【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng)工作原理框圖如 圖 31 所示 。該系統(tǒng)由 AT89C2051 單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、環(huán)境溫度采集電路、報(bào)警電路、控制鍵盤、控制電路及顯示電路組成。AT89C2051 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)各部件的工作。發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊振蕩源和放大驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)控制發(fā)射模塊產(chǎn)生 40kHz的頻率信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，每次發(fā)射包含 若干 個(gè)脈沖（發(fā)射持續(xù)約 ），當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖發(fā)射后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，在檢測(cè)到第一個(gè)回波脈沖的瞬間，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這樣就能夠得到從發(fā)射到接收的時(shí)間 Δ t；溫度采集電路也將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集送到單片 機(jī)中，提供計(jì)算距離時(shí)對(duì)超聲波傳播速度的修正。最終單片機(jī)利用公式 s = 12vΔ t 和 v = + 計(jì)算出被測(cè)距離，然后與系統(tǒng)預(yù)設(shè)距離比較，如果小于預(yù)設(shè)最低液位或者大于預(yù)設(shè)最高液位，單片機(jī)進(jìn)行液體流入流出自動(dòng)控制；當(dāng)液位變化過(guò)快或者其他單片機(jī)無(wú)法進(jìn)行液位控制的情況下，單片機(jī)啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)射驅(qū)動(dòng) 超聲波接收處理 單 片 機(jī) LED顯示 控制鍵 盤 溫度傳感器 圖 31 液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖 報(bào)警電路 控制電路 11 通知工作人員進(jìn)行人為干預(yù)。完成這些步驟進(jìn)行第二次超聲波發(fā)射。在這過(guò)程中單片機(jī)顯示電路不斷的更新顯示的液位值。其中控制鍵盤可以控制系統(tǒng)的液位變化范圍（最高液位 h1和最低液位 h2）和報(bào)警參數(shù) h（超出極限低液位或極 高液位認(rèn)為單片機(jī)不能完成自動(dòng)控制）。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 超聲波頻率的選擇 超聲波發(fā)散角隨頻率的增加而增加，這樣使用雙探頭時(shí)將會(huì)有更多的繞射波被接受，所以超聲波頻率不易太高；超聲波測(cè)距的有效距離與超聲波的頻率成反比，頻率越低有效距離越大， 40Hz的超聲波一般有效測(cè)距范圍為 6~10米，超聲波測(cè)距精度和超聲波頻率成正比，因此頻率過(guò)低會(huì)影響測(cè)距精度，根據(jù)一般工業(yè)需要，結(jié)合其它因素，本系統(tǒng)采用 40 KHz左右的頻率。 單雙探頭的選擇 如果使用單超聲波探頭，將會(huì)影響最小測(cè)量距離， 而且可能會(huì)在轉(zhuǎn)換時(shí)有噪聲產(chǎn)生。因此本系統(tǒng)采用收發(fā)分離雙超聲波探頭。 超聲波發(fā)射電路 （ 1）超聲波發(fā)射電路功能 發(fā)射電路目的 :為超聲波發(fā)射器提供它所需要的脈沖電信號(hào)依據(jù)電路需要，發(fā)射電路滿足下列要求 : ① 振蕩電路振蕩頻率可調(diào) ② 驅(qū)動(dòng)能力較高 ③ I/O口控制口 （ 2）超聲波振蕩電路 當(dāng)加載在超聲波傳感器的兩端的信號(hào)頻率與其固有頻率為同一頻率時(shí)，發(fā)生共振，電信號(hào)電能能高效率的轉(zhuǎn)化為機(jī)械聲波機(jī)械能。 12 一般廠家生產(chǎn)的超聲波傳感器標(biāo)識(shí)的固有頻率是 40KHz，實(shí)際有偏差，如 40士 。故設(shè)計(jì)可 調(diào)頻率振蕩電路，以便將信號(hào)頻率調(diào)到超聲波傳感器的固有頻率上。蕩電路有多種設(shè)計(jì)方案，方案選擇如下 : 方案一 :利用非門或與非門和電阻一起構(gòu)成振蕩電路，如圖 32所示。 圖 32 非門和電阻、電容組成的振蕩電路 這個(gè)電路組成的是最簡(jiǎn)單的振蕩器，這種振蕩器特點(diǎn)是 :T≈(～ )R C，且電源波動(dòng)將使頻率不穩(wěn)定，適合小于 100KHz的低頻振蕩情況。此振蕩是上電振蕩，不方便控制。 方案二：采用兩三極管和電阻電容構(gòu)成的振蕩器如圖 33所示。 方案三： LC三點(diǎn)振蕩電路如圖 34所示。 13 圖 33 三極管和電 阻電容構(gòu)成的振蕩器 方案四： 555芯片組成振蕩電路，如圖 35所示。 555芯片振蕩電路，外圍元件少，電路簡(jiǎn)單，振蕩頻率可調(diào)，可產(chǎn)生方波和三角波，可調(diào)整波形占空比，在很多電路中都用到，如圖 35所示。 14 圖 34 LC三點(diǎn)振蕩電路 圖 35 555芯片組成振蕩電路 上面幾個(gè)振蕩電路都是很實(shí)用的電路，外圍元件少，電路簡(jiǎn)單，芯片驅(qū)動(dòng)能力大，振蕩輸出的信號(hào)為方波信號(hào)?？紤]系統(tǒng)需要和方便，本文中的振蕩電路選方案四，用 555芯片和外圍元件 構(gòu)成振蕩電路，此電路穩(wěn)定且易控制。 