超声液位计硬件开发

1、超声液位计硬件开发超声液位计硬件开发院 系：电子工程学院专业班级：电气工程及其自动化姓 名：白海龙指导教师：高炜欣2015 年 5 年 25 日摘录超声波由于无辐射、无破坏性、穿透性强，具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测液位方案中，价值成本较低，所以超声波是比较理想的信号源。他广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。同时超声波传感器的体积小，所以需要的硬件电路相比也比较简单。与其他液位计相比，超声波测距是目前应用最普遍的一种，也更符合国内市场。随着科学技术的快速发展,超声波将越来越广泛应用于测距仪。但在目前的

2、技术水平,人们可以利用特定的测距技术仍然是有限的,因此,它是一个新兴的和无限前景的技术及产业。在未来,超声波液位计作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面会有很大的发展空间,它将发展的方向定位精度高,满足日益发展的社会需求。毫无疑问,超声波液位计的未来将与智能自动化、和其他的测距仪集成和融合,形成一个测距仪。随着测距仪的技术,液面计将开发的简单的判断函数具有学习功能,最终是创造性的。在新的世纪里,面对一个新的液位计将发挥更重要的作用。水平测量广泛应用于石油、化工、气象学等领域。超声波液位计是发展迅速,应用程序在许多类型的液面计更多的是一种液位测量仪表。它是使用超声波传输速度相对稳定在同一介质和

3、遇到的障碍,反映的原则发展,非接触式,精度高,成本低,使用方便。近年来，随着高速数字信号处理技术与微处理器技术的进步，超声波液位计得到了长足的发展。 本设计采用AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化和数字显示硬件电路和软件设计的超声波液位测量方法。整个电路采用模块化设计,由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序模块。探测器信号由单片机综合分析处理,实现超声波液位测量的功能的基础上设计,系统的总体方案最终通过硬件和软件实现各种功能模块。相关部分硬件电路图和程序流程图。关键词：AT89c51; 超声波；液位计。AbstractUltrasonic because no

4、radiation, no destructive, strong penetrability, has the strong directivity, energy consumption is slow, propagation distance far away, so, in the use of sensor technology and automatic control technology with the combination of liquid level measurement scheme, the value of the cost is low, so the u

5、ltrasonic signal source is ideal. He is widely used in security, reversing radar, water level and some industrial field measurement, the construction site. At the same time the size of the ultrasonic sensor is small, so you need to compared to the hardware circuit is simple. Compared with other liqu

6、id level meter, ultrasonic ranging is the one of the most widely used, also conforms to the domestic market.With the rapid development of science and technology, ultrasonic will be more and more widely applied in the range finder. But in one's current level of technology, people can make use of

7、a particular ranging technology is still limited, therefore, it is a new and infinite prospect of technology and industry. In the future, ultrasonic level meter as a new kind of very important useful tool in various aspects will have a lot of room to grow, it will be the development direction of hig

8、h precision and satisfy the social needs of the development of increasingly. There is no doubt that the future of the ultrasonic level meter with intelligent automation, and other rangefinder integration and fusion, form a rangefinder. As the range finder technology, liquid level meter will develop

9、simple judgment function with functions of learning, is creative in the end. In the new century, in the face of a new liquid level meter will play a more important role.Level measurement is widely used in petroleum, chemical industry, meteorology and other fields. Ultrasonic liquid level meter is de

10、veloped rapidly and the application in many types of liquid level gauge is more of a liquid level measuring instrument. It is the use of ultrasonic transmission speed is relatively stable in the same medium and obstacles, and reflect the principle of development, non-contact, high accuracy, low cost

11、, easy to use. In recent years, along with the high speed digital signal processing technology and the progress of microprocessor technology, ultrasonic level meter got rapid development. This design USES AT89C51 as the core of low cost, high precision, miniaturization, and digital display hardware

12、circuit and software design of the ultrasonic level measurement method. The whole circuit USES modular design, by the main program, preset subroutine, launch subroutines, receive subroutine and display subroutine modules. Detector signal by SCM comprehensive analysis processing, the realization of t

