基于單片機(jī)的超聲波液位測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-24 21:16 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。超聲波傳感器可以視為一個(gè)電感、電容和電阻串聯(lián)的（共振）電路其電抗特性是左側(cè)右側(cè)呈電容性，中間部分呈電感性。這種特性只有在高Q值的晶體振子活著陶瓷振子中可以看到。利用這一特性構(gòu)成了超聲波傳感器特有的電路。超聲波傳感器由兩個(gè)共振頻率，低頻的共振頻率ft叫做串聯(lián)共振頻率，在電阻(R)，電感(L)和電容(C1)的串聯(lián)電路中振蕩。這時(shí)的傳感器阻抗最低；而在高頻處的共振頻率fa為逆共振頻率，在電阻(R)，電容(C1)和電容(C2)的串聯(lián)電路中震蕩。發(fā)送超聲波在串聯(lián)共振頻率處具有最高靈敏度，接收超聲波在串聯(lián)逆共振頻率處具有最高靈敏度，而且由于超聲波傳感器具有共振特性，即使將方波輸入到發(fā)送傳感器，接收傳感器的輸出也是正弦波。市場上的超聲波傳感器大致可以分為通用型，寬頻帶型，封閉型，高頻型幾類，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)，也就各有用途。通用型頻帶窄，但靈敏度高，抗干擾性強(qiáng)，在多通道，且通道間頻率較近的應(yīng)用中最好使用它；寬頻帶型能在工作頻帶內(nèi)有兩個(gè)共振點(diǎn)，因而加寬了頻帶，它兼做發(fā)送和接收傳感器；封閉型適用于室外環(huán)境，有較好的奈風(fēng)雨特性，用于汽車后的監(jiān)測等裝置上；高頻型的中心頻率可以達(dá)到200KHz，方向性強(qiáng)，可以進(jìn)行高分辨率的測量。本次設(shè)計(jì)用了通用型TL851和TL852來發(fā)送和接收超聲波。2 超聲波測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)控制原理為：液位控制系統(tǒng)的控制目的是容器內(nèi)液位保持恒定，假如管道中的壓力是恒定的，管道閥門的開度對應(yīng)一定的液體流量，這時(shí)為了保持液位恒定，只須測量實(shí)際液位，并與液位設(shè)定值進(jìn)行比較，利用二者的偏差以PID控制規(guī)律控制管道閥門的開度。系統(tǒng)只有檢測液位偏離設(shè)定值時(shí)才能進(jìn)行控制，在本課題中，在液位控制主回路中增加液體流量控制回路，構(gòu)成單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。根據(jù)分析控制流程為如圖1：圖1 控制流程圖單片機(jī)也被稱為“單片微型計(jì)算機(jī)”，單片機(jī)一詞最初源于“single chip microputer”,簡稱“SCM”，隨著SCM在技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)上的進(jìn)步，其控制功能不斷擴(kuò)展，它的主要作用已經(jīng)不是計(jì)算而是控制了。 現(xiàn)在最具有代表性、最典型的機(jī)型當(dāng)屬AT89S51系列單片機(jī)了，本課題液位控制系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)。一塊芯片上包括：8位中央處理器單元CPU；4/8KB ROM或EPROM；128/256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器RAM；21/26個(gè)特殊功能寄存器SFP；4個(gè)8位并行I/O口；2/3個(gè)16位可編程的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，T0、T1用來對外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可設(shè)置成定時(shí)器；有5/6個(gè)中斷源，其中3個(gè)是內(nèi)部中斷源，2個(gè)外部中斷源，通過軟件可編程為兩個(gè)中斷優(yōu)先級；1個(gè)全雙工的通過編程工作在異步方式的串行接口，使數(shù)據(jù)可在微機(jī)之間一位一位地串行傳送；內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體振蕩器和電容需要外接，允許最高振蕩頻率為12MHz；64KB外部程序存儲器尋址空間；64KB外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間；具有位尋址功能，位尋址空間為00H～FFH,具有較強(qiáng)的位處理能力。AT89S51的引腳圖如圖2：EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T11512P1.34567839383736353433322122232425262728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10AT89S51圖2 AT89S51的引腳圖超聲波換能器選用壓電式換能器。超聲波收發(fā)器采用超聲波專用芯片 TL851 和 TL852 。TL851 數(shù)字集成電路，是專用的聲納測距控制器。TL852 模擬集成電路，是專用的聲納測距接收器。這兩個(gè)芯片已廣泛應(yīng)用于超聲波測距系統(tǒng)中，是靜電和壓電換能器接口。超聲波信號由 TL851 和 TL852及外圍元件產(chǎn)生，然后通過三極管和變壓器輸送至超聲波換能器，該超聲波換能器集收發(fā)于一體，返回信號也是通過TL851 和 TL852等 處 理 后 傳 送 給AT89S51。由 TL851 和 TL852 組成的超聲波收發(fā)器有兩種工作方式：單回波(singleecho)工作方式和多回波(multiecho)工作方式。所謂單回波工作模式是指發(fā)出 INIT 信號后等待回波信號，然后將回波信號放大并在ECHO引腳生成一個(gè)邏輯高電平輸出，這樣從 INIT 置高電平到ECHO輸出高電平的時(shí)間就是超聲波發(fā)出到遇到對象物返回的時(shí)間。多回波工作模式的多個(gè)回波必須在一次發(fā)射中得到，那么就必須在ECHO輸出高電平以后，在 BINK 上輸入高電平且延時(shí)不小于 ms 的脈沖，在脈沖的下降沿ECHO又回到低電平，可以重新接收回波。TL851 的測量距離為6英寸到35英尺。它有一個(gè)可使用低成本外部陶瓷晶振起振的內(nèi)部振蕩器，使用簡單的外部接口和420KHz的陶瓷晶振，可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)50KHz靜電轉(zhuǎn)換器。TL851 的INIT引腳必須在 Vcc 上電5ms之后才可以置高電平，在這5ms的時(shí)間里，系統(tǒng)內(nèi)部被重新設(shè)定，并且產(chǎn)生穩(wěn)定的
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