【導(dǎo)讀】介紹了液位測量儀的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，深入討論了用超聲波作為信號源進行。液位測量的可行性及優(yōu)越性，以及產(chǎn)生誤差的各種原因，并提出了相應(yīng)的解決辦法。所需考慮的問題。該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包含了超聲波發(fā)射電路、接收電路、溫度補償電路和相應(yīng)的。軟件設(shè)計中，我們采用模塊化程序設(shè)計思想，將軟件分為超聲波驅(qū)動與數(shù)。據(jù)處理模塊、功能模塊兩大類。這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢。測速度快、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到設(shè)計的要求。指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注。和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作。了明確的說明并表示了謝意。的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。

　　

【正文】 是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 (1) AT89C51 的主要性能包括： 1. 與 MCS51 微控制器產(chǎn)品系列兼容； 2. 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 ； 3. 編程所需的所有時序和電壓，均不需外部電路供給； 4. 存儲器可循環(huán)寫入 /擦除 1000 次； 5. 存儲數(shù)據(jù)保存時間為 10 年； 6. 全靜態(tài)工作：可由 0Hz到 24MHz ； 7. 程序存儲器具有 3 級鎖存保護； 8. 128ｘ 8 位內(nèi)部 RAM ； 9. 32 條可編程 I/O 線； 10. 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器； 11. 具有 5 個中斷源； 12. 可編程串行通道 13. 空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保護存儲內(nèi)容。 (2)芯片的引腳描述 ： CHMOS 制造工藝的 89C51 單片機采用 40 引腳的雙列直插封裝（ DIP 方式），在單片機的 40 條引腳中有 2 條專用于主電源的引腳， 2 條外接晶體的引腳， 4 條控制與其它電源復(fù)用的引腳， 32 條輸入 /輸出（ I/O）引腳。 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL門電流。當(dāng) P1口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 18 出 4TTL 門電流。 P1 口 管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。 圖 32 單片機 89C51 的管腳圖 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出4 個 TTL門電流，當(dāng) P2 口被寫 ―1‖時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存 儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 ―1‖時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當(dāng) P3 口寫入 ―1‖后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) /INT0(外部中斷 0) /INT1(外部中斷 1) 1234567891011121314151617181920 2122232425262728293031323334353637383940T 2 /P 1 .0T 2 EX /P 1 .1P 1 .2P 1 .3P 1 .4P 1 .5P 1 .6P 1 .7RSTRXD /P 3 .0T XD /P 3 .1INT 1 /P 3 .3T 0 /P 3 .4T 1 /P 3 .5WR /P 3 .6RD /P 3 .7XTAL 2XTAL 1GNDINT 0 /P 3 .2VCCP 0 .0 /AD 0P 0 .1 /AD 1P 0 .2 /AD 2P 0 .3 /AD 3P 0 .4 /AD 4P 0 .5 /AD 5P 0 .6 /AD 6P 0 .7 /AD 7EA /APPALE /PROGPESNP 2 .7 /A 15P 2 .6 /A 14P 2 .5 /A 13P 2 .4 /A 12P 2 .3 /A 11P 2 .2 /A 10P 2 .1 /A 9P 2 .0 /A 889 C 51長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 19 T0(記時器 0 外部輸入 ) T1(記時器 1 外部輸入 ) /WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) /RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ) P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪 問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器 (0000HFFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源 (VPP)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 超聲波發(fā)射電路設(shè)計 超聲波發(fā)射電路功能 超聲波發(fā)射器在幅 度為 20V，頻率為 40kHz 的方波驅(qū)動下，發(fā)出頻率為 40kHz的超聲波，遇障礙物后反射，由超聲波的接收器接收回波。由于超聲波在同一種介質(zhì)中的傳播速度不變，因此通過單片機的定時器可測出超聲波脈沖串發(fā)射至接收到回波信號所需的時間 T，根據(jù)公式 s=181。T/2 即可算出超聲波傳感器到障礙物之間的距離，其中 181。為超聲波的傳播速度。 