13、he function of the ultrasonic level measurement on the basis of the design, the overall scheme of the system through hardware and software implementation of various functional modules. The relevant part of the hardware circuit diagram and program flow chart.Key words: AT89c51; Ultrasound; Level gaug

14、e.目 录摘 要.I AbstractII 绪论.1I.1 超声液位计的优点I.2 课题设计的背景及其发展趋势 I.2.1 液位计的背景I.2.2 液位计的发展趋势 I.4 本次课题的主要研究内容及其相关技术指标第一章 超声波液位计的工作原理 1.1 超声波 1.1.1 超声波特征 1.1.2 超声波的衰减1.2 时差法超声液位计的基本测距原理1.3 超声波液位计换能器简介及其激励要求 第二章 课题设计思路 2.1 超声液位计系统结构2.2 系统软件主程序流程图第三章 系统硬件设计 3.1 主要选型器件的介绍及说明3.1.1 主控芯片AT89C51性能简介3.1.2 AT89C51引脚功能说明

15、3.1.3 ADC0808模/数转换器 3.1.3 LM016L液晶显示3.1.4 数字温度传感器DS18B20 3.2 系统电路3.2.1 超声波发射电路3.2.2 超声波接收电路3.2.3 超声波温度检测电路第四章 系统的软件实现4.1 超声波测距仪的算法设计4.2 系统程序设计4.1.1 系统主程序设计4.1.2 系统激励脉冲信号程序和超声波接收中断程序设计 4.1.3 温度补偿程序设计4.1.4 显示程序的设计第五章 系统仿真5.1 仿真软件proteus介绍及其运行流程5.2 单片机最小系统5.3 LM016L液晶显示5.4 ADC0808模/数转换器5.5 控制显示反馈电路5.6

16、系统整体电路结构图第六章 仿真结果与调试6.1 仿真结果6.2 软硬件调试总结致谢参考文献附录一 C语言程序绪 论I.1 超声液位计的优点超声波可在各种不同媒质中传播，且可传播足够的距离，传播时方向性强，能量易于集中。超声波与传播媒质的相互作用适中，易于携带有关超声传播的媒质状态信息或对传播媒质产生效应。作为信息载体及能量形式，超声波由于无辐射、无破坏性、穿透性强，加之成本较低，超声波技术与其他电子技术、光学技术等相结合已广泛用于生物医学领域，并迅速发展。超声波液位测量是一种非接触式的测量方式，它是利用超声波在同种介质中传播速度相对恒定以及碰到障碍物能反射的原理研制而成的。当前的接触型液位计由

17、于是和被测液体直接接触，或多或少存在着精度问题，在安装、维护方面也有一定的难度。在测量各种容器或管道内液体的液位高低和流量大小、水渠、水库、江河和湖海水位的测量中，尤其是在污水、有腐蚀性的场合，由于污水腐蚀性强，若采用接触式压力水位计，探头很快被腐蚀坏，影响正常的测量。而非接触型液位计因其不和被测液体直接接触，且绝大多数不存在可动部件，精度较高，可以通过现场总线将实时数据采集后直接存储到电脑，再配合组态软件的使用，便可以实现现场级工业控制。超声波液位仪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。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

18、。除此之外，与其它方法相比（如电磁的或光学的方法），它不受光线、被测对象颜色的影响，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。所以在测量要求比较特殊，一般液位测量技术无法采用时，超声测位技术往往仍能适用。因此，超声波是比较理想的信号源。研究超声波在高精度测距系统中的应用具有重要的现实意义。I.2 课题设计的背景及其发展趋势I.2.1 超声液位计的背景液位测量仪表中的测量技术发展很快，经历了由机械式向机电一体化再到自动化的发展过程。结合这两大技术，尤其是将微处理器引进液位测量系统以后，使得液位计的精度越来越高，越来越向智能化、一体化、小型化的方向发展。从上世

