基于单片机与超声波的液位检测报警系统

基于单片机与超声波的液位检测报警系统

从国内外液位检测仪表的开发技术方向来看，目前主要有三种液位检测仪表：接触测量法的液位仪、非接触测量法的液位仪和新原理的小型液位开关。但现在大多液位检测仪表都要在非常苛刻的条件下(如在高温、高压、低温、腐蚀和辐射等环境下)进行测量,这就需要使用能耐的非接触式高温高压传感器。超声波就是一种非接触式的传感器,它适用范围较为广泛。超声波作为一种信息载体,已在海洋探测与开发、无损检测、医学诊断及微电子学等领域发挥着不可取代的作用。本文基于单片机与超声波的特性研制了一套低成本、高精度的液位检测报警系统,该系统能对印刷上光液液位自动检测和报警,也能对各种有毒、有害、高腐蚀、高温、高浓度等物质的液位进行测量。超声波阅读器系统控制电路系统硬件电路包括超声波发射与接收电路、温度检测电路、显示电路、在线下载程序电路和声光报警电路。图1是系统硬件框图,系统的工作流程如下:先由键盘设定好报警上下限的初始值,上电运行后,由单片机产生超声波信号再由超声波接收器把信号输入单片机,单片机通过对脉冲信号的判断和处理,对声光报警设备与显示设备进行控制。系统的控制电路以AT89S52单片机为核心,所有电路的控制与信号的处理都由单片机完成。单片机的外围电路主要有:晶振电路、复位电路、液晶显示屏显示电路、声光报警控制电路、键盘接口电路、超声波传感器电路等。单片机的P0口接到液晶显示屏的数据口上。P2.0至P2.2这3个口接到液晶显示屏的各控制线上。P1.0、P1.1、P1.2和P1.3作为键盘输入接口。P3.6通过74HC04(高速CMOS——六反相器)接到超声波发射器上,P3.3通过红外转换接收的电路集成芯片CX20106判断是否接收到超声波信号并对接收到的信号进行处理。1.超声波发射头单片机发出的脉冲信号经过整形后,传到超声波换能器(中心频率为40kHz),通过超声波发射头将电能转换为机械能发射出去。脉冲信号采用高频低功耗非周期窄脉冲信号,因为其具有频率高,波长短,绕射现象小,方向性好,发射器体积小等优点。2.放大温度不足够,不能准确判断回波时由于超声波发射后,在传播过程中存在衰减问题,且超声波频率越高,衰减越快,但频率高有利于提高超声波的指向性。超声波在传播过程中幅值衰减很大,收到的回波可能十分微弱,要准确判断接收到第一个回波的时间,必须对收到的信号进行足够的放大,否则不能准确判断回波时间,进而影响超声波测量精度。因此本系统利用红外转化接收的电路集成芯片CX20106。CX20106是红外接收的专用集成电路,且IC性能优越,封装形式及体积与许多遥控信号接受器的IC相同或相似,可用来代替多种信号的遥控集成电路。所以利用CX20106作为超声波接收的检波电路。这样设计既简化了电路又使系统具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。3.ds18b20温度转换分辨率系统中温度检测采用DS18B20传感器。DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的支持“一线总线”接口的温度传感器,它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点,可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理。其测温范围为-55〜+125℃,在-10〜+85℃时精度为±0.5℃,测量的温度值可以由用户选择设定用9〜12位表示,DS18B20的转换分辨率均可由用户设定。温度转换所需转换时间较短,最大转换时间为750ms,可以设定温度超标报警的上、下限值,在温度超限时发送报警信号。4.电源电极与电极布置本系统使用LCD12864液晶显示屏显示液位的实际高度、报警值和环境温度值。