘电路设计193.2.8 电磁阀控制电路设计193.2.9 报警电路设计203.2.10 系统控制单元203.3 电源电路的设计223.3.1 直流稳压电源的组成223.3.2 直流稳压电源的分类223.3.3 系统供电电源的设计233.4 液位监控系统的软件设计243.4.1 系统软件总体想243.4.2

13、 主程序流程设计243.4.3 测温子程序设计253.4.4 按键子程序设计283.4.5 显示子程序设计283.5 抗干扰设计304 超声波测液位的误差分析324.1 环境对测量的影响324.1.1 温度对声速的影响324.1.2 湿度对超声波衰减程度的影响334.2 仪器电路对测量的影响334.2.1 硬件电路引起的时间误差及修正334.2.2 触发时间引起的误差34参考文献36结束语37致 谢38附图139附图240IV1 绪 论1.1课题的提出和意义1.1.1 课题的提出在日常生产和生活中常遇到液位的监测问题。尤其在许多工业生产系统中，需要对系统的液位或物料位进行监测，特别是对具有腐蚀

14、性的液体液位的测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电脉冲来检测液面，电极长期浸泡在液体中，极易被腐蚀、电解、失去灵敏性，因而对测试设备的抗腐蚀性要求较高。超声波液位检测系统，利用了超声波传感技术的原理，采取一种非接触式的测量方法，能够实现对工业系统中液位或物料位的检测；而且超声波具有很好的指向性和束射特性，人耳听不见，一般不会对人体造成伤害。监控工程实施方便、迅速、易做到实时控制，而且测量精度又能达到工业实用的要求，所以有广泛的应用前景。目前液位的检测越来越受到重视，随着人们生活水平和工业标准的提高，检测的精度和实时性要求也越来越高，另外还要求系统能提供对液位的自动控制功能。也就是说今

15、后液位的监测和控制系统的研究将是一个重要的课题。1.1.2 课题意义为了降低工人的劳动强度，改善工人的工作环境，节省财力、物力，避免资源的浪费，特别是对一些具有高温、高压、低温、低压、有辐射性、毒性、易挥发易爆等液体，就要对液位进行检测，液位的检测显得尤为重要。而对于这些影响身体健康的液体，不易在现场直接进行检测，必须通过一定的技术，进行监控。1.2 国内外液位监测技术的发展现状储罐液位测量来源于石油和化工业，是工业测量中极为广阔的领域。准确的液位测量是生产过程控制的重要手段。早期，由于工业领域生产规模不大，储罐液位测量主要采用法兰式液位变送器和吹气式等机械式测量方法。但随着生产规模的进一步扩

16、大，所需的储罐数量变多，体积变大，原先的测量方法的弊端愈发变得突出，其缺点如下:(1) 法兰式液位变送器需要保温，施工及维护工作量较大;(2) 吹气式用的吹气管要特殊订货，且还要定期更换，维护工作量较大；吹气式要消耗仪表气，有能耗；它还需要敷设气源管，安装及维护工作量较大。这一系列问题的解决有待于新的测量方法的出现。从上世纪八十年代开始，一些发达国家就借助微电子、计算机、光纤、超声波、传感器等高科技的研究成果，将各种新技术、新方法应用到储罐测量领域。电子式测量方法便是其中的重要成果之一。在电子式液位测量方法中，有许多新的测量原理，包括压电式、应变式、雷达式、超声波式、浮球式、电容式、磁致伸缩式

17、、伺服式、混合式等二十多种测量技术。由于该方法测量精度高，可靠性强，持续时间长，安装维护简单，因而正在逐步取代旧的机械式液位测量方法。据202年美国市场调查结果表明，电子式测量仪的使用率占市场的76%左右，机械式仅占15%。用于储罐液位测量的众多电子式技术中，压电式、超声波式、应变式、浮球式、电容式五种测量技术应用最为广泛，约占总数的60%以上。其中，超声波式测量技术的应用份额预计在2007年占到最大。超声波液位测量有很多优点:它不仅能够定点和连续检测液位，而且能够方便地提供遥控或遥控所需的信号。与放射性技术相比，超声技术不需要防护。与目前的激光测量液位技术相比，超声方法比较简单而且价格较低。

