【正文】 測(cè)量占據(jù)著極為重要的地位，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域液位測(cè)量數(shù)據(jù)是實(shí)際生產(chǎn)和過程控制的重要參數(shù)儲(chǔ)液罐儲(chǔ)存液體的總量就是利用液位測(cè)量進(jìn)行管理和控制的。2 超聲波測(cè)距原理概述當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音，科學(xué)家們將每秒振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，他的單位是HZ。因此我們把頻率高于20000HZ的聲波稱為超聲波。超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)距、遙控和超聲成像技術(shù)。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息，經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號(hào)輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上，上述裝置稱為超聲顯微鏡。用同一超聲信號(hào)源激勵(lì)兩個(gè)放置在液體中的換能器，它們分別發(fā)射兩束相干的超聲波：一束透過被研究的物體后成為物波，另一束作為參考波。(2)超聲處理。(3)基礎(chǔ)研究。通過物質(zhì)對(duì)超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。點(diǎn)陣振動(dòng)的能量是量子化的 ，稱為聲子（見固體物理學(xué)）。對(duì)固體中特超聲的產(chǎn)生、檢測(cè)和傳播規(guī)律的研究，以及量子液體——液態(tài)氦中，聲現(xiàn)象的研究構(gòu)成了近代聲學(xué)的新領(lǐng)域——量子聲學(xué)。 1922年，德國出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專利。 40年代末期超聲治療在歐美興起，直到1949年召開的第一次國際醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)會(huì)議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 國內(nèi)在超聲治療領(lǐng)域起步稍晚，于20世紀(jì)50年代初才只有少數(shù)醫(yī)院開展超聲治療工作，從1950年首先在北京開始用800KHz頻率的超聲治療機(jī)治療多種疾病，至50年代開始逐步推廣，并有了國產(chǎn)儀器。到了70年代有了各型國產(chǎn)超聲治療儀，超聲療法普及到全國各大型醫(yī)院。特別是20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)的超聲體外機(jī)械波碎石術(shù)和超聲外科，是結(jié)石癥治療史上的重大突破。高強(qiáng)度聚焦超聲無創(chuàng)外科，已使超聲治療在當(dāng)代醫(yī)療技術(shù)中占據(jù)重要位置。 (1)超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。(3)超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)）。 聲波同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過一定值時(shí)，它就可以通過與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。超聲波的機(jī)械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中傳播時(shí)，由于超聲波的機(jī)械作用而引起的感生電極化和感生磁化（見電介質(zhì)物理學(xué)和磁致伸縮）。超聲波作用于液體時(shí)可產(chǎn)生大量小氣泡。另一原因是強(qiáng)大的拉應(yīng)力把液體“撕開”成一空洞，稱為空化。因空化作用形成的小氣泡會(huì)隨周圍介質(zhì)的振動(dòng)而不斷運(yùn)動(dòng)、長(zhǎng)大或突然破滅。與空化作用相伴隨的內(nèi)摩擦可形成電荷，并在氣泡內(nèi)因放電而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。(3)熱效應(yīng)。(4)化學(xué)效應(yīng)。例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過氧化氫；溶有氮?dú)獾乃?jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸；染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會(huì)變色或退色。超聲波還可加速許多化學(xué)物質(zhì)的水解、分解和聚合過程。各種氨基酸和其他有機(jī)物質(zhì)的水溶液經(jīng)超聲處理后，特征吸收光譜帶消失而呈均勻的一般吸收，這表明空化作用使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。溫度(℃)－30－20－100102030100聲速(m/s)313319325323338344349386 聲速與溫度的關(guān)系 超聲波測(cè)距時(shí)序圖 超聲波發(fā)生器及其原理為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。若在圖a所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖b所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。若外部施加的極性變反，如圖c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長(zhǎng)，在長(zhǎng)度方向上縮短。限制超聲波系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。3 超聲波硬件設(shè)計(jì)方案按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個(gè)模塊組成。發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送。超聲波接收模塊超聲波發(fā)射模塊單片機(jī)控制系統(tǒng)（C8051F410）顯示模塊按鍵 供電單元 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。