19、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、新方法应用到储罐液位测量领域。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、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。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D的60%以上。其中，超声波式测量技术的应用份额最大。I.2.2 超声液位计

20、的发展趋势目前，液位测量仪表向具有大量程、高精度、功能全等特点的方向发展，而且随着现场总线的发展，现场总线接口被引入了液位测量仪表，这些也是液位计在今后的发展趋势。例如E+H公司研制生产系列超声液位测量仪最具代表性。其中，Prosonic FMLI130/230量程高达15m，盲区0. 25m;另外其新型气密结构、耐腐蚀的Prosonic FMU860/861/862超声液位计相对精度可达0. 2%,输出信号符合 HART协议或Profibus总线标准或FF总线标准，是一种适用于各种过程控制系统的智能型一体化非接触式连续物位测量仪，代表了液位测量仪表的发展方向。就液位测量仪表的类型米看，磁致伸

21、缩式液位计是比较理想的接触式测量仪表，超声波式液位计是比较理想的非接触式测量仪表。磁致仲缩式液位汁的最大特点足测L精度高，其误差可以维持在0. 2%左右。而且价格便宜，安装成本较低。和其他的接触型液位仪表相比，磁致伸缩式液位计的日常维护工作量较小。由于采用波导管来传播电磁脉冲，因此，测量介质的雾化、蒸汽和介质表面的泡沫等都不会对测量精度造成较大的影响。近年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理器技术的进步，以及新型探头材料与工艺的研究，超声液位测量技术取得了长足的进步，显示出强劲的技术优势，形成了迅猛的发展势头，己成功应用于江河水位、污水处理、化学和制药工业、食品加工、罐装液位等多种领域，并日

22、益显示其在非接触测量中的巨大优势s10。I.3 本次课题的主要研究内容及及其相关技术目标通过查阅相关文献资料以及对液位计的现状及发展趋势的分析，MCS一51系列单片机内部的串行口使得单片机系统与其他系统和设备通信变的简单。因此，本课题准备在利用51单片机对超声波传播原理研究的基础上，结合软件编程和仿真，对超声波接收信号进行有效处理，并进行温度补偿。注重完成超声波液位计的软件电路的设计，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。主要技术指标（1）液位量程: 0.075.5m；（2）测量误差:±0.2%；（不超过1cm）（3）显示分辨率:lcm；（4）环境温度

23、:-1060；（5）显示方式:LM016L液晶第一章 超声波液位计的工作原理 1.1 超声波及其特征超声波是指频率超过2万Hz即超过人耳听阈高限的声波，属于机械波。自然界的机械波以频率可分为三大类：次声波、声波和超声波。频率低于20 Hz的波动称为次声；频率在20 Hz到20 kHz之间的波动称为声波，频率在20kHz以上的波动称为超声。人耳可听到声，但听不见次声与超声。一般诊断用超声波频率为l M-10 MHz，而最常用的是2.5 M-5MH。1.1.1 超声波特征超声波用于液位检测时，主要利用了它的以下性质：和其他声波一样，超声波可以在气体、液体及固体中传播，并有各自的传播速度。例如，在常

24、温下空气中的声速约为334m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000m/s。声速不仅与介质有关，还与介质所处的状态(如温度)有关。超声波在空气中传播是由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，所以空气分子受到振子振动面交替的压缩与扩张时，气体分子具有恢复力，即气体反抗压缩变化力的作用而实现弹性波德传播。因此，声波在大气中的传播速度受气体密度、湿度、分子成分等因素的影响。v= *R*TM (2-1)其中， 是气体定压热容和定容热容的比值，对空气是1.40; R是气体普适常量，M是气体分子量;这三者对于空气来说都是定值，因此，理想气体的声速与绝对温度T的平方根成正比，对于空气来说，

25、影响声速的主要因素是温度并可用下式计算声速v的近似值。V=20.067T 1 (2-2)由式2-2可知，超声波声速随温度的升高而增大，一般温度侮升高10C，声速变化约为0.6m/s。而在许多固体和液体中的声速一般随温度的增高而降低。(2)声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小。因此，对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。另外，声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此，超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。 (3)声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声束