18、一般说来，超声波测位技术不需要有运动的部件，所以在安装和维护上有很大的优越性。特别是超声测位技术可以选用气体、液体或固体来作为传声媒质，因而有较大的适应性。所以在测量要求比较特殊，一般测位技术无法采用时，超声测位技术往往仍能适用。当然各种方法都有其独特的优点，在特定的场合，某种方法很可能比超声方法更为有效或经济。例如，在测量要求比较一般时，机械浮子方法就比超声方法更加经济;在精度要求特别高的某些情况下，光学测距或激光测距可能比超声方法更为精密。1.3 国内外超声波测距方面的研究现状 随着超声波技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，根据超声波原

19、理制成的测量仪器也越来越多。国内外对超声波测距仪研究，主要在大量程测距、高精度测距以及测距仪的智能化和网络化等几个方向。 澳大利亚HAWK公司HPAWK系列产品使超声波测距技术有了重大的突破，她不仅拓宽了擦、超声波测距技术的应用场合（适用极恶劣的工作环境），而且适用智能调节技术，大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标，让用户使用无后顾之忧。智能的全自动调节发波频率，自动的温差补偿功能使其工作更加稳定可靠。HPAWK系列产品还拥有灵活多样的通讯方式。可编程故障保护模式，它还拥有先进的远程GSM、CDMA、互联网调试功能，使得用户随时可以得到技术支持。它以其尖端的技术稳定可靠的工作质量，在化工、电

20、力、冶金、煤矿、轻工、码头、汽车等行业得到广泛的应用。国内在超声波测距仪的研究国内相对落后一些，但也出现了很多功能和性能都很不错的产品，技术上也有很大的发展。不过尖端的产品和技术都不是应用最多的。应用最多的就是适用型的技术和产品，以最简单的方式实现合乎要求的功能。1.4 本文的主要内容本文的主要任务是以单片机为主控制器，开发一个基于超声波测距的液位监控系统，可测量并显示距离，还可以通过单片机控制把液位限定在某一范围内，在单片机控制失效的情况下发出报警信号，提醒工作人员进行手动控制。研究设计内容包括：(1)超声波测距的基本原理与方法(2)超声波监控系统的整体方案设计(3)超声波测距电路的设计(4

21、)控制电路设计(5)系统软件流程设计(6)电源电路的设计(7)PCB布线及硬件抗干扰设计(8)超声波测距的误差分析设计完成之后提供一个可以应用于一般工业的完整的超声波液位监控系统的设计方案，测量范围和测量精度满足一般工业应用需要。通过毕业设计的整个过程，可以综合运用传感器、单片机、电子电路和程序设计等方面的知识，锻炼和提高科研的能力。2 超声波液位测量的理论基础2.1 超声波的定义人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz20kHz，超声波2是频率大于20kHz的机械波。在通常的超声波测距系统中，用电脉冲激励超声探头的压电晶片，使其产生机械振动，

22、这种振动在与其接触的介质中传播，形成超声波。2.2 超声波的物理特性2.2.1 超声波的类型根据波动中质点振动方向与波的传播方向的不同关系，可将波动分为多种波型，在超声波检测中主要应用的波型有纵波、横波、表面波(瑞利波)和兰姆波。本文主要应用的是超声纵波。2.2.2 超声波的传播在超声波1传播过程中，被超声所充满的空间称为超声场。与超声波的波长相比，如果超声场很强，这时超声波就像处在一种无限的媒介中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻媒介的尺寸相近，则超声波受界面限制不能自由地向外扩散。用来描述超声场的特征量主要包括:声速、声压、声强以及媒介的特征阻抗等等:超声场的物理性质主要

23、有:反射与折射、衰减与吸收、叠加与干涉等。由于超声波也是一种声波，超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关。理论上，在13的海水里声音的传播速度为1500m/s。在盐度水平为35%，深度为0m，温度为0的环境下，声波的速度为1449.3m/s。声音在25空气中传播速度的理论值为344m/s,这个速度在0时降为334m/s。声波传输距离首先和大气的吸收性有关，其次温度、湿度、大气压也是其中的因素，而这些因素对大气中声波衰减的效果比较明显。温度是和其他常数一样决定声音速度的第二因素。它和温度的关系可以用以下公式来表示:C=331.45+0.61T(米/秒)。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速

