基于单片机的液位监控系统毕业设计

基于单片机的液位监控系统毕业设计内容摘要：

或超声波探头。 常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器域称压电式超声波探头 )和磁致式超声波传感器。 本论文采用的是压电式超声波传感 器，主要由超声波发射器 (或称发射探头 )和超声波接收器 (或称接收探头 )两部分组成，它们都是利用压电材料 (如石英、压电陶瓷等 )的压电效应进行工作的。 利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。 而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。 河南理工大学 毕业设计（论文）说明书 9 一般压电式超声波换能器有两个共振频率 :低频共振频率叫串联共振频率 (ƒτ)，此时阻耗 (R)最小，用于发送超声波。 高频的共振频率称为逆共振频率 (ƒa)，主要是产生共振，用于接收超声波。 而在串联共振频率 (ƒτ)处发送灵 敏度最高，在逆共振频率 (ƒa)处接收灵敏度最高。 所以选用一对超声波换能器，使其效率最高。 超声波传感器产生振荡的方法很多，主要有以下几种阿 : （ 1） 由外部电路产生振荡，如 NE555低频振荡器调制 40kH之的高频信号，高频信号通过超声波传感器以声能形式辐射出去。 (2) 使用工业用小功率超声波收发控制集成电路 LM1812驱动发送超声波传感器振荡。 (3) 采用单片机内部的定时器或直接使用程序产生固定的脉冲，通过放大处理后驱动发送超声波传感器产生超声波 . 河南理工大学 毕业设计（论文）说明书 10 3 超声波 液 位监控 系统 硬件 设计 系统总体方案 设计 本文设计 的 超声波液位监控系统 工作原理框图如 图 31 所示。 该系统由 AT89C2051 单片机、超声波发射电路、接收放大电路、环境温度采集电路、报警电路、控制键盘 、控制电路 及显示电路组成。 AT89C2051 单片机是整个系统的核心部件，协调各部件的工作。 发射驱动模块振荡源和放大驱动电路，单片机控制发射模块产生 40kHz 的频率信号来驱动超声波传感器，每次发射包含 若干 个脉冲（发射持续约 ），当第一个超声波脉冲发射后，计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，这样就能够得到从发射到接收的时间 Δ t；温度采集电路也将现场环境温度数据采集送到单片机中，提供计算距离时对超声波传播速度的修正。 最终单片机利用公式 s = 12vΔ t 和 v = + 计算出被测距离，然后与系统预设距离比较，如果小于预设 最低液位或者大于预设最高液位，单片机进行液体流入流出自动控制；当液位变化过快或者其他单片机无法进行液位控制的情况下，单片机启动报警电路通知工作人员进行人为 干预。 完成 这些步骤进行第二次超 声波发射。 在这过程中单片机显示电路不断的更新显示 的 液位 值。 其中控制键盘可以控制系统的 液位变化范围 （最高液位 h1 和最低液位 h2） 和报警参数 h（ 超出 极限 低 液位 或 极 高发射驱动 超声波接收处理 单 片 机 LED 显示 控制键 盘 温度传感器 图 31 液位监测系统框图 报警电路 控制电路 河南理工大学 毕业设计（论文）说明书 11 液位认为单片机不能完成自动控制 ）。 超声波测距系统的硬件设计 超声波频率 的 选择 超声波发散角 随频率的增加而增加，这样使用双探头时将会有更多的绕射波被接受，所以超声波频率不易太高 ；超声波测距的有效距离与超声波的频率成反比，频率越低有效距离越大， 40Hz的超声波一般有效测距范围为 6~10米 ， 超声波测距精度和超声波频率成正比，因此频率过 低会影响测距精度，根据一般工业需要，结合其它因素， 本系统采用 40 KHz左右的频率。 单双探头的选择 如果使用单超声波探头，将会影响最小测量距离，而且 可能会在转换时有噪声产生。 因此本系统采用收发分离双超声波探头。 超声波 发射电路 （ 1） 超声波发射电路功能 发射电路目的 :为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号依据电路需要，发射电路满足下列要求 : ① 振荡电路振荡频率可调 ② 驱动能力较高 ③ I/O口控制口 （ 2） 超声波振荡电路 当加载在超声波传感器的两端的信号频率与其固有频率为同 一频率时，发生共振，电信号电能能高效率的转化为机械声波机械能。 