【正文】 由于本人的水平有限，文中難免有不妥 和錯誤之處，懇請各位老師和同學(xué)批評指正 參考文獻(xiàn) [1].李榮正等 .《 PIC 單片機(jī)原理及應(yīng)用》 [M]北京航天航空大學(xué)出版社 2020，34～ 42 [2].李學(xué)?！?PIC 單片機(jī)實(shí)用教程－基礎(chǔ)篇》 [M] 北京航天航空大學(xué)出版社2020， 14～ 22 [3].阮成功 ,藍(lán)兆輝 ,陳碩《基于單片機(jī)的超聲波液位儀系統(tǒng)》 [J] 高等教育出版社 2020,22～ 24 [4].李麗霞《單片機(jī)在超聲波液位儀中的應(yīng)用》 [M]北京航天航空大學(xué)出版社2020， 7～ 9 [5].姜道連 ,寧延一 ,袁世良 《用 AT89C2051 設(shè)計超聲波液位儀》 [J] 國外電子元器件 2020， 122～ 134 [6]. 杜洪君，《超聲波液位儀儀電路及程序設(shè)計》 [M]北方工業(yè)大學(xué) 2020 畢業(yè)設(shè)計論文 2020， 172～ 179 [7].蔡美琴，《 MCS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用》 [J] 高等教育出版社 1999，72～ 79 [8].楊元，高勇，李福德等 《提高超聲波檢測系統(tǒng)信噪比的理論研究及檢測控制方案》 [J] 計量學(xué)報 2020， 317～ 319. 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所示，這種相位誤差最后就禍合到測試誤差中。由于空氣氣流的起伏、目標(biāo)的形狀和粗糙度不同、傳感器的響應(yīng)特性較差等原因，使得傳感器的回波信號不是一個規(guī)則信號，有較大的不確定性，給觸發(fā)閉值的設(shè)置帶來難度，從而帶來測量誤差 。發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波并非直線傳播，而是呈喇叭狀擴(kuò)散傳播的。而且環(huán)境條件不同也會得到不同的結(jié)果。 20cm— 2m 內(nèi)測量數(shù)據(jù)如圖表 所示， 不同時刻在同一點(diǎn)測 3 個值。 第五 章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及改進(jìn) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 為了驗(yàn)證系統(tǒng)的測量精度，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)地測驗(yàn)。 定 時 中 斷 入 口定 時 初 始 化發(fā) 射 超 聲 波 停 止 發(fā) 射返 回發(fā) 射 完 否 ？N OY E S定 時 中 斷 入 口關(guān) 外 部 中 斷讀 取 時 間 值輸 出 結(jié) 果計 算 距 離開 外 部 中 斷返 回 定時中斷子程序框圖 外部中斷結(jié)構(gòu)框圖 報警系統(tǒng)子程序流程如圖 。 開 始初 始 化發(fā) 射 超 聲 波記 數(shù) 器 開 始 計 時延 時 1 m s 防 止超 聲 波 發(fā) 射 震 蕩計 數(shù) 器 停 止 計時 ， 并 計 算 距 離L E D 顯 示 距 離結(jié) 束計 數(shù) 器 溢 出接 收 到反 射 信 號N O N OL E D 顯 示 E R R O RY E S 圖 主程序結(jié)構(gòu)框圖 回波接收流程圖 圖 回波接收結(jié)構(gòu) 中斷程序流程圖 中斷服務(wù)程序是響應(yīng)單片機(jī)的外部中斷。 由于采用了單片機(jī) 89S51 并考慮整個系統(tǒng)的控制流程，整個系統(tǒng)軟件都由89S51 系列單片機(jī) 匯編語 言實(shí)現(xiàn)。 按照液位測量儀的需要，超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊主要任務(wù)是用單片機(jī)產(chǎn)生 40kHz 的脈沖，驅(qū)動超聲波探頭器發(fā)射超聲波，同時采用計數(shù)器計時；當(dāng)超聲波接收器接收到回波信號時停止計時，由此得出超聲波的傳輸時間 T,再利用第二章所介紹的公式，可求出待測距離 h，由此算出液體的高度 [33]。 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件總體設(shè)計 軟件設(shè)計流程圖 單片機(jī)液位儀的軟件功能是控制超聲波的發(fā)射和接收，對超聲波的傳輸時間進(jìn)行測量，結(jié)合超聲波的傳播速度，計算出距離，并把數(shù)字濾波后的結(jié)果顯示出來。