【正文】 ..........................1 超聲波液位儀的現狀 .......................................... 1 論文研究內容 .................................................. 2 研究內容 .................................................... 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 ............................................ 5 超聲波介紹 .................................................. 5 超聲波探頭的結構和原理 ...................................... 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 .................................................... 11 3 硬件總體設計 ................................................. 12 超聲液位儀總體設計 ........................................... 12 單片機電路 ................................................... 14 復位電路設計 ............................................... 15 電源電路設計 ............................................... 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 ..................................................... 25 4 系統(tǒng)軟件設計 ................................................ 26 軟件總體設計 ................................................ 26 軟件設計流程圖 ............................................. 26 主程序結構流程圖 ........................................... 27 回波接收流程圖 ............................................. 29 中斷程序流程圖 ............................................. 29 ............................................... 30 ...................................................... 39 5 實驗結果分析及改進 ............................................. 40 .................................................. 40 ............................................. 47 本章小結 ..................................................... 48 6 結論與展望 .....................................................48 總結 .............................................................. 49 參考文獻 .......................................................... 49 致謝 .............................................................. 55 附錄一 ： 超聲波 液位計 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。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衰減的特性，我們采用了最大限度提高驅動能力、對回波進行多級放大等措施，擴大了 測量范圍。液位儀的量程從幾米到十幾米，測量精度亦大大提高。同時，超聲波液位儀不存在可動部件，所以在安裝和維護上相應比較方便。因為超聲波在空氣中的傳播速度大約為 334m/s(常溫下 )，在同一介質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。在實際應用中，多種因素影響著傳播媒介及聲速。 第二章：重點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行詳細介紹。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進行測量時獲得很高的精確度。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能芯片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠定向傳播等特點。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。該復合式振動器是由諧振器以及由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電芯片構成。同樣，接收探頭器在中心頻率 f0 處輸出電信號的幅度最大，即在 f0 處探頭的靈敏度最高。鑒于目前電子市場的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，在不降低空間分辨率的條件下，選用國產現有壓電傳感器片最大半徑 r=，故θ =2 arcsin(1. 615λ /2 π r)=75176。 如圖 所示，由超聲波的入射和反射之間的夾角θ，可以計算出探頭距液面垂直高度 L=Scos(θ /2 ),L 為超聲波到液面的垂直距離， S 為實際距離，液位高度計算公式為 : L=v t/2cos(θ /2 ) （ ） 其中， v 表示超聲波聲速， t 表示超聲波傳播時間。在距離過近時，接收信號將落進盲區(qū)中而無法分辨，這是近限所以存在的原因 [17]。 三章 硬件總體設計 超聲液位儀總體設計 超聲波液位系統(tǒng)硬件電路主要由單片機系統(tǒng)、電源電路接收模塊、 LED 顯示模塊和報警模塊等模塊構成 如圖 所示。 T89C51 單片機的高性價比，可靈活應用于各種控制領域。 ALE 30 33 27 0 地址鎖存使能：在訪問外部存儲器時，輸出脈沖鎖存地址的低字節(jié)，在正常情況下， ALE 輸 出信號恒定為 1/6 振蕩頻率。 在圖 的復位電路中，當 Vcc 掉電時，必然會使 RST端電壓迅速下降到 0V 以下，但是，由于內部電路的限制作用，這個負電壓將不會對器件產生損害。各濾波電容 C 滿足公式（ ）： RC=（ 3～ 5） T/2 () 式中 T 為輸入交流信號周期， RC 為整流濾波電路的等效負載電 [21]。當在晶片的兩面上加交變電壓時，晶片因反復的機械變形產生振動，而這種機械振 動又會反 過來產生交變電壓。 電容 C1 和 C2 起去除噪聲的作用，且應保持兩個電容的值一樣。 圖 表 超聲波探頭參數 中心頻率（ KHZ） 40177。 74LS04是六反向器，其內部結構如圖 圖 74LS04 內部結構 74LS04六反向器的主要電特性的典型值如表 。 圖 CX2OIO6的內電路框圖及信號流向 和引腳 CX2O106A是一塊 8腳單列直插式超小型塑封結構的 IC，其各引腳功能及外接元件的作用見表 。 6腳 C3 積分電容連接端 該腳所接的積分電容，標準值為 330PF。本系統(tǒng)所用的接收電路如圖 。 圖 雙列直插封裝 動態(tài)特性 (TA=25℃ ) 參數 測試條件 74LS245 單位 最大 PLH輸出由低到高傳輸延遲時間 Vcc=5V CL=45pF RL=667Ω 12 ns tPHL輸出由高到低傳輸延遲時間 12 ns tPZH輸出由高阻態(tài)到高允許時間 40 ns tPZL輸出由高阻態(tài)到低允許時間 40 ns tPHZ 輸出由高到高阻態(tài)禁止時間 Vcc=5V CL=5pF RL=90Ω 25 ns tPLZ 輸出由低到高阻態(tài)禁止時間 25 ns 靜態(tài)特性（ TA 為工作環(huán)境溫度范圍） 參數 測試條件 74LS245 單位 最小 最大 VIK輸入嵌位電壓 Vcc=最小， Iik=18mA V △ VT滯后電壓 Vcc＝最小 V VOH輸出高電平電壓 Vcc＝最小， VIL＝最大，VIH=2V, IOH＝－ 3mA V 圖 74LS245 主要電器特性的典型值 LED顯示器 超聲液位測量系統(tǒng)的顯示要求比較簡單，測量結果采用十進制數字顯示。 A1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10 圖 （ a） 數碼管的外形結構 A B C D E F G H A B C D E F G H4 2 176893DG1 DG2 圖 （ b）數碼管管腳圖（共陰極） A B C D E F G H A B C D E F G H4 2 176893DG1 DG2 圖 （ c）數碼管管腳圖（共陽極） LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。 本設計采用電磁式蜂鳴器作為警戒液位 報警提示。模擬地和數字地只有一個共接點，其接點選在電源輸入處。 第四章 系統(tǒng)軟件設計 軟件總體設計 軟件設計流程圖 單片機液位儀的軟件功能是控制超聲波的發(fā)射和接收，對超聲波的傳輸時間進行測量，結合超聲波的傳播速度，計算出距離，并把數字濾波后的結果顯示出來。 由于采用了單片機 89S51 并考慮整個系統(tǒng)的控制流程，整個系統(tǒng)軟件都由89S51 系列單片機 匯編語 言實現。 定 時 中 斷 入 口定 時 初 始 化發(fā) 射 超 聲 波 停 止 發(fā) 射返 回發(fā) 射 完 否 ？N OY E S定 時 中 斷 入 口關 外 部 中 斷讀 取 時 間 值輸 出 結 果計 算 距 離開 外 部 中 斷返 回