一般厂家生产的超声波传感器标识的固有频率是 40KHz，实际有偏差，如 40士。 故设计可调频率振荡电路，以便将信号频率调到超声波传感器的固有频率上。 荡电路有多种设计方案，方案选择如下 : 河南理工大学 毕业设计（论文）说明书 12 方案一 :利用非门或与非门和电阻一起构成振荡电路 ，如图 32所示 ， 图 32 非门和电阻 、电容 组成的振荡电路 这个电路组成的是 最简单的振荡器 ， 这种振荡器特点是 :T≈ (～)R C，且 电源波动将使频率不稳定，适合小于 100KHz的低频振荡情况。 此 振荡是上电振荡，不方便控制。 方案二 ： 采用两三极管和电阻电容构成的振荡器如图 33所示， 方案三 ： LC三点振荡电路如图 34所示， 图 33 三极管和电阻电容构成的振荡器 河南理工大学 毕业设计（论文）说明书 13 方案四 ： 555芯片组成振荡电路 ，如图 35所示。 555芯片振荡电路，外围元件少，电路简单，振荡频率可调，可产生方波和三角波，可调整波形占空比，在很多电路中都用到 ， 如图 35所示。 图 34 LC三点振荡电路 图 35 555芯片组成振荡电路 河南理工大学 毕业设计（论文）说明书 14 上面几 个 振荡电路 都是 很实用 的电路 ，外围元件少 ， 电路简单，芯片驱动能力大，振荡输 出的信号为 方波信号。 考虑系统需要和方便 ，本文中的振荡电路 选方案 四 ，用 555芯片和外围 元件 构成振荡电路 ， 此电路 稳定且易控制。 本文中采用 的 555 芯片振荡电路 , 频率的计算如下： RA =、 RB=15KΩ、 C=1000pF TL = RBx C = 1012= 10μsec TH= x(RA + RB)x C = x x 103 x 1000 x 1012 = 11μsec f = 1/(TL + TH) = 1/(( + ) x 106) = KHz （ 3） 超声波驱动电路原理图 驱动电路目的 :为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号。 驱动电路要求产生出具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去激励发射器，由发射器将电能转换为超声机械波机械能。 驱动电路有 几 种方案 ，如下： ① 采用专用芯片驱动。 ② 由分立元件组成的驱动电路，其价格便宜，元件普通，调试方便。 ③ 采用变压器提升电压，增加驱动能力。 ④ 采用非门并接利用芯片的驱动能力。 声波在空气中传播受空气介质影 响，距离越大衰减越大。 为能接收远距离得回波，采取有效措施有 :增加驱动功率 ， 减小声波频率 (频率越低，衰减越慢 )。 本文采用变压器升压增加驱 动能力。 整个发射电路 由 555 振荡电路、晶体管放大电路、变压器以及 压电超声波传感器组成。 40kHz 振荡信号由河南理工大学 毕业设计（论文）说明书 15 555集成块和周围电路产生 ,然后送至放大电路驱动压电传感器 发出一系列的脉冲群 ,每一个脉冲群持续时间大约为 左右。 信号经过三级管放大 ,再经过阻抗匹配电路即变压器 (变压器输入输出比 1∶ 10 ) 后 ,驱动超声波发射头 ,发射换能器两端就加上了高电压 ,内部的压电晶片开 始震动 ,经过压电换能器将发出 40kHZ 的脉冲超声波。 具体电路 如图 36 所示。 图 36 超声波发射电路 超声波的接收和处理单元 (1)超声波接收电路功能 根据电路需求，需要接收放大电路满足以下要求 : ① 微弱信号放大，放大倍数要求 从 mv到 V， ② 波形整形。 如 图 37所示，超声波接收器将接收到回波信号转换成电压信号 (正弦波 )，信号经过两级放大以后，被送入电压比较器进行比较，电压比较器输出的方波信号直接输入 INT0中断口，该低电平作为 AT89c51外部中断 0的中断信号使 AT89C51产生中断 ，在中断服务程序中停止计数器 T0的计时，并计算出有关数据。 由此可见，接收电路完成了超声波回波信号的换向识河南理工大学 毕业设计（论文）说明书 16 别、转换、信号的放大和整形以及产生中断信号等功能。 如图 37进行波形处理。 图 37 接收电路信号变化关系图 （ 2）超声波接收电路电路 微弱信号需要放大整形，因此接收部分电路主要由放大电路、电压比较电路构成。 