24、是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离，这就是超声波测距系统的机理。2.3 超声波液位测量原理超声波液位测量15其实就是要测量超声波测距仪到页面的距离，如果超声波测距仪安装在底部，测得的距离即为液位高度，如果超声波测距仪安装在液面上方，需要通过换算来算得液位高度（液罐总高度减去测得的距离即为液位高度）。本文选择把测距仪安装在液面上面，测距仪安装相对方便些。2.4 超声波测距原理2.4.1 超声波回波检测法超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限:声波

25、幅值法易受反射波的影响。在超声检测技术，特别是超声测量技术中使用最广泛的是超声波回波检测法，通过测量超声波经反射放大后到达接收端的时间与发射时间之差，实现距离测量，称为TOF(Time of Flight)方法，也叫渡越时间法。渡越时间法实现简单，被广泛的应用于声学测距系统。它的原理是：超声波发射器发出单个或一组超声波脉冲，在发射时刻同时计时器开始计时，超声波在空气中传播，途中遇到被测目标，经过反射到达超声波接收端，此时停止计时器计时，得到的时间t就是超声波在发射器和被测目标之间来回传播的时间。2.4.2 发射脉冲波形超声测距常用的发射脉冲波形如图2-1所示有:单个尖脉冲、衰减振荡脉冲、窄等幅

26、波列脉冲和宽等幅波列脉冲。由于媒介中超声波的衰减系数是频率的函数，同一发射的脉冲波中不同频率成分的波将以不同的群速度传播，这使得脉冲波形将随着传播距离的增大而发生畸变，并且这种畸变程度随距离的增加而变得显著。图2.1 超声波测距常用发射脉冲波形在要求分辨力较高和盲区较短的超声测量技术中，一般使用宽度较窄的脉冲波。但脉冲越窄，则频谱分量越丰富，波形畸变越严重。在要求传播距离较远的超声测量技术中，则倾向采用较宽的等幅脉冲波。由于维持振动的周期数较多宽等幅脉冲波的频谱分量较纯些、能量较大、畸变较小，所以适合于传播较远的距离。2.4.3 超声波渡越时间的计量方法分析根据超声波测距的原理16，发射换能器

27、发出的超声波，在媒介中传播到物体表面，经过反射后再通过媒介返回到接收换能器，通过测量超声波从发射到接收所需的时间(t)，根据媒介中的声速(v)，就能计算出从换能器到物体表面之间的距离(L)。被测距离的表达式： （式2.1）由上式计算出测量误差： （式2.2）式中 ，-测距误差；-声速；t-时间测量误差；-声速误差 。如果要求测量误差小于0.01米，由于超声波在20时的速度为344m/s，忽略声速误差，则: （式2.3）显然直接测量的方法是行不通的，所以采用脉冲计数的方法间接测量被测时间，就可以满足高精度要求。2.5 超声波接收发射装置以超声波为检测手段，包括发射超声波和接收超声波，并将接收的超

28、声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器域称压电式超声波探头)和磁致式超声波传感器。本论文采用的是压电式超声波传感器，主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。一般压电式超声波换能器有两个共振频率:低频共振频率叫串联共振频率()，此时阻耗(R)最小，用于发送超声波

29、;高频的共振频率称为逆共振频率(a)，主要是产生共振，用于接收超声波。而在串联共振频率()处发送灵敏度最高，在逆共振频率(a)处接收灵敏度最高。所以选用一对超声波换能器，使其效率最高。超声波传感器产生振荡的方法很多，主要有以下几种:(1)由外部电路产生振荡，如NE555低频振荡器调制40kH之的高频信号，高频信号通过超声波传感器以声能形式辐射出去。(2) 使用工业用小功率超声波收发控制集成电路LM1812驱动发送超声波传感器振荡。(3) 采用单片机内部的定时器或直接使用程序产生固定的脉冲，通过放大处理后驱动发送超声波传感器产生超声波.3 超声波液位监控系统硬件设计3.1 系统总体方案设计发射驱