本文中采用的 555芯片振蕩電路 , 頻率的計(jì)算如下： RA =、 RB=15KΩ、 C=1000pF TL = RBx C = 1012= 10μ sec TH= x(RA + RB)x C = x x 103 x 1000 x 1012 = 11μ sec f = 1/(TL + TH) = 1/(( + ) x 106) = KHz 15 （ 3）超聲波驅(qū)動(dòng)電路原理圖 驅(qū)動(dòng)電路目的 :為超聲波發(fā)射器提供 足夠功率的脈沖信號(hào)。 驅(qū)動(dòng)電路要求產(chǎn)生出具有一定功率，一定脈沖寬度和一定頻率的超聲電脈沖去激勵(lì)發(fā)射器，由發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械波機(jī)械能。驅(qū)動(dòng)電路有幾種方案，如下： ①采用專用芯片驅(qū)動(dòng)。 ②由分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路，其價(jià)格便宜，元件普通，調(diào)試方便。 ③采用變壓器提升電壓，增加驅(qū)動(dòng)能力。 ④采用非門并接利用芯片的驅(qū)動(dòng)能力。 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 )。 本文采用變壓器升壓增加驅(qū)動(dòng)能力。整個(gè)發(fā)射電路由 555 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 555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 ,每一個(gè)脈沖群持續(xù)時(shí)間大約為 左右。信號(hào)經(jīng)過(guò)三級(jí)管放大 ,再經(jīng)過(guò)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(guò)壓電換能器將發(fā)出 40kHZ的脈沖超聲波。具體電路 如圖 36所示。 16 圖 36 超聲波發(fā)射電路 超聲波的接收和處理單元 (1)超聲 波接收電路功能 根據(jù)電路需求，需要接收放大電路滿足以下要求 : ①微弱信號(hào)放大，放大倍數(shù)要求從 mv到 V， ②波形整形。 如圖 37所示，超聲波接收器將接收到回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)(正弦波 )，信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大以后，被送入電壓比較器進(jìn)行比較，電壓比較器輸出 的方波信號(hào)直接輸入 INT0中斷口，該低電平作為AT89c51外部中斷 0的中斷信號(hào)使 AT89C51產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中停止計(jì)數(shù)器 T0的計(jì)時(shí)，并計(jì)算出有關(guān)數(shù)據(jù)。由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號(hào)的換向識(shí)別、轉(zhuǎn)換、信號(hào)的放大和整形以及產(chǎn)生中斷信號(hào)等功能。如圖 37進(jìn)行波形處理。 17 圖 37 接收電路信號(hào)變化關(guān)系圖 （ 2）超聲波接收電路電路 微弱信號(hào)需要放大整形，因此接收部分電路主要由放大電路、電壓比較電路構(gòu)成。根據(jù)所用的 T/R4016型超聲波傳感器的資料以及在實(shí)驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象，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)。此問(wèn)題在軟件中處理。 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，來(lái)得到大幅值電信號(hào)，供 單片機(jī) INT0端口辨識(shí)。接收電路可采用新產(chǎn)品專用集成電路，也可用傳統(tǒng)的濾波、放大、檢波、整形的電路。過(guò)去均采用分立元件構(gòu)成，現(xiàn)在可以用專用超聲波接收集成電路來(lái)代替。還可以使用價(jià)格便宜的極普通的 Mpc08C作為超聲波的放大電路，采用獨(dú)特的連接方式，可獲得非常好的應(yīng) 18 用效果。 通過(guò)比較幾個(gè)電路，用集成芯片固然能簡(jiǎn)單快捷，外圍元件少，但是通過(guò)多級(jí)運(yùn)放作為放大電路能改變放大倍數(shù)，能適應(yīng)小信號(hào)的采集。綜合因素考慮，本論文中采用圖 38所示的電路，即采用運(yùn)算放大器 TL084CN構(gòu)成放大電路 :當(dāng)頻率為 40KHz時(shí)，理論上極 限放大約1000倍，但實(shí)際工作中不可能讓放大器工作于極限狀態(tài)，放大倍數(shù)過(guò)高，易產(chǎn)生自激振蕩。因此采用兩極放大，每級(jí)放大倍數(shù) 。 ① 放大電路兩級(jí)放大，放大倍數(shù)分別為 4 。 ② 在此電路中 R108并接接收器兩端，其目的取微弱信號(hào)為電壓信號(hào)，供放大電路放大，放大電路的輸入阻值為 18M，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 100K，靈敏度高，放大電壓幅值為 1V,士 1V隨距離遠(yuǎn)近而變化。 ③ C108連接前后兩極放大，阻兩極間直流，通兩極間交流。 ④ 運(yùn)放芯片采用 TL084，供電電壓為 9V，單電壓供電。 ⑤ 在 接收器的輸入端接入 使信號(hào)更有利于放大，除去不必要的干擾。 圖 38 由 TL084集成運(yùn)放兩級(jí)放大接收電路 ⑥ 比較電路的設(shè)計(jì) 比較電路目的是將 mV級(jí)的微弱信號(hào)放大后的 V級(jí)信號(hào)整形成能為 INT0辨識(shí)的脈沖信號(hào)，本文是下降沿引起中斷。根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)思想，要將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成 CPU識(shí)別的高低中斷信號(hào)，所以在對(duì) 19 回波信號(hào) (正弦波 )經(jīng)過(guò)兩次放大以后，需要將正弦波整形成方波，于是后面接了一個(gè)電壓比較電路?？