1、学士学位毕业设计（论文）超声波液位仪的设计学生姓名：指导教师： 所在学院： 专 业： 目 录 摘要. IABSTRACT . I前言. I1 绪论 . 1 1.1 课题背景.1 1.1.1 超声波液位仪的研究背景与内容 .1 1.1.2 超声波液位仪的现状 . 1 1.2 论文研究内容 . 2 1.2.1 研究内容 . 2 1.2.2 论文的章节安排 . 3 2 超声波的液位测量原理 .5 2.1 超声液位仪理论基础 . 5 2.1.1 超声波介绍 . 5 2.1.2 超声波探头的结构和原理 . 5 2.1.3 T/R40-16 超声波探头 . 7 2.1.4 传感器的指向角 . 8 2.2
2、超声波液位仪工作原理 . 9 2.2.1 超声波液位仪工作原理 . 9 2.2.2 测量盲区 . 10 2.3 本章小结 . 11 3 硬件总体设计 . 12 3.1 超声液位仪总体设计 . 12 3.2 单片机电路 . 14 3.2.1 复位电路设计 . 15 3.2.2 电源电路设计 . 16 3.2.3 时钟振荡器 . 17 3.3 发射电路 . 18 3.4 接收电路 .19 3.5 液晶显示电路 . 20 3.6 蜂鸣报警电路. . 21 3.7 对电路板进行合理设计. 23 3.8 本章小结 . 25 4 系统软件设计 . 26 4.1 软件总体设计 . 26 4.1.1 软件设计
3、流程图 . 26 4.1.2 主程序结构流程图 . 27 4.1.3 回波接收流程图 . 29 4.1.4 中断程序流程图 . 29 4.1.5报警系统子程序. 304.2 本章小结 . 39 5 实验结果分析及改进. 40 5.1 实验结果分析 . 40 5.2 误差分析及改进措施. 47 5.3 本章小结 . 48 6 结论与展望.48总结. 49 参考文献. 49致谢. 55 附录一：超声波液位计电路原理图. 55附录二：超声波液位仪 PCB 板图. 55附录三：程序清单. 55第一章 绪论1.1 课题背景 1.1.1 超声波液位仪的研究背景与内容 超声波液位仪作为一种典型的非接触测量仪
4、器，在很多场合有广泛的应用，诸如工业自动控制，建筑工程测量和水面高度测量等方面。与激光测距、微波测距等测量方法相比，由于超声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波，时间测量精度的要求也远小于激光测距、微波测距等，因而超声波液位仪电路结构简单，造价低廉，容易设计，且超声波在传播过程中不易受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各个场合均得到广泛应用。然而超声波液位仪在实际应用中也有很多局限性会对测量数据的精确度造成一定的影响。诸如，环境温度、风速等，使其无法达到要求。如何解决这些问题，提高超声波液位仪的精度，具有较大的现实意义。 目前，市场上的超声波液位仪多数采用单片机作为对液位仪控制和运算的核心，
5、系统的硬件设计决定着测量结果的精度。本文在对超声波传播特性研究的基础上，设计了基于单片机的超声波液位仪的硬件系统和软件系统，并对硬件和部分软件分别进行了相关的调试。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。由于超声波液位仪需要测量十几米距离，因此，针对超声波在传播时呈指数衰减的特性，我们采用了最大限度提高驱动能力、对回波进行多级放大等措施，扩大了测量范围。本设计运用单片机系统控制超声波的发射、接收、温度测量以及其它的各种功能。 在软件设计中，我们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。这有利于软件的调试和修改。因为对计算的精度要求较高，所以本
6、设计采用温度补偿和数字平均滤波的方法提高计算精度。另外，对设计过程中发现和存在的一些问题从软、硬件两方面 ，分析了原因并提出了一些解决的措施和改进的办法，为研制更加完善的超声波液位仪打下了基础。 1.1.2 超声波液位仪的现状 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。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。液位仪的量程从几米到十几米，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，选择不同类型的液位仪。在进行液位测量前，必须充分了解液位测量的工艺特点，以此作为液位仪设计过程中的参考因素 5。 目前，进
7、口的智能化超声波液位仪能够对接收信号做精确的处理和分析。可以将各种干扰信号过滤出来，识别多重回波;分析信号强度和环境温度等有关信息。这样即便在有外界干扰的情况下，也能够进行精确的测量。超声波液位仪不仅能定点和连续测量液位，而且能方便地提供遥测所需的信号。同时，超声波液位仪不存在可动部件，所以在安装和维护上相应比较方便。超声测位技术可适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性。新型气密结构、耐腐蚀的超声波探头可测量十几米的液位 3。 1.2 论文研究内容 1.2.1 研究内容 进口的液位仪功能齐全，精度较高，但是价格比较昂贵且维修不是很方便。对于小型用户来说，不是理想之选。而国内
8、自行研制生产的液位仪价格相对便宜，但精度不高，功能相对单一。为了设计出价格便宜，精度较高的超声波液位仪，本设计采用 AT89S51 为核心的单片机电路，同时使用双探头的方式发射和接收超声波，基于超声波测距的原理，算出液位的高度。除此之外，也可以使用数字平均滤波的方式来提高数据的精确度。因为超声波在空气中的传播速度大约为 334m/s(常温下)，在同一介质中其传播速度相对恒定，与激光的速度(3108m/s)相比，它的传播速度要慢得多，所以对超声波信号的处理较为容易。因此，这也体现了超声波测距的独到之处，加之其成本较低，所以超声波是比较理想的信号源 2。超声波液位测量方法与其它的液位测量方法相比，