26、也越尖锐，超声波可近似为直线传播，具有很好的方向性。(4)当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质密度不同及声波在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射，其反射系数R为：R=IR/IO =(Z2cos-Z1cos)2/(Z2cos+Z1cos)2 式中，IR 、 IO 分别是反射和入射声波的声强;反射角、分别是两种介质的声阻抗，其值Z1=1V1, Z2=2V2声波垂直入射时 =0，=0;则反射系数R为： R= (Z2-Z1)2/(Z2+Z1)2 (2-4)由上式可以看出， Z2、Z1相差越小，R值也越小，说明反射越弱，当Z2-Z1时R=0，说明这时没有反射，声波全部透射。当

27、反射介质声阻抗远远大于入射声阻抗时，即所谓的硬边界。这时，入射波的介质速度在碰到分界面时好像弹性碰撞一样，变成一个反向速度，反射波质点速度与入射波质点速度相位改变1800，反射声压与入射声压同相位。比如，当声波从水传播到空气，在常温下它们的声阻抗约为Z1=1.44 X 106 Z2=4 X 102，代入公式(2-3)可得，R=0.999这说明声波从液体传播到气体或相反的情况下，由于两种介质的声阻抗相差悬殊声波几乎全部被反射。1.1.2 超声波的衰减声波在介质中传播时，会发生衰减。发生衰减的原因有:传播介质的吸收、散射和声波扩散。其中，传播介质对声波的吸收是衰减的主要原因。声波的吸收是由介质的热

28、传导、粘滞性及微观吸收引起的，声吸收将声能转换成热能，导致声波衰减。声波散射引起的衰减是由于大量尺寸远小于波长的散射粒子引起的。由于散射引起的衰减非常复杂，所以可将散射粒子简化为半径a的小球，而且a<<s，假设单位体积内有n。个散射粒子，那么散射衰减系数为s=89 (ka)4a2n0=89(a2)(2a )4n0 即s 与频率的四次方成正比。该公式没有考虑粒子与周围介质间的粘滞力引起的衰减。 不考虑声波扩散的衰减系数a为吸收衰减系数s和散射衰减系数s之和。在平面波情况下，声压随传播距离x的变化关系是:p=p0e-ax式中P0为距声源为零时的声压，P为距声压x时的声压，X为离声源距离

29、，a是衰减系数(a=aa+as)。平面波时声束扩散较少，可将扩散引起的声压看成指数衰减。如图2-5所示。 图2-5声束扩散如声源半径为a，在离声源近场区终端为x处，声波主瓣的半径由a扩大到a+xtan，设声压的变化仅由声束扩散引起，则声压PX:将是PX=P0aa+xtan当角很小时tansin=0.61, /a<<1PX=P011+0.61Xa×aP0(1-0.61Xa×a) P0e-0.61X/(a×a)成立条件8角很小，且 Xa×a <<1 引进符号 aD=0.61a×a，aD称为扩散衰减系数。此时，a=aa+as+

30、aD,超声波频率越高，其方向性就越强，由于扩散引起的超声波衰减就越小。因此，超声波的频率不能太小。然而，超声波频率越高，由于介质吸收造成衰减就越大。因此，超声波的频率也不能太大。 1.2 超声液位计的基本测距原理：本设计采用超声脉冲回波法测液位。超声脉冲回波法的基本原理是由超声波传感器的发射探头发射超声波，当超声波遇到障碍物时会被反射，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，利用单片机记录超声波发射的时间和接收到回波的时间。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v·t /2 式中 S 为被测

31、距离，C 为超声波的传播速度，t 为回波时间，t=Tl+T2。超声波测距原理图这就是所谓的时间差测距法。由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 , 声速增加约0. 6 米/ 秒。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（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为：V = 331.45 + 0.607T 表1-