紤]輸入頻率為 40KHz，采用了集成電壓比較器 LM393。 LM393具有低 偏置電流和失調(diào)電流 (典型值分別為 100nA和 6nA)，其響應(yīng)速度為 200ns?？捎脝坞娫垂╇?(如 +5V)，也可用雙電源供電 (如177。 12V)。在本系統(tǒng)中采用了 +5V單電源供電。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察， LM393輸出信號(hào)符合設(shè)計(jì)要求，單片機(jī) INT0端口識(shí)別引腳 1處標(biāo)準(zhǔn)下降沿。具體電路如圖 39所示。 圖 39 LM393構(gòu)成比較電路 如圖 39所示，放大后的信號(hào)由 LM393第 2腳進(jìn)入，在第 3腳是+，由于 R2電阻可調(diào)， 4即根據(jù)輸入的信號(hào)可以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓?？梢杂行У胤乐骨_。 LM393是+9V(可調(diào) )供電，需要在輸出端口接上一個(gè)上拉電阻 R3，該電阻由 +5V供電，將 +9V高電平拉低到 +5V高電平，供單片機(jī) INTO端口識(shí)別。 完整的超聲波接收和處理電路，如圖 310所示。 溫度補(bǔ)償單元 （ 1）補(bǔ)償目的 聲波在介質(zhì)中的速度受介質(zhì)、介質(zhì)溫度影響。在本課題中，介 20 質(zhì)是空氣，空氣顆粒較小，對(duì)超聲波衰減影響較小，忽視其帶來(lái)的影響，但空氣溫度變化影響較大，不容忽視。 圖 310 超聲波的接收和處理電路 （ 2） DS18B20簡(jiǎn)介 DS18B20是美國(guó) DALLAS半導(dǎo)體公司繼 DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比 , 他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12位的數(shù)字值讀數(shù) 表 方式?？梢苑謩e在 93175ms和 750ms內(nèi)完成 9位和 12位的數(shù)字量 , 并且從 DS18B20讀出的信息或?qū)懭?DS18B20的信息僅需要一根口線 (單線接口 ) 讀寫 , 溫度變換功率來(lái)源于 數(shù)據(jù)總線 , 總線本身也可以向所掛接的 DS18 B20供電 , 而無(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單 , 可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較 DS1820 有了很大的改進(jìn) , 給用戶帶來(lái)了更方便的使用和更令人滿意的效果。 21 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)： DS18B20采用 3腳 PR35封裝或 8腳 SOIC封裝 , 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 311所示。 ① 64b閃速 ROM 的結(jié)構(gòu)如下 : 8b檢驗(yàn) CRC 48b序列號(hào) 8b工廠代碼（ 10H） MSB LSB MSB LSB MSB LSB 圖 311 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 開始 8位是產(chǎn)品類型的編號(hào) , 接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào) , 共有 48 位 , 最后 8位是前 56位的 CRC校驗(yàn)碼 , 這也是多個(gè) DS18B20 可以采用一線進(jìn)行通信的原因。 ② 非易市失性溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL , 可通過(guò)軟件寫入用戶報(bào)警上下限。 ③ 高速暫存存儲(chǔ)器 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存 RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的 E2RAM。后者用于存儲(chǔ) TH , TL值。數(shù)據(jù)先寫入 RAM ,經(jīng)校驗(yàn)后再傳給 E2RAM。而配置寄存器為高速暫存器中的第 5個(gè)字節(jié) , 他的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率 ,DS18B20工作時(shí)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。該字節(jié)各 22 位的定義如下 : TM R1 R0 1 1 1 1 1 低 5位一直都是 1, TM是測(cè)試模式位 , 用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測(cè)試模式。在 DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0, 用戶不要去改動(dòng) , R1和 R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù) , 即是來(lái)設(shè)置分辨率 , 如表 33所示 (DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為 12 位 )。 表 33 R1和 R0模式表 R1 R0 分辨率 分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 /ms 0 0 9位 0 1 10位 1 0 11位 1 1 12位 由表 33可見 , 設(shè)定的分辨率越高 , 所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長(zhǎng)。因此 , 在實(shí)際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。高速暫存存儲(chǔ)器除了配置寄存器外 , 還有其他 8個(gè)字節(jié)組成 , 其分配如下所示。其中溫度信息 (第 1,2字節(jié) )、 TH 和 TL 值第