【正文】 圖2 超聲波探頭標(biāo)號(hào)超聲波探頭的性能指標(biāo)：中心頻率40kHz，發(fā)射聲壓大于115dB，電容2400 pF，允許輸入電壓12V。當(dāng)T/R4016 超聲波探頭在輸入頻率為40kHz時(shí)，各種特性呈現(xiàn)最佳狀態(tài)。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射，并且可以使超聲波聚集在振動(dòng)器的中央部位[12]。 如圖1所示，一個(gè)復(fù)合式振動(dòng)器被靈活地固定在底座上。反之，如果電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí)。壓電型超聲波探頭的工作原理：它是借助于壓電晶體的諧振來(lái)工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。5個(gè)冪的差異會(huì)導(dǎo)致在壓電陶瓷震動(dòng)輻射表面上的大量損失。所以，在高頻率探測(cè)中，必須使用垂直振動(dòng)模式的壓電陶瓷。對(duì)應(yīng)用于工業(yè)的超聲波探頭而言，要求其精確度要達(dá)到 1mm，并且具有較強(qiáng)的超聲波輻射。因此這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面以這種檢測(cè)手段，必須發(fā)射超聲波和接收超聲波。超聲波對(duì)液體、固體的穿透能力很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。 超聲波探頭的結(jié)構(gòu)和原理 超聲波探頭是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。因此，要精確的測(cè)量與某個(gè)物體之間的距離時(shí)，始終檢查周圍溫度是十分必要的。另外，由于不規(guī)則反射，通?？赡芎茈y探測(cè)到表面震動(dòng)幅度很大的物體。（2） 反射： 要探測(cè)某個(gè)物體是否存在，超聲波應(yīng)能夠在該物體上得到反射，由于金屬、木材、混凝土、橡膠和紙等可以反射近乎100﹪的超聲波，因此我們可以很容易地探測(cè)到這些物體。在這種比較低的傳播速度下，波長(zhǎng)很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。 第五章：實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及改進(jìn)第六章：結(jié)論與展望2超聲波的液位測(cè)量原理 超聲波介紹超聲波是一種人耳無(wú)法聽到的、頻率一般超過 20kHz 的聲音,它具有以下特性： （1） 波長(zhǎng)與輻射: 傳播速度是用頻率乘以波長(zhǎng)來(lái)表示。 第四章：超聲波液位儀的軟件設(shè)計(jì)，包括軟件流程圖，以及程序代碼的關(guān)鍵部分。 第三章：超聲波液位儀的主控制電路，重點(diǎn)介紹51單片機(jī)和外圍電路的設(shè)計(jì)，以及各種器件的選擇。論文研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排如下： 第一章：介紹本課題的背景與意義，研究的歷史和現(xiàn)狀。接著基于測(cè)距原理，介紹了硬件設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于探頭周圍環(huán)境，超聲波傳播媒介的溫度以及被測(cè)介質(zhì)的溫度不盡相同。為了獲得更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，超聲波液位儀可以由所處環(huán)境的不同來(lái)設(shè)定不同媒介的聲速[3]。 速度的影響： 超聲波在工業(yè)應(yīng)用中的頻率為 5KHZ5MHZ，超聲波探頭到介質(zhì)表面距離的計(jì)算公式如下：D= TC/2D：探頭到介質(zhì)表面的距離T：聲波的傳播時(shí)間C：波的傳播速率 由此可知，除了聲波的傳播時(shí)間的測(cè)量準(zhǔn)確性，聲波的傳播速度起著決定性的作用，聲速的變化取決于傳播媒介的不同。本篇論文研究的主要內(nèi)容是基于超聲波液位儀的設(shè)計(jì)和提高精度方面的研究。同時(shí)超聲波探頭具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。因此，這也體現(xiàn)了超聲波測(cè)距的獨(dú)到之處，加之其成本較低，所以超聲波是比較理想的信號(hào)源[2]。除此之外，也可以使用數(shù)字平均濾波的方式來(lái)提高數(shù)據(jù)的精確度。而國(guó)內(nèi)自行研制生產(chǎn)的液位儀價(jià)格相對(duì)便宜，但精度不高，功能相對(duì)單一。 論文研究?jī)?nèi)容 研究?jī)?nèi)容 進(jìn)口的液位儀功能齊全，精度較高，但是價(jià)格比較昂貴且維修不是很方便。超聲測(cè)位技術(shù)可適用于氣體、液體或固體等多種測(cè)量介質(zhì)，因而具有較大的適應(yīng)性。超聲波液位儀不僅能定點(diǎn)和連續(xù)測(cè)量液位，而且能方便地提供遙測(cè)所需的信號(hào)。分析信號(hào)強(qiáng)度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息。 目前，進(jìn)口的智能化超聲波液位儀能夠?qū)邮招盘?hào)做精確的處理和分析。根據(jù)液位測(cè)量所涉及的液體存儲(chǔ)容器、被測(cè)介質(zhì)以及工藝過程的不同，選擇不同類型的液位儀。尤其是近二十年來(lái)，隨著微處理器的引入，測(cè)量?jī)x表更是發(fā)生了革命性的變化。另外，對(duì)設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)和存在的一些問題〔從軟、硬件兩方面〕，分析了原因并提出了一些解決的措施和改進(jìn)的辦法，為研制更加完善的超聲波液位儀打下了基礎(chǔ)。 在軟件設(shè)計(jì)中，我們采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，將軟件主要分為超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊。由于超聲波液位儀需要測(cè)量幾厘米到幾米距離，因此，針對(duì)超聲波在傳播時(shí)呈指數(shù)衰減的特性，我們采用了最大限度提高驅(qū)動(dòng)能力、對(duì)回波進(jìn)行多級(jí)放大等措施，擴(kuò)大了測(cè)量范圍。