9、不易受光线、被测对象颜色等因素影响，利用这样的特性，一般将仪器放置于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境之中。同时超声波探头具有结构简单、价格便宜、体积小、信号处理可靠等特点。综合而言，超声波液位仪具有非接触、精度较高、实时测量、可靠性强等优点，较为适合国内市场。本篇论文研究的主要内容是基于超声波液位仪的设计和提高精度方面的研究。为了提高数据的精确度，重点探讨超声波在测量水平面高度时所受到诸如温度，气候以及超声波强度衰减等因素的影响，以及采取相应的措施来减少误差。 速度的影响： 超声波在工业应用中的频率为 5kHz-5MHz，超声波探头到介质表面距离的计算公式如下：D= tC/2D：
10、探头到介质表面的距离t：声波的传播时间C：波的传播速率 由此可知，除了声波的传播时间的测量准确性，声波的传播速度起着决定性的作用，声速的变化取决于传播媒介的不同。在实际应用中，多种因素影响着传播媒介及声速。为了获得更加准确的测量结果，超声波液位仪可以由所处环境的不同来设定不同媒介的声速 6。温度的影响：如下表 1.1，温度的变化影响着声速的变化，在正常环境中温度的变化带给声速的变化为 0.17%。在实际应用中，由于探头周围环境，超声波传播媒介的温度以及被测介质的温度不尽相同。表 1.1 波速与温度的关系温 度（ ） -20 -10 0 10 20 30 10波速（m/s ） 319 325 3
11、23 338 344 349 3861.2.2 论文的章节安排 本文首先介绍了超声波液位仪测距的工作原理。接着基于测距原理，介绍了硬件设计。为了提高测量精度，我们又设计了一种以 51 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字的超声波液位仪系统。论文研究内容和章节安排如下：第一章：介绍本课题的背景与意义，研究的历史和现状。 第二章：重点讲解往返时间检测法测距的理论,以及对超声波探头的工作原理进行详细介绍。 第三章：超声波液位仪的主控制电路，重点介绍 51 单片机和外围电路的设计，以及各种器件的选择。特别是对相关传感器的介绍。 第四章：超声波液位仪的软件设计，包括软件流程图，以及程序代码的关键部分
12、。系统软件程序使用 汇编语言编写。 第五章：实验结果分析及改进第六章：结论与展望第二章 超声波的液位测量原理 2.1 超声液位仪理论基础 2.1.1 超声波介绍 超声波是一种人耳无法听到的、频率一般超过 20kHz 的声音,它具有以下特性： （1） 波长与辐射: 传播速度是用频率乘以波长来表示。电磁波的传播速度是 3108m/s,而声波在空气中的传播速度很慢，约为 344m/s。在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。 （2） 反射： 要探测某个物体是否存在，超声波应能够在该物体上得
13、到反射，由于金属、木材、混凝土、橡胶和纸等可以反射近乎 100 的超声波，因此我们可以很容易地探测到这些物体。由于布、棉花等可以吸收超声波，探测到他们将十分困难。另外，由于不规则反射，通常可能很难探测到表面震动幅度很大的物体。 （3） 温度: 声波传播的速度“V”可以用下列公式（2.1）表示： V=331.5+0.607t(m/s) （2.1 ）式中，t=温度（C） ，也就是说，声音传播速度随周围温度的变化有所不同。因此，要精确的测量与某个物体之间的距离时，始终检查周围温度是十分必要的。 （4）衰减: 传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是由于衍射现象上的扩散损失，和介质吸收能
14、量产生的吸收损失。 2.1.2 超声波探头的结构和原理 超声波探头是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能芯片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射，从而形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此这项技术广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以这种检测手段，必须发射超声波和接收超声波。能同时完成这种功能的装置就是超声波探头，也称为超声换能器 10。对应用于工业的超声波探头而言
15、，要求其精确度要达到 1mm，并且具有较强的超声波辐射。利用常规双压电芯片组件振动器的弯曲振动，在频率高于 70kHz 的情况下，是不可能达到此目的。所以，在高频率探测中，必须使用垂直振动模式的压电陶瓷。压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就显得十分重要，它的声阻抗为 2.6107kg/m2s,而空气的声阻抗为 4.3102kg/m2s。5 个幂的差异会导致在压电陶瓷震动辐射表面上的大量损失。负载压电陶瓷，它可以使超声波探头在高达数百 kHz 频率的情况下，仍能够正常工作。 压电型超声波探头的工作原理：它是借助于压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。超声波探头有两块压电晶片和一块共振板，给它的两级
