基于單片機(jī)的超聲波水箱液位檢測(cè)系統(tǒng)(編輯修改稿)
2025-07-19 18:21 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 0Hz~20KHz，超聲波是頻率大于20KHz的機(jī)械波。在通常的超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，用電脈沖激勵(lì)超聲探頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，這種振動(dòng)在與其接觸的介質(zhì)中傳播，形成超聲波。 超聲波液位測(cè)量原理超聲波物位測(cè)量其實(shí)就是要測(cè)量超聲波測(cè)距儀到物位的距離，如果超聲波測(cè)距儀安裝在底部，測(cè)得的距離即為物位高度，如果超聲波測(cè)距儀安裝在物位上方，需要通過換算來算得物位高度（儲(chǔ)物罐總高度減去測(cè)得的距離即為物位高度）。本文選擇把測(cè)距儀安裝在物位上方，測(cè)距儀安裝相對(duì)方便些。 超聲波回波檢測(cè)法超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限，聲波幅值法易受反射波的影響。在超聲檢測(cè)技術(shù)，特別是超聲測(cè)量技術(shù)中使用最廣泛的是超聲波回波檢測(cè)法，通過測(cè)量超聲波經(jīng)反射放大后到達(dá)接收端的時(shí)間與發(fā)射時(shí)間之差，實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，稱為TOF(Time of Flight)方法，也叫渡越時(shí)間法。渡越時(shí)間法簡(jiǎn)單，被廣泛的應(yīng)用于聲學(xué)測(cè)距系統(tǒng)。它的原理是：超聲波發(fā)射器發(fā)出單個(gè)或一組超聲波脈沖，在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中遇到被測(cè)目標(biāo)，經(jīng)過反射到達(dá)超聲波接收端，此時(shí)停止計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，得到的時(shí)間t就是超聲波在發(fā)射器和被測(cè)目標(biāo)之間來回傳播的時(shí)間。 發(fā)射脈沖波形超聲測(cè)距常用的發(fā)射脈沖波形如圖34所示有：?jiǎn)蝹€(gè)尖脈沖、衰減振蕩脈沖、窄等幅波列脈沖和寬等幅波列脈沖。圖34 超聲波測(cè)距常用發(fā)射脈沖波形 超聲波渡越時(shí)間的計(jì)量方法分析根據(jù)超聲波測(cè)距的原理，發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，在媒介中傳播到物體表面，經(jīng)過反射后再通過媒介返回到接收換能器，通過測(cè)量超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間()，根據(jù)媒介中的聲速(v)，就能計(jì)算出從換能器到物體表面之間的距離(L)。 被測(cè)距離的表達(dá)式：v：聲速值。單位：m/s。L：超聲波探頭距所測(cè)液位距離。單位：m。t：測(cè)量范圍內(nèi)聲波的運(yùn)行時(shí)間。單位：s。采用脈沖計(jì)數(shù)的方法間接測(cè)量被測(cè)時(shí)間，可以滿足高精度要求。ｖ與環(huán)境溫度有關(guān),在測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合要考慮溫度影響,可由軟件進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。在測(cè)量精度要求不是很嚴(yán)格的情況下,可以忽略溫度的影響,超聲波波速與溫度的關(guān)系如下表：表32 超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（℃）3020100102030100聲速（m／s）313319325323338344349386 超聲波接收發(fā)射裝置超聲波包括發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器或稱壓電式超聲波探頭)和磁致伸縮式超聲波傳感器。本論文采用的是壓電式超聲波傳感器，主要由超聲波發(fā)射器(或稱發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱接收探頭)兩部分組成，它們都是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以此作為超聲波的接收器。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(?τ)，此時(shí)阻耗(R)最小，用于發(fā)送超聲波。高頻的共振頻率稱為逆共振頻率(?a)，主要是產(chǎn)生共振，用于接收超聲波。而在串聯(lián)共振頻率(?τ)處發(fā)送靈敏度最高，在逆共振頻率(?a)處接收靈敏度最高。所以選用一對(duì)超聲波換能器，使其效率最高。超聲波傳感器產(chǎn)生振蕩的方法很多，主要有以下幾種：1. 由外部電路產(chǎn)生振蕩，如NE555低頻振蕩器調(diào)制40KHz的高頻信號(hào)，高頻信號(hào)通過超聲波傳感器以聲能形式輻射出去。2. 使用工業(yè)用小功率超聲波收發(fā)控制集成電路LM1812驅(qū)動(dòng)發(fā)送超聲波傳感器振蕩。3. 采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器或直接使用程序產(chǎn)生固定的脈沖，通過放大處理后驅(qū)動(dòng)發(fā)送超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波。本文采用的是超聲波外部電路產(chǎn)生振蕩。 超聲波發(fā)射電路聲波在空氣中傳播受空氣介質(zhì)影響，距離越大衰減越大。為能接收遠(yuǎn)距離得回波，采取有效措施有：增加驅(qū)動(dòng)功率，減小聲波頻率(頻率越低，衰減越慢)。超聲波發(fā)射電路由NE555振蕩電路、晶體管放大電路、變壓器以及壓電超聲波傳感器組成。40KHz振蕩信號(hào)由NE555集成塊和周圍電路產(chǎn)生,然后送至放大電路驅(qū)動(dòng)壓電傳感器發(fā)出一系列的脈沖群, 左右。信號(hào)經(jīng)過三級(jí)管放大,再經(jīng)過阻抗匹配電路即變壓器(變壓器輸入輸出比1∶10 ) 后,驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭,發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓,內(nèi)部的壓電晶片開始震動(dòng),經(jīng)過壓電換能器將發(fā)出40KHZ的脈沖超聲波。具體電路如圖35所示：圖35 超聲波發(fā)射電路原理圖 超聲波檢測(cè)接收電路微弱信號(hào)需要放大整形，超聲波發(fā)射器在發(fā)射超聲波時(shí)，有一部分聲波從發(fā)射器直接傳到接收器，這部分信號(hào)直接加到回波信號(hào)中，干擾回波信號(hào)的檢測(cè)。超聲波接收電路將接收換能器輸出的微弱信號(hào)，進(jìn)行濾波、放大、檢波、整形，得到大幅值電信號(hào)。具體電路如圖36所示：圖36 324超聲波接收電路原理圖 顯示電路設(shè)計(jì) 1602LCD液晶顯示屏本文用1602LCD液晶顯示屏顯示，在日常生活中，我們對(duì)液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計(jì)算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號(hào)和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1. 顯示質(zhì)量高由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會(huì)閃爍。2. 數(shù)字式接口液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。3. 體積小、重量輕液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。4. 功耗低相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主
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