32、1 超声波波速与温度的关系表温度（）-30-20-100102030100声速（ms）313319325323338344349386H 为超声波探头到容器底的距离，需要提前测定，h 为所要测的液位高度。超声波液位检测原理图1.3 液位计换能器简介及其激励要求 应用超声波进行测量，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波，这就要用到超声波换能器33。超声波换能器是整个电路中最关键的器件，又称为超声波探头。它的作用是完成电能与声能的相互转换。发射换能器将其他形式的能量转换成超声能量，接收换能器将超声能量转换成其他易于检测的能量。本课设的超声波发射和接收采用实验所用的超声波探头为T/R40-16型，

33、该超声波探头参数如下表所示：传感电路声压电平接收灵敏度工作频率发送宽带接收宽带电容115 dB-64 dB40±1KHz5/103 dB KHz6/-71 dB KHz2500±25Pf超声波探头使用最多的是由压电晶片(或压电陶瓷)制成的换能器。超声波的接收和反射是基于压电晶片的压电效应和逆压电效应。其工作原理是:当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即前发射声脉冲，此即逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，此为正压电效应。前者是超声波的发射，后者为超声波的接收。其性能指标:中心频率40±1 KHZ，发射声压大于115dB，接

34、收灵敏度大于-64Db/v/ubar，-6dB指向为50deg，电容2400-25 %PF，允许输入电压20v。其发射换能器频率特性曲线图如下图所示。超声发射换能器频率特性由图可知，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fo处所产生的超声声压能级最高。而在fo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fo的交流电压来驱动。同样，接收换能器在中心频率fo处输出电信号的幅度最大，即在fo处接收灵敏度最高。单片机用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。超声波发射换能器T构成,单片机P1.0端口输

35、出的40kHz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.用这种推挽形式将方波信号加到换能器的两端,可以提高超声波的发射强度.输出端采用两个反向器并联,以提高驱动能力.可选用反向器74LS04来实现。可在设计中加上拉电阻R1、R2一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,缩短其自由振荡的时间.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

36、，以获得合适的接收度和抗干扰能力。第二章 课题设计思路2.1 超声液位计系统结构 超声波液位测量系统基于“回波测距”的原理。由超声波的发射探头发射超声波，声波遇到障碍物后反射，由超声波接收探头接收。测出从超声波发射脉冲串至接收到回波信号的传输时间，及超声波在介质中的实际传输速度，就可算出液位高度。 由上述章节可知，超声波在介质中的传播速度不是固定值，随温度的变化而变化，因此很多超声波液位计测量系统通过温度补偿，实现高精度的测量。探头是以80C51为核心， 能完成超声波的发射、接收、超声波传输时间计算等任务。根据液位测量原理，超声液位测量系统以C51型单片机为控制核心，其外围硬件电路包括超声波发

37、射电路、超声波接收电路、液晶显示电路以及温度测量补偿电路等。液位测量系统原理框图如下图所示。超声波传感器液晶显示按键信号转换调节单片机温度测量补偿2.2 系统软件主程序流程图： 超声波液位计的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、温度检测补偿子程序、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本次编译使用的是Keil uVision软件，Keil uVision软件是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功

38、能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。根据上述液位计的基本功能和工作过程，系统的软件流程图如下图所示。软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图3-1（a）（b） (c) 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。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。（a）主程序流程图 (b)定时中断服务子程序 (c)外部服务中断子程序第三章 系统硬件设计3.1 主要选型器件的介绍及说明3.1.1 主控芯片AT89C51引脚功能 AT89S51单片机最小系统由AT89C51单片机及其外围电路组成

39、，是整个超声波液位计的核心电路。 AT89S51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。AT89S51系列单片机属标准型，其特点是:(1) 与MCS-51单片机产品兼容;(2) 8K字节在系统可编程Flash存储器;(3) 1000次擦写周期;(4) 全静态操作:OHz一33Hz;(5) 三级加密程序存储器;(6) 32个可编程I/0口线;(7) 三个16位定时器/计数器;(8) 八个中断源;(9) 全双工DART串行通道;(10) 低功耗空闲

