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超声波物位检测系统
摘要
我们在生活中将液位、料位、界面统称为物位。
而液位、料位、界面的测量统称为物位测量。
基于传统的方法在很多特殊场合：
如带腐蚀的液体，强电磁干扰等恶劣条件下，测量距离存在不可克服的缺陷，超声波测距能很好的解决此类的问题。
而且超声波物位检测是一种利用声波特性和电子计数相结合来实现距离测量的方法，它与传统的测距方法相比精确度更高、操作更方便、安全系数更高。
本设计的主要功能是通过发射超声波并接受反射波，通过单片机运算将得到物位数据显示出来。
论文主要介绍了基于单片机的超声波测距系统的设计过程和原理，并对各模块流程的基本原理和软硬件的设计过程和方案进行了详细介绍。
关键字：
超声波，物位检测，声波测距，数字显示
ABSTRACT
Our level, in themateriallevel, interface arecollectivelyreferredtoas level.And tomeasurethemateriallevel, liquidlevel, interface arecollectivelyreferredtoasthe materiallevelmeasurement. Basedonthetraditionalmethods inmany specialoccasions:
suchasliquid corrosive, strongelectromagneticinterferenceandotheradverse conditions, somedefectsthatcan'tbeovercome distancemeasurement, ultrasonic rangefinder canbeverygoodtosolve thiskindofproblem. But theultrasoniclevel detection isamethodofusing acoustic propertiesandelectron counting torealizethecombinationof distancemeasurement method, comparedwiththe traditionalmeasuringmethod ismoreprecise, moreconvenientoperation, highersafetyfactor.
Themainfunctionofthe designis byemittingultrasonic andacceptthereflectionwave, throughthe SCMoperation willbe level data display. Thispapermainlyintroducesthe designprocessandthe principleofultrasonicrangingsystem basedonsinglechip, and thedesignprocessandthe principleofeachmodule processes ofsoftwareandhardware areintroducedindetail.
Keywords:
Ultrasonic，Materiallevel detection，Soundranging，Digitaldisplay
第1章绪论
1.１物位检测简介
物位是指设备和容器中液体或固体物料的表面位置，即储物的堆积高度。
对不同的性质的物料其物位的又有不同的定义，一般有以下三种物位解释：
液位：
指设备和容器中液体介质表面的高度；
料位：
指设备和容器中储存的块状或颗粒或粉末状固体物料的堆积高度；
界面：
指相界面位置。
容器中两种互不相溶的液体，因其重度不同而形成的分界面为液—液相界面，容器中互不相容液体和固体之间的分界面为液—固界面，液—液，液—固相界面的位置简称界位。
1.2超声波测位简介
声波是一种机械波，当振动频率为20Hz-20kHz，称为闻声波；当频率在20kHz以上就是超声波，而我们通过利用这种声波，可以进行物位的检测。
由于超声波物位检测是非接触式检测，可用于各种防爆领域的液位和测距等测控场合，更是可以耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境（特指全密封型传感器），具有少维护、无污染、高可靠、长寿命等特点，超声波物位计是集超声、电子、软件于一身的高科技产品，国内自主研制的仪表，是各类工业现场测量液位、料位的首选仪器。
液位和料位测量是工业上经常遇到的一个问题，超声测位技术有很多优点，它不仅能定点和连续测位，而且能方便的提供遥测或遥控所需的信号。
与放射性测位技术相比，超声技术不需要防护，与激光测距技术相比，它又有简单和经济的优点，同时超声技术一般不需要运动部件，所以在安装和维护上又相应比较方便。
第2章超声波测距原理
2.1超声波传感器
总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：
一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
反之，如果两极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
超声波传感器结构如下：
图2-1超声波传感器外部结构
图2-2超声波传感器内部结构
2.2超声波测距原理
超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。
测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。
