【正文】 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。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。程序首先完成初始化過程，然后是一個重復(fù)的控制發(fā)射信號，而且每次發(fā)射周期結(jié)束都會判斷在發(fā)射信號后延時等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即回波是否到達(dá)。 主程序結(jié)構(gòu)流程圖 主程序是單片機(jī)程序的主體，它負(fù)責(zé)調(diào)用系統(tǒng)的子程序，中斷程序等各個功能轉(zhuǎn)換。 軟件總體框圖軟件設(shè)計運(yùn)用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進(jìn)行分別編程，這樣不但使得整個軟件的層次和結(jié)構(gòu)比較清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。要實(shí)現(xiàn)上述功能，軟件包含初始化、參數(shù)讀入、超聲波發(fā)射、超聲波傳輸計時、聲速計算、超聲波傳輸距離計算、計算結(jié)果顯示等功能模塊。 本章小結(jié) 本章基于時差測距原理設(shè)計了 89C51 單片機(jī)為核心的低成本、高精度、LED顯示超聲波液位儀數(shù)據(jù)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)設(shè)計，給出了原理框圖和硬件各部分的功能。，易受到干擾而引起誤操作的管腳采用上拉或下拉處理，使其處于穩(wěn)定狀態(tài)避免誤操作。、控制線要盡量短，以減少對地電容。，走線盡量短，電路板上空余不用的地方都鋪地。，負(fù)載的變化會引起電源干擾，當(dāng)電路從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時，就會在電源線上產(chǎn)生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲。合理的布局是布線的前提和根本，在PCB設(shè)計時應(yīng)根據(jù)電路的布局規(guī)則和相關(guān)原理首先對元器件進(jìn)行合理的布局。單片機(jī)AT89S51的P11口通過PNP型三極管驅(qū)動蜂鳴器。在顯示位數(shù)較多時，直接使用三極管驅(qū)動電路比較復(fù)雜，多采用集成電路驅(qū)動器。比較簡單的驅(qū)動電路可成由三極管構(gòu)，利用三極管的放大作用驅(qū)動LED顯示。表318段LED數(shù)碼管顯示字型碼顯示字符gfedcba字符型共陰極共陽極001111113FC01000011006F9210110115BA4310111114FB0411001106699511011016D92611111017D827000011107F8811111117F80911011116F90由于LED數(shù)碼管發(fā)光所需平均電流為10—20 mA，單片機(jī)端口線無法直接提供，因此必須外加驅(qū)動器，再與LED引腳相連。本設(shè)計中采用動態(tài)顯示方式，以實(shí)時顯示液位變化。數(shù)碼管管腳原理圖，（b）、(c)所示。(a)所示。七段LED數(shù)碼顯示器內(nèi)部由七個條形發(fā)光二極管和一個小圓點(diǎn)發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的極管接線形式，可分為共陰極型和共陽極型。只需能顯示09的數(shù)字以及小數(shù)點(diǎn)，且顯示穩(wěn)定無閃爍即可。 單片機(jī)及顯示電路原理圖74LS245雙向總線發(fā)送器/接收器(3S) 簡要說明: 245為三態(tài)輸出的八組總線收發(fā)器,。 端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的40KHz 方波信號，利用外中斷0口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號。 超聲波檢測接收電路 顯示電路 單片機(jī)采用89S51 或其兼容系列。CX20106A接收超聲波有很高的靈敏度和抗干擾能力，可以滿足接收電路的要求。 CX20106A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0μA電壓增益747984dB帶通濾波器特性49dB輸入阻抗274055KΩ檢波能力440540750μs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。7腳 OUT 信號輸出端 只R3電阻后。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。電容量小，則為峰值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動大，易造成遙控誤動作。3腳 C2 檢波電容連接端 該腳與地間連接著檢波電容。電阻增大，電容值小，則增益低:反則高。 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。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。CX20106A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。為減小環(huán)境噪聲對回波信號的影響，也要考慮選用濾波特性較好的電路，使回波易于檢測。74LS04是六反向器， 74LS04內(nèi)部結(jié)構(gòu)。的相移信號，另一側(cè)由相內(nèi)信號驅(qū)動，這種結(jié)構(gòu)使驅(qū)動電壓提高一倍。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。） 6066分辨率(mm)99檢測距離(m)()主要直徑尺寸(mm)外徑高度內(nèi)徑采用收發(fā)分體式超聲波探頭，有以下優(yōu)點(diǎn)：發(fā)射角小，發(fā)射距離遠(yuǎn)，而且余震對接收探頭的影響小，降低了調(diào)試的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)安裝的靈活性，減小了盲區(qū)，同時提高了檢測距離。 中心頻率（KHZ）40177。超聲波探頭超聲波探頭是發(fā)射和接收超聲波的儀器。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。 晶體振蕩器的連接。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。這個振蕩器可以使用石英晶體，也可以使用陶瓷諧振器。設(shè)計中使用 12MHz的晶振，通過單片機(jī)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。當(dāng)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，,一般是一個放大反饋電路,只有一片晶振是不能實(shí)現(xiàn)震蕩的，于是就有了時鐘振蕩器。 H7805引腳圖 7805的電氣特性極限值（Ta=25℃）參數(shù)名稱符號參數(shù)值輸入電壓(VO=518V)VI35V熱阻（結(jié)到殼）RQJC5℃/W熱阻（結(jié)到空氣）RQJA65℃/W工作結(jié)溫范圍TOPR0125℃貯存溫度范圍TSTG65150℃ 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(yīng)原理制造而成的。帶散熱片時，輸出電流可達(dá) 1A。H7805系列為 3 端正穩(wěn)壓電路,TO220 封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。