40、和掉电模式;(11) 掉电后中断可唤醒;(12) 看门狗定时器;(13) 双数据指针;(14) 掉电标识符。AT89S51系列单片机为许多控制提供高度灵活和低成本的解决办法。充分利的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统，所以单片机选用AT89S51单片机，空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位。3.1.2 ADC0808模/数转换器 因为超声波传感器接收到的信号是超声波信号（正弦信号），而单片机处理的是脉冲信号，所以信号需要一个AD转换的

41、过程，于是选择模/数转换器ADC0808ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。各引脚功能如下：15和2628（IN0IN7）：8路模拟量输入端。8、14、15和1721：8位数字量输出端。 22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 6（STAR

42、T）： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 7（EOC）： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 12（VREF（+）和16（VREF（-）：参考电压输入端 11（Vcc）：主电源输入端。 13（GND）：地。 2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用

43、于选通8路模拟输入中的一路。 ADC0808引脚图 LM016L引脚图3.1.3 LM016L液晶显示液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、质量轻、功耗小的特点。点阵字符型液晶显示器把 LCD控制器、点阵驱动器、字符存储器集成在一块印刷电路板上，构成便于应用的液晶模块。这类液晶模块不仅可以显示数字、字符，还可以显示各种图形符号以及少量自定义符号，并且可以实现屏幕的上下左右滚动、文字的闪烁等功能；人机界面友好，使用操作也更加灵活、方便，使其日益成为各种仪器仪表等设备的首选。LM016L液晶模块采用 HD44780控制器。 HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动、闪烁等功能。

44、LM016L与单片机 MCU通讯可采用 8位或者 4位并行传输两种方式。 HD44780控制器由两个 8位寄存器、指令寄存器（ IR）和数据寄存器（DR）、忙标志（BF）、显示数据 RAM（DDRAM）、字符发生器ROM（CGROM）、字符发生器 RAM（CGRAM）、地址计数器（ AC）。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出；DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入 DDRAM和CGRAM，或者暂存从DDRAM和 CGRAM读出的数据。BF为 1时，液晶模块处于内部处理模式，不响应外部操作指令和接受数据。 DDRAM用来存储显示的字符，能存储 80个字符码。 CGROM由 8位字符码生成 5

45、*7点阵字符 160种和 5*10点阵字符 32种，8位字符编码和字符的对应关系.CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅 64字节。可以自定义 8个 5*7点阵字符或者 4个 5*10点阵字符。 AC可以存储 DDRAM和 CGRAM 的地址，如果地址码随指令写入 IR，则 IR自动把地址码装入 AC，同时选择DDRAM或CGRAM单元。LM016L引脚图如下图所示。3.1.4 数字温度传感器DS18B20DS18B20是一种改进型智能温度传感器，测温范围为55+125，最大分辨率可达0.0625。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，具有低成本

46、和易使用的特点。DS18B20的主要特性a. 适应电压范围更宽，电压范围:3.05.5V，在寄生电源方式下可由数 据线供电b. 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c. DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温d. DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内e. 温范围-55+125，在-10+85时精度为±0.5f. 可编程 的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.062

47、5，可实现高精度测温g. 在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快h. 测量结果直接输出数字温度信号，以"一 线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力i. 负压特性:电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。DS18B20的外形和内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成:64位光刻ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下图所示。DS18B20引脚定义:(1)DQ为数字信号输入/输出端;

48、(2)GND为电源地;(3)VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。DS18B20内部结构图 DS18B20的外形及管脚 DS18B20内部结构图 DS18B20工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装

49、入，计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。3.2 系统电路3.2.1 超声波发射电路发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。驱动超声发射探头工作的方式很多，只要在探头上施加一串其频率与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲即可。发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。而要获得足够大的能量，则可用三极管、场效应管