测量距离D为
，式中c——超声波的传播速度；
——超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。
由上式可知，距离的测量精度主要取决于计时精度和传播速度两方面。
计时精度由单片机定时器决定，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，可选用12MHz的晶振，使机器周期为精确的1µs,不会产生累积误差，使定时间达到1µs。
超声波的传播速度c并不是固定不变的，传播速度受空气密度、温度和气体分子成分的影响。
超声波在空气中传播时，受温度影响最大，如表2-1所示。
温度越高，传播速度越快，而且不同温度下传播速度差别非常大，例如0℃时的速度为332m/s，30℃时的速度为350m/s，相差18m/s。
因此，需要较高的测量精度时，进行温度补偿是最有效的措施。
对测量精度要求不高时，可认为超声波在空气中的传播速度为340m/s。
项目
数值
温度
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
100
声速/（m•s）
313
319
325
332
338
344
350
356
361
367
388
表2-1超声波传播速度与温度关系表
第3章系统主要硬件电路设计
3.1总体设计方案
测量距离有多种方式，我们用本次设计中的超声波测距适用于高精度中长距离测量。
根据设计要求并综合各方面因素，本设计是以AT89C2051单片机为核心的低成本、高精度、LED数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。
实际使用证明该仪器工作稳定，性能良好。
超声波测距器系统设计框图如图3-1所示：
图3-1系统设计总框图
由单片机AT89C2051编程产生40kHz的驱动信号，由P1.0口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。
发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机。
单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。
3.2超声波发射和接收电路的设计
3.2.1超声波发射电路
超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两部分，可采用软件发生法和硬件方法产生超声波。
在超声波的发射电路的设计中，我们采用电路结构简单的集成电路构成发射电路，由反相器构成的超声波发射电路如图3-3所示。
图3-2由反相器构成的超声波发射电路
3.2.2超声波接收电路
CX20106A是索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器，是CX20106的改进型，也可用于超声波测试，有较强的抗干扰性和灵敏度。
CX20106A采用单列8脚直插式，超小型封装，+5V供电。
管脚1是超声波信号输入端，其输入阻抗约为40K；管脚2的R1、C4决定接收器R的总增益，增大电阻R1或减小电容C4，将使放大倍数下降，负反馈量增大，管脚3与GND之间连接检波电容C2，考虑到检波输出的脉冲宽度变动大，推荐参数为3.3uF；管脚5上的电阻R2用以设置带通滤波器的中心频率，阻值越大，中心频率越低，取R2=200K时，中心频率约为42KHZ；管脚6与GND之间接入一个积分电容C3，电容值越大，探测距离越短；管脚7是遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，没接收信号时，该端输出为高电平，有信号时则会下降；管脚8接+5V电源。
图3-3CX20106构成的接收电路
综合以上的分析，在由集成电路构成的接收和发射电路中，发射电路我们选用由反相器构成的电路，接收电路采用由红外接收检波芯片CX20106A构成，主要是考虑到系统的调试简单，成本低以及可靠性好。
3.3单片机主机系统电路
3.3.1复位电路
单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲即可实现复位，上电复位和按钮组合的复位电路如图3-5。
在系统上电的瞬间，RST与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。
只要该脉冲足够宽就可以实现复位。
当人按下按钮SW1时，使电容C1通过R1迅速放电，待SW1弹起后，C1再次充电，实现手动复位。
图3-4复位电路
3.3.2时钟电路
当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的XTAL1和XTAL2用来接石英晶体和微调电容，如图3-6所示。
图3-5时钟电路
3.3.3蜂鸣器电路
本次设计通过一只蜂鸣器来提示用户，现在单片机开始了测距。
蜂鸣器是一块压电晶片，在其两端加上3-5V的直流电压，就能产生3KHz的蜂鸣声，电路如图3-7所示。
通过单片机软件产生3KHz的信号从P3.7口送到三极管9013的基极，控制着电压加到蜂鸣器上，驱动蜂鸣器发出声音。
图3-6蜂鸣器电路
3.3.4LED显示电路
LED（Light-EmittingDiode，发光二极管）有七段和八段之分，也有共阴和共阳两种。
LED数码管结构简单，价格便宜。
图3-9示出了八段LED数码显示管的结构和原理图。
图3-9（a）为八段共阴数码显示管结构图，图3-9（b）是它的原理图，图3-9（c）为八段共阳LED显示管原理图。
八段LED显示管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别与同名管脚相连。