采用LCD12864的串行控制方式,LCD的第1脚(GND)接电源地,第2脚(VCC)接电源正,第3脚(VO)是液晶显示对比度调节端,第4脚(CS)串行控制方式片选接于单片机的P2.0口,第5脚(SID)串行控制方式的数据口接于单片的P2.1口,第6脚(SCLK)串行控制方式的同步时钟信号与单片机的P2.2口相连,D0〜D7是数据口,第15脚(PSB)并/串选择:H并行,L串行,第17脚(RST)复位,低电平有效,第19脚(BLA)和第20脚(BLK)是背光电源正极与负极。5.蜂鸣器的驱动系统采用电磁式蜂鸣器和LED进行超限报警。通过单片机AT89S52的P2.7口连接一个1kΩ电阻,再接至PNP型晶体管的基极来驱动蜂鸣器。当P2.7口输出一定频率的脉冲信号时,晶体管在导通与截止两种状态之间转换,这样就会产生一定频率的变化电平使蜂鸣器发出报警声。P2.3口、P2.4口或P2.5口根据超限情况,让某一颜色的灯按一定的频率闪烁(红灯:超过上限值;黄灯:超过下限值;绿灯:正常)。软件的设计及分析图2是软件设计的总体框图。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。软件设计的主要思路是:首先进行系统初始化,然后输入设定初值,接着发射脉冲串,计时以及计算液位的距离和温度等数据后再进行数据处理显示。本系统软件的模块由按键功能模块、超声波发射模块、DS18B20温度补偿模块、LCD12864显示模块,延时子程序模块组成。1.接触其他操作本程序设计功能键按下之后才能进入设置状态是为了防止不小心触碰到其他按键而导致程序停止。进入调节上限值时,可以通过加按键和减按键调整所需要的值,设置完成后通过按下确认键,就可退出设置状态,程序继续运行。2.断信号的产生单片机产生40kHz的方波信号,同时定时器T1也开始计时,等待中断信号(超声波接收头收到40kHa超声波信号会使INT1产生一个低电平)。接收到中断信号后,单片机就停止计时,同时计算出距离值,进行距离补偿后把数据保存起来,然后重复上面操作两次,分别计算出距离值。3.基于数字码的温度测量由于温度传感器DS18B20采用单总线协议,即与单片机接口仅需占用一个I/O端口,无须任何外部元件,而直接将环境温度转换成数字信号,以数字码方式串行输出。方便进行多点温度测量,具有微型化、低功耗、高性能,抗干扰能力强,易配微处理器等优点。当传感器检测外界温度与合适温度温差较大时,就会进行温度补偿。4.读/写检测本系统是采用串行控制方式。原则上每次对控制器进行读/写操作之前,都必须进行读/写检测,确保读写操作使能为0。实际上,由于单片机的操作速度低于液晶控制器的反应速度,因此可以不必进行读/写检测,或只进行简短的延时即可。串行控制数据或是指令发送都是分成高4位和低4位再分别补零进行操作。5.控制延迟程序延时程序是为了方便程序中要运用到短暂的延时,不必每次需要延时的时候重新写一次,把延时程序也写成一个函数模块,每次要用到延时程序时,只需调用延时程序就可以了。结果与分析为了验证系统的准确性、可靠性以及温度对其影响,在不同的条件下对系统进行分组实验测试。1.温度对超声波传播的影响测量温度:29℃。测量方法:利用三角尺测量的实际值和系统的测量值一并记录进行比较。在29℃的环境温度下的测量结果如表1,可以看出实际值与测量值之间最大误差值为0.1mm,所以在温度29℃时精确度是较高的。测量温度:30℃。测量方法同上。在30℃的环境温度下的测量结果如表2,可以看出实际值与测量值之间存在的最大误差值为0.4mm,所以温度的不同对测量结果有着不同的影响。理想环境下,超声波在一种介质中的传播速度保持不变,但是随着温度的变化,超声波的速度也相应地发生变化。在常温下,温度变化1℃,超声波的速度就会变化0.607m/s。这样测量300mm的距离就会产生约0.5mm的误差,由于声速随温度的变化较剧烈,将产生比较大的误差。因此,需要注意环境温度的变化,及时修改计算公式中的声速值,以便获得更精确的测量结果。系统用温度传感器DS18B20实测温度来进行声速补偿从而克服温度变化带来的误差。2.温度4:30