电气工程封闭罐体液位测量装置的研究与设计

东北石油大学本科生毕业设计（论文）摘要本文对当前国内外罐体的液位测量作了一定的研究，由于在众多液位测量的仪器中，基于超声波的液位测量应用前景较好，它属于非接触型液位测量，具有价格较为适中、安装使用方便、精度较高等优点，设计了一种能快速测量、稳定性好、测量精度高的新型罐体液位检测控制系统，它是采用回波测距原理制成的。文章主要阐述了对硬件实现电路、软件程序方面的设计。本文所设计的罐体液位检测控制系统是以回波测距原理作为依据，对该系统的硬件电路进行了设计和编程，选用HR-SC04超声波测距模块来对罐体内的液位高度进行测量，AT89S52单片机作为主控制芯片，L298N模块作为驱动电机的转动模块。选用+5V直流电对整个系统进行供电。通过单片机来控制超声波测距模块对液位进行实时检测，根据液位高度值来控制电机的正反转来实现注水和排水，达到控制液位目的，并且通过12864液晶显示液位的高度值。通过进行测试实验，实验结果证明该系统可实时检测和控制液位高度并液晶显示，稳定可靠，重复测量精度高，该液位检测控制系统具有很好的理论和实用价值。关键词：超声波；液位测量；AT89S52；液位控制系统AbstractCertainresearchaboutcurrentdomesticandinternationalliquidlevelmeasurementhasbeenmadeinthisarticle.Amongthesemeasuringapparatus,theonewithultrasonicismuchbetter.Itisanon-contactinstrumentusingthetheoryofechoranging.Therearemanyadvantages,suchastheproperprice,theconveniencetoinstallandoperate,higheraccuracyetc.Thenewliquidlevelmeasurementandcontrolsystemwasdesignedwithrapidmeasurement,goodstabilityandhighaccuracy.Thepapermainlyexpoundsthedesignofhardwarecircuit,softwareprogramsandmeasurementaccuracy.Theliquidlevelmeasurementandcontrolsystemisbasedonthetheoryofechorangingtodesignandprogramthehardwarecircuit.HR-SC04ultrasonicrangingmoduleischosentomeasuretheheightofliquidlevelandAT89S52SCMasthemaincontrolchip,L298Nmoduleasthedrivemotorrotationmodule.Choose5VDCpowersupplyoftheentiresystem.Inordertocontrolliquidlevel,Microcontrollerhastocontroltheultrasonicrangingmoduleforreal-timedetectionandcontrolthemotorinjectionanddrainingdependingonthelevelofheightvaluestheheightofliquidlevelcouldbeseenthrough12864LCD.Bymeansoftestingexperiment,theresultsshowthatthesystemcandoreal-timedetection,controltheheightofliquidanddisplaythedata.Itisstableandreliableandhasahigherprecisemeasurement.Itisbelievedthattheliquidlevelmeasurementandcontrolsystemhasaverygoodtheoreticalandpracticalvalue.Keywords:Ultrasonic;LevelMeasurement;AT89S52;LevelControlSystem第1章绪论1.1本课题研究的意义1.1.1液位测量的意义工业生产中，常常需要测量容器内的液体液位。在一般的生产过程中，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[1]。目前无论是开渠水位的测量、大型油罐液位的测量，还是小型容器液位的测量，或者其他液位系统的测量，都对测量精度提出了越来越高的要求。例如，石化部门使用的大型储油罐容量一般在之间，很小的测量误差都将造成很大的绝对误差，因此提高液位测量的精度，不仅对储油罐的测量有很重要的意义，在其他液位测量系统中，也处于越来越重要的地位[2]。近年来，随着电子技术和信号处理技术的迅速发展，液位测量仪表中的测量技术经历了由机械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，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。在实际应用中，可根据需要选择合适的液位计，满足测量精度、测量环境等多方面的要求。1.1.2液位测量的分类经过不断的努力和探索，科技工作者己开发出了种类繁多、各具特色的液位仪表。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。液位计的量程从几米到几十米，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，液位计类型的选用也不同。在进行液位测量前，必须充分了解液位测量的工艺特点，以此作为液位计设计过程中的参考因素。早期的液位测量仪表大多采用机械原理，通过测量某些物理参数，达到液位测量的目的[6]。随着工业自动化的发展，发展了许多新的测量原理，一批具有智能控制功能、可实现非接触测量、精度高、稳定性好的液位计相继问世，并应用到越来越多的工业测量领域，如基于超声波、雷达、光纤等技术的液位测量仪。根据工作原理的不同液位计可分为如下几种[3-5]：（1）直读液位计直读式液位测量方法直接用与被测容器连通的玻璃管或玻璃板来显示容器中的液位高度，它是最原始但仍应用较多的一种液位测量仪表；另外，利用浸入式刻度钢皮尺直接测量液位高度的人工检尺法也是应用较广泛的液位计量方法，尤其是在大型油罐储油量的测量中，也可把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。其精度一般为2mm的人为误差。此种方法有测量简单、直观、成本低的优点，但测量量程有限，且不适于恶劣环境中的测量。（2）浮子液位计利用浮子的比重比所测液体的比重稍小的特点，使浮子漂在液面上并随液面的升高或下降来反映液位，它也是一种应用最早并且应用范围很广的液位测量仪表；将浮子用一条多孔钢带连接至一个恒转矩装置或平衡锤上，由浮子的重量带动多于L钢带通过齿轮装置推动机械计数器作现场显示，还可连接电动变送器，获得远距离显示。由于滑轮机械装置的摩擦力和铆带重量，测量误差一般约为。