基于單片機(jī)的超聲波水箱液位檢測系統(tǒng)(編輯修改稿)
2025-07-19 18:21 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 0Hz~20KHz，超聲波是頻率大于20KHz的機(jī)械波。在通常的超聲波測距系統(tǒng)中，用電脈沖激勵超聲探頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機(jī)械振動，這種振動在與其接觸的介質(zhì)中傳播，形成超聲波。 超聲波液位測量原理超聲波物位測量其實就是要測量超聲波測距儀到物位的距離，如果超聲波測距儀安裝在底部，測得的距離即為物位高度，如果超聲波測距儀安裝在物位上方，需要通過換算來算得物位高度（儲物罐總高度減去測得的距離即為物位高度）。本文選擇把測距儀安裝在物位上方，測距儀安裝相對方便些。 超聲波回波檢測法超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限，聲波幅值法易受反射波的影響。在超聲檢測技術(shù)，特別是超聲測量技術(shù)中使用最廣泛的是超聲波回波檢測法，通過測量超聲波經(jīng)反射放大后到達(dá)接收端的時間與發(fā)射時間之差，實現(xiàn)距離測量，稱為TOF(Time of Flight)方法，也叫渡越時間法。渡越時間法簡單，被廣泛的應(yīng)用于聲學(xué)測距系統(tǒng)。它的原理是：超聲波發(fā)射器發(fā)出單個或一組超聲波脈沖，在發(fā)射時刻同時計時器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中遇到被測目標(biāo)，經(jīng)過反射到達(dá)超聲波接收端，此時停止計時器計時，得到的時間t就是超聲波在發(fā)射器和被測目標(biāo)之間來回傳播的時間。 發(fā)射脈沖波形超聲測距常用的發(fā)射脈沖波形如圖34所示有：單個尖脈沖、衰減振蕩脈沖、窄等幅波列脈沖和寬等幅波列脈沖。圖34 超聲波測距常用發(fā)射脈沖波形 超聲波渡越時間的計量方法分析根據(jù)超聲波測距的原理，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，通過測量超聲波從發(fā)射到接收所需的時間()，根據(jù)媒介中的聲速(v)，就能計算出從換能器到物體表面之間的距離(L)。 被測距離的表達(dá)式：v：聲速值。單位：m/s。L：超聲波探頭距所測液位距離。單位：m。t：測量范圍內(nèi)聲波的運行時間。單位：s。采用脈沖計數(shù)的方法間接測量被測時間，可以滿足高精度要求。ｖ與環(huán)境溫度有關(guān),在測量精度要求高的場合要考慮溫度影響,可由軟件進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。在測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)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，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)將接收的超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，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共振頻率:低頻共振頻率叫串聯(lián)共振頻率(?τ)，此時阻耗(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，高頻信號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)動發(fā)送超聲波傳感器振蕩。3. 采用單片機(jī)內(nèi)部的定時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振蕩信號由NE555集成塊和周圍電路產(chǎn)生,然后送至放大電路驅(qū)動壓電傳感器發(fā)出一系列的脈沖群, 左右。信號經(jīng)過三級管放大,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,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 超聲波檢測接收電路微弱信號需要放大整形，超聲波發(fā)射器在發(fā)射超聲波時，有一部分聲波從發(fā)射器直接傳到接收器，這部分信號直接加到回波信號中，干擾回波信號的檢測。超聲波接收電路將接收換能器輸出的微弱信號，進(jìn)行濾波、放大、檢波、整形，得到大幅值電信號。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 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優(yōu)點：1. 顯示質(zhì)量高由于液晶顯示器每一個點在收到信號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。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。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. 功耗低相對而言，液晶顯示器的功耗主
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