50、、变压器等实现。本设计中采用的是由单片机发出40kHz的方波，并由三极管和变压器对其升压放大，驱动超声波发射探头发射出能量足够大的超声波。实验所用的超声波探头为，T/R40-16型，它在频率40kHz，幅值20V的电压驱动下，才能发挥最佳性能。由于单片机P2.3管脚输出的方波电压只有SV其驱动能力无法达到驱动超声波换能器的要求，系统选用三极管9013对单片机发出的方波信号进行放大，并用变压器升压，使得加在超声波发射探头上的电压达到驱动其工作的能力，并且发射出的超声波能量足够大，可传播较远的距离，达到测量的目的发射电路如图3-3所示。发射电路 由单片机AT89S52的p2.3管脚发出频率40kH

51、z的方波，经由2.2千欧的电阻与三极管9013基极相连，组成共射基放大电路将信号放大，再利用变压器为其升压。驱动超声波发射探头T40发出能量足够大的超声波，并传播较远的距离，实现测量的目的。3.2.2 超声波接收电路 超声波接收探头在接收到回波信号后，压电晶片将信号转换成了电压信号(正弦波)。因此需要将正弦波转换为方波信号，所以这里使用了电压比较器LM311输出方波信号控制D触发器的时钟端，D触发器将中断信号送至单片机在中断服务程序停止定时器T，从而获得超声波传播时间，进而计算出液位高度。超声波信号在传播过程中，由于介质吸收、声束扩散等原因会发生衰减，因此接收到的回波信号很弱，需要先经运算放大

52、器LM833N组成的比例放大电路实现信号两级放大。所以接收电路实现超声回波信号的滤波放大、整形及产生中断信号的功能，以满足长距离测量的要求。放大电路图与超声波接收电路原理框图如图所示。在放大电路与电压比较器之间连接一个变阻器，这是由于随着超声波传播距离的增加，回波信号由于衰减变弱，近距离回波信号与远距离回波信号电压相差很大，可通过调节变阻器来调节输入信号电压值。回波信号经放大电路放大后，由电压比较器LM311将正弦波转换为方波，其输出信号作为D触发器的时钟信号。D触发器的D端接单片机的P1.2管脚。平时该管脚置成高电平，当单片机发送完方波信号后，在允许外部中断0中断的同时，将P1.2置成低电平

53、;当接收到回波信号，并将其转换成D触发器的时钟信号后，D管脚的低电平将通过触发器的Q端送出，作为单片机的外部中断信号，实现对回波信号计时的目的。集成电压比较器LM311的工作原理图如图所示。接收电路原理图接收电路放大部分电路图 LM311工作原理图3.2.3 超声波温度检测电路由于超声波的声速受温度影响，为了提高测量精度，超声波在空气中的传播速度需要修正，本文采用温度传感器为DS 18B20 o DS 18B20是美国D alls公司生产的单总线式数字温度传感器，供电电压范围为3.OS.SV，测温范围为一55+1250C，能够直接将被测温度转换成9一12位的数字值，9位分辨率时的最大转换时间为

54、93.75ms，可分辨的最小温度为0.50C 12位分辨率时的最大转换时间为750ms，可分辨的最小温度为0.06250Co DS18B20的主要特点是仅需一条输入输出线就能与TMS320C5402进行双向通讯，测量范围宽，精度高，价格低廉。DS18B20温度传感器只有三个引脚，分别为CND, DQ和VDD o GND为接地引脚，DQ为数据线引脚，与TMS320C5402的DB 10相连，同时接上拉电阻，VDD接SV电源，图3.18为连接示意图。温度检测电路第四章 系统软件设计4.1 超声波测距仪的算法设计  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

55、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离。距离的计算公式为：  d=s/2=(c×t)/2 （1）  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。其部分源程序如下： RECEIVE： PUSH PSW ；中断现场保护 PUSH A CLR EXO ；关闭外部中断INTO MOV R0，TL0 ；读取时间 MOV R1，TH0 LCALL MULD ；调用乘法子程序计算机距离 LCALL ADJ ；调用十进制调整子程序 LCALL DISP SETB EX0 ；打开外部中断INT0 POP A POP PSW RETI4.2 系统程序设计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