（3）静压液位计利用液柱对某定点产生压力，测量该定点压力或测量该点与另一参考点的压差而间接测量液位的仪表；主要应用于测量精度要求不高的场合。（4）电磁液位计这种测量方式是将液位的变化转换为电量的变化，从而对液位进行间接测量，如电容式、电感式和电阻式液位计等。电容式液位测量是根据电容量与被测液体和气相介质的相对介电常数、电容传感器浸入液体的深度、电容传感器垂直高度、内外极板圆柱底面半径之间的关系，由已知的其他数值得出所测液位高度值。电容式液位计价格低，安装容易，且可以应用于高温、高压的场合。但电容液位计测量重复精度较低，需定期维修和重新标定，工作寿命也不长。电阻式液位测量方法特别适用于导电液体。敏感器件具有电阻特性，其电阻值随液位的变化而变化，因此将电阻变化值传送给二次电路即得到液位高度值。电感式液位测量方法同样适用于导电液体的液位测量，特别是液态金属。其原理是：液位变化使得电感元件的自感、互感或导磁率发生变化，故将该变化量送往二次电路即可得到相应的液位数值。电感式测量应用最广泛的是高频液位计。该液位计的测量原理是，频率调制信号通过射频电缆祸合到传输线传感器谐振回路，谐振回路的输出电压经过检波电路和射频电缆传送给低通滤波器，然后根据低通滤波器的输出电压控制调谐电路，产生新的振荡频率，直到传感器谐振电路处于完全谐振状态为止，则此时的振荡频率即与传感器的电感量相对应，从而与液位相对应。以上3种方法都是利用液位传感器的电参数产生变化的方法来测量液位的。这种测量方法原理简单、易于操作、成本低廉，但精度较低、可靠性差，已不能满足现代工业测量中对测量精度和仪器可靠性的要求。随着科学技术的发展，基于新技术的液位计发展越来越快[7]。（5）超声波液位计超声波液位仪是非接触测量中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。可实现非接触测量、测量范围宽、并且测量不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，因此它的适用范围非常广泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蚀性及有毒液体等的液位测量中[8]。我国从九十年代初开始，将超声测距技术应用到河流、湖泊、水、渠等水体的水位测量中，以及油、浆等液体的液位测量中。超声液位测量技术在越来越多的领域发挥其重要作用。（6）雷达液位仪连续式微波液位仪通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，微波发射和接收器安装在罐顶，向液面发射频率调制的微波信号。当接收到回波信号时，由于来回传播的时间延迟，发射频率已改变了。将两者信号混合处理，所得信号的频差与罐顶到液面之间的距离成正比。（7）光纤液位仪其测量原理与超声波液位计类同，只是用光波代替超声波。即光源发射激光，经被测液面反射，接收反射光后，将从发射至接收的时间换算成液位。激光的光束是很窄的，在液位计中通过光学系统转换成约20mm宽的光束，这样可使反射光易于被传感器接收。（8）γ射线液位计该技术基于γ射线对不同物质产生不同衰减的理论，将放射源钻-60或艳-137置于一个防护容器内，放在被测容器的一侧，在其对面，装有一个检测器，当γ射线穿透容器时，会发生衰减，衰减率取决于被测液体的密度、吸收系数和厚度。液位越高，衰减越大，接收器将γ射线量变为光脉冲信号，再由光电倍增管转换为电脉冲信号。液位与γ射线衰减量是非线性关系，必须进行标定。（9）小型液位开关在液位计智能化的同时，出现了一些基于新检测原理，由新型电子部件构成的小型现场液位开关。较典型的是利用超声波穿透空气及液体时衰减率的显著差别来检测液面的超声液位开关；利用空气和液体对振动体的阻尼差别来检测液位的振动式液位开关；以及利用空气和液体电导率的不同来检测液位的电导式液位开关。传统液位计逐渐被这些新型液位计所取代。新型液位计无论是在精度、稳定性，还是在智能测量方面都比传统液位计有着明显的优势，是今后液位计的发展方向[8]。其中，超声波液位计以其低成本、高精度、非接触测量、稳定性好等优势受到广泛青睐，发展出了适应于不同场合的超声波液位计，广泛应用于石油化工、航天航空、水利、气象、环保、医药卫生、食品饮料等多个领域。本课题中正是以超声波液位计为研究对象。与其它种类的液位计相比，超声波液位计具有以下优点[9]：（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。（5）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。（6）稳定性好。但是超声波液位计也有其自身的局限性，主要表现在被测液体易挥发时，液面上方的空气密度不均匀，会导致测量误差较大：当被测液体液位有较大波浪时，易引起声波反射混乱，产生误差；另外，超声波液位计测量液位时有无法避免的盲区，因此小距离测量比较困难。1.2国内外超声波测量的现状近十年来，国内科研人员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。目前，国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日渐成熟，但其作为超声波探测定位的关键技术，仍将是一个重要的研究方向。新型超声波换能器研发。随着超声波回波信号处理方法的不断完善，如何研发新型、高性能超声波换能器以进一步拓宽超声波测距的应用空间，作为解决超声波测距系统不足的根本手段，越来越受到国内学者关注。目前国产低功率超声波探头，一般不能用于探测15m以外的物体，美国AIRMAR公司生产的AirducerAR30超声波传感器的作用距离可达30m，但价格较高。潘仲明等对大作用距离超声波传感技术进行研究，研制了谐振频率为24kHz的新型超声波传感器，其作用距离超过了32m，测量误差小于2%。廖一等提出利用弯曲振动换能器改善声匹配，将气介超声波换能器的最大探测距离提高到35m[10-11]。现阶段，国内一些科研人员在超声波发射电路的简化、发射功率和频率的控制、最大探测距离的提高等方面对新型超声波换能器进行研究并取得了一定成果，但对新型超声换能器制作材料、超声波发生机理创新等方面的研究尚有不足。超声波发射脉冲选取。目前市场上普通的超声波测距系统，一般采用发射单超声脉冲的方法，这种方法在测距精度和可靠性等方面的研究已较成熟。但是当它采用较高频率超声波时，会因空气吸收而较快衰减，导致有效测量距离降低；在通过降低频率以增大测距范围时，测距的绝对误差又会增大。因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离的矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域的拓宽。近年来，如何合理选择超声发射脉冲，可以使超声波测距系统在提高有效作用距离的同时，相应提高测量精度与抗干扰能力，成为超声波测距技术的又一个重要研究方向。针对此点，程晓畅借鉴雷达信号处理中的脉冲压缩技术，率先提出通过选用伪随机二进制序列作为超声发射的脉冲压缩信号，并在接收端对回波进行处理，从而获得窄脉冲的方法。杜晓等则兼顾测距范围和精度，提出通过采用40kHz与20kHz两种超声波同时测距的双频超声测距方法。脉冲压缩技术与双频超声测距技术在超声测距中的应用，在一定程度上使超声波测距系统同时具备了窄脉冲的高分辨力和宽脉冲的强检测能力，但仍旧不能满足高精度测量的要求[12-13]。