顯示電路采用當(dāng)下最流行的漢顯LCD液晶顯示屏，、顯示控制總線接入單片機(jī)的 、 、。單片機(jī)控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器T0計(jì)時(shí)，立即停止內(nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。 C8051F410單片機(jī) 系統(tǒng)概述C8051F系列器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，有真正的12位多通道ADC(F206),8位多通道ADC(F220/1/6)或沒有ADC，每種器件都有與8051兼容的CIP51微控制器內(nèi)核和8K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器，還有硬件實(shí)現(xiàn)的UART和SPI串行接口，該系列器件22或32個(gè)通用I/O引腳，其中一些引腳用于數(shù)字外設(shè)接口，任何一個(gè)端口引腳都可以配置為ADC的模擬輸入。片內(nèi)還集成了VDD監(jiān)視器，WDI,和時(shí)鐘振蕩器，片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，并可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以關(guān)閉任何一個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)，觀察點(diǎn)，單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。，有48腳TQFP和32腳LQFP封裝端口I/O容許5V的輸入信號(hào)。(5)0~25MHZ的時(shí)鐘頻率(6)電源管理方式(7)可選的1024字節(jié)XRAM(8)8K字節(jié)FLASH程序存儲(chǔ)器(9)片內(nèi)看門狗定時(shí)器，VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向CIP51提供22個(gè)中斷源，標(biāo)準(zhǔn)（8051只有7個(gè)中斷源）允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器，一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的MCU干預(yù)，卻有更高的執(zhí)行效率，在設(shè)計(jì)一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，這些增加的中斷源是非常有用的。一個(gè)片內(nèi)VDD監(jiān)視器，一個(gè)看門狗定時(shí)器，一個(gè)時(shí)鐘丟失檢測(cè)器，一個(gè)由比較器0提供的電壓檢測(cè)器，一個(gè)軟件強(qiáng)制復(fù)位以及外部復(fù)位引腳，/RST引腳是雙向的可接受外部復(fù)位或?qū)?nèi)部產(chǎn)生的上電復(fù)位信號(hào)輸出到/RST引腳，通過將MONE引腳拉為高電平來使能片內(nèi)VDD監(jiān)視器除了VDD監(jiān)視器和復(fù)位輸入引腳以外，每個(gè)復(fù)位源都可以由用戶軟件禁止。C8051F020內(nèi)部電路包括CIP51微控制器內(nèi)核及RAM, RO, I/O口，定時(shí)/計(jì)數(shù)器。即把計(jì)算機(jī)的基本組成單元以及模擬和數(shù)字外設(shè)集成在一個(gè)芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的片上系統(tǒng)（SOS）. C8051F單片機(jī)的引腳圖 C8051F單片機(jī)的引腳圖 超聲波測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)成 設(shè)計(jì)的思路本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是采用以C8051F單片機(jī)為核心，來設(shè)計(jì)一種低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀。當(dāng)然還可以設(shè)置若干個(gè)鍵，以用來控制電路的工作狀態(tài)。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)本設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距儀，可以應(yīng)用于汽車倒車位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合。系統(tǒng)組成的設(shè)計(jì)：各部分硬件的選取很有講究，要十分合理。圖為超聲波測(cè)距儀的MCU及其超聲波驅(qū)動(dòng)電路原理圖，圖中采用C8051F單片機(jī)作為主控制器，信號(hào)又經(jīng)過兩極74LS04反相器后驅(qū)動(dòng)超聲波探頭發(fā)射超聲波。反相器的作用是防止單片機(jī)初始化時(shí)超聲波探頭瞬間動(dòng)作。通過供電電路給蜂鳴器電路供+5V電源，接入蜂鳴器BEER的第一引腳作為供電電源。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出高電平是三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音；。超聲波探頭接收由障礙物反射回來的超聲波。信號(hào)再進(jìn)入由TL084組成的一階濾波電路同時(shí)進(jìn)行兩倍信號(hào)放大。然后信號(hào)進(jìn)入由TL084和兩個(gè)超級(jí)二極管組成的整形電路同時(shí)將電信號(hào)由交流轉(zhuǎn)換成直流。信號(hào)進(jìn)入由TL084組成的電壓跟隨器增加抗干擾能力并且加大驅(qū)動(dòng)能力。超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過接收電路處理后。單片機(jī)將測(cè)得 40KHZ超聲波接收處理電路 的時(shí)間與聲速相乘再除以2即可得到測(cè)量值，最后經(jīng)液晶顯示屏將測(cè)得的結(jié)果顯示出來。顯示電路采用當(dāng)下最流行的漢顯LCD液晶顯示屏，、顯示控制總線接入單片機(jī)的 、。開機(jī)后先顯示“寧夏理工學(xué)院”亮燈并且蜂鳴器發(fā)聲，表示開始工作。初始化后，程序控制發(fā)射40KHZ的超聲波信號(hào)，發(fā)射開始立即啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。