基于单片机的超声波液位测量系统本科生毕业设计论文

基于单片机的超声波液位测量系统本科生毕业设计论文内容摘要：

当浮力的大小发生变化时，变化值通过浮子传递给传感器，经过二次仪表显示出液位的数值。 浮子式液位装置具有结构简单、价格便宜等优点，但是浮子会随着液面的波动而波动，从而造成读数误差。 浮子测量装置的适用范围为非腐蚀液体的测量。 本科生毕业设计（论文） 4 ：伺服式液位计基于浮力平衡的原理，由微伺服电动机驱动体积较小的浮子，能精确地测出液位等参数。 现代伺服液位计的测量精度己达到 40m 范围内小于士 1 mm。 但是，由于伺服式液位计仍属于机械测量装置，存在机械磨损，影响了测量的精度，因此需要定期维 修和重新定标且安装困难。 ：电容液位传感器是利用被测对象物质的导电率，将液位变化转换成电容变化来进行测量的一种液位计。 与其他液位传感器相比，电容液位传感器具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适用性强等优点。 常见的电容传感器测量电路有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。 这类仪表适用于腐蚀性液体、沉淀性液体以及其它化工工艺液体液面的连续测量与位式测量，或单一液面的液位测量。 ：磁致伸缩液位计采用磁致伸缩技术来测量大罐的油水界面和油气界面。 通常情况下，磁致伸缩液位计安装有两个浮子，其中一个浮子的密度小一于油品的密度，另一个浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它们分别用来检测油气界面和油水界面。 磁致伸缩液位计安装容易，不需要定期维修和重新定标，工作寿命较长。 其测量精度较高，测量的重复精度也较高，是比较理想的接触型液位计。 但是磁致伸缩液位计与被测液体接触，仪器容易受到腐蚀，且液体的密度变化会带来测量误差。 此外，浮子装置沿着波导管的护导管上下移动，容易被卡死，从而影响液位的止确测量。 二、非接触型液位仪表： 非接触型测量仪表主要包括超声波液位计 、雷达液位计、射线液位计、激光液位计以及光纤液位计等。 这类液位测量仪表的共同特点是测量的敏感元件与被测液体不接触，因此不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而适用范围较为广泛，可用于接触式测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。 ：超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表。 在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经液体表面反射后被同一种传感器接收，转换成电信号。 并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。 由于采用非接触的测量，被测介质 几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。 目前，智能化的超声波液位计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。 超声波液位计不仅能定点和连续测量，而且能方便地提供遥测和遥控所需的信号。 同时，超声波液位计不存在可动部件，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且价格较为便宜。 新型气密结构、耐腐蚀的 本科生毕业设计（论文） 5 超声波传感器可测量高达 15m 的液位。 ：在罐顶安装天线，天线发射的微波是频率波线性调制的连续波，当回波被天线接收到时，天线发射频率已经改变。 根据回波与发射波的频率差可以计算出物料面的距离。 FMCW 方式测量线路较复杂，从而测量精确度较高，同时干扰回波也较易去除，一般用于较高端的测量方案，但是安装比较复杂且价格不菲。 ：核辐射放出的射线 (如丫射线等 )具有较强的穿透能力，且穿过不同厚度的介质有不同的衰减特性，核辐射式液位计正是利用这一原理来测量液位的。 核辐射式液位计的核辐射源用点式或狭长型结构安装在油罐的外 面，狭长型核辐射源检测元件也安装在油罐外面，可实现对液位动态变化的检测。 除利用核辐射射线来测量之外，还可采用中子射线来测量液位。 射线液位计安装非常方便，测量精度较高。 因为它没有任何部件与被测物体直接接触，特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问颗。 ：其测量原理类似于超声波液位计，只是采用光波代替了超声波。 发射传感器发射出激光，照射到被测液面，在液面处发生反射，接收传感器接收反射光，将从发射至接收的时间换算成液位。 激光的光束很窄，在液位计中通过光学系统转换成约 20mm 宽的光束，这样即使被测物面很 粗糙，漫反射光也能被传感器接收。 激光液位计非常适用于开口很狭窄的容器以及高温、高粘度的测量对象。 而缺点是对液面的波动很敏感，大罐内的油蒸汽，水气等微粒对测量不利，且光学镜头必须定期保持清洁。 ：光纤液位检测是近年来出现的一种新技术。 根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。 这类检测仪表一般具有体积小、重量轻、无动作部件、安装方便等优点、大多可适用于任何液体液位高度的检测与控制，特别适用于易燃、易爆、腐蚀性液体的检测。 这类检测仪表检测精度高但正处于发展阶段尚未成熟。 本文的主要工 作 本文主要是针对类似油罐等封闭式液体的液位的测量，在考虑了各种液位测量方式后，根据前文所述，决定要超声波作为主要手段，采用脉冲回波测量法。 此次设计采用反射波方式 ,超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。 单片机采用 AT89C51 或其兼容系列。 采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。 单片机用 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。 显示电路采用简单实用的 LED 数码管。 本科生毕业设计（论文） 6 超声波发射电路主要由反相器 CD4069 和超声波发射换能器 T 构成，单片机 端口输出的 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 R R3 一方面可以提高反相器 CD4069 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，缩短其自由震荡时间。 压电式超声波换能器是利用压电晶体管的谐振来工作的。 超声波 换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。 当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。 超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 超声波检测接收电路主要是由集成电路 CX20206A 组成，它是一款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38kHz 与测距的超声波频率 40kHz 较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。 