【正文】 ch harsh environment as darkness, dust, smoke, electromagic interference, toxicity, unaffected by the light or the color of the object to be measured. Therefore, it bears important practical significance to conduct research on the application of ultrasonic wave in high precision ranging system. In this project, SCMbased ultrasonic liquid level measuring system is mainly posed of two ponents, namely the hardware and the software. The hardware is ultrasonic liquid level measurement based on AT89C51 chip as the core。 最后通過(guò)實(shí)物的調(diào)試，各項(xiàng)參數(shù)及功能符合設(shè)計(jì)要求 ，能達(dá)到預(yù)期的目的。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)液位。 與其它方法相比 (如電磁的或光學(xué)的方法 ),它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色的影響， 對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。 因此，研究超聲波在高精度測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 并有超聲波處理模塊 CX20206A、 CD4069 組成的超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機(jī)復(fù)位電路、 LED 顯示電路、報(bào)警電路等。 關(guān)鍵詞 ： 單片機(jī) 。 it adopts AT89C51 single chip microputer for control and data processing, provides the ultrasonic transmitting and receiving circuit, and improves ranging accuracy through elimination of blind spot and sampling of ambient temperature,. By taking advantage of the relationship between distance and time in ultrasonic transmission, an ultrasonic liquid level detecting system which can accurately measure the distance between two points is designed. This system has these advantages like easy control, reliable operation, high measurement precision, and realtime detection of liquid level. And it has ultrasonic transmitting and receiving circuit, reset circuits of SCM, LED display circuit, alarm circuit posed of ultrasonic processing module CX20206A and CD4069. The software part consists of main program, preset subroutine, transmitting and receiving subroutine, and display subroutine. The probe signal is processed by SCM through prehensive analysis. Finally through debugging of real objects, various parameters and functions can meet the project requirements to achieve the desired objective. Key words: single chip microputer (SCM)。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。本人授權(quán) 大學(xué)可以將 本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。在測(cè)量條件和環(huán)境來(lái)說(shuō)，有的測(cè)量系統(tǒng)被運(yùn)用在十分復(fù)雜的條件與環(huán)境中。 近年來(lái)，隨著工業(yè)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)、微電子、傳感器等高新技術(shù)的應(yīng)用和研究，液位儀表的研制得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，以適應(yīng)越來(lái)越高的應(yīng)用要求。液位的測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的作用已經(jīng)相當(dāng)重 要。接觸型液位測(cè)量主要有 :人工檢尺法、浮子測(cè)量裝置、伺服式液位計(jì)、電容式液位計(jì)以及磁致伸縮液位計(jì)等。顧名思義，這類測(cè)量?jī)x表的共同特點(diǎn)是測(cè)量的感應(yīng)元件與被測(cè)液體不接觸。單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展使液位測(cè)量方法得到了更進(jìn)一步的發(fā)展。通過(guò)延時(shí)避免了接收未經(jīng)液面反射的超聲波，其次利用溫度傳感器檢測(cè)外界溫度，采用當(dāng)前溫度下的超聲波速度去計(jì)算，從而提高了距離計(jì)算的精度。 本設(shè)計(jì)中采用反射式的方式，超聲波傳感器發(fā)射超聲波，遇到液面后超聲波被反射回來(lái)，超聲波接收探頭接收超聲波。并通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)來(lái)控制整個(gè)檢測(cè)過(guò)程。在設(shè)計(jì)中，我加深了對(duì)超聲波的認(rèn)識(shí)，對(duì)它的原理掌握的更好了。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀 隨著 電子 技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了微波雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距及超聲波測(cè)距。利用超聲波 檢測(cè) 往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí) 控制 ，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。 液位計(jì)的類型 按測(cè)量液位的感應(yīng)元件與被測(cè)液體是否接觸，液位儀表可以分為接觸型和非接觸型兩大類。人工檢尺法具有測(cè)量簡(jiǎn)單、直觀、成本低等特點(diǎn)，但由于其是人工測(cè)量，故不適合在惡劣的情況下使用，另外需要較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間，難以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量，不僅如此，還容易造成人為的測(cè)量誤差。浮子測(cè)量裝置的適用范圍為非腐蝕液體的測(cè)量。 ：電容液位傳感器是利用被測(cè)對(duì)象物質(zhì)的導(dǎo)電率，將液位變化轉(zhuǎn)換成電容變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量的一種液位計(jì)。 ：磁致伸縮液位計(jì)采用磁致伸縮技術(shù)來(lái)測(cè)量大罐的油水界面和油氣界面。但是磁致伸縮液位計(jì)與被測(cè)液體接觸，儀器容易受到腐蝕，且液體的密度變化會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。 ：超聲波液位計(jì)是由微處理器控制的數(shù)字物位儀表。