【正文】 報警電路停止報警。P0口接的是顯示電路。通過程序控制，完成與DS18B20的通信和對DS18B20的控制。CCY4組成時鐘電路，為單片機(jī)工作提供時鐘脈沖。由于需要二個機(jī)器周期來辨認(rèn)一次1到0的變化，所以最大的計數(shù)率是振蕩器頻率的1/24，便于測量脈沖寬度的門。因為一個機(jī)器周期有12個振蕩器周期，所以計數(shù)率是振蕩器頻率的1/12。AT89C51有2個16位計時/計數(shù)器寄存器Timer0 和Timer1?？臻e時，CPU停止，而讓RAM、定時/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。AT89C51有以下特點：2k字節(jié)EPROM、128字節(jié)RAM、15根I/O線、2 個16位定時/計數(shù)器、5個向量二級中斷結(jié)構(gòu)、1個全雙向的串行口、并且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，同時還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖、掉電和時鐘電路等。AT89C51是一個2k字節(jié)可編程EPROM的高性能微控制器。蜂鳴器開始發(fā)聲。圖311 電磁閥控制電路其中RR3為限流電阻，防止三極管燒壞；LED為繼電器工作指示燈；二極管D1起到保護(hù)繼電器線圈的作用；RC4和R5共同起到消除繼電器斷開時產(chǎn)生的電弧。經(jīng)過三極管放大來驅(qū)動繼電器，電磁閥由繼電器直接控制。圖310 顯示電路 鍵盤電路設(shè)計 鍵盤采用44矩陣式鍵盤，接單片機(jī)P2口，由程序掃P2口判斷按下的是那個位置的鍵，然后查詢鍵值表，執(zhí)行相應(yīng)的功能。其中七位段碼由單片機(jī)P0口經(jīng)過鎖存器提供。因此靜態(tài)顯示適合顯示亮度要求高、位數(shù)不多的情況下使用。對于51單片機(jī)，可以在并行口上擴(kuò)展多片鎖存器74LS573做為靜態(tài)顯示器接口,但這樣做相對麻煩一些，本系統(tǒng)直接用四個I/O口連接LED的片選端口。例如7段顯示器的a、b、c、d、e、f段導(dǎo)通，g、dp段截止，則顯示0。DS18B20與單片機(jī)的接口電路見圖313圖 313 DS18B20與單片機(jī)的接口 顯示電路設(shè)計顯示模塊使用靜態(tài)顯示，這樣可以提高單片機(jī)工作效率，同時提高顯示亮度，在室外使用時方便使用者讀取數(shù)據(jù)。表34　部分溫度值溫度/℃二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+ 12500000111 01000007D0H+ 00000001 100100010191H+ 00000000 000010000008H000000000 000000000000H 11111111 11111000FFF8H 511111110 01101111FE6FH5511111100 10010000FC90HDS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后, 就把測得的溫度值與TH , TL作比較, 若T TH 或T TL , 則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位, 并對主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。溫度值格式如下:2322212021222324MSBLSB SSSSS262524MSBLSB對應(yīng)的溫度計算: 當(dāng)符號位S=0時, 直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S= 1時, 先將補碼變換為原碼,再計算十進(jìn)制值。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù), 讀取時低位在前, 高位在后, 數(shù)據(jù)格式以010625℃。溫度低位溫度高位T HTL配置保留保留保留8 位CRCLSBMSB當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后, 開始啟動轉(zhuǎn)換。其中溫度信息(第1,2字節(jié))、TH 和TL 值第3, 4字節(jié)、第6～8 字節(jié)未用,表現(xiàn)為全邏輯1。因此, 在實際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。在DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為0, 用戶不要去改動, R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù), 即是來設(shè)置分辨率, 如表33所示(DS18B20出廠時被設(shè)置為12 位)。而配置寄存器為高速暫存器中的第5個字節(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。后者用于存儲TH , TL值。② 非易市失性溫度報警觸發(fā)器TH 和TL , 可通過軟件寫入用戶報警上下限。