數(shù)據(jù)線的各線長短、布線方式應(yīng)盡量一致，以免造成各線的阻抗差異過大，使數(shù)據(jù)和地址信號傳輸過程中到達(dá)終端時波形差異過大，同時也避免形成各線上信號的不同步。模擬地和數(shù)字地只有一個共接點(diǎn)，其接點(diǎn)選在電源輸入處。 在實(shí)際 PCB 設(shè)計中，通過分析干擾產(chǎn)生的機(jī)理和可能的干擾途徑，主要采取了以下措施： ，合理布局，以減少模塊間的噪聲耦合。 本設(shè)計采用電磁式蜂鳴器作為警戒液位 報警提示。驅(qū)動器的選擇與顯示方式有關(guān)，靜態(tài)顯示時只需考慮段的驅(qū)動，動態(tài)顯示時須同時考慮段與位的驅(qū)動。 A1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10 圖 （ a） 數(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu) A B C D E F G H A B C D E F G H4 2 176893DG1 DG2 圖 （ b）數(shù)碼管管腳圖（共陰極） A B C D E F G H A B C D E F G H4 2 176893DG1 DG2 圖 （ c）數(shù)碼管管腳圖（共陽極） LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。在 共陰極 接法中，LED 數(shù) 碼管的 g— a 七個發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮 ，因加零電壓而不發(fā)亮。 圖 雙列直插封裝 動態(tài)特性 (TA=25℃ ) 參數(shù) 測試條件 74LS245 單位 最大 PLH輸出由低到高傳輸延遲時間 Vcc=5V CL=45pF RL=667Ω 12 ns tPHL輸出由高到低傳輸延遲時間 12 ns tPZH輸出由高阻態(tài)到高允許時間 40 ns tPZL輸出由高阻態(tài)到低允許時間 40 ns tPHZ 輸出由高到高阻態(tài)禁止時間 Vcc=5V CL=5pF RL=90Ω 25 ns tPLZ 輸出由低到高阻態(tài)禁止時間 25 ns 靜態(tài)特性（ TA 為工作環(huán)境溫度范圍） 參數(shù) 測試條件 74LS245 單位 最小 最大 VIK輸入嵌位電壓 Vcc=最小， Iik=18mA V △ VT滯后電壓 Vcc＝最小 V VOH輸出高電平電壓 Vcc＝最小， VIL＝最大，VIH=2V, IOH＝－ 3mA V 圖 74LS245 主要電器特性的典型值 LED顯示器 超聲液位測量系統(tǒng)的顯示要求比較簡單，測量結(jié)果采用十進(jìn)制數(shù)字顯示。顯示電路采用簡單實(shí)用的 4位共陽 LED數(shù)碼管，段碼用 74LS244驅(qū)動，位碼用 PNP三極管驅(qū)動。本系統(tǒng)所用的接收電路如圖 。 表 CX20206A參數(shù)值 參數(shù)名稱 最小 典型 最大 單位 輸入電壓 V 輸出電壓 (低電平 ) V 輸出漏電流 0 μ A 電壓增益 74 79 84 dB 帶通濾波器特性 4 9 dB 輸入阻抗 27 40 55 KΩ 檢波能力 440 540 750 μ s 消耗電流 mA 其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號輸出微弱電壓時，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號強(qiáng)時放大器不會過載 。 6腳 C3 積分電容連接端 該腳所接的積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330PF。 3腳 C2 檢波電容連接端 該腳與地間連接著檢波電容。 圖 CX2OIO6的內(nèi)電路框圖及信號流向 和引腳 CX2O106A是一塊 8腳單列直插式超小型塑封結(jié)構(gòu)的 IC，其各引腳功能及外接元件的作用見表 。 CX20206A是 日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路， 紅外線檢波接收的專用芯片，常用于 電視機(jī)紅外遙控接收器 。 