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]。濾波的任務(wù)，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。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 ：變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路 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。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復(fù)位，則程序計數(shù)器PC將得不到一個合適的初值，因此，CPU可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。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。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位，RST端的高電平信號必須維持足夠長的時間。F。 ，只要在RST復(fù)位輸入引腳上接一電容至Vcc端，下接一個電阻到地即可。ALE3033270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。該引腳在對 FLASH 編程時接5V/12V 編程電壓。/EA/VPP ALE 313529I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。它的部分引腳具體說明如表 ： 表 單片機(jī)部分引腳介紹名稱管腳名類型名稱和功能DIPLCCQFPGND202216I地Vcc404438I電源：提供掉電、空閑、正常工作電壓RST9104I復(fù)位：當(dāng)晶振在運(yùn)行中，只要復(fù)位管腳出現(xiàn) 2 個機(jī)器周期高電平即可復(fù)位，內(nèi)部有擴(kuò)散電阻鏈接到 Vcc即可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。T89C51單片機(jī)的高性價比，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。51 單片機(jī)具有開發(fā)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在ATMEL公司將Flash存儲技術(shù)應(yīng)用到單片機(jī)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(jī)[16]。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)。超聲波液位儀硬件設(shè)計如圖 所示。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。 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(guān)系進(jìn)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。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。雙探頭方式，不僅可以增加探測距離，還可以減小盲區(qū)。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]。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(yuǎn)也不能太近，存在著近限和遠(yuǎn)限。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。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測量的理想手段。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。 超聲波液位儀工作原理 超聲波液位儀工作原理 超聲波液位儀的基本工作原理是利用超聲波傳播時間和傳播速度來確定液面距離?！? 80176。時聲壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。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=2arcsin(1. 615λ/2 πr)=75176。當(dāng) f0選定后，指向角θ近似與傳感器半徑成反比。由公式（），可知θ。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長λ，圓形傳感器半徑 r 有關(guān)。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。其發(fā)射探頭頻率特性曲線圖在中心頻率 40kHz 處，超聲發(fā)射器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，即在 f0處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高。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]。 超聲波探頭 T/R4016 超聲波探頭 超聲波探頭選用 40kHz 的 T/R4016 型壓電陶瓷傳感器，如圖 所示。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。將壓迫兩片電晶片振動，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，此時的探頭就成了超聲波接收器。超聲波探頭有兩塊壓電晶片和一塊共振板，給它的兩級加上脈沖信號，當(dāng)其頻率等于晶片固有頻率的時候，壓電晶片就會產(chǎn)生共振，并帶動共振板一起振動，從而產(chǎn)生超聲波。負(fù)載壓電陶瓷，它可以使超聲波探頭在高達(dá)數(shù)百 kHz 頻率的情況下，仍能夠正常工作。壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就顯得十分重要，107kg/m2s,而空氣的聲阻抗為 102kg/m2s。利用常規(guī)雙壓電芯片組件振動器的彎曲振動，在頻率高于 70kHz的情況下，是不可能達(dá)到此目的。能同時完成這種功能的裝置就是超聲波探頭，也稱為超聲換能器[10]。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射，從而形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能芯片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠定向傳播等特點(diǎn)。 （4）衰減: 傳播到空氣中的超聲波強(qiáng)度隨距離的變化成比例地減弱，這是由于衍射現(xiàn)象上的擴(kuò)散損失，和介質(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。 （3） 溫度: 聲波傳播的速度“V”可以用下列公式（）表示： V=+(m/s) （ ）式中，t=溫度（C），也就是說，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化有所不同。由于布、棉花等可以吸收超聲波，探測到他們將十分困難。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進(jìn)行測量時獲得很高的精確度。電磁波的傳播速度是 3108