30、动超声波接收处理单片机LED显示控制键 盘温度传感器图3.1 液位监测系统框图报警电路控制电路本文设计的超声波液位监控系统工作原理框图如图3-1所示。该系统由AT89C2051 单片机1、超声波发射电路、接收放大电路、环境温度采集电路、报警电路、控制键盘、控制电路及显示电路组成。AT89C2051 单片机是整个系统的核心部件，协调各部件的工作。发射驱动模块振荡源和放大驱动电路，单片机控制发射模块产生40kHz的频率信号来驱动超声波传感器，每次发射包含若干个脉冲（发射持续约0.15ms），当第一个超声波脉冲发射后，计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，这样就能够得到从发射

31、到接收的时间t；温度采集电路也将现场环境温度数据采集送到单片机中，提供计算距离时对超声波传播速度的修正。最终单片机利用公式s = 12vt和v = 331.5 + 0.607T计算出被测距离，然后与系统预设距离比较，如果小于预设最低液位或者大于预设最高液位，单片机进行液体流入流出自动控制；当液位变化过快或者其他单片机无法进行液位控制的情况下，单片机启动报警电路通知工作人员进行人为干预。完成这些步骤进行第二次超声波发射。在这过程中单片机显示电路不断的更新显示的液位值。其中控制键盘可以控制系统的液位变化范围（最高液位h1和最低液位h2）和报警参数h（超出极限低液位或极高液位认为单片机不能完成自动控

32、制）。3.2 超声波测距系统的硬件设计3.2.1 超声波频率的选择超声波发散角随频率14的增加而增加，这样使用双探头时将会有更多的绕射波被接受，所以超声波频率不易太高；超声波测距的有效距离与超声波的频率成反比，频率越低有效距离越大，40Hz的超声波一般有效测距范围为610米，超声波测距精度和超声波频率成正比，因此频率过低会影响测距精度，根据一般工业需要，结合其它因素，本系统采用40 KHz左右的频率。3.2.2 单双探头的选择如果使用单超声波探头，将会影响最小测量距离，而且可能会在转换时有噪声产生。因此本系统采用收发分离双超声波探头。3.2.3 超声波发射电路（1）超声波发射电路功能发射电路目

33、的:为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号依据电路需要，发射电路满足下列要求: 振荡电路振荡频率可调 驱动能力较高 I/O口控制口（2）超声波振荡电路当加载在超声波传感器15的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时，发生共振，电信号电能能高效率的转化为机械声波机械能。一般厂家生产的超声波传感器标识的固有频率是40KHz，实际有偏差，如40士0.5KHz。故设计可调频率振荡电路，以便将信号频率调到超声波传感器的固有频率上。震荡电路有多种设计方案，方案选择如下:方案一：利用非门或与非门和电阻一起构成振荡电路，如图3.2所示，图3.2 非门和电阻、电容组成的振荡电路这个电路组成的是最简单的振荡器，这

34、种振荡器特点是:T(1.42.3)RC，且电源波动将使频率不稳定，适合小于100KHz的低频振荡情况。此振荡是上电振荡，不方便控制。方案二：采用两三极管和电阻电容构成的振荡器如图3-3所示，方案三：LC三点振荡电路如图3.4所示，方案四：555芯片组成振荡电路，如图3.5所示。555芯片振荡电路，外围元件少，电路简单，振荡频率可调，可产生方波和三角波，可调整波形占空比，在很多电路中都用到，如图3.5所示。上面几个振荡电路都是很实用的电路，外围元件少，电路简单，芯片驱动能力大，振荡输出的信号为方波信号。考虑系统需要和方便，本文中的振荡电路选方案四，用555芯片和外围元件构成振荡电路，此电路稳定且

35、易控制。图 3.3 三极管和电阻电容构成的振荡器图3.4 LC三点振荡电路图 3.5 555芯片组成振荡电路本文中采用的555芯片振荡电路, 频率的计算如下：RA =1.5K、 RB=15K、 C=1000pFTL = 0.69x RBx C= 0.69x15x103x1000x 10-12= 10secTH=0.69 x(RA + RB)x C= 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12= 11secf = 1/(TL + TH)= 1/(10.35 + 11.39) x 10-6)= 46.0 KHz （3）超声波驱动电路原理图驱动电路3目的:为超声波发射器提供足够