超声波测距选用大波束角探测器，可以满足探测范围要求，但分辨能力较差，难于准确地提供目标的边界信息。然而如果采用小波束角探测器，可以满足分辨能力的需要，但探测范围很难满足要求。针对这一矛盾，金元郁等提出步进电机驱动单套小波束角传感器做扇形扫描的方法，即步进电机每转过一个步距角，测距系统便在当前的角度上测取一个距离信息，结合当前的扫描角度，就得到了一个较为精确，而且兼有距离、方向的位置信息。该方法有效弥补了大波束角探测器分辨能力差，小波束角探测器探测范围不足的缺点。超声波测距作为非接触式检测技术的典型方法之一，以其价格低廉、信号处理可靠、不受电磁、天气影响等优势，必将拥有广阔的市场前景[14]。超声波测距凭借其原理简单、易于实现以及成本低等优点，在液位测量、移动机器人定位和避障、汽车防撞和曲面仿形检测等领域得到了广泛的应用。随着人们对引起测量误差因素的认识以及解决方法的提出，测量精度在逐步提高。近十年来，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，已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、电厂、钢厂、酒厂等多种领域，并日益显示其在非接触测量中的巨大优势。现在很多液体都装在封闭式容器内，研究无需对被测容器开孔的超声波液位仪，实现非接触测量，是检测封闭容器内易挥发、易燃、易爆等液体液位的发展方向。超声波液位仪是非接触液位仪中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。智能化的超声波液位仪带有一个功能很强的智能回波分析软件包。它可以将各种干扰过滤出来，识别多重回波，分折信号强度和环境温度等有关信息，这样即便在有扰动条件下读数也是精确的。超声波液位计具有广泛的适用性，可以根据不同测量场合的需要，采用气体介质、液体介质或固体介质导声。既可用来测量航道、水库的液位高度，也可以测量液化气罐、化工塔等密闭容器内的液位高度。由于超声波液位计没有可动部件，不存在机械磨损、机械故障，因而其可靠性和使用寿命比多数接触型液位计要高。1.3本文所做的工作本文所做的工作是将超声波技术具体应用于罐体液位测量中，解决罐体液位测量中的问题，完成罐体液位测量控制系统设计的主要工作有：（1）研究超声波的相关理论，掌握波特性和其激发方法，介绍液位的各种测量方法，并对回波测距法进行深入研究；（2）设计+5V电源供电电路；（3）设计HC-SR04超声波测距模块发射电路和接收电路；（4）设计以单片机AT89S52为核心的控制电路；（5）设计L298N驱动电机的连接电路；（6）设计显示电路；（7）完成对罐体液位测量控制系统的软件编程，软件部分采用模块化设计包括中断服务子程序，主程序等。通过对罐体液位检测控制电路的设计，可以解决液位控制系统中的各种复杂问题，使其精度得以提高，更为自动化；而且为非接触型液位测量，具有价格较为适中、安装使用方便、精度较高等优点，系统稳定性较好。第2章超声波液位测量的原理2.1超声波超声波液位测量技术以超声波作为信息采集手段。超声波作为一门学科已有几十年的历史，其应用范围很广泛。超声波不仅用来进行各种参数的检测，而且广泛应用于加工和处理技术。超声波用于液位检测时，主要利用了超声波的以下性质：（1）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。（2-1）式中γ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，影响声速的主要因素是温度，并可用下式计算声速ν：（2-2）由公式（2-2）可知，超声波声速随温度的升高而增大，一般温度每升高1℃，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（2-3）式中、分别是反射和入射声波的声强；、分别是声波的入射角和反射角；、分别是两种介质的声阻抗，其值，。声波垂直入射时，=0，=0；则反射系数R为（2-4）由公式（2-4）可以看出，和相差越小，R值也越小，说明反射越弱，当=时，R=0，说明这时没有反射，声波全部透射。当反射介质声阻抗远远大于入射介质声阻抗时，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，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，，代入公式（2-4）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。表2-1给出了几种常见介质的反射系数。表2-l几种常见介质的反射系数第一介质第二介质声阻抗（Z）铝钢铜水银玻璃水空气铝1.7000.210.140.010.020.721钢4.5600.010.160.310.881铜3.9200.130.230.861水银1.9300.040.751玻璃1.8000.651水0.1301空气0.0000410超声波液位测量就是利用了上述声波的这种特性，通过测量声波从发射至接收到被液面所反射的回波的时间间隔来确定液位高度。另外由表2-1可以看出，气介式测量环境最理想，液介式次之。而且对于超声波液位计来说，气介式测量更能发挥非接触测量的优势，因此，在没有特定要求时，超声波液位计首选气介式测量。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。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。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，即可发射声脉冲，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。压电晶片的振动频率即探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度，为得到较高的频率，要使晶片在共振状态下工作，此时晶片厚度为1/2波长。其中，PVDF压电薄膜材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面积上有很大的选择余地，易于加工且频率范围宽，常用来制成40kHz~300kHz的超声换能器。压电晶片的材料通常有：锆钛酸铅陶瓷(P)、钛酸钡陶瓷(B)、钛酸铅陶瓷(T)、铌酸锂单晶(L)、碘酸锂单晶(I)、石英单晶(Q)以及其他压电材料(N)。以石英晶体作为压电材料的超声波换能器，利用压电晶片的压电效应和逆压电效应来实现超声波的接收和反射。逆压电效应是指：当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此为超声波的发射。正压电效应是指：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，此为超声波的接收。