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 C16 的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。 超声波测距仪的软件设计主要有主程序、超声波发生程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 我们知道 C 语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序有较复杂的计算（计算距离时），所以控制程序可采用 C 语言编程。 超声波测距仪 主程序利用外中断 1 检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即 INT0 引脚出现低电平），立即进入中断程序。 进入中断后就立即关闭计时器 T0 停止计时，并将测距成功标志字赋值 1。 如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器 T0 溢出中断将外中断 0 关闭，并将测距成功标志字赋值 2 以表示此次测距不成功。 超声波测距的 算法设计 原理为超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 R 所接收到。 这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的 时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。 当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 INT0 端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 本科生毕业设计（论文） 7 第 2章 系统的总体方案设计 系统设计内容和功能 本设计中采用反射式的方式，超声波传感器发射超声波，遇到液面后超声波被反射回来，超声波接收探头接收超声波。 其间通过单片机的控制， I/O 口输出控制信号从 NE555 振荡 器输入到 CD4069 驱动电路驱动超声波发射电路， 超声波发生电路产生40KHz 的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。 经过液面反射后超声波接收探头将接收到的超声波送到单片机进行处理。 输出由 LED 数码管显示 ，通过盲区的消除以及环境温度的采样，提高了测距的精确度。 利用超声波传输中距离与时间的关系，采用 AT89C51 单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波液位检测系统。 利用所设计出的超声波液位检测系统，对液面进行了测试，采集当时的环境温度获得精确的速度，计算出液面距离。 此系统具有易 控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时检测液位。 设计具体内容： (1)AT89C51 主控单元电路 (2)超声波发射电路 (3)超声波接收电路 (4)温度补偿电路 (5)报警及显示电路 课题设计的任务和要求： (1) 测量距离范围要求为≤ m； (2) 精度要求 1 cm； (3) 有温度补偿； (4) 显示方式为数码管显示； (5) 具有较强的抗干扰能力。 (6) 盲区问题有一定的解决方法。 本科生毕业设计（论文） 8 系统方案选择 为使基于单片机的超声波液位测量控制系统具有较好的实用性，并且具有较高的性能 /价格比， 对该系统的硬件电路作了精心设计。 该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。 按实现的功能来分可分为以下几个部分。 其中 AT89C51 单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完成各种复杂的操作。 外围电路包括温度补偿电路、超声波发射及接收电路、报警及显示电路等等。 方案一 :我们可以用 NE555 振荡产生 40KH 的方波信号，它是基于硬件的基础上，便于我们可以通过示波器观察到 40KH 的方波，具有直观且易于观察的特点，有利于电路的检测。 方案二 :我们可以通过单片机产生 40KH的脉冲信号，在通过 CD4069驱动，将 40KH的 脉冲信号发射出去，由于是软件控制，准确度比较高。 经过比较我们发现，在发射电路中方案一的设计是比较经济实惠而且比较方便，但方案二中的软件设计使发射超声波时间比较容易控制，而且超声波的频率准确度比较高，本设计要求测量精度在 1cm 以内，在方案二中我们通过采用 CX20206 可以将信号进行放大和整形处理，在 CX20206 的 5 脚和 7 脚串联一个 200K 的电阻可以将频率稳定在 40KH。 因此在本次设计中，我们选用的是方案二，以提高测量结果的准确度，并且在整个系统中我们都会采用单片机做计算和显示。 系统总体方案的设计 本设计 基于单片机的超声波液位测量系统主要由单片机、温度检测电路、超声波发射电路、超声波接收电路、 LED 显示电路、报警电路等组成。 本设计采用模块化设计思想，以单片机 AT89C51 为核心，将其他模块有机的整合在一起，形成一个统一的系统，硬件系统的框图如图 所示。 本科生毕业设计（论文） 9 图 超声波液位测量系统框图 超声波和超声波传感器 科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。 我们人类耳朵能听到的声波频率为 20～ 20200 赫兹。 当声波的振动频率大于 20200 赫兹或小于 20赫兹时，我们便听不见了。 因此，我们把频率高于 20200 赫兹的声波称为 ―超声波 ‖。 超声波的两个主要参数： 频率： F≥20K/Hz； 功率密度： p=发射功率 (W)/发射面积 (cm2)。 通常 p≥。 在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用 ―空化 ‖现象来解释：超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时，其功率密度为 ，这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力，将液体分子拉裂成空洞 — 空化核。 此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污物撞击下来。 这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为 ―空化 ‖现象。 太小的 声强 无法产生空化效应。 一 、超声波的特性 （ 1） 超 声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 （ 2） 超声波可传递很强的能量。 （ 3） 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 （ 4） 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和 空化现象。 二 、超声波的特点 （ 1） 超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 （ 2） 超声波能在各种不同媒质中传播，且可传。