本文在對(duì)超聲波傳播特性研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的超聲波液位儀的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，并對(duì)硬件和部分軟件分別進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)試。如何解決這些問題，提高超聲波液位儀的精度，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。然而超聲波液位儀在實(shí)際應(yīng)用中也有很多局限性會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度造成一定的影響。1 緒論超聲波液位儀作為一種典型的非接觸測(cè)量?jī)x器，在很多場(chǎng)合有廣泛的應(yīng)用，諸如工業(yè)自動(dòng)控制，建筑工程測(cè)量和水面高度測(cè)量等方面。軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想。 超聲波液位檢測(cè)儀以單片機(jī) AT89S51 單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，利用超聲波作為檢測(cè)信號(hào)的手段，對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理，減少了測(cè)量過程中的人工干預(yù)，方便了工作人員對(duì)液位檢測(cè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，液位測(cè)量已應(yīng)用到越來(lái)越多的領(lǐng)域，不僅用于各種容器、管道內(nèi)液體液位的測(cè)量，還用于水渠、水庫(kù)、江河、湖海水位的測(cè)量。另外還為了在連續(xù)生產(chǎn)的情況下，通過液位測(cè)量，了解液位是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而維持正常生產(chǎn)、保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量以及保證安全生產(chǎn)。目錄超聲波液位儀的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄摘 要 IABSTRACT II前言 V1 緒論 1 課題背景 1 論文研究?jī)?nèi)容 22 超聲波的液位測(cè)量原理 4 超聲液位儀理論基礎(chǔ) 4 超聲波液位儀工作原理 7 本章小結(jié) 83 硬件總體設(shè)計(jì) 9 超聲液位儀總體設(shè)計(jì) 9 單片機(jī)電路 10 發(fā)射電路 15 接收電路 16 液晶顯示電路 18 蜂鳴報(bào)警電路 20 對(duì)電路板進(jìn)行合理設(shè)計(jì) 20 本章小結(jié) 214 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 22 軟件總體設(shè)計(jì) 22 本章小結(jié) 265 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及改進(jìn) 27 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 27 誤差分析及改進(jìn)措施 28 本章小結(jié) 296 結(jié)論與展望 30結(jié)論 32參考文獻(xiàn) 33致謝 35附錄 36—44—前言前言工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測(cè)量容器內(nèi)的液體液位。在一般的生產(chǎn)過程中，液位測(cè)量的目的主要是通過液位測(cè)量來(lái)確定容器里的原料、半成品或產(chǎn)品的數(shù)量，以保證生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)物料平衡以及為進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算提供可靠的依據(jù)。液位測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)過程中的作用相當(dāng)重要。課題針對(duì)液位檢測(cè)的實(shí)際問題,開發(fā)了一種基于單片機(jī)的超聲波液位檢測(cè)儀深入討論了用超聲波作為信號(hào)源進(jìn)行液位檢測(cè)的可行性及優(yōu)越性，產(chǎn)生誤差的各種原因，提出了相應(yīng)的解決辦法。該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包含了超聲波發(fā)射電路、接收電路、LED顯示電路、電源電路等。 在設(shè)計(jì)中，由于需要測(cè)量的距離范圍從幾厘米到幾米，針對(duì)超聲波振幅在傳播時(shí)呈指數(shù)衰減的特性，最大限度地提高驅(qū)動(dòng)能力，對(duì)回波進(jìn)行放大，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。與激光測(cè)距、微波測(cè)距等測(cè)量方法相比，由于超聲波在空氣中傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光線和無(wú)線電波，時(shí)間測(cè)量精度的要求也遠(yuǎn)小于激光測(cè)距、微波測(cè)距等，因而超聲波液位儀電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，容易設(shè)計(jì)，且超聲波在傳播過程中不易受煙霧、空氣能見度等因素的影響，在各個(gè)場(chǎng)合均得到廣泛應(yīng)用。諸如，環(huán)境溫度、風(fēng)速等，使其無(wú)法達(dá)到要求。 目前，市場(chǎng)上的超聲波液位儀多數(shù)采用單片機(jī)作為對(duì)液位儀控制和運(yùn)算的核心，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)決定著測(cè)量結(jié)果的精度。硬件設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是力求在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本合理的前提下，盡量完善其功能。本設(shè)計(jì)運(yùn)用單片機(jī)系統(tǒng)控制超聲波的發(fā)射、接收、以及其它的各種功能。