表2-2几种常用压电晶片材料的主要参数材料居里点/℃介电常数声阻抗特性（）压电应变常数（mv）压电电压常数（mv/N）石英5704.515.2×1062.0×10-1250×10-3钛酸钡系115170030×106160×10-1213×10-3锆钛酸铅190~300150028×106320×10-12-22.4×10-3偏铌酸锂40030020.5×10685×10-1232×10-3锆钛铅1201000270×106125~190×10-1214~21×10-3注：压电材料的居里点是指压电材料完全丧失压电效应的温度；介电常数反映材料的介电性质，在制造探头考虑阻抗匹配时起作用；压电应变常数是指当压电体处于应力恒定的状态时，由于电场强度变化所产生的应变变化与电场强度变化之比，它关系着晶片发射性能的好坏；压电电压常数是指压电体在电位移恒定时，由于应力变化所产生的电场强度变化与应力变化之比，它关系着晶片接收性能的好坏。压电片的振动方式有很多种，如：薄片的厚度振动，纵片的长度振动，横片的长度振动，圆片的径向振动，圆管的厚度、长度、径向和扭转振动，弯曲振动等。其中，以薄片厚度振动用的最多。由于压电晶片本身较脆，并因各种绝缘、密封、防腐蚀、阻抗匹配以及防护不良环境要求，压电元件往往装在壳体内构成探头。压电晶片的振动频率即探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度。压电陶瓷晶片有一个固有的谐振频率，即中心频率，为得到较高的频率，要使晶片在共振状态下工作。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致；接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有频率一致。这样，超声传感器才有较高灵敏度。在所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。用于超声测距的超声换能器的中心频率一般为40kHz。超声波换能器有一个特定的机械共振频率，即压电晶片的谐振频率，只有在相当接近这个共振频率时，才能有效地工作。所以必须用一个接近共振频率的交流频率信号施加到发射换能器上，以便使它发射适当强度的超声波，而当反射回换能器的超声波偏离共振频率较远时，则接收换能器产生的响应就小[15-16]。超声波换能器的参数主要有：（1）中心频率：是指超声波发射换能器的谐振频率（2）灵敏度：接收换能器灵敏度为施加0.1Pa声压时，所产生的电压相对于1V/0.1Pa的分贝数；发射换能器灵敏度为施加lV电压所产生的声压相对于0.1Pa/1V的分贝数。（3）带宽：中心频率处灵敏度最高。当离开中心频率，灵敏度下降，当下降到一定值(dB数)时，两频率之间隔为带宽。（4）发射角：发射超声波具有一定的指向性。（5）电容：压电陶瓷片两极间的等效电容。（6）电阻：压电陶瓷片两极间的电阻值。另外，还有一些极限参数，如允许输入电压、温度范围、耐湿性等。本设计中选用T/R40-16型超声波换能器。T-发射，R-接收，40-中心频率，16-外壳直径（mm）。超声换能器由压电晶片、锥形喇叭、底座、引线、金属外壳及屏蔽网组成。其中，压电晶片是换能器的核心，锥形喇叭使发射和接收超声波的能量集中，并使换能器有一定的指向角，金属网可防止外界力量对压电晶片和锥形喇叭的损害，金属网也起保护作用，但不影响发射和接收超声波。其性能指标：中心频率401kHz，发射声压大于115dB，接收灵敏度大于-64dB/v/ubar，-6dB指向为50deg，电容240025%PF，允许输入电压20V。其发射换能器频率特性曲线图如图2-1所示。发射灵敏度（发射灵敏度（dB）12011010080f（kHz）kHz图2-1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，即在处所产生的超声声压能级最高。而在两侧，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的交流电压来驱动。同样，接收换能器在中心频率处输出电信号的幅度最大，即在处接收灵敏度最高。因此，超声波接收换能器具有很好的频率选择特性。2.2工作原理目前，采用超声波测量液位的方法很多，有声波阻断式、脉冲回波法、共振法、频差法等连续液位测量方法，还有连续波阻抗式、连续波穿透式、脉冲反射式和脉冲穿透式等定点液位测量方法。脉冲回波测距法是利用声波在同一介质中有一定的传播速度，而在不同密度的介质分界面处会产生反射，从而根据声波从发射到接收到液面回波的时间间隔来计算液位。根据超声波探头的安装位置不同，此方法又分为液介式、气介式、固介式三种。①液介式：超声波发射探头置于最低液位之下，声波以被测液体为传播介质，在液面发生反射；②气介式：超声波发射探头置于最高液位之上，声波在液面上方的气体介质中传播，经被测液体表面反射；③固介式：声波经固体棒或金属管传播，经液面发射后再由固体棒传回接收换能器接收。这种方式由于有一定的局限性，所以应用的较少。上述脉冲回波法是以测量超声脉冲在介质中传播时间为基础的，因此又称时差法。除此之外还有以测量声波衰减为基础的。基于声波传播时差的脉冲回波法是应用最广泛的连续液位测量方法之一。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为ν，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离。本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，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。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，单片机检测到这个负跳变信号后，停止内部计时器记时，读取时间，计算距离，测量结果输出。10的TTL10的TTL触发信号模块内部输出信号发出信号触发信号模块内部输出信号发出信号输出回响信号循环发出8个40KHz脉冲循环发出8个40KHz脉冲回响电平输出与检测距离成比例回响电平输出与检测距离成比例图2-2超声波测距时序图图2-2表明只需要提供一个10微秒以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。测量周期尽量为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。时差法超声波液位计的工作原理是首先由发射探头发射出超声波，在被测液体介质或其他借以测量的传声介质中传播至液面，经液面反射后，反射回波被接收探头所接收，测量超声波从发射到接收所经过的时间，根据介质中的声速，可计算出探头至液面的距离，进而得出液位高度。根据超声波换能器的工作方式的不同，超声波液位计可分为一发一收的双探头模式和自发自收的单探头模式。根据传声介质的不同，又分为气介式、液介式和固介式三种安装方式。本文主要以气介式安装双探头超声波液位计作为研究对象。如图2-3所示，液位高度计算公式：（2-5）其中H表示探头与容器底部的距离；L表示超声波传输距离的一半；ν表示超声波声速；t表示超声波传播时间；h即所测液面实际高度。接收探头发射探头L接收探头发射探头LHH液面h液面h图2-3测量原理图在两探头相距非常近时，可将超声波传播路径看成是与液面垂直的直线距离。由上述可知，超声波液位计测液位需要知道超声波在空气中的传播速度和传播时间，以计算得出液位高度。因此，超声波液位计的精度取决于超声波声速和传播时间的计时精度。对公式（2-5）进行全微分，可以分析由于和的测量误差和给测量L所带来的误差：（2-6）公式（2-6）括号中第一项是由于声速变化所引起的误差，第二项是由于计时不准确所带来的误差，所以超声波液位测量技术的关键就是要解决好这两个问题。