基于单片机的超声波液位检测系统设计.docx

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基于单片机的超声波液位检测系统设计

编号：

审定成绩：

毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

基于单片机的超声

波液位检测系统设计

摘要

液位测量及控制广泛应用于工业、生活等领域，由于许多测量环境条件及其恶劣，例如对具有腐蚀性的液体的液位测量。

显然，传统的液位测量设备已不能满要求。

因此，一些基于超声波的非接触式液位测量控制技术应运而生。

本文利用单片机的强大功能，通过硬件和软件的完美结合，设计、实现了一种基于超声波的液位检测控制系统。

系统由液位测量模块、数据显示模块、液位控制模块、超限报警模块和参数设置模块组成，通过HC-SR04超声波测距模块采集数据，经过单片机进行数据处理，然后进行实时液位显示，同时发出液位控制信号和报警控制信号。

最后，对所实现的实物进行了测试。

测试结果表明系统功能符合设计要求，能达到易控制、稳定性强、测量精度高、安全性高、功耗低的预期目的。

【关键词】单片机超声波液位测量液位控制

ABSTRACT

Levelmeasurementandcontrolarewidelyusedintheindustrialfieldandotherrelatedfields.Inthefieldofindustry,manymeasurementenvironmentsareverybadsuchasthelevelmeasurementofcorrosiveliquids.Obviously,thetraditionallevelmeasurementdevicescannotsatisfytherequirements.Asaresult,somecontrolbasedonthenon-contactultrasoniclevelmeasurementtechnologyarisesatthehistoricmoment.ThispapermakesuseofthepowerfulfeaturesoftheSCMandtheperfectcombinationofsoftwareandhardwaretodesignandimplementanadvancedcontrolsystemforliquidlevelmeasurementbasedontheultrasonicmeasurement.Thedesignedsystemincludeslevelmeasurementmodule,datadisplaymodule,levelcontrolmodule,limitalarmmodule,andparametersetmodule.ThesystemcollectsdatathroughHC-SR04UltrasonicRangingModule,andthenprocessthedata,displaythelevelinreal-timeandissuelevelcontrolsignalandthewarningsignal.Finally,thesystemwastested.Thetestedresultsshowthesystemfunctionscanmeetthedesignedrequirements,whichachievecontroleasily,highstability,highaccuracy,andhighsecurity.

【Keywords】SCMUltrasonicLevelmeasurementLevelcontrol

第一章绪论

第一节课题的提出和意义

一、课题的提出

在日常生产生活中，常遇到液位测量及控制问题。

比如在一些工业生产自动化系统中对容器中物料位或者液位的测量，又特别是极其恶劣的环境下的测量，比如对具有腐蚀性的液体液位的测量，传统的采用差位分布电极的电极法，通过电脉冲去检测液位高度，电极长期处于这种环境中，极易被电解、腐蚀，从而很容易在短时间内就失去灵敏性。

显然，在这种检测环境对测试设备的抗腐蚀性要求较高。

因此传统的液位测量设备已不能满足现代工业生产的需要。

超声波液位检测系统是一种新兴的液位测量系统，它利用了超声波传感技术的原理，采取一种非接触检测方法，能够实现对工业生产自动化系统中液位、物料位等进行检测。

此外，超声波具有很好的束射性和方向性，一般也不会对人体造成伤害。

基于超声波的检测控制系统具有实施方便、迅速，测量精度高，易于实时控制，所以有非常广阔的应用领域。

随着人们生活需求和工业标准的提高，液位检测技术愈来愈受到社会的重视，检测的精度以及实时性要求也愈来愈高，另外还要求检测系统对被检测对象具有自动控制功能。

可以说，在现在以及今后的很长一段时间里，液位的检测及控制系统的研究也将依然是一个重要的课题。

二、课题的意义

为了改善工人的工作环境，降低工人的劳动强度，节省财力、物力，避免资源的浪费，降低工业生产成本，特别是对某些特殊的生产环境，比如：

易爆、高温、低温、毒性、腐蚀性、高压、低压、有辐射性、易挥发等液体的液位进行检测，对于这些对身体健康有一定损害的测量环境，不易在实地直接进行测量及控制，而这种新兴的液位测量及控制技术就显得特别的重要。

在现代工业自动化生产系统中，对容器中液体的液位测量及控制是必不可少的。

一般情况下，在生产过程中主要是通过液位的检测来确定容器里原料的剩余量，以保证生产过程中的各环节物料平衡，以及为进行成本核算提供可靠的依据；另外，在连续生产情况下，通过液位检测及控制以保证液位始终在规定的范围内，以保证生产的正常进行，也能更好的保证产品产量和产品质量。

可见，液位测量及控制在现代工业生产过程中已起着举足轻重的作用。

仅从液位测量这一方面来讲，随着各行业的不断发展，液位测量已应用到愈来愈多的领域，不仅仅是用于各种管道、容器内的液位检测，还用于水库水渠、江河湖海等水位的检测。

传统的液位检测手段在这些领域中已经无法达到所需要的精确性，因此，超声波液位测量这种测量方式已经成为一种新方法被广泛的应用。

第二节国内外液位检测控制技术的发展现状

早期的液位检测大多采用机械原理。

近年来，随着电子技术应用到越来越广泛的领域，也逐步向液位检测及控制方向发展，并且研究出来了一些新的液位检测技术。

尽管在传统技术中也渗透了一些先进的电子技术及计算机技术，在结构和功能上也都有很大提升，但总体来说，目前我国的液位检测技术还是比较落后，液位检测方法也依然有一些不足之处，如果从国外进口我们所需的高精度液位检测设备，价格又比较高。