74LS04是六反向器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 圖 74LS04 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 74LS04六反向器的主要電特性的典型值如表 。 74LS04內(nèi)有六個獨(dú)立的反向器，每個反向器都可執(zhí)行邏輯的反向操作，它還可構(gòu)成振蕩器，進(jìn)行脈沖整形和小信號的電壓放大等。 圖 表 超聲波探頭參數(shù) 中心頻率（ KHZ） 40177。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。 電容 C1 和 C2 起去除噪聲的作用，且應(yīng)保持兩個電容的值一樣。 XTAL1 和 XTAL2 分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出端。當(dāng)在晶片的兩面上加交變電壓時，晶片因反復(fù)的機(jī)械變形產(chǎn)生振動，而這種機(jī)械振 動又會反 過來產(chǎn)生交變電壓。帶散熱片時，輸出電流可達(dá) 1A。各濾波電容 C 滿足公式（ ）： RC=（ 3～ 5） T/2 () 式中 T 為輸入交流信號周期， RC 為整流濾波電路的等效負(fù)載電 [21]。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，如圖 所示： 圖 電源電路設(shè)計框圖 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(jìn)行處理。 在圖 的復(fù)位電路中，當(dāng) Vcc 掉電時，必然會使 RST端電壓迅速下降到 0V 以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個負(fù)電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。F。 ALE 30 33 27 0 地址鎖存使能：在訪問外部存儲器時，輸出脈沖鎖存地址的低字節(jié)，在正常情況下， ALE 輸 出信號恒定為 1/6 振蕩頻率。 /EA/VPP ALE 31 35 29 I 外部尋址使能 /編程電壓：在訪問整個外部程序存儲器時， /EA 必須外部置低。 T89C51 單片機(jī)的高性價比，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。面向工控領(lǐng)域的單片處理器，目前廣泛應(yīng)用的有 51 系列的 8 位單片機(jī)及面向大量數(shù)字信號處理領(lǐng)域的數(shù)字信號處理器 (DSP)。 三章 硬件總體設(shè)計 超聲液位儀總體設(shè)計 超聲波液位系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)系統(tǒng)、電源電路接收模塊、 LED 顯示模塊和報警模塊等模塊構(gòu)成 如圖 所示。但是，由于接收電路多少會受到發(fā)射電路的感應(yīng)，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(shí)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。在距離過近時，接收信號將落進(jìn)盲區(qū)中而無法分辨，這是近限所以存在的原因 [17]。通過溫度補(bǔ)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。 如圖 所示，由超聲波的入射和反射之間的夾角θ，可以計算出探頭距液面垂直高度 L=Scos(θ /2 ),L 為超聲波到液面的垂直距離， S 為實(shí)際距離，液位高度計算公式為 : L=v t/2cos(θ /2 ) （ ） 其中， v 表示超聲波聲速， t 表示超聲波傳播時間?！? 80176。鑒于目前電子市場的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，在不降低空間分辨率的條件下，選用國產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑 r=，故θ =2 arcsin(1. 615λ /2 π r)=75176。由公式（ ），可知θ。同樣，接收探頭器在中心頻率 f0 處輸出電信號的幅度最大，即在 f0 處探頭的靈敏度最高。因此為了得到最佳效果必須使單片機(jī)輸出方波的 為 40kHz[7]。該復(fù)合式振動器是由諧振器以及由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電芯片構(gòu)成。超聲波探頭有兩塊壓電晶片和一