在本设计中，采用单片机内部自带的定时器对超声波液位测量中声速传播时间进行精确计时，大大提高了对超声波传播时间的计时精度。由于51系列单片机的机器周期是级，所以计时精度可精确到级。而1的计时误差引起的测距误差约为0.345mm。所以系统每提高1mm的测量精度，相应的单片机的计时误差应减小3。传统的超声波液位计，大多采用温度补偿方法校正声速[17]，这就需要先测得测量环境的实际温度，从而不可避免的有测温误差的存在。超声波在不同介质中声速差异很大，即使同一介质，其声速也随温度、压力、粘度、湿度或成分的变化而变化。其中温度的影响最大。对于气体和液体来说，差别更加明显。严格来说，超声波频率改变，声速也会变化。因此，在实际测量中，不能简单地把声速看成常数。只有在测量条件比较理想，传播介质的成分、温度、压强等因素都没有很大变化，同时液位的测量精度要求又不高的情况下，可以把声速作为常数。空气中，常温下超声波的传播速度约为340m/s。空气温度每升高1℃，声速变化约为0.6m/s。在精确测量中这种因环境的影响而产生的偏差是不容忽视的，因此要想实现高精度测量，必须消除外界环境的影响所造成的误差。声速校正方法主要有：温度补偿法和参考声速法。温度补偿法在目前超声波液位计中应用较为广泛。从传统的热敏电阻、铂电阻、热电偶作为测温工具到现在采用精度更高的温度传感器，利用温度补偿法进行声速校已趋于成熟。温度补偿法校正声速是利用外加温度传感器测得环境温度，再计算出该温度下的超声波声速，达到声速校正的目的。温度与声速的关系可由公式（2-7）表示：（m/s）（2-7）其中表示0℃时超声波声速，=331.45m/s；T表示温度，单位℃。工业测量中，一般以公式（2-8）近似计算超声波在空气中的声速。（m/s）（2-8）其中表示0℃时超声波声速，=331.45m/s；T表示温度，单位℃。由表2-3可知，当温度从0℃到40℃变化时，两公式计算所得声速值相差不大，可用公式（2-8）近似替代公式（2-7）进行声速计算。随着温度的升高，用公式（2-8）近似计算声速值误差将越来越大。根据前面误差公式（2-6）可以知道，由声速变化引起的测距误差可以表示为：（2-9）以测量温度T=50℃，测量距离L=10m为例，计算由于声速误差引起的测距误差。由表2-3可知，超声波在温度50℃时，传播声速为360.53m/s，两公式计算声速误差为1.27m/s。由公式可以得出，超声波传播10m的距离，所需时间约为：，于是可以计算得出：表2-3两公式计算声速值误差比较及由此引起的测距误差分析温度T（℃）（m/s）（m/s）误差0331.45331.45010337.47337.520.0520343.38343.590.2130349.19349.660.4740354.90355.730.8350360.53361.801.2760366.07367.871.8070371.52373.942.4280376.90380.013.1190382.20386.083.88100387.43392.154.72由这个计算结果可以看出，用工业测量中使用的近似计算公式计算得出的结果，在温度为50℃时，量程10m即产生约为3.5cm的测量误差。因此在温度补偿方法中采用近似公式对温度进行补偿，无法达到理想的声速校正目的，不能满足现代测量中对高精度的要求。并且温度传感器的应用环境温度在-55~+125℃之间，使得超声液位计的应用环境受到一定的限制。另外，由于外加了温度传感器，不但增加了成本，还引进了温度传感器的测温误差。2.3本章小结本章介绍了超声波的特点，利用超声波测量距离的几种方法，另外对超声波探头的主要结构参数进行了说明。主要介绍了超声波测量距离的时差法测量原理。时差法超声波液位计的工作原理是首先由发射探头发射出超声波，在被测液体介质或其他借以测量的传声介质中传播至液面，经液面反射后，反射回波被接收探头所接收，测量超声波从发射到接收所经过的时间，根据介质中的声速，可计算出探头至液面的距离，进而得出液位高度。因为本设计里对精度要求不是太高，而且考虑到本科设计的经济性原则，我在设计中没有加入温度补偿环节。模拟室温下温度在20度左右，由此设定声速为344m/s。第3章罐体液位控制系统的总体设计3.1系统的设计思想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。为了尽可能的提高系统精度，本测量系统将超声波检测技术与计算机技术相结合，对连续及定点液位进行自动测量，并能显示出液位数据，根据液位高度来控制电机的正反转，来实现注水和排水，从而达到控制液位高度的目的。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。在本设计中，我们根据具体环境，即室温20℃，设定声速为344m/s。探头选用R/T-16型，即一发一收双探头模式，中心频率40kHz，探头外壳直径16mm。液位测量系统的流程图如下。设定时器T1、T0初值测量液位高度设定时器T1、T0初值测量液位高度H初始化12864液晶屏开中断超声波测距初始化开始控制电机转动显示液位高度等信息系统工作原理：上电后，单片机管脚P1.0发出一组40kHz的方波，经发射电路升压放大后激发超声波发射探头T40发射超声波，接收探头R40接收到反射回波后经接收电路放大滤波，将正弦波转换成方波信号，作为单片机计时的外部中断信号。单片机接收到液面回波中断信号，由单片机定时器T0计时。由液面回波计时和设定声速来计算探头与液面的距离，进而由单片机计算出实际液位值，最后由12864液晶显示，同时根据液位高度值来具体控制电机转动。当两探头水平安装位置相距很近时，可垂直液面安装。3.2系统的总体结构超声波测距模块超声波测距模块AT89S52单片机电源电路电源电路L298N控制电路液晶显示L298N控制电路液晶显示图3-2总体硬件框图罐体液位检测控制硬件系统的构成如图3-2所示。该系统以AT89S52型单片机为控制核心，其外围硬件电路包括超声波发射电路、超声波接收电路、液晶显示电路、L298N电机控制电路、电源电路等。各部分的原理将在以后章节介绍。3.3本章小结本章主要介绍了罐体液位检测及控制系统的总体结构。单片机管脚P1.0发出一组40kHz的方波，经发射电路升压放大后激发超声波发射探头T40发射超声波，接收探头R40接收到反射回波后经接收电路放大滤波，作为单片机计时的外部中断信号。单片机接收到液面回波中断信号，由单片机定时器T0计时。由液面回波计时和设定声速来计算探头与液面的距离，进而由单片机计算出实际液位值，最后由12864液晶显示，并控制电机转动。第4章系统的硬件电路设计4.1电源电路电源是单片机系统的能源中心，系统中所有器件的的运作都需要电源来提供能量，本设计系统采用+5V的电源供电。4.2发射电路的设计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、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TR40-16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P1.0管脚输出的方波电压只有5V，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。