超声波液位仪的设计_毕业设计(编辑修改稿)

超声波液位仪的设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

NDGNDGNDP15P16P17RST3 4U4BSN74LS04D1 2U4ASN74LS04D5 6U4CSN74LS04D89U4DSN74LS04D1011U4ESN74LS04DLS1TX(F)R81K1KR9VCCP101 2 3 4 5 6 7 8J4 CX20206LS4RX(S)C111044K7R14C10C17C6330P200KR15220KR16C9473VCCP32IN12OUT3GNDU778051KR30 D1POWERD22061000uF/25VC16123J3POWER104C8VCC470uF/25VC15104C7S1SWPBS2SWPBS3SWPBS4SWPB10KR510KR610KR710KR8VCCP20P21P22P23 超声波液位仪硬件设计 单片机电路 作为超声波液位仪系统的核心部件，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，对于智能仪表所开发的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 MCS51 核心技术相结合，形成了 AT89 系列单片机 [16]。 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能， CMOS 8 位单片机，片内含 4K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器和 128 位的随机存取数据存储器（ RAM） ,器 件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，内置通用 8 位中央处理器（ CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 A。 T89C51 单片机的高性价比，可灵活应用于各种控制领域。 按设计要求，根据超声波液位仪原理，以 AT89C51 单片机系统为核心电路，开发超声波液位仪。 它的部分引脚具体说明如表 ： 表 单片机部分引脚介绍 名称 管脚名 类型 名称和功能 DIP LCC QFP GND 20 22 16 I 地 Vcc 40 44 38 I 电源：提供掉电、空闲、正常工作电 压 RST 9 10 4 I 复位：当晶振在运行中，只要复位管脚出现 2 个机器周期高电平即可复位，内部有扩散电阻链接到 Vcc 即可实现上电复位。 XTAL2 18 20 14 O 晶体 2：反向振荡放大输出 XTAL1 19 21 15 I 晶体 1：反向振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入 /PSEN 29 32 27 O 程序存储使能：当执行外部程序存储器代码时， /PSEN 每个机器周期被激活两次，在访问外部数 据 存储器时， /PSEN 无效，访问内部程序存储器时 /PSEN 无效。 /EA/VPP ALE 31 35 29 I 外部寻址使能 /编程电压：在访问整个外部程序存储器时， /EA 必须外部置低。 如果 /EA 为高时，将执行内部程序，除非程序计数 器包含大于片内 FLASH 的地址。 该引脚在对 FLASH 编程时接 5V/12V 编程电压。 如果保密位 1 已编程， /EA 在复位时由内部锁存。 ALE 30 33 27 0 地址锁存使能：在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下， ALE 输 出信号恒定为 1/6 振荡频率。 并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个 ALE 脉冲将被忽略。 复位电路 AT89C51 的上电复位电路如 图 所示 ，只要在 RST 复位输入引脚上接一电容至 Vcc 端，下接一个电阻到地即可。 对于 CMOS 型单片机，由于在 RST 端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至 1181。 F。 上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给 RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着 Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即 RST 端的高电平持续时间取决于 电容的充电时间。 为了保证系统能够可靠地复位， RST 端的高电平信号必须维持足够长的时间。 上电时， Vcc的上升时间约为 10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为 10MHz，起振时间为 1ms；晶振频率为 1MHz，起振时间则为 10ms。 在图 的复位电路中，当 Vcc 掉电时，必然会使 RST端电压迅速下降到 0V 以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。 另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“ l”态。 如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器 PC 将得 不到一个合适的初值，因此， CPU 可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。 10KR32+C19GNDVCCVCCRST/VpdGND 图 （上电复位） 电源电路设计 电源是整个系统的能源中心，系统中所有器件的运作都需要电源来提供能量，因此系统电源的质量在很大程度上影响到单片机系统的稳定性。 交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压，如图 所示： 图 电源电路设计框图 直流电源的输入为 220V 的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压降压后，再对交流电压进行处理。 变压器副边与原边的功率比为 P2/ P1=η，η 是变压器的效率。 滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分减少，输出恒稳的直流电。 常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。 