由于要測量的距離不固定，可能還是動態(tài)的，所以用 AT98C51 的 管腳，發(fā)出間歇式的脈沖串 (每 20 個脈沖為一串 )，等到接收到回波并計算出距離后再發(fā)下一串脈沖。這樣發(fā)一次脈沖測量一次距 離，然后每 5 個距離取一次平均值顯示并存儲。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 20 超聲波發(fā)射電路原理圖 根據(jù)硬件設(shè)計思想，這部分電路要將單片機 管腳輸出的 40kHz 脈沖信號的幅度放大 20V 左右，以滿足超聲波傳感器發(fā)射器的要求，所以超聲波發(fā)射電路主要是由一個含有大功率 CMOS 管 IRF640 的放大電路、變壓器和一個超聲波發(fā)射換能器構(gòu)成。 如圖 33 所示： 12J5T 40 16R61 50D11 2VD21 2VT1T R A N S 1Q3IF R 6 40GND. ... 圖 33 發(fā)射部分電路 由第二章的討論可以知道，油量測量儀所用的 T/R4016 型超聲波傳感器在頻率40kHz，幅值 20V 的電壓驅(qū)動下，各種性能最佳，所以通過單片機的 管腳輸出40kHz的脈沖信號給發(fā)射電路。由于單片機 P0 口的輸出電壓為 5V,其驅(qū)動能力達不到要求，所以用了一個大功率的 CMOS 管 IRF640 來驅(qū)動超聲波傳感器的發(fā)射器。它的工作原理是這樣的： 管腳輸出頻率為 40kHz的方波，用來控制 Q3 的導(dǎo)通與截止，從而在變壓器的輸入端得到一個幅度將近 20V 的方波，使得超聲波的發(fā)射器得到足夠的能量。變壓器在這里主要起隔離作用。由于變壓器的輸入端的電阻很小，只有，所以在 12V電源的接入端，加了一個 150Ω的電阻用來限制電流，這樣不至于使電源部分的元件過熱。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 21 超聲波接收電路 超聲波接收電路功能 如圖 34 所示，超聲波接收器將接收到回波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號 (正弦波 )，經(jīng)過兩級放大以后，被送入電壓比較器進行比較，電壓比較器輸出的方波信號控制 D 觸發(fā)器的時鐘端，將 D 端口上預(yù)先設(shè)置好的低電平從 Q 端發(fā)送出，該低電平作為AT89C51 外部中斷 0 的中斷信號使 AT89C51 產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中停止計數(shù)器 T1 的計時，并計算出有關(guān)數(shù)據(jù)。 由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號的轉(zhuǎn)換、信號的放大和整形以及產(chǎn)生中斷信號等功能。 超聲波 接收電路原理圖 接收部分電路主要由兩個放大電路、一個電壓比較器和一個 D 觸發(fā)器構(gòu)成。如圖34所示，根據(jù)所用的 T/R4016型超聲波傳感器的資料以及在實驗中所觀察到的現(xiàn)象，超聲波發(fā)射器在發(fā)射超聲波時，有一部分聲波從發(fā)射探頭直接傳到接收探頭，這部分信號直接加到回波信號中，干擾回波信號的檢測。所以在放大電路之前接了一個雙向開關(guān) 4066, 4066 的控制端接 AT89C51 的 管腳，當(dāng) 管腳發(fā)脈沖時，將 管腳置成低電平，雙向開關(guān)導(dǎo)通，即 4066 的 1, 2 管腳接通，使得放大電路的輸入端接地以屏蔽發(fā)射 探頭直接傳過來的干擾信號。脈沖發(fā)送完畢之后將 管腳置成高電平，斷開 1, 2 管腳的連接，等待回波信號的通過。 其次，在實驗中還發(fā)現(xiàn)：在接收電路等待回波信號時，由于輸入端懸空，使得電路一直有干擾信號，而且這種干擾，影響回波信號的正常接收，所以在輸入端加了一個電阻 R10，以消除這種干擾。 兩級放大電路都是含運放 UA741 的反向比例電路，放大倍數(shù)達到了 100 倍，以滿足長距離的測量要求。 根據(jù)硬件電路的設(shè)計思想：最終要將回波信號轉(zhuǎn)換成單片機的中斷信號，所以在對回波信號 (正弦波 )經(jīng)過兩次放大以后，需要將正弦波轉(zhuǎn) 換成方波，于是后面接了一個電壓比較電路和一個 D 觸發(fā)器。因為輸入 頻率為 40kHz，比較高，集成運放構(gòu)成的電壓比較器的響應(yīng)速度較慢，達不到要求的頻響速度，所以采用了集成電壓比較器 LM311。 LM311是一個通用型集成電壓比較器，它具有低的偏置電流和失調(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 177。12V的雙電源供電。通過實驗觀察， LM311的輸出信號符合設(shè)計要求，可以把它作為 D 觸發(fā)器的時鐘信號。 D 觸發(fā)器的 D 端 AT89C51 的 管腳。平時該管腳置成高電平，當(dāng) AT89C51發(fā)送完驅(qū)動脈沖串以后，在允許外部中斷 0 中斷的同時，將 置成低電平；當(dāng)接收到回波信號，并將其轉(zhuǎn)換成 D 觸發(fā)器的時鐘信號后， D 管腳的低電平將通過 D 觸長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 22 發(fā)器的 Q 端送出，作為 AT89C51 的外部中斷 0 的中斷信號。這樣回波信號最終轉(zhuǎn)換成了 AT89C51 的中斷信號，實現(xiàn)了硬件設(shè)計思想。 12J6R 4 0 16R51 0KR 1 02 0KR61 00 K1213U 1 1A4 06 62374615U8U A 7 412374615U9U A 7 41C 1 71 00 U /2 5 VC 1 81 00 U /2 5 V+ 12 VR71 0KR81 00 KW11 0K1 2 V+ 12 V1 2 VGNDGND GNDGND2376 5184U1L M 3 11C L K3D2SD4CD1Q5Q6U 2 1A7 4A L S 7 4R91 2K5VGNDGND...+ 5V+ 12 V 圖 34 接收部分電路 8279 接口電路與鍵盤顯示電路 可編程鍵盤 /顯示器接口芯片 8279 簡介 8279 芯片是一種專用于鍵盤、顯示器的接口芯片， 它能對顯示器自動掃描，能識別鍵盤下閉合鍵的鍵號。采用專用芯片 8279 獨立于 CPU工作對顯示鍵盤自動掃描，可大大提高 CPU的工作效率。 鍵盤部分提供的掃描方式，可以和具有 64 個按鍵或傳感器的陣列相連，能自動消抖及 n鍵同時按下的保護。 顯示部分按掃描方式工作，可以連接 8 位或 16 位顯