【正文】 塊共振板，給它的兩級加上脈沖信號，當(dāng)其頻率等于晶片固有頻率的時候，壓電晶片就會產(chǎn)生共振，并帶動共振板一起振動，從而產(chǎn)生超聲波。壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就顯得十分重要，它的聲阻抗為 107kg/m2s,而空氣的聲阻抗為 102kg/m2s。能同時完成這種功能的裝置就是超聲波探頭，也稱為超聲換能器 [10]。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能芯片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠定向傳播等特點(diǎn)。 （ 3） 溫度 : 聲波傳播的速度“ V”可以用下列公式（ ）表示： V=+(m/s) （ ） 式中， t=溫度（ C），也就是說，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化有所不同。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進(jìn)行測量時獲得很高的精確度。系統(tǒng)軟件程序使用 匯編 語言編寫。 第二章：重點(diǎn)講解往返時間檢測法測距的理論 ,以及對超聲波探頭的工作原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。 表 波速與溫度的關(guān)系 溫 度（℃ ） 20 10 0 10 20 30 10 波速（ m/s ） 319 325 323 338 344 349 386 論文的章節(jié)安排 本文首先介紹了超聲波液位儀測距的工作原理。在實(shí)際應(yīng)用中，多種因素影響著傳播媒介及聲速。綜合而言，超聲波液位儀具有非接觸、精度較高、實(shí)時測量、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，較為適合國內(nèi)市場。因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵械膫鞑ニ俣却蠹s為 334m/s(常溫下 )，在同一介質(zhì)中其傳播速度相對恒定，與激光的速度 (3 108m/s)相比，它的傳播速度要慢得多，所以對超聲波信號的處理較為容易。對于小型用戶來說，不是理想之選。同時，超聲波液位儀不存在可動部件，所以在安裝和維護(hù)上相應(yīng)比較方便?？梢詫⒏鞣N干擾信號過濾出來，識別多重回波 。液位儀的量程從幾米到十幾米，測量精度亦大大提高。因?yàn)閷τ?jì)算的精度要求較高，所以本設(shè)計(jì)采用溫度補(bǔ)償和數(shù)字平均濾波的方法提高計(jì)算精度。由于超聲波液位儀需要測量十幾米距離，因此，針對超聲波在傳播時呈指數(shù)衰減的特性，我們采用了最大限度提高驅(qū)動能力、對回波進(jìn)行多級放大等措施，擴(kuò)大了 測量范圍。 如何解決這些問題，提高超聲波液位儀的精度，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。 1 緒論 .......................................................... 1 課題背景 ........................................................1 超聲波液位儀的研究背景與內(nèi)容 .................................1 超聲波液位儀的現(xiàn)狀 .......................................... 1 論文研究內(nèi)容 .................................................. 2 研究內(nèi)容 .................................................... 2 論文的章節(jié)安排 .............................................. 3 2 超聲波的液位測量原理 ...........................................5 超聲液位儀理論基礎(chǔ) ............................................ 5 超聲波介紹 .................................................. 5 超聲波探頭的結(jié)構(gòu)和原理 ...................................... 5 T/R4016 超聲波探頭 .......................................... 7 傳感器的指向角Θ ............................................ 8 超聲波液位儀工作原理 .......................................... 9 超聲波液位儀工作原理 ........................................ 9 測量盲區(qū) ................................................... 10 本章小結(jié) .................................................... 11 3 硬件總體設(shè)計(jì) ................................................. 12 超聲液位儀總體設(shè)計(jì) ........................................... 12 單片機(jī)電路 ................................................... 14 復(fù)位電路設(shè)計(jì) ............................................... 15 電源電路設(shè)計(jì) ............................................... 16 時鐘振蕩器 ................................................. 17 發(fā)射電路 ..................................................... 18 接收電路 ......................................................19 液晶顯示電路 ................................................. 20 ....................... ........................... 21 ........................................... 23 本章小結(jié) ..................................................... 25 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ................................................ 26 軟件總體設(shè)計(jì) ................................................ 