【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 第 34 頁(yè) 共 36 頁(yè) 致 謝 終于完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，感謝指導(dǎo)老師張老師。 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。 超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。 超聲波測(cè)距儀 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。j++) {。 P0=d[ms]。 mg=g%10。 } } } void jisuan(void) { i=dd。 T0=1。 nn=0。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 第 29 頁(yè) 共 36 頁(yè) void jisuan(void)。在中斷服務(wù)程序中，要從把進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計(jì)數(shù)值讀出并保存在 RAM 中，再對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到相應(yīng)的距離值，并轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，最后顯示輸出。主程序是單片機(jī)程序的主體，它負(fù)責(zé)調(diào)用系統(tǒng)的子程序，中斷程序等各個(gè)功能轉(zhuǎn)換。 表 （ t=250C） 參數(shù)名稱 符號(hào) 參數(shù)值 電源電壓 /V VCC 17V 輸入信號(hào)電壓 /V VIN 5V 允許功耗 /W PD 工作環(huán)境溫度 /（ 0C） tamb 25～ +750C 存儲(chǔ)溫度 /（ 0C） tstg 55～ +1500C （ 6） CX20216A 的電氣技術(shù)指標(biāo) CX20216A 的 電氣技術(shù)指標(biāo) 如 表 所列。 ? 帶通濾波器的中心頻率可以改變 5 腳和電源之間的電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)的范圍為 30～ 60kHz。實(shí)驗(yàn)證明用 CX201O6A接收超聲波具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。 圖 超聲波發(fā)射電路 發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā) 射換能器構(gòu)成。例如，對(duì)于共陰極數(shù)碼管來說，陽(yáng)極排列順序?yàn)?h， g， f， e， d， c， b， a。分別控制各筆畫的LED，使輕重的某些發(fā)亮，從而可以顯示出 0～ 9的阿拉伯?dāng)?shù)字符號(hào)及其他能由這些筆畫段構(gòu)成的各種字符。其特點(diǎn)是每個(gè)按鍵單獨(dú)占有一根I/O 口線，而且每個(gè) I/O 口線的工作狀態(tài)不影響其他 I/O 口線的工作狀態(tài)，是最簡(jiǎn)單的一種按鍵結(jié)構(gòu)。鍵盤是人機(jī)交互的一個(gè)重要工具。 晶體振蕩器，以下簡(jiǎn)稱晶振，是基于晶體的壓電效應(yīng)原理制造而成的 [9]。各濾波電容 C 滿足公式（ ） ： RC=（ 3～ 5） T/2 () 式中 T 為輸入交流信號(hào)周期， RC 為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。使用時(shí)一般在此引腳與 VSS引腳之間接一個(gè)約 的下拉電阻，與 VCC 引腳之間接一個(gè)約 20uF 的電 解電容，即可保證上電自動(dòng)復(fù)位。其功能主要是將程序計(jì)數(shù)器（ PC）初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，并將特殊功能寄存器賦予一些特定的值。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。 其中斷優(yōu)先級(jí)和入口地址如表 所示。 P3 口的第二功能見表 所示。 在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (例如執(zhí)行 MOVX DPTR 指令 )時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。 在 Flash 編 程時(shí)， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí)，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)二個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 第 12 頁(yè) 共 36 頁(yè) 要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè) ALE 脈沖。 Vcc 電源電壓 4 個(gè) 8 位并行 I/O 口； 雙列直插 (DIP)式封裝的 51 單片機(jī)芯片一般為 40 條一腳，其引腳示意及功能分類如圖 所示。 