根据所用的 T/R4016型超声波传感器的资料以及在实验中所观察到的现象，超声波发射器在发射超声波时，有一部分声波从发射器直接传到接收器，这部 分信号直接加到回波信号中，干扰回波信号的检测。 此问题在软件中处理。 超声波接收电路将接收换能器输出的微弱信号，进行滤波、放大、检波、整形，来得到大幅值电信号，供单片机 INT0端口辨识。 接收电路可采用新产品专用集成电路，也可用传统的滤波、放大、检波、整形的电路。 过去均采用分立元件构成，现在可以用 专用超声波接收 集成电路来代替。 河南理工大学 毕业设计（论文）说明书 17 还可以 使用价格便宜的极普通的 Mpc08C作为超声波的放大电路，采用独特的连接方式，可获得非常好的应用效果。 通过比较几个电路，用集成芯片固然能简单快捷，外围元件少，但是通过多级运放作为放大 电路能改变放大倍数，能适应小信号的采集。 综合因素考虑，本论 文 中采用图 38所示的电路 ，即采用运算放大器 TL084CN构成放大电路 :当频率为 40KHz时，理论上极限放大约 1000倍，但实际 工作中不可能让放大器工作于极限 状态，放大倍数过高，易产生自激振荡。 因此采用两极放大，每级放大倍数。 ① 放大电路两级放大，放大倍数分别为 4。 ② 在此电路中 R108并接接收器两端，其目的取微弱信号为电压信号，供放大电路放大，放大电路的输入阻值为 18M，远远大于 100K，灵敏度高，放大电压幅值为 1V,士 1V随距离远近而变化。 ③ C108连接前后两极放大，阻两极间直流，通两极间交流。 ④ 运放芯片采用 TL084，供电电压为 9V，单电压供电。 ⑤ 在接收器的输入端接入 更有利于放大，除去不必要的干扰。 图 38 由 TL084集成运放两级放大接收电路 ⑥ 比较电路的设计 比较电路目的 是 将 mV级的微弱信号放大后的 V级信号整形成能为INT0辨识的脉冲信号，本文是下降沿引起中断。 根据硬件电路的设计思想，河南理工大学 毕业设计（论文）说明书 18 要将回波信号转换成 CPU识别的高低中断信号，所以在对回波 信号 (正弦波 )经过两次放大以后，需要将正弦波整形成方波，于是后 面接 了一个电压比较电路。 考虑 输入频率为 40KHz， 采用了集成电压比较器 LM393。 LM393具有低偏置电流和失调电流 (典型值分别为 100nA和 6nA)， 其响应速度为200ns。 可用单电源供电 (如 +5V)，也可用双电源供电 (如 177。 12V)。 在本系统中采用了 +5V单电源供电。 通过实验观察， LM393输出信号符合设计要求，单片机 INT0端口识别引脚 1处标准下降沿。 具体 电路 如图 39所示。 图 39 LM393构成比较电路 如图 39所示，放大后的信号 由 LM393第 2脚进入，在第 3脚是 +一个电容电阻接入的比较基准电压，由于 R2电阻可调， 4即根据输入的信号可以调节基准电压。 可以有效地防止千扰。 LM393是 +9V(可调 )供电，需要在输出端口接上一个上拉电阻 R3，该电阻由 +5V供电，将 +9V高电平拉低到 +5V高电平，供单片机 INTO端口识别。 完整的超声波接收和处理电路，如图 310所示。 温度补偿单元 （ 1）补偿目的 声波在介质中的速度受介质、介质温度影响。 在本课题中，介质是空河南理工大学 毕业设计（论文）说明书 19 气，空气颗粒较小，对超声波衰减影响较小，忽视其带来 的影响，但空气温度变化影响较大，不容忽视。 图 310 超声波的接收和处理电路 （ 2） DS18B20 简介 DS18B20是美国 DALLAS半导体公司继 DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。 与传统的热敏电阻相比 , 他能够直接读出被 测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9～ 12位的数字值读数 表 方式。 可以分别在 93175ms和 750ms内完成 9位和 12位的数字量 , 并且从 DS18B20读出的信息或写入 DS18B20的信息仅需要一根口线 (单线接口 ) 读写 , 温度变换功率来源于数据总线 , 总线本 身也可以向所挂接的 DS18 B20供电 , 而无需额外电源。 因而使用 DS18B20可使系统结构更。