各滤波电容 C 满足公式（ ）： RC=（ 3～ 5） T/2 () 式中 T 为输入交流信号周期， RC 为整流滤波电路的等效负载电 [21]。 电源电 路设计，如图 所示。 变压器 整流电路 滤波电路 稳压电路 IN12OUT3GNDU778051KR30 D1POWERD22061000uF/25VC16123J3POWER104C8VCC470uF/25VC15104C7图 电源电路 H7805 系列为 3 端正稳压电路 ,TO220 封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。 内含过流、过热和过载保护电路。 带散热片时，输出电流可达 1A。 虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。 结构如图 ， 电气特性极限值 如图 所示。 图 H7805 引脚图 表 芯片 H 7805 的电气特性 极限值（ Ta=25℃） 参数名称 符号 参数值 输入电压 (VO=518V) VI 35V 热阻（结到壳） RQJC 5℃ /W 热阻（结到空气） RQJA 65℃ /W 工作结温范围 TOPR 0125℃ 贮存温度范围 TSTG 65150℃ 时钟振荡器 晶体振荡器 ,以下简称晶振 ,是基于晶体的压电效应原理制造而成的。 当在晶片的两面上加交变电压时，晶片因反复的机械变形产生振动，而这种机械振 动又会反 过来产生交变电压。 当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其它频率下的振幅大得多，并且产生共振，这种现象称为压电谐振 .晶振发生振荡必须附加外部时钟电路 ,一般是一个放大反馈电路 ,只有一片晶振是不能实现震荡的，于是就有了时钟振荡器。 将外部时钟电路跟晶振放在同一个封装里面 ,一般都有 4 个引脚 ,两条电源线为里面的时钟电路提供电源 ,又叫做有源晶振 ,时钟振荡器 ,或简称钟振 .好多钟 振一般还要做一些温度补偿电路在里面 ,让振荡频率能更准确。 设计中使用 12MHz 的晶振，通过单片机内部 6 分频，发生 2MHz 的 ALE 信号，经过超声波发射电路，获得探头所需的 40kHz 的频率。 XTAL1 和 XTAL2 分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出端。 这个振荡器可以使用石英晶体，也可以使用陶瓷谐振器。 本系统使用 12MHz 的石英晶振作为系统的时钟源。 晶体的连接方式如图 所示。 电容 C1 和 C2 起去除噪声的作用，且应保持两个电容的值一样。 本系统电容值 C20=C25=20PF。 20pFC2020PFC2512XT112MGNDGNDXTALA1XTALA2 图 晶体振荡器的连接 超声波发射电路原理图如图 所示。 发射电路主要由反相器 74LS04 和超声波发射换能器 T构成，单片机 端口输出 40kHz 的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，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。 输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。 上位电阻 RR9一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，缩短其自由振荡时间。 3 4U4BSN74LS04D1 2U4ASN74LS04D5 6U4CSN74LS04D89U4DSN74LS04D1011U4ESN74LS04DLS1TX(F)R81K1KR9VCCP10 图 超声波探头 超声波探头是发射和接收超声波的仪器。 本系统超声波发射探头采 用 T4016，超声波接收探头采用 R4016，外形如图 所示，参数如表 所示。 图 表 超声波探头参数 中心频率（ KHZ） 40177。 1 声压 ((dB)) ≥ 115 灵敏度 (dB)) ≥ 64 方向角（176。 ） 6066 分辨率 (mm) 99 检测距离 (m)() 主要直径尺寸 (mm) 外径 高度 内径 采用收发分体式超声波探头，有以下优点：发射角小，发射距离远，而且余震对接收探头的影响小，降低了调试 的复杂性，提高了系统安装的灵活性，减小了盲区，同时提高了检测距离。 74LS04 六反向器 这里采用 74LS04来提高驱动的功率，以使超声波发射信号足够大，提高测量距离。 74LS04内有六个独立的反向器，每个反向器都可执行逻辑的反向操作，它还可构成振荡器，进行脉冲整形和小信号的电压放大等。 其中一个非门用来为驱动器的一侧提供 180176。 的相移信号，另一侧由相内信号驱动，这种结构使驱动电压提高一倍。 为提高超声波探头的驱动电压，采用两个 74LS04并联的形式。 74LS04是六反向器，其内部结构如图 图 74LS04 内部结构 74LS04六反向器的主要电特性的典型值如表。 表 74LS04主要电特性 输出由低到高传输延迟时间 TLHP（ ns） 输出由高到低传输延迟时间 TPHL（ ns） 电压（ V） PD（ mW） 最小电压 额定电压 最大电压 9 10 5 12 接收电路 由于超声波在空气中传播，其能量会随传输距离的增大而减小，从远距离障 碍 物反 射的回波信号一般比较弱 (接收电压为 mv级 )，所以在设计超声波接收电路时，要有较大的放大倍数。 为减小环境噪声对回波信号的影响，也要考虑选用滤波特性较好的电路，使回波易于检测。 超声波接收电路使用了集成电路 CX20206A。 CX20206A是 日本索尼公司生产的红外遥控系统中作接收预放用的双极型集成电路， 红外线检波接收的专用芯片，常用于 电视机红外遥控接收器。 考虑到红外遥控常用的载波频率 38 kHz与测距的超声波频率 40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路 (如 图 )。 实验证明用 CX20206A接收超声波 (无信号时输出高电平 )，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。 适当更改电容 C4的大小， 可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力 CX20206A的 内电路框图及信号流向 如 (a)所示 ， 引脚 如 （ b） 所示。 图 CX2OIO6的内电路框图及信号流向 和引脚 CX2O106A是一块 8脚单列直插式超小型塑封结构的 IC，其各引脚功能及外接元件的作用见表。