【正文】 ..........................1 超聲波液位儀的現(xiàn)狀 .......................................... 1 論文研究?jī)?nèi)容 .................................................. 2 研究?jī)?nèi)容 .................................................... 2 論文的章節(jié)安排 .............................................. 3 2 超聲波的液位測(cè)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(cè)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(shí)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(cè)量?jī)x器，在很多場(chǎng)合有廣泛的應(yīng)用，諸如工業(yè)自動(dòng)控制，建筑工程測(cè)量和水面高度測(cè)量等方面。由于超聲波液位儀需要測(cè)量十幾米距離，因此，針對(duì)超聲波在傳播時(shí)呈指數(shù)衰減的特性，我們采用了最大限度提高驅(qū)動(dòng)能力、對(duì)回波進(jìn)行多級(jí)放大等措施，擴(kuò)大了 測(cè)量范圍。液位儀的量程從幾米到十幾米，測(cè)量精度亦大大提高。同時(shí)，超聲波液位儀不存在可動(dòng)部件，所以在安裝和維護(hù)上相應(yīng)比較方便。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(duì)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(duì)超聲波信號(hào)的處理較為容易。在實(shí)際應(yīng)用中，多種因素影響著傳播媒介及聲速。 第二章：重點(diǎn)講解往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)距的理論 ,以及對(duì)超聲波探頭的工作原理進(jìn)行詳細(xì)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(jìn)行測(cè)量時(shí)獲得很高的精確度。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能芯片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠定向傳播等特點(diǎn)。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(fù)合式振動(dòng)器是由諧振器以及由一個(gè)金屬片和一個(gè)壓電陶瓷片組成的雙壓電芯片構(gòu)成。同樣，接收探頭器在中心頻率 f0 處輸出電信號(hào)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(chǎng)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(guó)產(chǎn)現(xiàn)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(jì)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(shí)際距離，液位高度計(jì)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(shí)間。在距離過(guò)近時(shí)，接收信號(hào)將落進(jìn)盲區(qū)中而無(wú)法分辨，這是近限所以存在的原因 [17]。 三章 硬件總體設(shè)計(jì) 超聲液位儀總體設(shè)計(jì) 超聲波液位系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)系統(tǒng)、電源電路接收模塊、 LED 顯示模塊和報(bào)警模塊等模塊構(gòu)成 如圖 所示。 T89C51 單片機(jī)的高性價(jià)比，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 ALE 30 33 27 0 地址鎖存使能：在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，輸出脈沖鎖存地址的低字節(jié)，在正常情況下， ALE 輸 出信號(hào)恒定為 1/6 振蕩頻率。 在圖 的復(fù)位電路中，當(dāng) Vcc 掉電時(shí)，必然會(huì)使 RST端電壓迅速下降到 0V 以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個(gè)負(fù)電壓將不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)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(hào)周期， RC 為整流濾波電路的等效負(fù)載電 [21]。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(guò)來(lái)產(chǎn)生交變電壓。 電容 C1 和 C2 起去除噪聲的作用，且應(yīng)保持兩個(gè)電容的值一樣。 圖 表 超聲波探頭參數(shù) 中心頻率（ KHZ） 40177。 74LS04是六反向器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 圖 74LS04 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 74LS04六反向器的主要電特性的典型值如表 。 圖 CX2OIO6的內(nèi)電路框圖及信號(hào)流向 和引腳 CX2O106A是一塊 8腳單列直插式超小型塑封結(jié)構(gòu)的 IC，其各引腳功能及外接元件的作用見(jiàn)表 。 6腳 C3 積分電容連接端 該腳所接的積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330PF。本系統(tǒng)所用的接收電路如圖 。 圖 雙列直插封裝 動(dòng)態(tài)特性 (TA=25℃ ) 參數(shù) 測(cè)試條件 74LS245 單位 最大 PLH輸出由低到高傳輸延遲時(shí)間 Vcc=5V CL=45pF RL=667Ω 12 ns tPHL輸出由高到低傳輸延遲時(shí)間 12 ns tPZH輸出由高阻態(tài)到高允許時(shí)間 40 ns tPZL輸出由高阻態(tài)到低允許時(shí)間 40 ns tPHZ 輸出由高到高阻態(tài)禁止時(shí)間 Vcc=5V CL=5pF RL=90Ω 25 ns tPLZ 輸出由低到高阻態(tài)禁止時(shí)間 25 ns 靜態(tài)特性（ TA 為工作環(huán)境溫度范圍） 參數(shù) 測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的顯示要求比較簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果采用十進(jìn)制數(shù)字顯示。 A1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10 圖 （ a） 數(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu) A B C D E F G H A B C D E F G H4 2 176893DG1 DG2 圖 （ b）數(shù)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(shù)碼管管腳圖（共陽(yáng)極） LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。 本設(shè)計(jì)采用電磁式蜂鳴器作為警戒液位 報(bào)警提示。模擬地和數(shù)字地只有一個(gè)共接點(diǎn)，其接點(diǎn)選在電源輸入處。 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件總體設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)流程圖 單片機(jī)液位儀的軟件功能是控制超聲波的發(fā)射和接收，對(duì)超聲波的傳輸時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合超聲波的傳播速度，計(jì)算出距離，并把數(shù)字濾波后的結(jié)果顯示出來(lái)。 由于采用了單片機(jī) 89S51 并考慮整個(gè)系統(tǒng)的控制流程，整個(gè)系統(tǒng)軟件都由89S51 系列單片機(jī) 匯編語(yǔ) 言實(shí)現(xiàn)。 定 時(shí) 中 斷 入 口定 時(shí) 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(shí) 中 斷 入 口關(guān) 外 部 中 斷讀 取 時(shí) 間 值輸 出 結(jié) 果計(jì) 算 距 離開(kāi) 外 部 中 斷返 回