1、河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要超声波的液位测量系统学生姓名: 指导教师：所在学院： 专 业： 2012 年 5 月河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要I摘 要液位测量广泛应用于石油、化工、气象等部门。超声波液位计是众多液位计中发展较快、应用较多的一种液位测量仪表。利用超声波测量液位是一种有效的非接触式测量方法，可广泛应用于各种需要测量的场合。近年来，随着高速数字信号、计算机、微电子、传感器等高新技术的应用与研究，超声波液位计的研究得到了长足发展。本文详细介绍了了超声波的物理特性、超声波液位测量技术的基本原理和实现方法，在借鉴和吸收国内外超声波液位测量技术的基础上设计了基于 AT89C
2、51 的超声波液位计的硬件系统和软件系统，并就可能出现的干扰和影响进行了分析和给出了相应的解决方法。关键词： 超声波 测距 液位传感器河南城建学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTIIABSTRACTMeasurement is widely used in the fields of oil industry,chemical industry and meteorology.Among all the level measurement instruments,Ultrasonic level measuremen instrument is developed faster and
3、used more widely.Distance measurement by ultrasonic is an effective and non-trouching method,and be used in agreat variety kinds of fields that need to find range or ascertain location parameters.In recent years with the high development of high speed digital processing and micro-processor ultrasoni
4、c level measurement instrument has obtained a great advancement. The paper introduces deeply the physical characteristic of the ultrasonic and the basic principle and the realizing method of the ultrasonic level measurement technology.On basis of absorbing and referring to the domestic and foreign a
5、dvancedultrasonic level measurement technology,the hardware and software are designed which is based on ATMEGA128.Also the paper analyzes thoroughly some interference and influence which may be in the measure system and gives solutions.Keywords: Ultrasonic Range finding Level sensor河南城建学院本科毕业设计（论文）
6、目录III目录摘 要 .IIABSTRACT .III目录 .IV前言 .VII1 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 论文研究内容 .22 系统的方案设计与论证 .42.1 系统整体方案的设计 .42.2 系统整体方案的论证 .73 超声波液位仪的理论基础和工作原理 .83.1 超声波液位仪理论基础 .83.2 超声波液位仪工作原理 .113.3 本章小结 .124 硬件总体设计 .134.1 超声波液位仪总体设计 .134.2 单片机电路 .144.3 超声波发射电路 .194.4 超声波接收电路 .21河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录IV4.5 显示电路 .224.6 蜂鸣报警
7、电路 .254.7 温度补偿电路 .254.8 对电路板进行合理的设计 .265 系统软件设计 .275.1 软件总体设计 .275.2 本章小结 .316 结论与展望 .326.1 本章小结 .33结论 .34参考文献 .35致谢 .37附录 I.38附录 II.39河南城建学院本科毕业设计（论文） 前言V前言工业生产中，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、
8、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。设计针对液位检测的实际问题,开发了一种基于单片机的超声波液位检测仪深入讨论了用超声波作为信号源进行液位检测的可行性及优越性，产生误差的各种原因，提出了相应的解决办法。 超声波液位检测仪以单片机 AT89C51 单片机最小系统为核心，利用超声波作为检测信号的手段，对液位进行检测和数据处理，减少了测量过程中的人工干预，方便了工作人员对液位检测的实时监控。该系统硬件电路设计包含了超声波发射电
9、路、接收电路、LED 显示电路、电源电路等。软件设计中，采用模块化程序设计思想。 在设计中，由于需要测量的距离范围从几厘米到几米，针对超声波振幅在传播时呈指数衰减的特性，最大限度地提高驱动能力，对回波进行放大，达到了设计要求。河南城建学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 01 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
10、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，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
11、其功能。由于超声波液位仪需要测量几厘米到几米距离，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、以及其它的各种功能。 在软件设计中，我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。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、各具特色的液位河南城建学院本科毕
12、业设计（论文） 1 绪论 1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。液位仪的量程从几厘米到几米，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。 目前，进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
13、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。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 AT89C51 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
14、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(310 8m/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。超声波液位测量方法与其它的液位测量方法相比，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
15、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。 速度的河南城建学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 2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：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，
16、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。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 319 325 323 338 344 349 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
17、研究内容和章节安排如下： 第一章：介绍本设计的背景与意义，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。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：结论与展望河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 系统的方案设计与论证 42 系统的方案设计与论证2.1 系统整体方案的设计由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远
18、，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用 AT89S52 单片机作为控制器，用动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。2.1.1 设计方案一（发射部分）通过 NE555 振荡器设计出振荡电路，产生 40KHz 的脉冲在通过CD4069 的驱动作用于超声波发射探头上（如图 2-1） 。（接收部分）将超声波探头接收到的正弦 40kHz 超声波信号（其 VPP 为50mV）通过 LM324 运放三级放大以及整形以后产生 VPP 为 3.5V 的梯形波信号，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序（如图 2-2） 。图 2-1 555 超声波发射电路原理图