因此，分析液位检测控制技术当前国内外形势，发展属于我们自己国家的液位检测技术就显得非常重要。

目前，国内外在液位检测方面采用的技术更多的是传统检测技术，按其采用的检测技术及使用方法分类就已多达十余种。

我们常见的液位检测技术有：

浮体式液位测量仪表、人工检尺仪、磁致伸缩液位仪、差压式液位测量仪表、激光液位仪、雷达液位仪、超声波液位测量仪表、伺服式液位测量仪表。

超声波液位检测仪是我们最常见的一种，也是所有非接触式液位检测仪表中用途最广、发展最快的一种。

它具有一些其它液位测量技术无法比拟的优点，它可以适应腐蚀性强、高压、低压、有辐射性、有毒性、高温、低温、易挥发、易爆等特殊环境，因此，能应用的范围比其它的检测技术更广泛。

随着现在科学技术的飞速发展，液位的检测方法也变得更先进，精度也有了很大的提高。

尤其是传感器技术和单片机技术的进步使得液位检测技术得到了更进一步的优化。

超声波在液位测量中的应用愈来愈广，但从现在的发展水平看来，超声波在液位检测控制系统中的应用还存在着一定的限度，因此研究超声波的液位检测技术还有更宽更长的路要走，无论是在技术领域还是在产业领域它都具有极其广阔的发展空间。

在不远的将来，基于超声波的液位检测控制技术将会有更大更广的应用范围。

它不但可以帮助人们解决很多生活中的难题，还可以作为一种科学探测和研究的手段。

第三节本课题主要研究内容

本设计以简易水槽和水泵搭建实验模型，鉴于单片机的液位测量控制装置具有工作寿命长、测量精确、耗能低、重复性好等优点，设计以单片机为基础、超声波测距为核心的液位测量控制系统。

本系统具有液位实时检测、控制、超限报警等功能。

设计的内容包括：

设计基于超声波液位检测控制系统方案，实现液位检测、数据显示及闭环控制等功能；

设计、实现检测控制器相关的软硬件模块；

实现演示系统开发。

第二章整体方案设计

第一节方案设计架构

根据实际生产生活需要，结合课题设计要求，本设计应该具有正常液位范围设定、液位测量、超限报警、液位显示、液位控制五大功能。

方案设计架构如图2.1所示。

图2.1液位测量控制系统设计方案

正常液位设定在该系统中对应输入设备，即后文所说的设置系统。

可以通过设置系统将人的信息传递给系统，使得系统工作具有一定的目的性。

实时液位测量是系统数据采集的唯一来源，用HC-SR04 超声波测距模块采集的数据经过单片机处理过后将成为后面液位显示、超限报警、液位控制等功能实现的重要依据，因此，实时液位测量是系统能否正常工作的关键所在。

超限报警是在实时液位与设定正常液位范围比较之后做出的反应，提示相关工作人员该系统检测控制的对象正处于一种非正常状态（在这里主要指液位过高或过低）。

液位显示是将单片机通过HC-SR04 测距模块采集回来的实时液位数据显示出来，便于相关工作人员了解具体情况。

液位控制模块作为该系统唯一的执行器，主要功能是通过排水泵和进水泵保证液位始终在人为预先设定的一个正常范围内。

第二节超声波测量技术

在第一节整体方案框图中可以很明显的看出，实时液位测量是系统工作的整个流程中的关键部分，因此，与此紧密相关的超声波液位测量技术在这里起着举足轻重的作用。

一、超声波的定义及特性

频率大于20000Hz的声波称之为超声波。

超声波具有吸收特性、束射特性、声压、高功率作用四个基本特性，四个基本特性使超声波在传播介质中对应热学、化学、光学、力学和电学五种效应。

超声波的特点是它能在各种媒质中传播；波长短，因而分辨率很好；声束尖锐，因而声能比较集中；在不同的介质的界面上都会发生折射、反射、散射等一般现象。

利用声在媒质中的衰减、反射、共振、声速这些现象可以测量物质的成分、比重、厚度等。

可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。

在军事、医学、农业、工业上都会有很多的应用。

利用超声波脉冲反射回波这一特点可以实现超声波测距。

二、超声波测距原理

空气中的超声波每秒的传播距离约为340米，因此，若能测出在介质中超声波的传播时间，就能计算出超声波在该介质中传播的距离。

超声波测距就是通过测定超声波在测量仪与被测对象间的传播的时间来计算出声波传送的距离的。

常用的超声波测距主要采用以下两种方法：

1、直接式超声波测距法

测量超声波发射器发射超声波到超声波接收器接收到超声波的时间t1，已知超声波在传播介质中的传播速度V，那么超声波发射器与被测对象两者之间的距离S1为：

（式2-1）

2、反射式超声波测距法

将超声波发送器的发射方向面对被测对象，并发射超声波，在发射超声波的同时计时开始，超声波在介质中传播，遇到被测物后就立即反射回来，超声波接收器在接收到被测对象反射回来的超声波后计时停止，这样就可以计算出超声波从发射器到被测物间来回传播的时间t2，超声波在该传播介质中的传播速度V已知，从而