36、功率的脉冲信号。驱动电路要求产生出具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去激励发射器，由发射器将电能转换为超声机械波机械能。驱动电路有几种方案，如下：采用专用芯片驱动。由分立元件组成的驱动电路，其价格便宜，元件普通，调试方便。采用变压器提升电压，增加驱动能力。采用非门并接利用芯片的驱动能力。声波在空气中传播受空气介质影响，距离越大衰减越大。为能接收远距离得回波，采取有效措施有:增加驱动功率，减小声波频率。本文采用变压器升压增加驱动能力。整个发射电路由555振荡电路、晶体管放大电路、变压器以及压电超声波传感器组成17。40kHz振荡信号由555集成块和周围电路产生,然后送至放大电路驱动

37、压电传感器发出一系列的脉冲群,每一个脉冲群持续时间大约为0.15ms 左右。信号经过三级管放大,再经过阻抗匹配电路即变压器(变压器输入输出比110 ) 后,驱动超声波发射头,发射换能器两端就加上了高电压,内部的压电晶片开始震动,经过压电换能器将发出40kHZ的脉冲超声波。具体电路如图3.6所示。图 3.6 超声波发射电路3.2.4 超声波的接收和处理单元 (1)超声波接收电路功能根据电路需求，需要接收放大电路满足以下要求:微弱信号放大，放大倍数要求从mV到V。波形整形。如图3.7所示，超声波接收器13将接收到回波信号转换成电压信号(正弦波)，信号经过两级放大以后，被送入电压比较器进行比较，电压

38、比较器输出的方波信号直接输入INT0中断口，该低电平作为AT89c51外部中断0的中断信号使AT89C51产生中断，在中断服务程序中停止计数器T0的计时，并计算出有关数据。由此可见，接收电路完成了超声波回波信号的换向识别、转换、信号的放大和整形以及产生中断信号等功能。如图3.7进行波形处理。图3.7 接收电路信号变化关系图（2）超声波接收电路微弱信号需要放大整形，因此接收部分电路主要由放大电路、电压比较电路构成。根据所用的T/R40-16型超声波传感器的资料以及在实验中所观察到的现象，超声波发射器在发射超声波时，有一部分声波从发射器直接传到接收器，这部分信号直接加到回波信号中，干扰回波信号的检

39、测。此问题在软件中处理。超声波接收电路将接收换能器输出的微弱信号，进行滤波、放大、检波、整形，来得到大幅值电信号，供单片机INT0端口辨识。接收电路可采用新产品专用集成电路，也可用传统的滤波、放大、检波、整形的电路。过去均采用分立元件构成，现在可以用专用超声波接收集成电路来代替。还可以使用价格便宜的极普通的Mpc08C作为超声波的放大电路，采用独特的连接方式，可获得非常好的应用效果。通过比较几个电路，用集成芯片固然能简单快捷，外围元件少，但是通过多级运放作为放大电路能改变放大倍数，能适应小信号的采集。综合因素考虑，本论文中采用图3.8所示的电路，即10采用运算放大器TL084CN构成放大电路:

40、当频率为40KHz时，理论上极限放大约1000倍，但实际工作中不可能让放大器工作于极限状态，放大倍数过高，易产生自激振荡。因此采用两极放大，每级放大倍数45.5倍。 放大电路两级放大，放大倍数分别为45.545.5。 在此电路中R108并接接收器两端，其目的取微弱信号为电压信号，供放大电路放大，放大电路的输入阻值为18M，远远大于100K，灵敏度高，放大电压幅值为2.5士1V,士1V随距离远近而变化。 C108连接前后两极放大，阻两极间直流，通两极间交流。 运放芯片采用TL084，供电电压为9V，单电压供电。 在接收器的输入端接入2.5V是为了将微弱信号加载在2.5V使信号更有利于放大，除去不

41、必要的干扰以及比较电路的设计。图3.8 由TL084集成运放两级放大接收电路比较电路目的是将mV级的微弱信号放大后的V级信号整形成能为INT0辨识的脉冲信号，本文是下降沿引起中断。根据硬件电路的设计思想，要将回波信号转换成CPU识别的高低中断信号，所以在对回波信号(正弦波)经过两次放大以后，需要将正弦波整形成方波，于是后面接了一个电压比较电路。考虑输入频率为40KHz，采用了集成电压比较器LM393。LM393具有低偏置电流和失调电流(典型值分别为100nA和6nA)，其响应速度为200ns。可用单电源供电(如+5V)，也可用双电源供电(如12V)。在本系统中采用了+5V单电源供电。通过实验观