目前，智能化的超聲波液位計(jì)能夠?qū)邮招盘?hào)做精確的處理和分析：可以將各種干擾信號(hào)過(guò)濾出來(lái) 。同時(shí)，超聲波液位計(jì)不存在可動(dòng)部件，所以在安裝和維護(hù)上相應(yīng)比較方便。根據(jù)回波與發(fā)射波的頻率差可以計(jì)算出物料面的距離。除利用核輻射射線來(lái)測(cè)量之外，還可采用中子射線來(lái)測(cè)量液位。發(fā)射傳感器發(fā)射出激光，照射到被測(cè)液面，在液面處發(fā)生反射，接收傳感器接收反射光，將從發(fā)射至接收的時(shí)間換算成液位。 ：光纖液位檢測(cè)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新技術(shù)。 本文的主要工 作 本文主要是針對(duì)類似油罐等封閉式液體的液位的測(cè)量，在考慮了各種液位測(cè)量方式后，根據(jù)前文所述，決定要超聲波作為主要手段，采用脈沖回波測(cè)量法。單片機(jī)用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號(hào)，利用外中斷 0 口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。 上位電阻 R R3 一方面可以提高反相器 CD4069 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩時(shí)間。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。適當(dāng)更改電容 C16 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。經(jīng)過(guò)液面反射后超聲波接收探頭將接收到的超聲波送到單片機(jī)進(jìn)行處理。此系統(tǒng)具有易 控制、工作可靠、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)液位。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法。 方案一 :我們可以用 NE555 振蕩產(chǎn)生 40KH 的方波信號(hào)，它是基于硬件的基礎(chǔ)上，便于我們可以通過(guò)示波器觀察到 40KH 的方波，具有直觀且易于觀察的特點(diǎn)，有利于電路的檢測(cè)。 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)主要由單片機(jī)、溫度檢測(cè)電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、 LED 顯示電路、報(bào)警電路等組成 。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于 20200 赫茲或小于 20赫茲時(shí)，我們便聽(tīng)不見(jiàn)了。 在液體中傳播的超聲波能對(duì)物體表面的污物進(jìn)行清洗，其原理可用 ―空化 ‖現(xiàn)象來(lái)解釋：超聲波振動(dòng)在液體中傳播的音波壓強(qiáng)達(dá)到一個(gè)大氣壓時(shí)，其功率密度為 ，這時(shí)超聲波的音波壓強(qiáng)峰值就可達(dá)到真空或負(fù)壓，但實(shí)際上無(wú)負(fù)壓存在，因此在液體中產(chǎn)生一個(gè)很大的壓力，將液體分子拉裂成空洞 — 空化核。 一 、超聲波的特性 （ 1） 超 聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 二 、超聲波的特點(diǎn) （ 1） 超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。 超聲波傳感器的主要應(yīng)用 超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一，下面以醫(yī)學(xué)為例子說(shuō)明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波 診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來(lái)看看其中有代表性的一種所謂的 A 型方法。 在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無(wú)損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。 超聲波傳感器測(cè)距原理 超聲波傳感器 是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。因此超聲 波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相 等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （ 3）靈敏度。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個(gè)電信號(hào)時(shí)，就會(huì)因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。該復(fù)合式振動(dòng)器是諧振器以及，由一個(gè)金屬片和一個(gè)壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動(dòng)器的一個(gè)結(jié)合體。底座固定在盒體的開(kāi)口端，并且使用樹(shù)脂進(jìn)行覆蓋。在這種情況下，壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就變得十分重要。這種結(jié)構(gòu)可以使超聲波傳感器在高達(dá)數(shù)百 kHz 頻率的情況下，仍然能夠正常工作。 圖 超聲波液位測(cè)量示意圖 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。 由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。由于超聲波在空氣傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短 距離測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇高頻率的傳感器，而長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括： 工作頻率。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用 超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。適當(dāng)更改電容 6C 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。流過(guò)器件的電流（ mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)。AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞?！?。溫度范圍為 55176。C 范圍內(nèi)精度為 177。 當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，雖然發(fā)射信號(hào)只保持一個(gè)很短的時(shí)間，但停止發(fā)射信號(hào)后，超聲波探頭上還存在一定的余振，因此在發(fā)射信號(hào)停止后的一段時(shí)間內(nèi)，加在回波檢測(cè)電路輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍是相當(dāng)強(qiáng)的，可以達(dá)到電路的限幅電平。 VMVmAOa c b放 大 器 輸 入 電 壓接 收 信 號(hào) 幅 值發(fā) 射 信 號(hào) 幅 值接 收 閾 值 圖 測(cè)量盲區(qū)示意圖 為了保證有一定的信噪比，接收信號(hào)的幅值規(guī)定了一個(gè)閥值 mV ，也就是說(shuō)接收 信號(hào)的幅值必須大于這一閥值時(shí)才能使回波接收電路有輸入信號(hào)。所以在要求較高時(shí)，把 oc 這段時(shí)間規(guī)定為盲區(qū)時(shí)間。可以從硬件上屏蔽，也可以從軟件上采用信號(hào)濾波，或者延時(shí)接收。 AT89C51 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除 只讀存儲(chǔ)器 的單片機(jī)。 AT89C51 單片機(jī)為很多 嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 ? 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