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。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單, 可靠性更高。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比, 他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)表方式。在本課題中，介質(zhì)是空氣，空氣顆粒較小，對超聲波衰減影響較小，忽視其帶來的影響，但空氣溫度變化影響較大，不容忽視。 完整的超聲波接收和處理電路，如圖310所示?？梢杂行У胤乐骨_。具體電路如圖39所示。在本系統(tǒng)中采用了+5V單電源供電?？捎脝坞娫垂╇?如+5V)，也可用雙電源供電(如177?？紤]輸入頻率為40KHz，采用了集成電壓比較器LM393。圖38 由TL084集成運放兩級放大接收電路⑥ 比較電路的設(shè)計比較電路目的是將mV級的微弱信號放大后的V級信號整形成能為INT0辨識的脈沖信號，本文是下降沿引起中斷。④ 運放芯片采用TL084，供電電壓為9V，單電壓供電。② 在此電路中R108并接接收器兩端，其目的取微弱信號為電壓信號，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，,士1V隨距離遠(yuǎn)近而變化。因此采用兩極放大。通過比較幾個電路，用集成芯片固然能簡單快捷，外圍元件少，但是通過多級運放作為放大電路能改變放大倍數(shù)，能適應(yīng)小信號的采集。過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代替。超聲波接收電路將接收換能器輸出的微弱信號，進(jìn)行濾波、放大、檢波、整形，來得到大幅值電信號，供單片機(jī)INT0端口辨識。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)射器直接傳到接收器，這部分信號直接加到回波信號中，干擾回波信號的檢測。如圖37進(jìn)行波形處理。如圖37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)，信號經(jīng)過兩級放大以后，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的中斷信號使AT89C51產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中停止計數(shù)器T0的計時，并計算出有關(guān)數(shù)據(jù)。具體電路如圖36所示。40kHz振蕩信號由555集成塊和周圍電路產(chǎn)生,然后送至放大電路驅(qū)動壓電傳感器發(fā)出一系列的脈沖群, 左右。本文采用變壓器升壓增加驅(qū)動能力。聲波在空氣中傳播受空氣介質(zhì)影響，距離越大衰減越大。③采用變壓器提升電壓，增加驅(qū)動能力。驅(qū)動電路有幾種方案，如下：①采用專用芯片驅(qū)動。= KHz （3）超聲波驅(qū)動電路原理圖驅(qū)動電路目的:為超聲波發(fā)射器提供足夠功率的脈沖信號。= 1/(( + ) x 106)f = 1/(TL + TH)= 1012= 10μsec本文中采用的555芯片振蕩電路, 頻率的計算如下：RA =、 RB=15KΩ、 C=1000pFTL = RBx C圖34 LC三點振蕩電路圖 35 555芯片組成振蕩電路上面幾個振蕩電路都是很實用的電路，外圍元件少，電路簡單，芯片驅(qū)動能力大，振蕩輸出的信號為方波信號。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三點振蕩電路如圖34所示，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。蕩電路有多種設(shè)計方案，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電路組成的是最簡單的振蕩器，這種振蕩器特點是:T≈(～)RC，且電源波動將使頻率不穩(wěn)定，適合小于100KHz的低頻振蕩情況。一般廠家生產(chǎn)的超聲波傳感器標(biāo)識的固有頻率是40KHz，實際有偏差。因此本系統(tǒng)采用收發(fā)分離雙超聲波探頭。 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計 超聲波頻率的選擇超聲波發(fā)散角隨頻率的增加而增加，這樣使用雙探頭時將會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距范圍為6~10米，超聲波測距精度和超聲波頻率成正比，因此頻率過低會影響測距精度，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。在這過程中單片機(jī)顯示電路不斷的更新顯示的液位值。最終單片機(jī)利用公式s = 12vΔt和v = + ，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控制；當(dāng)液位變化過快或者其他單片機(jī)無法進(jìn)行液位控制的情況下，單片機(jī)啟動報警電路通知工作人員進(jìn)行人為干預(yù)。