七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP，其他与八段相同。
图3-7八段LED数码显示管原理和结构
单片机对LED管的显示可以分为静态和动态两种。
静态显示的特点是各LED管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各LED轮流地一遍一遍显示各自字符，人们由于视觉器官惰性，从而看到的是各LED似乎在同时显示不同字形。
为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，单片机控制系统通常采用动态扫描显示。
但是由于本系统所用的单片机引脚少，剩余引脚很多，而且也只需显示三位字符，所以，采用了静态的显示方式，且采用了软件译码，这样单片机引脚输出可直接接到LED显示管上。
这样省去了外部复杂的译码电路。
3.3.6电源电路
电源电路采用普通可调电源供电，该电源不含稳压器，所以在设计中需要用稳压器进行稳压。
我们选用LM7805来获得稳定的+5V直流电压。
输入电压（<21V）经过7805的稳压输出+5V的电压，图中的D2为保护7805，防止电源极性接反损坏7805，滤波电容采用100uF电解和104瓷片电容并联使用，电磁兼容的实践证明，两个差100倍的电容并联使用效果很好。
本设计电源电路如下：
图3-8电源电路
第4章软件设计
4.1主程序流程
我们知道超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。
本设计的主程序流程图如图4-1所示。
图4-1主程序流程图
4.2子程序设计
4.2.1超声波发送及接收中断子程序原理
超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12μs左右，同时把计数器T1打开进行计时，定时器T1工作在方式0。
超声波测距仪主程序利用外中断1检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即
引脚出现低电平），立即进入中断程序。
进入中断后就立即关闭计时器T1停止计时，并将测距成功标志字赋值1。
如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T1溢出中断将外中断1关闭，并将测距成功标志字赋值0表示此次测距不成功。
4.2.2距离计算子程序
当前温度和超声波往返时间均测量出来后，用C语言根据公式计算距离来编程是比较简单的算法。
根据测量距离
，其实现程序算法如下：
#include
voiddistance（void）
{
doubleradical,dist,t;
radical=sqrt（1+（temnum+273）/273）;
dist=165.7*t*radical;
return（dist）;
}
4.3误差及特性分析
根据超声波的特性，距离测量时必须满足条件：
①被测目标必须垂直于超声波测距仪。
②被测目标表面必须平坦。
③测量时在超声波测距仪周围没有其他可反射超声波的物体。
因此在测量过程中稍不小心就会接收不到超声波，而导致没有测量结果。
由于超声波的往返时间由单片机AT89C2051的定时器T1来记，定时器T1工作在方式1，其最大定时时间为65.536ms，可得出在常温下最大的测量距离在10m以内。
且因为发射功率有限，测距仪也无法测量10m外的物体。
第五章实物制作
5.1焊接和调试电路的方法和技巧
1.焊接电路分每个模块进行焊接；每焊完一个模块进行检查调试；
2.焊接电路的时候，注意电路焊接没有虚焊，用万用表端接测试应该焊接在一起的线路有没有接在一起；
3.全部的电路模块焊接好后，检查所有的电源线和底线有没有全部接到一起，还是用万用表进行测试，方法和检查是否有虚焊一样；
4.进行电路的调试，检查是否可以正常工作，如果说可以一次性的成功出结果，那就最好，如果说是问题那就要调试检查；
5.检查电路的逻辑原理图是否有问题，检查元器件是否都是完好，检查是否焊接的时候是按照原理图焊接，是否有焊错的地方在这些检查过程当中，用示波器结合万用表测试各个节点的电平与观察示波器的波形是否是理论应该显示的波形。
5.2实物焊接
制作出的实物如下图5-1，5-2。
图5-1实物正面
图5-2实物反面
总结
通过理论与实践的结合，进一步深入的体会到一种学习的方法，特别是对与电子设计方面。
首先要明确总体的设计方案与方法；其次是对各个部分进行设计与改进；最后将各个部分整合在一起进行比较、观察。
通过这次的学习，使我们在专业的学习上具有了一定运用所学理论知识来分析问题和解决问题的能力。
全面、系统地巩固和提高在校期间所学到的基础知识和专业知识。
通过对多种环节、多种内容的操作和训练，让学生的动手操作技能得到了巩固。
在实践能力上有了一定的提高。
此外在设计期间我学会了如何把所学的知识应用实践中,让实践和理论相结合,真正做到学以致用。
致谢
经过了不长但是非常有意义的时间，本次课程设计划下了完美的句号。
在这些天有老师谆谆的教导，有同学的帮助，有自己的辛苦等等掺杂其中，而在最终结束之后不禁感慨万分。
在此首先要深深的感谢老师在百忙之中对我们不厌其烦的指导和传授，没有您的辛勤劳动便没有我们最终的成果。
其次要感谢互相帮助还有互相鼓励的同学，没有你们便没有这些天美好的回忆。
最后对支持我们进行本次设计并提供场地的学校表示感谢。
这些天的努力对我的感触极大，相信我会把这些收获化为自己可以用到的知识和能力，应用到以后的学习生活中。
参考文献
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