采用 AT89C51 作為主控制器，檢測(cè)距離的原理是通過單片機(jī)發(fā)出 40kHz 的方波串啟動(dòng)超聲波發(fā)射管，延時(shí)一段時(shí)間后再啟動(dòng)超聲波接受管，檢測(cè)接收端是否接收遇障礙物反射的回波，同時(shí)利用單片機(jī)計(jì)算出收到回波所用的時(shí)間最后算出距離。 超聲波液位儀工作原理 超聲波液位儀的基本工作原理是 超聲波換能器由脈沖信號(hào)激勵(lì)發(fā)出超聲波，聲波在介質(zhì)中傳播到達(dá)液面時(shí)，經(jīng)液面反射形成反射波，反射波再經(jīng)介質(zhì)傳播返回到換能器，換能器把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 壓電型超聲波探頭的工作原理：它是借助于壓電晶體的諧振來工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。其實(shí)質(zhì)上是一種可逆的換能器，將電振蕩的能量轉(zhuǎn)變 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 第 7 頁(yè) 共 36 頁(yè) 為機(jī)械振蕩，形成超聲波：或者由超聲波能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娬袷?。相比較而言，超聲波脈沖回波法無(wú)需與液面之間建立駐波，并且可以實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)。 其中應(yīng)用最廣泛的是脈沖回波法。 （ 2）由于指向性寬廣，不需象紅外探頭那樣，進(jìn)行光軸的精確調(diào)整，因此安裝方便，即使安裝在機(jī)械振動(dòng)較強(qiáng)的場(chǎng)合，也能穩(wěn)定地工作。 超聲波傳感器 超聲波傳感器 是超聲波測(cè)距系統(tǒng)中的重要器件 [3]。 （ 3） 溫度 聲波傳播的速度“ V”可以用公式（ ）表示： V=+(m/s) （ ） 式中， T 為溫度，單位（ C），也就是說，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化而有所不同。 超聲波通常指 1 秒內(nèi)振動(dòng) 20210 次以上的高頻聲波。 (2)根據(jù)超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的硬件結(jié)構(gòu)電路。根據(jù)液位測(cè)量所涉及的液體存儲(chǔ)容器、被測(cè)介質(zhì)以及工藝過程的不同，選擇不同類型的液位儀。對(duì)于一些中小型用戶來說，較難承受其價(jià)格，且維修不方便。由此可見，我國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展相對(duì)國(guó)外還有較大差距，在產(chǎn)品性能指標(biāo)、儀表可靠性、企業(yè)技術(shù)力量等方 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 第 2 頁(yè) 共 36 頁(yè) 面都落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家 [2]。尤其是近二十年來，隨著微處理器的引入，測(cè)量?jī)x表更是發(fā)生了革命性的變化。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 第 1 頁(yè) 共 36 頁(yè) 1 引言 在許多工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，需要對(duì)系統(tǒng)的液位進(jìn)行測(cè)量， 因此 需要研制一種 使用簡(jiǎn)便，測(cè)量準(zhǔn)確、價(jià)格低廉且具有智能管理的液位儀很有必要的， 特別是對(duì)具有腐蝕性的液體液位的測(cè)量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電脈沖來檢測(cè)液面，電極長(zhǎng)期浸泡在液體中，極易被腐蝕、電解、失去靈敏性，因而對(duì)測(cè)試設(shè)備的抗腐蝕性要求較高 [1]。液位儀的量程從幾米到十幾米，測(cè)量精度亦大大提高。 超聲波測(cè)液位的意義 日常的測(cè)距工具在一些特殊的場(chǎng)合是很不方便的，甚至無(wú)法進(jìn)行距離的測(cè)量，比如液位，井的深度等等。因此，研制一種使用簡(jiǎn)便、測(cè)量準(zhǔn)確、價(jià)格低廉且具有智能管理的液位儀很有必要。在進(jìn)行液位測(cè)量前，必須充分了解液位測(cè)量的工藝特點(diǎn)，以此作為液位儀設(shè)計(jì)過程中的參考因素。 要求： (1)設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。 它具有以下特性 [3]： （ 1）輻射 傳播速度是用頻率乘以波長(zhǎng)來表示的。因此，要精確的測(cè)量與某個(gè)物體之間的距離時(shí)，檢查周圍溫度是十分必要的。利用壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)原理，將加 在其上的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械波向外輻射；也可以將作用在它上面的超聲機(jī)械波轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，起著能量轉(zhuǎn)換的作用。 （ 3）超聲探頭利用的是聲束，因此完全不受太陽(yáng)光線、環(huán)境照明光的于擾，這一點(diǎn)對(duì)于交通流特征參數(shù)檢測(cè)十分有利。 超聲脈沖回波法的基本原理是超聲波探頭 (又稱超聲波換能器 )發(fā)射超聲脈沖，在介質(zhì)中傳播，經(jīng)反射后再通過介質(zhì)回到接收探頭，測(cè)出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間，根據(jù)介質(zhì)中超聲的傳播速度，就能算得被測(cè)液體的液位。所以脈沖回波法是其中最適合的方法，本文將采用該方法實(shí)現(xiàn)超聲波液位檢測(cè)裝置的實(shí) 現(xiàn)。 一般壓電式超聲波換能器有兩個(gè)共振頻率：低頻共振頻率叫串聯(lián)共振頻率(ft)，此時(shí)阻耗 (R)最小，用于發(fā)送超聲波；商頻的共振頻率稱為逆共振頻率 (fa)，主要是產(chǎn)生共振，用于接收超聲波。超聲波探頭有兩塊壓電晶片和一塊共振板，給它的兩級(jí)加上脈沖信號(hào)，當(dāng)其頻率等于晶片固有頻率的時(shí)候，壓電晶片就會(huì)產(chǎn)生共振，并帶動(dòng)共振板一起振動(dòng)，從而產(chǎn)生 超聲波。由二次儀表測(cè)出超聲波傳播速度和換能器的安裝高度，就可計(jì)算液位高度。 核心單片機(jī) AT89C51 本次設(shè)計(jì)采用的是 AT89C51 為核心處理器。 圖 AT89C51 知道單片機(jī)是由以下 3 部分組成： (1) CPU系統(tǒng) 2/3 個(gè) 16 位可編程的定時(shí) /計(jì)數(shù)器， T0、 T1 用來對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可設(shè)置成定時(shí)器； GND：接 地 引腳 對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。 EA/VPP： 外部訪問允許。上電時(shí)，考慮到振蕩器有一定的起振時(shí)間，該引腳是上高電平必須持續(xù) 10ms 以上才能保證有效復(fù)位。 在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 第 13 頁(yè) 共 36 頁(yè) 器 (如執(zhí)行 MOVX Ri 指令 )時(shí)， P2 口 里 的內(nèi)容在整個(gè)訪問期間不改變 。 表 P3口引腳第二功能 引腳 第二功能 RXD 串行口輸入端 TXD 串行口輸出端 /INT0 外部中斷 0請(qǐng)求輸入端，低電平有效 /INT1 外部中斷 1請(qǐng)求輸入端，低電平有效 T0 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0計(jì)數(shù)脈沖輸入端 T1 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1計(jì)數(shù)脈沖輸入端 /WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端，低電平有效 /RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) 輸出端，低電平有效 P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 第 14 頁(yè) 共 36 頁(yè) 表 中斷源 及其 中斷優(yōu)先級(jí) 和入口地址 中斷源 入口地址 同級(jí)的中斷源優(yōu)先級(jí) 外部中斷 0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0中斷 外部中斷 1 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1中斷 串行口中斷 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2中斷 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H 002BH 最高 最低 單片機(jī)的外圍電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)拓展一般是以基本 的最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的 。 復(fù)位是上電的 第一個(gè)操作，然后程序從 0000H 開始執(zhí)行。電路如圖 所示。電源電路設(shè)計(jì)，如圖 所示。當(dāng)在晶片的兩面上加交變電壓時(shí)，晶片因反復(fù)的機(jī)械變形產(chǎn)生振動(dòng)，而這 種機(jī)械振動(dòng)又會(huì)反過來產(chǎn)生交變電壓。鍵盤有二種基本類型 ： 編碼鍵盤和非編碼鍵盤 [10]。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 第 19 頁(yè) 共 36 頁(yè) 圖 簡(jiǎn)單鍵盤接口電路 由于這次所需按鍵不多。 LED 顯示器根據(jù)內(nèi) 部結(jié)構(gòu)的不同可以分為二種，一種把所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起稱作共陽(yáng)極數(shù)碼管，如圖 （ b）所示，另外一種是 8個(gè)發(fā)光二極管的陰極連在一起稱為共陰極數(shù)碼管，如圖所示 （ C）所示。這樣，字符 1 的顯示代碼為 00000110，字符 F 的顯示代碼為 01110001，用十六進(jìn)制表示分別為 06H