26 軟件設(shè)計(jì)流程圖 ............................................. 26 主程序結(jié)構(gòu)流程圖 ........................................... 27 回波接收流程圖 ............................................. 29 中斷程序流程圖 ............................................. 29 ............................................... 30 ...................................................... 39 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及改進(jìn) ............................................. 40 .................................................. 40 ............................................. 47 本章小結(jié) ..................................................... 48 6 結(jié)論與展望 .....................................................48 總結(jié) .............................................................. 49 參考文獻(xiàn) .......................................................... 49 致謝 .............................................................. 55 附錄一 ： 超聲波 液位計(jì) 電路原理 圖 ..................................... 55 附錄二： 超聲波 液位儀 PCB 板圖 ....................................... 55 附錄三： 程序清單 ................................................... 55 第一章 緒論 課題背景 超聲波液位儀的研究背景與 內(nèi)容 超聲波液位儀作為一種典型的非接觸測量儀器，在很多場合有廣泛的應(yīng)用，諸如工業(yè)自動控制，建筑工程測量和水面高度測量等方面。 學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 超聲波液位儀的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 所在學(xué)院： 專 業(yè)： 目 錄 摘要 ............................................................... 錯誤 !未定義書簽。與激光測距、微波測距等測量方法相比，由于超聲波在空氣中傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光線和無線電波，時間測量精度的要求也遠(yuǎn)小于激光測距、微波測距等，因而超聲波液位儀電路結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，容易設(shè)計(jì)，且超聲波在傳播過程中不易受煙霧、空氣能見度等因素的影響，在各個場合均得到廣泛應(yīng)用。 目前，市場上的超聲波液位儀多數(shù)采用單片機(jī)作為對液位儀控制和運(yùn)算的核心，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)決定著測量結(jié)果的精度。本設(shè)計(jì)運(yùn)用單片機(jī)系統(tǒng)控制超聲波的發(fā)射、接收、溫度測量以及其它的各種功能。另外，對設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)和存在的一些問題〔從軟、硬件兩方面〕，分析了原因并提出了一些解決的措施和改進(jìn)的辦法，為研制更加完善的超聲波液位儀打下了基礎(chǔ)。根據(jù)液位測量所涉及的液體存儲容器、被測介質(zhì)以及工藝過程的不同，選擇不同類型的液位儀。分析信號強(qiáng)度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息。超聲測位技術(shù)可適用于氣體、液體或固體等多種測量介質(zhì)，因而具有較大的適應(yīng)性。而國內(nèi)自行研制生產(chǎn)的液位儀價格相對便宜， 但精度不高，功能相對單一。因此，這也體現(xiàn)了超聲波測距的獨(dú)到之處，加之其成本較低，所以超聲波是比較理想的信號源 [2]。 本篇論文研究的主要內(nèi)容是基于超聲波液位儀的設(shè)計(jì)和提高精度方面的研究。為了獲得更加準(zhǔn)確的測量結(jié)果，超聲波液位儀可以由所處環(huán)境的不同來設(shè)定不同媒介的聲速 [6]。接著基于測距原理，介紹了硬件設(shè)計(jì)。 第三章：超聲波液位儀的主控制電路，重點(diǎn)介紹 51單片機(jī)和外圍電路的設(shè)計(jì)，以及各種器件的選擇。 第五 章 ： 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及改進(jìn) 第六章： 結(jié)論與展望 第二章 超聲波的液位測量原理 超聲液位儀理論基礎(chǔ) 超聲波介紹 超聲波是一種人耳 無法聽到的、頻率一般超過 20kHz 的聲音 ,它具有以下特性： （ 1） 波長與輻射 : 傳播速度是用頻率乘以波長來表示。 （ 2） 反射： 要探測某個物體是否存在，超聲波應(yīng)能夠在該物體上得到反射，由于金屬、木材、混凝土、橡膠和紙等可以反射近乎 100﹪的超聲波，因此我 們可以很容易地探測到這些物體。因此，要精確的測量與某個物體之間的距離時，始終檢查周圍溫度是十分必要的。超聲波對液體、固體的穿透能力很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。對應(yīng)用于工業(yè)的超聲波探頭而言，要求其精確度要達(dá)到 1mm，并且具有較強(qiáng)的超聲波輻射。5 個冪的差異會導(dǎo)致在壓電陶瓷 震動輻射表面上的大量損失。反之，如果電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號時。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射，并且可以使超聲波聚集在振動器的中央部位 [12]。 圖 超 聲波探頭標(biāo)號 超聲波探頭的性能指標(biāo)：中心頻率 40kHz，發(fā)射聲壓大于 115dB，電容 2400 pF，允許輸入電壓 12V。 傳感器的指向角θ 超聲波探頭的指向角是聲束半功率點(diǎn)的夾角，是影響液位儀的一個重要技術(shù)參數(shù)，它直接影響測量的分辨率。 （ 2λ /π ) r sin( θ /2 )= （ ） 選 f0=40kHz 時，λ＝ C/f0=。超聲傳感器的指向圖由一個主