16、加上脉冲信号，当其频率等于晶片固有频率的时候，压电晶片就会产生共振，并带动共振板一起振动，从而产生超声波。反之，如果电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时。将压迫两片电晶片振动，从而将机械能转换为电能，此时的探头就成了超声波接收器。 如图 2.1 所示，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是由谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电芯片构成。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射，并且可以使超声波聚集在振动器的中央部位 12。图 2.1 超声波探头2.1.3 T/R40-16 超声波探头 超声波探头选用 40kHz 的 T/R40-16 型压电陶瓷传感器，如图 2.3
17、 所示。当 T/R40-16 超声波探头在输入频率为 40kHz 时，各种特性呈现最佳状态。因此为了得到最佳效果必须使单片机输出方波的为 40kHz 7。图 2.2 超声波探头标号超声波探头的性能指标：中心频率 40kHz，发射声压大于 115dB，电容 2400 pF，允许输入电压 12V。其发射探头频率特性曲线图在中心频率 40kHz 处，超声发射器所产生的超声机械波最强，即在 f0 处所产生的超声声压能级最高。而在 f0 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 f0 的交流电压来驱动。同样，接收探头器在中心频率 f0 处输出电信号的幅度最大，即在 f0 处探头的灵
18、敏度最高。 2.1.4 传感器的指向角 超声波探头的指向角是声束半功率点的夹角，是影响液位仪的一个重要技术参数，它直接影响测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长，圆形传感器半径 r 有关。指向角 越小，空间分辨越高，则要求传感器半径 r 越大。由公式（2.2） ，可知 。 （ 2/ ) rsin( /2 )=1.615 （2.2） 选 f0=40kHz 时，C/f0=8.5mm。当 f0 选定后，指向角 近似与传感器半径成反比。指向角 愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径 r 愈大。鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下，选用国产现有压电传感
19、器片最大半径 r=6.3mm，故 =2arcsin(1. 615/2 r)=75，超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是 0时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为 40 80，如图 2.4 所示。 2.2 超声波液位仪工作原理2.2.1 超声波液位仪工作原理 超声波液位仪的基本工作原理是利用超声波传播时间和传播速度来确定液面距离。即所谓的脉冲回波方式 14。如图 2.5 所示，由超声波的入射和反射之间的夹角 ，可以计算出探头距液面垂直高度 L=Scos(/2 ),L 为超声波到液面的垂直距离，S 为实际距离，液位高度计算公式为: L=v t/2cos(
20、/2 ) （2.3 ）其中，v 表示超声波声速，t 表示超声波传播时间。单片机根据脉冲发射时间和接收的时间计算出时间差 t，即超声波在空气中传播的时间，并由式： S=1 /2Ct （2.4 ）计算出距离 S，式中参数 C 是超声波在空气中传播速度，因而设置温度传感器进行修正。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波液位仪专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过温度补偿和数字平均滤波的方法，可以将数据提高到毫米级。图 2.5 超声波液位原理图2.2.2 测量盲区
21、 由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区 。用脉冲回波测量距离时，液面与超声波探头间的距离既不能太远也不能太近，存在着近限和远限。距离过远时，接收到的信号太弱，以致无法从噪声信号中分辨出来，这是远限所以存在的原因。在距离过近时，接收信号将落进盲区中而无法分辨，这是近限所以存在的原因 17。 超声波液位仪在使用一个探头情况下，同时发射和接收超声波，由于在探头上施加的发射电压强达几十伏甚至上百伏以上，虽然发射信号只维持一个极短的时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定的余振，因此在一段较长时间内，加
22、载接收放大器输入端的发射信号幅值仍是相当强的，可以达到限幅电路，引起探头振动，不能进行正确的测量，在这种情况下，选用两个探头分别用于发送和接收。双探头方式，不仅可以增加探测距离，还可以减小盲区。由于发射探头上并不直接施加发射电压，所以，从理论上说，可以没有盲区。但是，由于接收电路多少会受到发射电路的感应，并且发射探头所发出的超声波可能有部分直接绕道接收探头，因此实际上仍存在一定的盲区，不过他要比单探头方式的盲区小很多。所以，在本设计中，选取了双探头的工作方式，减小盲区，同时提高检测的距离。 2.3 本章小结 本章介绍了超声波的特性，对超声波在传播过程中的衰减与声波所在介质等关系进行了分析，在超声波测量工作原理中，分析指出把超声波往返时间的测量转化对计数脉冲个数的测量。在下面的章节中，我们将进行具体的硬件设计。三章 硬件总体设计3.1 超声液位仪总体设计 超声波液位系统硬件电路主要由单片机系统、电源电路接收模块、LED 显示模块和报警模块等模块构成如图 3.1 所示。通过对系统各部分所需要的电压和电流的计算，来选择不同的电子器件，经过不断地测试，达到了硬件总体设计要求超。超声波液位仪硬件设计如图 3.2 所示。 微处理器超声波收发器超声波换能器超声波收发器超声波换能器键盘及显示电路液位控制电路图 3.1 超声波液位仪结构框图