AT89C2051 單片機(jī)是整個系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)各部件的工作。(3) 采用單片機(jī)內(nèi)部的定時器或直接使用程序產(chǎn)生固定的脈沖，通過放大處理后驅(qū)動發(fā)送超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波.3 超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)總體方案設(shè)計發(fā)射驅(qū)動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)測系統(tǒng)框圖報警電路控制電路本文設(shè)計的超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng)工作原理框圖如圖31所示。超聲波傳感器產(chǎn)生振蕩的方法很多，主要有以下幾種阿:（1）由外部電路產(chǎn)生振蕩，如NE555低頻振蕩器調(diào)制40kH之的高頻信號，高頻信號通過超聲波傳感器以聲能形式輻射出去。而在串聯(lián)共振頻率(?τ)處發(fā)送靈敏度最高，在逆共振頻率(?a)處接收靈敏度最高。一般壓電式超聲波換能器有兩個共振頻率:低頻共振頻率叫串聯(lián)共振頻率(?τ)，此時阻耗(R)最小，用于發(fā)送超聲波。利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器域稱壓電式超聲波探頭)和磁致式超聲波傳感器。，由于超聲波在20℃時的速度為344m/s，忽略聲速誤差，則: （210） 顯然直接測量的方法是行不通的，所以采用脈沖計數(shù)的方法間接測量被測時間，就可以滿足高精度要求。圖21 超聲波測距常用發(fā)射脈沖波形 超聲波渡越時間的計量方法分析根據(jù)超聲波測距的原理，發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，在媒介中傳播到物體表面，經(jīng)過反射后再通過媒介返回到接收換能器，通過測量超聲波從發(fā)射到接收所需的時間()，根據(jù)媒介中的聲速(v)，就能計算出從換能器到物體表面之間的距離(L)。在要求傳播距離較遠(yuǎn)的超聲測量技術(shù)中，則傾向采用較寬的等幅脈沖波。在要求分辨力較高和盲區(qū)較短的超聲測量技術(shù)中，一般使用寬度較窄的脈沖波。 發(fā)射脈沖波形超聲測距常用的發(fā)射脈沖波形如圖21所示有:單個尖脈沖、衰減振蕩脈沖、窄等幅波列脈沖和寬等幅波列脈沖。渡越時間法實現(xiàn)簡單，被廣泛的應(yīng)用于聲學(xué)測距系統(tǒng)。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限:聲波幅值法易受反射波的影響。本文選擇把測距儀安裝在液面上面，測距儀安裝相對方便些。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離，這就是超聲波測距系統(tǒng)的機(jī)理。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。溫度是和其他常數(shù)一樣決定聲音速度的第二因素。聲音在25℃空氣中傳播速度的理論值為344m/s,這個速度在0℃時降為334m/s。理論上，在13℃的海水里聲音的傳播速度為1500m/s。用來描述超聲場的特征量主要包括:聲速、聲壓、聲強(qiáng)以及媒介的特征阻抗等等:超聲場的物理性質(zhì)主要有:反射與折射、衰減與吸收、疊加與干涉等。 超聲波的傳播在超聲波傳播過程中，被超聲所充滿的空間稱為超聲場。 超聲波的物理特性 超聲波的類型根據(jù)波動中質(zhì)點振動方向與波的傳播方向的不同關(guān)系，可將波動分為多種波型，在超聲波檢測中主要應(yīng)用的波型有縱波、橫波、表面波(瑞利波)和蘭姆波。2 超聲波液位測量的理論基礎(chǔ) 超聲波的定義人們所感覺到的聲音是機(jī)械波傳到人耳引起耳膜振動的反應(yīng)，能引起人們聽覺的機(jī)械波頻率在20Hz~20kHz，超聲波是頻率大于20kHz的機(jī)械波。研究設(shè)計內(nèi)容包括：（一）超聲波測距的基本原理與方法（二）超聲波監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案設(shè)計（三）超聲波測距電路的設(shè)計（四）控制電路設(shè)計（五）系統(tǒng)軟件流程設(shè)計（六）電源電路的設(shè)計（七）PCB布線及硬件抗干擾設(shè)計（八）超聲波測距的誤差分析設(shè)計完成之后提供一個可以應(yīng)用于一般工業(yè)的完整的超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，測量范圍和測量精度滿足一般工業(yè)應(yīng)用需要。應(yīng)用最多的就是適用型的技術(shù)和產(chǎn)品，以最簡單的方式實現(xiàn)合乎要求的功能。 國內(nèi)在超聲波測距儀的研究國內(nèi)相對落后一些，但也出現(xiàn)了很多功能和性能都很不錯的產(chǎn)品，技術(shù)上也有很大的發(fā)展?？删幊坦收媳Ｗo(hù)模式，它還擁有先進(jìn)的遠(yuǎn)程GSM、CDMA、互聯(lián)網(wǎng)調(diào)試功能，使