发射电路如图4-1所示。图4-1发射电路由单片机AT89S52的P1.0管脚发出频率40kHz的方波，经由2.2的电阻与三极管9013基极相连，组成共射极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。4.3接收电路的设计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，需要先经接收电路进行两级放大。因此，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。超声波接收电路原理框图如图4-2所示。接收探头接收探头整形电路放大滤波电路INT0图4-2接收电路原理图接收探头接收到回波信号后，经由运算放大器LM833N组成的比例放大电路实现信号放大，以满足长距离测量的要求。放大电路图如图4-3所示。图4-3接收电路放大部分电路图因为送往单片机的需是方波信号，而超声波接收探头接收信号后获得的是正弦波信号，所以需要整形电路完成正弦波到方波信号的转换。电路中采用集成电压比较器LM311将正弦波转换为方波信号其输出信号作为D触发器的时钟信号。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P1.1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P1.0置成低电平；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D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。同时，为了避免超声波发射探头发射的超声波直接传到接收探头，产生较大干扰，在放大电路前连接了一个双向开关4066，4066与单片机相连，由单片计控制它的开启状态。在单片机P1.0脚发送方波信号时，单片机控制4066导通。这时，放大电路通过4066与地线连接，可有效屏蔽发射探头直接传过来的干扰信号。方波信号发送完成后，单片机控制4066断开，放大电路开始工作。接收电路中只使用了其一路开关，单片机P1.1脚接4066的13管脚，控制1、2管脚是否导通。4066管脚1接地，管脚2与接收电路放大输入端相连。因此当单片机发送方波时，控制4066导通，即1、2管脚导通，接收电路放大输入端与地相连，可有效屏蔽从超声波发射探头直接到接收探头的干扰信号。当方波发送完成后，4066断开，等待回波信号的通过[18]。4.4显示电路12864LCD显示块是所说的点阵液晶显示模块，就是由128×64个液晶显示点组成的一个128列×64行的阵列，所以也就叫成了12864。每个显示点都对应着有一位二进制数，0表示灭，1表示亮。存储这些点阵信息的RAM被称为显示数据存储器。如果要显示某个图形或汉字就是将相应的点阵信息写入到对应的存储单元中，图形或汉字的点阵信息是由自己设计。这时候问题的关键是显示点在液晶屏上的位置与其在存储器中的地址之间的关系。带中文字库的128×64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。图4-4液晶接线图基本特性如下：（1）低电源电压（VDD：+3.0~+5.5V）（2）显示分辨率：128×64点（3）内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)（4）内置128个16×8点阵字符（5）2MHZ时钟频率（6）显示方式：STN、半透、正显（7）驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS（8）视角方向：6点（9）背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5~1/10（10）通讯方式：串行、并口可选（11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压（12）无需片选信号，简化软件设计（13）工作温度：0℃~+55℃，存储温度：-20℃~+60℃先给模块加上工作电压，再按照上图的连接方法调节LCD的对比度，使其显示出黑色的底影。此过程亦可以初步检测LCD有无缺段现象。表4-1模块接口说明管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0-对比度（亮度）调整4RS(CS）H/LRS=H，表示DB7-DB0为显示数据RS=L，表示DB7-DB0为显示指令数据5R/W(SID)H/LR/W=H，E=H，数据被读到DB7-DB0R/W=L，E=H→L，DB7-DB0的数据被写到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC-空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效18VOUT-LCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源负端由上表所示，我们可知DB0~DB7为液晶显示模块的数据传输端口如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将PSB接固定高电平；模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空；如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的A、K连接到VCC及GND电源口。带中文字库的128×64-0402B每屏可显示4行8列共32个16×16点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中文字符或2个16×8点阵全高ASCII码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。带中文字库的128×64-0402B内部提供128×2字节的字符显示RAM缓冲区（DDRAM）。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM（中文字库）、HCGROM（ASCII码字库）及CGRAM（自定义字形）的内容。三种不同字符/字型的选择编码范围为：0000～0006H（其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个）显示自定义字型，02H～7FH显示半宽ASCII码字符，A1A0H～F7FFH显示8192种GB2312中文字库字形。字符显示RAM在液晶模块中的地址80H～9FH。字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如表4-2所示。表4-2字符地址与屏幕对应关系80H81H82H83H84H85H86H87H90H91H92H93H94H95H96H97H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH用带中文字库的128×64显示模块时应注意以下几点：1、欲在某一个位置显示中文字符时，应先设定显示字符位置，即先设定显示地址，再写入中文字符编码。2、显示ASCII字符过程与显示中文字符过程相同。