42、察，LM393输出信号符合设计要求，单片机INT0端口识别引脚1处标准下降沿，具体电路如图3.9所示。图3.9 LM393构成比较电路如图3.9所示，放大后的信号由LM393第2脚进入，在第3脚是+2.5V有一个电容电阻接入的比较基准电压，由于R2电阻可调，4即根据输入的信号可以调节基准电压。可以有效地防止千扰。LM393是+9V(可调)供电，需要在输出端口接上一个上拉电阻R3，该电阻由+5V供电，将+9V高电平拉低到+5V高电平，供单片机INTO端口识别。 完整的超声波接收和处理电路，如图3.10所示。3.2.5 温度补偿单元（1）补偿目的声波在介质中的速度受介质、介质温度影响。在本课题中，

43、介质是空气，空气颗粒较小，对超声波衰减影响较小，忽视其带来的影响，但空气温度变化影响较大，不容忽视。图3.10 超声波的接收和处理电路（2）DS18B20简介DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比, 他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数表方式。可以分别在93175ms和750ms内完成9位和12位的数字量, 并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口) 读写, 温度变换功率来源于数据总线, 总线本身也可以向所挂接的DS18 B20供电,

44、而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单, 可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820 有了很大的改进, 给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果11。DS18B20的内部结构：DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装, 其内部结构框图如图3.11所示。 64b闪速ROM 的结构如下:8b检验CRC48b序列号8b工厂代码（10H）MSB LSBMSB LSBMSB LSB图3.11DS18B20 内部结构图开始8位是产品类型的编号, 接着是每个器件的惟一的序号, 共有48 位, 最后8位是前56位的CRC校验码, 这也是多个DS1

45、8B20可以采用一线进行通信的原因。 非易市失性温度报警触发器TH 和TL，可通过软件写入用户报警上下限。 高速暂存存储器DS18B20 温度传感器的内部存储器12包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM。后者用于存储TH , TL值。数据先写入RAM ,经校验后再传给E2RAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节, 他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率,DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下:TMR1R011111低5位一直都是1, TM是测试模式位, 用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20

46、出厂时该位被设置为0, 用户不要去改动, R1和R0决定温度转换的精度位数, 即是来设置分辨率, 如表3.1所示(DS18B20出厂时被设置为12 位)。表3.1 R1和R0模式表R1R0分辨率分辨率温度最大转换时间/ms009位93.750110位187.51011位275.001112位750.00由表3.1可见, 设定的分辨率越高, 所需要的温度数据转换时间就越长。因此, 在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存存储器除了配置寄存器外, 还有其他8个字节组成, 其分配如下所示。其中温度信息(第1,2字节)、TH 和TL 值第3, 4字节、第68 字节未用,表现为全逻辑1; 第9

47、字节读出的是前面所有8 个字节的CRC 码, 可用来保证通信正确。表3.2温度低位温度高位T HTL配置保留保留保留8 位CRCLSBMSB当DS18B20接收到温度转换命令后, 开始启动转换。转换完成后的温度值就以16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1, 2 字节。单片机可通过单线接口读到该数据, 读取时低位在前, 高位在后, 数据格式以010625。LSB形式表示。温度值格式如下:232221202-12-22-32-4MSBLSB SSSSS262524MSBLSB对应的温度计算: 当符号位S=0时, 直接将二进制位转换为十进制；当S= 1时, 先将补码变换为原码,

48、再计算十进制值。表3.2是对应的一部分温度值。DS18B20 完成温度转换后, 就把测得的温度值与TH , TL作比较, 若T TH 或T TL , 则将该器件内的告警标志置位, 并对主机发出的告警搜索命表3.2部分温度值温度/二进制表示十六进制表示+ 12500000111 01000007D0H+ 25.062500000001 100100010191H+ 0.500000000 000010000008H000000000 000000000000H- 0.511111111 11111000FFF8H- 25.062 511111110 01101111FE6FH-551111110

