【正文】 ].蔡美琴，《 MCS51 系列單片機系統(tǒng)及其應(yīng)用》 [J] 高等教育出版社 1999，72～ 79 [8].楊元，高勇，李福德等 《提高超聲波檢測系統(tǒng)信噪比的理論研究及檢測控制方案》 [J] 計量學(xué)報 2020， 317～ 319. [9].盧文課，朱長純，劉君華《超聲波式數(shù)字測距儀的研究》 [M] 儀器儀表學(xué)報 2020， 218～ 220 [10].潘宗預(yù)，潘登《超聲波液位儀精度的探討》 [J] 湖南大學(xué)學(xué)報 2020， 6～10 [11].張淑清，蔡文龍，呂江濤，《一種新型頻率測量方法的研究》 [J] 傳感技術(shù)學(xué)報 2020， 470～ 472 [12].蔡秀琴 《在提高超聲波液位儀系統(tǒng)精度中的應(yīng)用》 [J] 電子科技報 2020，53～ 55 [13].李光飛，樓然苗，胡佳文，等。 本章小結(jié) 本章主要介紹了如何來提高超聲波液位儀的精確度，特別是對溫度補償?shù)姆椒ㄟM行了分析。 (5)采用非接觸式測量方式，不影響被測表面，應(yīng)用范圍廣。 (5)對 t 的計數(shù)誤差。發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波并非直線傳播，而是呈喇叭狀擴散傳播的。 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(guān) 外 部 中 斷讀 取 時 間 值輸 出 結(jié) 果計 算 距 離開 外 部 中 斷返 回 定時中斷子程序框圖 外部中斷結(jié)構(gòu)框圖 報警系統(tǒng)子程序流程如圖 。 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件總體設(shè)計 軟件設(shè)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(jié)合超聲波的傳播速度，計算出距離，并把數(shù)字濾波后的結(jié)果顯示出來。 本設(shè)計采用電磁式蜂鳴器作為警戒液位 報警提示。 圖 雙列直插封裝 動態(tài)特性 (TA=25℃ ) 參數(shù) 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(shù) 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(jié)果采用十進制數(shù)字顯示。 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。 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 。 電容 C1 和 C2 起去除噪聲的作用，且應(yīng)保持兩個電容的值一樣。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(fù)載電 [21]。 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。 三章 硬件總體設(shè)計 超聲液位儀總體設(shè)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(gòu)成 如圖 所示。 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。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。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。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。在實際應(yīng)用中，多種因素影響著傳播媒介及聲速。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(yīng)比較方便。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、對回波進行多級放大等措施，擴大了 測量范圍。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遠小于光線和無線電波，時間測量精度的要求也遠小于激光測距、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，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。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。因此，這也體現(xiàn)了超聲波測距的獨到之處，加之其成本較低，所以超聲波是比較理想的信號源 [2]。 第三章：超聲波液位儀的主控制電路，重點介紹 51單片機和外圍電路的設(shè)計，以及各種器件的選擇。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。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]。超聲傳感器的指向圖由一個主瓣和幾個副瓣構(gòu)成，其物理意義是 0176。 超聲波液位儀在使用一個探頭情況下，同時發(fā)射和接收超聲波，由于在探頭上施加的發(fā)射電壓強達幾十伏甚至上百伏以上，雖然發(fā)射信號只維持一個極短的時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定的 余振，因此在一段較長時間內(nèi)，加載接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍是相當(dāng)強的，可以達到限幅電路，引起探頭振動，不能進行正確的測量，在這種情況下，選用兩個探頭分別用于發(fā)送和接收。 按設(shè)計要求，根據(jù)超聲波液位儀原理，以 AT89C51 單片機系統(tǒng)為核心電路，開發(fā)超聲波液位儀。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全“ l”態(tài)。當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其它頻率下的振幅大得多，并且產(chǎn)生共振，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振 .晶振發(fā)生振蕩必須附加外部時鐘電路 ,一般是一個放大反饋電路 ,只有一片晶振是不能實現(xiàn)震蕩的，于是就有了時鐘振蕩器。 1 聲壓 ((dB)) ≥ 115 靈敏度 (dB)) ≥ 64 方向角（176。 表 各引腳功能及外接元件的作用 1腳 IN 信號輸入端 該腳輸入阻抗約為 40士 5k 2腳 C1 RC網(wǎng)絡(luò)連接端 該腳與地間接有 RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，用來確定前置放大 器的頻率特性和增益。 