不过在显示连续字符时，只须设定一次显示地址，由模块自动对地址加1指向下一个字符位置，否则，显示的字符中将会有一个空ASCII字符位置。3、当字符编码为2字节时，应先写入高位字节，再写入低位字节。4、模块在接收指令前，向处理器必须先确认模块内部处于非忙状态，即读取BF标志时BF需为“0”，方可接受新的指令。如果在送出一个指令前不检查BF标志，则在前一个指令和这个指令中间必须延迟一段较长的时间，即等待前一个指令确定执行完成。指令执行的时间请参考指令表中的指令执行时间说明。4.6电机驱动电路直流电机是一种常用的机电转换器件，常在自动控制系统中用做执行元件。在直流电机控制中，主要涉及的控制有正、反转控制与速度控制。正、反转控制是改变直流工作电压极性来实现的，而速度控制可使用PWM方式进行控制，即在单位周期时间内，调整通、断电时间来实现。使用单片机产生PWM脉冲可简化硬件电路、节约成本。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4之间可分别接电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。图4-5引脚图表4-3控制关系电机旋转方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4输入PWM信号改变脉宽可调速调速端A调速端BM1正转高低//高/反转低高//高/停止低低//高/M2正转//高低/高反转//低高/高停止低低///高驱动两台直流电机时，分别为M1和M2。引脚A，B可用于输入PWM脉宽调制信号对电机进行调速控制。如果无须调速可将两引脚接5V，使电机工作在最高速状态，既将短接帽短接。实现电机正反转就更容易了，通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，输入信号端IN1接高电平输入端IN2接低电平，电机M1正转。如果信号端IN1接低电平，IN2接高电平，电机M1反转。控制另一台电机是同样的方式，输入信号端IN3接高电平，输入端IN4接低电平，电机M2正转。反之则反转，PWM信号端A控制M1调速，PWM信号端B控制M2调速。L298N有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，本文中我们将逻辑电源和动力电源接在一起，为5V对系统供电。如图4-6所示。ENA与ENB直接接入5V逻辑电源也就是说两个电机时刻都工作在使能状态，控制电机的运行状态只有通过ENA与ENB两个接口。图4-6L298N控制电路原理图由于我们使用的电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的反向电流，在电路中加入二极管的作用就是在产生反向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全[19]。4.7本章小结本章主要对系统的硬件电路进行了介绍，系统采用模块化的设计思想，该系统系统以AT89S52型单片机为控制核心，其外围硬件电路包括超声波发射电路、超声波接收电路、液晶显示电路、L298N电机控制电路、电源电路等。其中电机控制电路采用L298N模块是由于我们使用的电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的反向电流，在电路中加入二极管的作用就是在产生反向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全。第5章系统的软件实现5.1单片机的选取作为液位测量控制系统的核心部件，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器件的使用偏重于高端应用领域，侧重于需要大量数字信号处理的场合，对于智能仪表开发其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。AT89系列单片机和MCS-51单片机在内部功能、引脚以及指令系统方面完全兼容。并且继承了MCS-51单片机的原有功能，内部含有大容量的Flash存储器，又增加了新的功能，如看门狗定时器WDT、ISP及SPI串行接口技术等，因此在电子产品开发及智能化仪表中有着广泛的应用，是目前取代MCS-51单片机的主流芯片之一。本设计中选用的AT89S52型单片机是一种低功耗、高性能、采用CMOS工艺的8位微处理器，与工业标准型80C51单片机的指令系统和引脚完全兼容；片内flash存储器可在线重新编程，或使用通用的非易失性存储器编程器。由于一般的液位测量中，液位的变化速度并不太快，单片机的机器周期可达级，则其计时精度为级，完全可以满足系统测量的要求，并且成本较低，所以本设计中选用AT89S52型号的单片机[20]。系统采用单片机内部自带的定时/计数器T0和Tl的中断功能，对液面反射回波进行精确计时。而且为了节约硬件成本，系统采用单片机发出40kHz方波信号，由方波输出程序控制单片机管脚P1.0输出方波信号。5.1.1单片机中断功能系统软件从功能上分为主程序和中断子程序，主程序完成系统初始化后进入掉电模式，任何其它处理任务如：液位测量、数据显示及远程通讯等均看作为中断事件，将单片机从休眠状态唤醒，由中断子程序完成数据计算和存储，执行之后再次进入掉电模式。AT89S52共有8个中断源：2个外部中断、2个定时器溢出中断、2个串行中断及T2定时器溢出中断和外部负跳变中断。本设计中采用的是外部中断方式。外部中断请求有两种信号方式：电平方式和脉冲方式。电平方式的中断请求是低电平有效。只要在INT0或INT1引脚上出现有效低电平时，就激活外部中断标志。脉冲方式的中断请求则是脉冲的负跳变有效。在这种方式下，在两个相邻机器周期内，INT0或INT1引脚电平状态发生变化，即在第一个机器周期内为高电平，第二个机器周期内为低电平，就激活外部中断标志。由此可见，在脉冲方式下，中断请求信号的高电平和低电平状态都应至少维持l个机器周期，以使CPU采样到电平状态的变化。单片机的重要特征之一是片内外围单元的功能是通过特殊功能寄存器实现的。片内标准外围单元（中断系统、定时器和串行口等）都由对应的SFR来控制。中断标志与控制实际上就是对一些SFR的操作，包括定时器控制寄存器、串行口控制寄存器、中断允许控制寄存器和中断优先级控制寄存器。中断允许控制寄存器IE的字节地址是A8H，可以位寻址；位地址是AF~A8H。该寄存器的内容及位地址如表5-1：表5-1IE寄存器的内容及位地址位序D7D6D5D4D3D2D1D0位地址AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8H位符号EA—ET2ESET1EX1ET0EX0其中与中断有关的共7位：EA中断允许总控制位EA=0，中断总禁止，禁止所有中断；EA=l，中断总允许。EX0和EX1外部中断允许控制位。EX0(或EX1)=0，禁止外中断INT0(或INT1)；EX0(或EX1)=1，允许外中断INT0(或INT1)。ET0和ET1定时器中断允许控制位。ET0(或ET1)=0，禁止定时器0(或定时器l)中断；ET0(或ET1)=l，允许定时器0(或定时器l)中断。ES串行中断允许控制位。ES=0，禁止串行(TI或RI)中断；ES=1，允许串行(TI或RI)中断。ET2定时器2中断允许控制位。