基于單片機的超聲波液位控制器設計(編輯修改稿)
2025-01-11 05:29 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 國內(nèi)的超聲波液位儀專用集成電路都是只有厘米級的測量精度通過溫度補償和數(shù)字平均濾波的方法可以將數(shù)據(jù)提高到毫米級 測量盲區(qū) 由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的 寬度加上放大器有阻塞問題在靠近發(fā)射脈 沖一段時間范圍內(nèi)所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)這段距離稱為盲區(qū) 用脈沖回波測量距離時液面與超聲波探頭間的距離既不能太遠也不能太 近存在著近限和遠限距離過遠時接收到的信號太弱以致無法從噪聲信號 中分辨出來這是遠限所以存在的原因在距離過近時接收信號將落進盲區(qū)中 而無法分辨這是近限所以存在的原因 [17] 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) 送和接收雙探頭方式不僅可以增加探測距離還可以減小盲區(qū)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)但是由于接 收電路多少會受到發(fā)射電路的感應并且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有部分直 接繞道接收探頭因此實際上仍存在一定的盲區(qū)不過他要比單探頭方式的盲區(qū) 小很多所以在本設計中選取了雙探頭的工作方式減小盲區(qū)同時提高檢 測的距離 23 本章 小結(jié) 本章介紹了超聲波的特性對超聲波在傳播過程中的衰減與聲波所在介質(zhì)等 關系進行了分析在超聲波測量工作原理中分析指出把超聲波往返時間的測量 轉(zhuǎn)化對計數(shù)脈沖個數(shù)的測量 第三章 硬件總體設計 31 超聲液位儀總體設計 超聲波液位系統(tǒng)由單片機超聲波發(fā)射電路接收放大電路閘門控制 時鐘發(fā)生等部分組成通過對系統(tǒng)各部分所需要的電壓和電流的計算來選擇不同的電子器件經(jīng)過不斷地測試達到了硬件總體設計的要求 32 單片機電路 作為超聲波液位儀系統(tǒng)的核心部件單片機的選擇對整個系統(tǒng)功能的優(yōu)化起 著至關重要的作用面向工控領域的單片處理器目前廣泛應用的有 51 系列的 8 位單片機及面向大量數(shù)字信號處理領域的數(shù)字信號處理器 DSP DSP 器件在工控領域的應用從長遠看是一個必然的趨勢但目前 DSP 件 的使用偏重于高端應用領域?qū)τ谥悄軆x表所開發(fā)的功能得不到充分利用不能 很好的體現(xiàn)器件優(yōu)勢 51 單片機具有開發(fā)技術(shù)成熟應用廣泛等優(yōu)點尤其是 在 ATMEL 公司將 Flash 存儲技術(shù)應用到單片機產(chǎn)品中將 Flash 存儲技術(shù)與Intel 公司的 MCS51 核心技術(shù)相結(jié)合形成了 AT89 系列單片機 [16] AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓高性能 CMOS 8 位單片機片內(nèi) 含 4K bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器和 128 位的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)內(nèi)置通用 8 位中央處理器 CPU 和 Flash 存儲單元功能強大AT89C51 單片機的高性價比可靈活應用于各種控制領域 復位電路設計 工業(yè)環(huán)境中的干擾大多是以窄脈沖的形式出現(xiàn)而最終造成微機系統(tǒng)故障的 多數(shù)現(xiàn)象為死機究其原因是 CPU 在執(zhí)行 某條指令時受干擾的沖擊使它 的操作碼或地址碼發(fā)生改變致使該條指令出錯這時 CPU 執(zhí)行隨機拼寫的指 令甚至將操作數(shù)作為操作碼執(zhí)行導致程序跑飛或進入死循環(huán)為使 這種跑飛或進入死循環(huán)的程序自動恢復重新正常工作一種有效的辦 法是采用硬件看門狗技術(shù)用看門狗來監(jiān)視程序的運行若程序發(fā)生死 機則看門狗產(chǎn)生復位信號引導單片機程序重新進入正常運行 電源電路設計 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)定性交流電經(jīng)過 電源變壓器整流電路濾波電路和 穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓 直流電源的輸入為 220V 的電網(wǎng)電壓一般情況下所需直流電壓的數(shù)值和 電網(wǎng)電壓的有效值相差較大因而需要通過電源變壓降壓后再對交流電壓進行 處理變壓器副邊與原邊的功率比為 P2 P1 ηη 是變壓器的效率濾波的任務就是把整流器輸出電壓中的波動成分減少輸出恒穩(wěn)的直流電常用的整流濾波電路有全波整流濾波橋式整流濾波等各濾波電容 C 滿足公式 31 RC 3～ 5T2 31 式中 T 為輸入交流信號周期 RC 為整流濾波電路的等效 負載電阻 [21] 時鐘振蕩器 晶體振蕩器以下簡稱晶振是基于晶體的壓電效應原理制造而成的當在晶 片的兩面上加交變電壓時晶片因反復的機械變形產(chǎn)生振動而這種機械振動又 會反過來產(chǎn)生交變電壓當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將外部時鐘電路跟晶振放在同一個封裝里面 一般都有 4 個引腳兩條電源線為里面的時鐘電路提供電源又叫做有源晶振時 鐘振蕩器或簡稱鐘振好多鐘振一般還要做一些溫度補償電路在里面讓振蕩頻率能更準確設計中使用 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 33 發(fā)射電路 超聲波液位儀是基于反射超聲波的測距原理來確定液位因此它在工作時 為了能夠接收到回波信號就需要發(fā)射出具有一定強度的超聲波信號并且發(fā)射 部分為超聲波探頭提供一個具有一定頻率的電壓信號
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