這有利于軟件的調(diào)試和修改。 超聲波液位儀的現(xiàn)狀 經(jīng)過不斷的努力和探索，科技工作者己開發(fā)出了種類繁多、各具特色的液位儀。液位儀的量程從幾厘米到幾米，測(cè)量精度亦大大提高。在進(jìn)行液位測(cè)量前，必須充分了解液位測(cè)量的工藝特點(diǎn)，以此作為液位儀設(shè)計(jì)過程中的參考因素[1]?？梢詫⒏鞣N干擾信號(hào)過濾出來(lái)，識(shí)別多重回波。這樣即便在有外界干擾的情況下，也能夠進(jìn)行精確的測(cè)量。同時(shí)，超聲波液位儀不存在可動(dòng)部件，所以在安裝和維護(hù)上相應(yīng)比較方便。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的超聲波探頭可測(cè)量十幾米的液位[2]。對(duì)于小型用戶來(lái)說(shuō)，不是理想之選。為了設(shè)計(jì)出價(jià)格便宜，精度較高的超聲波液位儀，本設(shè)計(jì)采用AT89S51為核心的單片機(jī)電路，同時(shí)使用雙探頭的方式發(fā)射和接收超聲波，基于超聲波測(cè)距的原理，算出液位的高度。因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵械膫鞑ニ俣却蠹s為334m/s(常溫下)，在同一介質(zhì)中其傳播速度相對(duì)恒定，與激光的速度(3108m/s)相比，它的傳播速度要慢得多，所以對(duì)超聲波信號(hào)的處理較為容易。超聲波液位測(cè)量方法與其它的液位測(cè)量方法相比，不易受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等因素影響，利用這樣的特性，一般將儀器放置于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境之中。綜合而言，超聲波液位儀具有非接觸、精度較高、實(shí)時(shí)測(cè)量、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，較為適合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。為了提高數(shù)據(jù)的精確度，重點(diǎn)探討超聲波在測(cè)量水平面高度時(shí)所受到諸如溫度，氣候以及超聲波強(qiáng)度衰減等因素的影響，以及采取相應(yīng)的措施來(lái)減少誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，多種因素影響著傳播媒介及聲速。溫度的影響：如下表1，溫度的變化影響著聲速的變化，%℃。表 1 波速與溫度的關(guān)系溫 度℃ 2010010203010波速m/s 319325323338344349386 論文的章節(jié)安排 本文首先介紹了超聲波液位儀測(cè)距的工作原理。為了提高測(cè)量精度，我們又設(shè)計(jì)了一種以51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字的超聲波液位儀系統(tǒng)。 第二章：重點(diǎn)講解往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)距的理論,以及對(duì)超聲波探頭的工作原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。特別是對(duì)相關(guān)傳感器的介紹。系統(tǒng)軟件程序使用匯編語(yǔ)言編寫。電磁波的傳播速度是3108m/s,而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為344m/s。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(cè)量時(shí)獲得很高的精確度。由于布、棉花等可以吸收超聲波，探測(cè)到他們將十分困難。 （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(shuō)，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化有所不同。 （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。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能芯片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠定向傳播等特點(diǎn)。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射，從而形成反射回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。能同時(shí)完成這種功能的裝置就是超聲波探頭，也稱為超聲換能器[4]。利用常規(guī)雙壓電芯片組件振動(dòng)器的彎曲振動(dòng)，在頻率高于 70kHz的情況下，是不可能達(dá)到此目的。壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就顯得十分重要，107kg/m2s,102kg/m2s。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。超聲波探頭有兩塊壓電晶片和一塊共振板，給它的兩級(jí)加上脈沖信號(hào)，當(dāng)其頻率等于晶片固有頻率的時(shí)候，壓電晶片就會(huì)產(chǎn)生共振，并帶動(dòng)共振板一起振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。將壓迫兩片電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，此時(shí)的探頭就成了超聲波接收器。該復(fù)合式振動(dòng)器是由諧振器以及由一個(gè)金屬片和一個(gè)壓電陶瓷片組成的雙壓電芯片構(gòu)成。圖1 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2所示。因此為了得到最佳效果必須使單片機(jī)輸出方波的為40kHz[5]。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(jí)最高。同樣，接收探頭器在中心頻率 f0處輸出電信號(hào)的幅度最大。對(duì)圓片傳感器來(lái)說(shuō)，它的大小與工作波長(zhǎng)λ，圓形傳感器半徑 r 有關(guān)。由公式（），可知θ。當(dāng)f0選定后，指向角θ近似與傳感器半徑成反比。鑒于目前