ET2=0，禁止定时器2(TF2或EXF2)中断；ET2=1，允许定时器2(TF2或EXF2)中断。5.1.2定时器/计数器工作方式的设定本设计中用单片机的定时器/计数器0来对超声波液位回波信号进行精确计时。因此需在程序中设定定时器/计数器的工作模式。定时器/计数器0、1的工作模式的设定和定时器的控制由工作模式寄存器TMOD和控制寄存器TCON来完成。TMOD用于设置T0和T1的工作方式，低4位用于定时器/计数器0，高4位用于定时器/计数器1，其值由软件设定。TMOD不可位寻址，只能用字节传送指令设置其内容，字节地址为89H。见表5-2：表5-2TMOD寄存器的内容定时器/计数器1定时器/计数器0位序D7D6D5D4D3D2D1D0位符号GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0GATE：门控位。GATE=0，以运行控制位TR0(或TR1)启动或禁止定时器/计数器。GATE=1，以TR0-INT0(或TR1-INT1)启动或禁止定时器/计数器。C/T：计数方式/定时方式选择位。C/T=0，选择定时工作方式；C/T=l，选择计数工作方式。M1和M0：工作方式选择位。M1M0=00，选择工作方式0；M1M0=01，选择工作方式1；M1M0=10，选择工作方式2；M1M0=11，选择工作方式3。根据TMOD寄存器中M1和M0位的设定，定时器/计数器可选择4种不同的工作方式：工作方式0、工作方式1、工作方式2和工作方式3。本设计选择工作方式2。方式0和方式1的最大特点是计数溢出后，计数器的初值为0，因此在循环定时和循环计数应用时就存在必须用指令反复装入计数初值的问题，这样不仅会影响定时精度，而且也给程序设计带来麻烦。方式2具有自动重新加载功能，变软件加载为硬件加载。在这种工作方式下，将16位计数器分为两部分：用TL作计数器，TH作预置计数器。程序初始化时把计数初值分别装入TL和TH中，当计数器溢出时，预置计数器TH便以硬件方法自动向计数器TL重新加载。方式2可以省去软件中重装初值的指令执行时间，简化定时初值的计算方法，而且也有利于提高定时精度。5.2系统软件设计系统整个软件采用模块化结构设计，将各功能模块设计成独立的编程调试程序块，这样不仅有利于功能的扩展，而且便于调试和连接，更有利于程序的移植和修改。系统软件从功能上分为主程序和测量子程序，主程序完成系统初始化后进入循环检测液位高度，根据反馈回来的液位高度值来控制电机的正反转及转速，最后由液晶显示，从而完成对罐体的控制。对于整个主程序和复杂的中断处理程序，又划分为若干模块进行程序的模块化设计，其中包括初始化模块、测量模块、计算模块、参数处理模块、显示模块及控制模块等。初始化测量液位高度H初始化测量液位高度H开中断超声波测距初始化开始电机停止显示液位高度等信息判断高度值H电机正转注水电机反转排水H<80H>10080<H<100图5-1主程序软件流程图该系统的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。超声波测距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语言编程。系统主程序主要完成一些内部模块和寄存器的设置、数值计算及存储功能。主程序的软件流程图如5-1所示。系统开始工作后，单片机首先执行上电复位操作，然后进行系统初始化。初始化完成后首先设定时器T1、T0初值，然后初始化12864液晶屏，开中断，再对超声波测距模块进行初始化，测量液位高度，根据不同的高度情况，控制电机的不同运转[21]，显示液位高度等信息，循环操作。5.2.2测量子程序YYY发送超声波收到回波否？预设时间？启动计时器T0停止计时计算测量值超声波测距NNY图5-2测量子程序流程图测量子程序是整个软件的核心，它控制超声波的发射和接收电路的启动以及液位数据的计算等。系统进入测量子程序后，控制单片机首先发出一组40kHz的方波，同时启动定时器T0工作，当接收电路有信号输入时，对输入信号进行处理，判断信号的真伪，若信号为真，则停止定时器T0根据液面回波时间和超声波实际声速计算液位高度。测量子程序流程图如图5-2所示。5.3系统的调试在设计完电路图后，还要对所设计的电路进行安装、焊接。安装时首先应该认清电路图中每个元件在面包板上相应的位置，然后对号入座，经核实无误后，方可焊接。焊接前应将各元件剪好脚、上好锡，谨防假焊、虚焊。并注意电解电容、二极管的极性、然后把各元器件一一焊牢。在接通电源之前，还必须根据硬件原理图仔细检查电路板线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，检查电源之间是否有短路和极性错误，并重点检查扩展系统总线是否存在相互间的短路或与其他信号线的短路。1.1.5m测量距离H测量装置液体图5-3模拟罐体装置的简易结构表5-1系统运行状态液位高度（m）电动机状态液晶显示误差（m）0.05正转注水注水中0.010.40正转注水注水中0.010.65正转注水注水中0.010.85停止稳定00.90停止稳定01.10反转排水排水中0.011.35反转排水排水中0.01在做完以上工作以后，就可进行最后的调试了。调试时以水为例，将设计好的硬件安装于水面上方，设定罐体的高度为1.5m，变化水面与超声波探头的距离，实际上我们是通过改变测量装置在液面上的距离来模拟罐体内液位的变化。简易的结构图如图5-3。记录系统运行状态于表5-1。通过调试，可以看出本文所设计的罐体液位检测控制系统基本上满足要求。但也存在一定的不足，已经完成的单片机程序有一定缺陷，有待改进。第一方面，由于声速会随温度的变化而变化，程序中设定的声速为344m/s，这就导致所测得的液位高度有一定的误差；第二方面，指令运行需要占用一段时间，影响测量结果；第三方面，人为操作在测量时产生了误差，如模块没有平稳摆放，测量面不够大不够平整等。5.4本章小结本章主要介绍了罐体液位检测及控制系统的程序设计，对整个系统进行了调试，并得到了预期的效果。系统整个软件采用模块化结构设计，将各功能模块设计成独立的编程调试程序块，这样不仅有利于功能的扩展，而且便于调试和连接，更有利于程序的移植和修改。系统软件从功能上分为主程序和测量子程序，主程序完成系统初始化后进入循环检测液位高度，根据反馈回来的液位高度值来控制电机的正反转及转速，最后由液晶显示，从而完成对罐体的控制。对于整个主程序和复杂的中断处理程序，又划分为若干模块进行程序的模块化设计，其中包括初始化模块、测量模块、计算模块、参数处理模块、显示模块及控制模块等。对整个流程进行了流程图示意。最后对整个电路进行了调试，结果表明本设计满足要求，达到了预期的效果。结论本设计以单片机技术与测距控制技术相结合，设计了一种基于单片机的罐体液位测量及控制系统，完成了硬件电路和软件测量显示及控制功能。详细介绍了基于单片机的罐体液位测量及控制系统的原理和特性，以及Atmel公司的AT89S52单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，给出了以AT89S52单片机为核心的低成本、高精度、微型化的硬件电路和软件设计方法。主要完成了系统的总体设计，硬件设计，程序设计和实验系统的制作和调试，并用该设计模拟进行了液位测量和控制实验。本设计具有以下特点：（1）与传统的液位测量相比，本系统属于非接触式测量，具有精度高，实时响应的特点。（2）由于采用了A