1 2 3 4 5 6 7 8J4 CX20206LS4RX(S)C111044K7R14C10C17C6330P200KR15220KR16C9473VCCP32 圖 超聲波檢測接收電路 顯示電路 單片機采用 89S51 或其兼容系列。本設(shè)計中采用動態(tài)顯示方式，以實時顯示液位變化。 ，走線盡量短，電路板上空余不用的地方都鋪地。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進入中斷響應(yīng)的等待。表 所示實際距離是 卷尺測量得到的。 圖 閩值觸發(fā)引起的相位誤差 (3)聲速的誤差。如果超聲測距系統(tǒng)應(yīng)用在要求較高的應(yīng)用中，就要考慮以上所說的種種誤差， 想辦法加以克服，最大限度地減小它們的影響。 最后，本超超聲波液位計系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性還有待提高。 在軟件設(shè)計部分，運用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進行分別編程，這樣不但使整個軟件的層次比較清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改，軟件部分分為超聲波驅(qū)動、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊等。 最后對該系統(tǒng)測量精度進行分析，提出了應(yīng)該采取的措施，使其測量更精確。碰到與超聲波長相對而言粗糙表面的目標(biāo)，就要發(fā)生漫反射 。 第 六 章結(jié)論與展 望 本文通過對超聲波在媒質(zhì)中的傳播特性，超聲換能器的工作機理和測距算法分析，研究超聲波信號的衰減以及脈沖信號的驅(qū)動特性，并據(jù)此設(shè)計脈沖信號的發(fā)射電路，基于 AT89S51 單片機作為主控芯片完成液位系統(tǒng)測量的設(shè)計，利用集成芯片 CX20206A 檢測回波信號，然后通過得到的渡越時間計算液位距離。實際上，除溫度外，聲速還與氣壓、濕度、風(fēng)速等有關(guān)，尤其在惡劣的野外環(huán)境下，后面幾種因素的影響不可忽略，此時就有了較大的測量誤差 。但數(shù)據(jù)不能全吻合，主要有以下幾個原因： (1)每次測量時，探頭的位置，方向有微小變動。如圖 。 、控制線要盡量短，以減少對地電容。 表 318 段 LED 數(shù)碼管顯示字型碼 顯示字符 g f e d c b a 字符型 共陰 共陽 極 極 0 0 1 1 1 1 1 1 3F C0 1 0 0 0 0 1 1 0 06 F9 2 1 0 1 1 0 1 1 5B A4 3 1 0 1 1 1 1 1 4F B0 4 1 1 0 0 1 1 0 66 99 5 1 1 0 1 1 0 1 6D 92 6 1 1 1 1 1 0 1 7D 82 7 0 0 0 0 1 1 1 07 F8 8 1 1 1 1 1 1 1 7F 80 9 1 1 0 1 1 1 1 6F 90 由于 LED 數(shù)碼管發(fā)光所需平均電流為 10— 20 mA，單片機端口線無法直接提供，因此必須外加驅(qū)動器，再與 LED 引腳相連。單片機用 端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的 40KHz 方波信號，利用外中斷 0口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號。但電容不宜過大，否則瞬態(tài)響應(yīng)速度會降低。 74LS04 六反向器 這里采用 74LS04來提高驅(qū)動的功率，以使超聲波發(fā)射信號足夠大，提高測量距離。設(shè)計中使用 12MHz 的晶振，通過單片機內(nèi)部 6 分頻，發(fā)生 2MHz 的 ALE 信號，經(jīng)過超聲波發(fā)射電路，獲得探頭所需的 40kHz 的頻率。 10KR32+C19GNDVCCVCCRST/VpdGND 圖 （上電復(fù)位） 電源電路設(shè)計 電源是整個系統(tǒng)的能源中心，系統(tǒng)中所有器件的運作都需要電源來提供能量，因此系統(tǒng)電源的質(zhì)量在很大程度上影響到單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 XTAL2 18 20 14 O 晶體 2：反向振蕩放大輸出 XTAL1 19 21 15 I 晶體 1：反向振蕩放大器輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路輸入 /PSEN 29 32 27 O 程序存儲使能：當(dāng)執(zhí)行外部程序存儲器代碼時， /PSEN 每個機器周期被激活兩次，在訪問外部數(shù) 據(jù) 存儲器時， /PSEN 無效，訪問內(nèi)部程序存儲器時 /PSEN 無效。由于發(fā)射探頭上并不直接施加發(fā)射電壓，所以，從理論上說，可以沒有盲區(qū)。超聲傳感器的指向角一般為 40176。當(dāng)T/R4016 超聲波探頭在輸入頻率為 40kHz 時，各種特性呈現(xiàn)最佳狀態(tài)。因此這項技術(shù)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生 物醫(yī)學(xué)等方面以這種檢測手段，必須發(fā)射超聲波和接收超聲波。 第四章：超聲波液位儀的軟件設(shè)計，包括軟件流程圖，以及程序代碼的關(guān)鍵部分。同時超聲波探頭具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、體積小、信號處理可靠等特點。 目前，進口的智能化超聲波液位儀能夠?qū)邮招盘栕鼍_的處理和分析。諸如，環(huán)境溫度、風(fēng)速等，使其無法達到要求。本文在對超聲波傳播特性研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于單片機的超聲波液位儀的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，并對硬件和部分軟件分別進行了相關(guān)的調(diào)試。這樣即便在有外界干擾的情況下，也能夠進行精確的測量。為了提高數(shù)據(jù)的精確度，重點探討超聲波在測量水平面高度時所受到諸如溫度，氣候以及超聲波強度衰減等因素的影響，以及采取相應(yīng)的措施來減少誤差。電磁波的傳播速度是 3 108m/s,而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為 344m/s。利用常規(guī)雙壓電芯片組件振動器的彎曲振動，在頻率高于 70kHz 的情況下，是不可能達到此目的。其發(fā)射探頭頻率特性曲線圖在中心頻率 40kHz 處，超聲發(fā)射器所產(chǎn)生的超聲機械波最強，即在 f0 處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高。 超聲波液位儀工作原理 超聲波液位儀工作原理 超聲波液位儀的基本工作原理是利用超聲波傳播時間和傳播 速度來確定液面 距離。