49、0 10010000FC90H令作出响应。因此, 可用多只DS18B20 同时测量温度并进行告警搜索。DS18B20与单片机的接口电路见图3.13图 3.13 DS18B20与单片机的接口3.2.6 显示电路设计显示模块使用静态显示，这样可以提高单片机工作效率，同时提高显示亮度，在室外使用时方便使用者读取数据。所谓静态显示，就是8当显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止。例如7段显示器的a、b、c、d、e、f段导通，g、dp段截止，则显示0。这种显示方法的都需要有一个8位输出口控制。对于51单片机，可以在并行口上扩展多片锁存器74LS573作为静态显示器接口,但这样做相对麻烦一些，

50、本系统直接用四个I/O口连接LED的片选端口。静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，单片机才执行一次显示子程序，这样大大节省了单片机CPU的时间，提高了单片机的工作效率；缺点是位数多时，硬件开销太大。因此静态显示适合显示亮度要求高、位数不多的情况下使用13。 本设计中的显示电路如图3.10。其中七位段码由单片机P0口经过锁存器提供。片选信号由单片机的P1.4P1.7四个I/O口提供。图3.10 显示电路3.2.7 键盘电路设计 键盘采用44矩阵式键盘，接单片机P2口，由程序扫P2口判断按下的是那个位置的键，然

51、后查询键值表，执行相应的功能。图 3.12 键盘控制电路3.2.8 电磁阀控制电路设计液体由管道经过电磁阀注入，系统通过控制电磁阀4来控制液体的注入。控制信号来自单片机的P1.6引脚，经过三极管放大来驱动继电器，电磁阀由继电器直接控制。具体电路如图3.11所示。图3.11 电磁阀控制电路其中R2、R3为限流电阻，防止三极管烧坏；LED为继电器工作指示灯；二极管D1起到保护继电器线圈的作用；R4、C4和R5共同起到消除继电器断开时产生的电弧。3.2.9 报警电路设计报警电路由一个蜂鸣器组成，由单片机的P2.4脚控制，经过三极管放大驱动蜂鸣器。测量的距离超出设定的距离后由程序将单片机的P2.4置1

52、，蜂鸣器开始发声。3.2.10 系统控制单元控制单元由单片机AT89C51和周围器件构成。AT89C51是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器【9】，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89C51有以下特点：2k字节EPROM、128字节RAM、15根I/O线、2 个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有4.25V至5.5V的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。

53、此外，AT89C51还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。AT89C51有2个16位计时/计数器寄存器Timer0 和Timer1。作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样寄存器即可计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1

54、/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。充分利用AT89C51的片内资源，即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的液位监控系统。C1、C2、Y4组成时钟电路，为单片机1工作提供时钟脉冲。R1、C1、S1共同组成复位电路。P3.0与DS18B20相连，通过程序控制，完成与DS18B20的通信和对DS18B20的控制。P1.7接发射电路的控制信号接口，有单片机程序控制P1.7的电平来完成对发射电路的控制。P3.2与接收电路的输出电平接口相连，当接收电路输出低电平的时候，P1.7引发中断。P0口接的是显示电路。P1.6接一个开关，单片机程序通过查询

55、P1.6来控制系统的工作和停止。P0口为显示数据接口，P1.0P1.3为LED片选信号接口，通过程序来选中其中一个LED芯片。P1.5为电磁阀控制接口，通过程序控制P1.5的电平来控制电磁阀的打开和关闭。P1.4为报警电路接口，P1.4高电平启动报警电路，低电平关闭报警电路停止报警。P2口为键盘接口，通过软件扫描P2口，再查询键值表，然后再执行相应的程序来完成键盘相应的功能。图 3.12 系统控制模块3.3 电源电路的设计3.3.1 直流稳压电源的组成 图3.12直流稳压电源组成框图小功率稳压电源是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成的。 其框图如图3.12所示。 (1)电源变压器：将交流电网220V交流电压变成所需的交流电压。变压过程通常由变压器来完成，如收录机、VCD、黑白电视机等设备的电源，大都是用变压器来降低电网电压的。 (2)整流器：将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。整流电路通常有半波整流电路、全波整流、桥式整流电路等，桥式整流较为常用。 (3)滤波器：将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分，常用的滤波电