CPU接收回波信號(hào)后，立即產(chǎn)生中斷同時(shí)立即停止計(jì)數(shù)。可設(shè)定T1的定時(shí)值，用來控制嘟聲間隙時(shí)間和閃爍顯示時(shí)間。定時(shí)器T0專門用于記錄CPU發(fā)射脈沖信號(hào)前沿至回波脈沖信號(hào)前沿之間的距離t,由此時(shí)間可換算出障礙物的距離，并決定嘟聲間隙。INT0中斷 　 T0停止取計(jì)數(shù)值置有回波標(biāo)志　 　　 中斷返回 　 信號(hào)處理程序信號(hào)處理首先判斷有無回波信號(hào)?？罩杏懈鞣N干擾信號(hào)，如工業(yè)粉塵，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的噪聲。另外，電子設(shè)備特別是剛啟動(dòng)時(shí)，電源中也有許多干擾脈沖。一般可根據(jù)距離變化的速度和回波信號(hào)脈寬來分析，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行甄別，篩選出正確信號(hào)。01H=1,有回波；01H=0，無回波5 調(diào)試及性能分析 焊接注意事項(xiàng)因?yàn)榭紤]到做好的傳感器要具有一定的使用價(jià)值，所以體積要略有控制，使用了一些SMD器件，給焊接帶來了難度，但對(duì)于我來講即使一個(gè)挑戰(zhàn)同樣也是一個(gè)挑戰(zhàn)自我的機(jī)會(huì)。由于需要焊接一些SMD器件。在焊接SMD器件時(shí)可先將器件的一個(gè)焊盤上錫（注意：先給接大面積地線的器件上錫，因?yàn)榇竺娣e地線的散熱作用明顯，會(huì)給后續(xù)焊接帶來麻煩?。┤缓笥眉忤囎幽米∑骷?，先放在沒有焊錫的焊盤上，再用鑷子夾?。ㄟ@樣可以保證器件貼著PCB）器件，同時(shí)用烙鐵熔化上好錫的焊盤，平推器件到焊錫中（注意：為了方便另外一個(gè)焊盤的焊接，可適當(dāng)偏向已上錫的焊盤，另一側(cè)焊盤留下較大的空間）。全部焊好之后，可以用烙鐵尖點(diǎn)IC引腳的端頭，再次讓焊點(diǎn)熔化一次，使焊錫更好的將引腳和PCB連接。如果一直顯示“ ”，說明所測(cè)距離超過量程，需要縮短距離。首先，在焊接完成后，調(diào)試屏幕顯示部分，發(fā)現(xiàn)顯示背光異常，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)原理圖繪制錯(cuò)誤導(dǎo)致，在電路板后側(cè)割線，飛線完成。在電路板上加了保護(hù)裝置，一個(gè)穩(wěn)壓二極管，和一個(gè)電阻，問題解決。去掉C2C24濾波電容，然后觀察波形，癥狀消失，問題解決。最后，超聲波回波信號(hào)，接收到以后，進(jìn)行放大。得到一個(gè)比較輸出信號(hào)?？梢哉{(diào)節(jié)電位器，獲得合適的靈敏度。在程序中的延時(shí)值為200。等到回波信號(hào)收到以后，單片機(jī)捕捉模塊，捕捉到信號(hào)的下降沿，這時(shí)可以認(rèn)為回波到達(dá)。將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為時(shí)間值，這個(gè)要根據(jù)時(shí)鐘頻率，分頻系數(shù)等決定。下圖為測(cè)試時(shí)截取的波形，通過波形的變化說明測(cè)試的過程。分析原因如下： (1)長(zhǎng)距離的測(cè)量需要大功率的超聲波驅(qū)動(dòng)電路，但由于大功率的驅(qū)動(dòng)電路在制作成本、產(chǎn)品體積等方面存在著諸多的制約因素，綜合各方面的因素本設(shè)計(jì)采用沒有采用大功率驅(qū)動(dòng)電路，所以測(cè)量距離只有1米。所以測(cè)量一米的誤差在1—2cm。通過親手做畢業(yè)設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)了自己知識(shí)的匱乏和能力的欠缺，我覺得自己對(duì)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)、理解是比較膚淺的。不過這些問題在馬老師的細(xì)心幫助下一點(diǎn)一點(diǎn)地解決了。單片機(jī)的選用與學(xué)習(xí)增強(qiáng)了我們的實(shí)際分析解決問題的能力。在本設(shè)計(jì)中沒有涉及到芯片內(nèi)部的元件設(shè)計(jì)，另外就軟件設(shè)計(jì)而言也存在著一些不足之處，我相信這些不足之處在以后的工作和學(xué)習(xí)中會(huì)得到改進(jìn)。它能使我對(duì)所學(xué)的知識(shí)有一個(gè)系統(tǒng)的把握，并在此基礎(chǔ)上做到融會(huì)貫通。轉(zhuǎn)眼間畢業(yè)設(shè)計(jì)已接近尾聲，在這兩個(gè)多月里，無論是在專業(yè)知識(shí)，還是在專業(yè)技能方面自己都得到了很好的鍛煉，并有相應(yīng)的提高，作為大學(xué)四年學(xué)習(xí)的總結(jié)，使我認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)過程中的許多缺陷與不足，并對(duì)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行了重新溫習(xí)與整理，使許多獨(dú)立的專業(yè)課程在實(shí)踐中得到了融會(huì)貫通。致謝我經(jīng)過這次系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)，熟悉了對(duì)一項(xiàng)課題進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)過程。課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了嚴(yán)肅認(rèn)真和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的歷程中，自己遇到了許多想不到的困難。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，除了自己的努力外，好多人給予了很多的幫助,有些問題才能得以順利解決。 在這里還要感謝同組同學(xué)，在最后的論文定稿期間，給了我巨大的幫助，同時(shí)也教會(huì)了我不少的東西，在這里對(duì)他的熱心幫助表示衷心的感謝。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。附錄I 硬件原理圖附錄II元器件清單CommentFootprintDesignators　0805CC25 C20 C19 C18 C1750805CC9 C30 C29 C27 C26 C22 C21 C16 C15 C14 C13 C12 C3 C2 C1 C7