单片机的超声波液位传感器Word文档格式.docx
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[2]张玲.过程控制综合实验物理实现与算法设计[M].大连：
大连理工出版社,1999
[3]袁浩.新型的数字式液位流量控制系统综合实验装置[M].西安：
西安电子工业出版社,2001
阶段规划：
开题时间
年月日
完成论文时间
专家审定意见：
系主任签字：
注：
1．任务书由指导教师填写后交给学生，要求学生妥善保存。
2．此任务书夹于论文扉页与论文一并装订，作为论文评分依据之。
摘要
根据超声波传感器的特点，设计出一套适合实验室条件下的液位测量设备，主要通过单片机、超声波传感器测量锅炉液位。
本次设计选择的电器设备有单片机、超声波传感器，D/A转换器等，设计硬件控制流程图、控制电路图以及软件中的主程序流程图。
通过系统模拟实验表明：
该系统设计合理，自动化程度高，实验过程时间短，工作稳定可靠，基本满足了设计的相关要求。
关键词：
液位测量；
单片机；
超声波传
目录
摘要1
前言1
1超声波测距原理2
1.1超声波2
1.2超声波传感器3
1.3超声波传感器的结构和发射原理4
1.4超声波传感器的选择4
2系统总体设计4
2.1单片机的选用及简介5
2.2超声波液位检测电路6
2.3液位控制电路8
2.4键盘9
2.5显示电路9
3系统软件设计11
3.1主程序流程图11
3.2超声波测距的相关程序12
4结论14
参考文献16
前言
传统的液位控制绝大多数是人工控制，造成了人力资源的浪费，同时安全性可靠性都不高。
现代工业生产正处于一个由劳动密集型、设备密集型向知识密集型转变的过程。
在这一过程中，智能控制无疑起至关重要的作用。
本课题主要对锅炉液位进行检测与控制，而锅炉是一个典型的大惯性、大滞后、具有多个参变量的过程控制系统。
1.2液位控制研究现状。
液位控制问题是工业过程中的一类常见问题，例如在饮料、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中都要对液体的位置进行适当的控制，在实际生产中，通常采用系统辨识的方法，对复杂系统进行建模，以建立一个简化的数学模型。
然而对于一些控制精度较高的场合，则需要建立较精确的数学模型。
生产过程自动控制（简称过程控制）是自动控制技术在石油、化工，电力，冶金，机械。
轻工，纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。
进入21世纪，随着自动化技术，计算机技术，通信技术的迅速发展，过程控制发生了深刻的变革，正在向着数字化，网络化和综合自动化方向发展，在实现各种最优控制和经济指标，保证生产的质量和产量，提高经济效益和劳动生产率，节约能源，改善劳动条件，保证生产安全，保护环境等方面发挥着越来越巨大的作用。
目前，世界各工业发达国家，正集中全力进行工厂综合自动化技术的研究。
在我国以最大的社会效益和经济效益为目标，研究和开发综合自动化技术是国民经济发展的需要，是参加国际市场剧烈竞争的需要。
在世纪交替之际，新技术的研究和开发将大大推动工业过程自动化的发展，并带来巨大的社会效益和经济效益。
1.3过程控制与单片机的发展
过程控制经历了以下几个发展过程：
19世纪40年代前后（手工阶段）：
手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。
19世纪50年代前后（仪表化与局部自动化阶段）：
过程控制发展的第一个阶段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化
。
19世纪60年代（综合自动化阶段）：
过程控制发展的第二个阶段，工厂企业实现车或大型装置的集中控制。
19世纪70年代以来（全盘自动化阶段）：
发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控
制发展的第三个阶段。
集散控制系统（DCS）-----是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。
系统在结构上是分散的（生产过程是分散系统），但过程控制的监视、管理是集中的,将计算机分布到车间或装置。
使系统的危险分散，提高了系统的可靠性，能方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法，实现最佳管理。
本课题采用单片机作为微处理器，目前我国在单片机的测控装置研究、生产、应用中，取得了很大的成绩，总结了很多经验。
但在这个行业，仍处于发展期。
经调查，北京、天津的高校、科研所在这方面开展的工作更看重的是理论、算法、研究出来的成果是论文的成果较多，在生产实际应用的较少；
在上海，新型单片机测控装置于系统的研究、生产基础比较雄厚，在生产中需要新型测控装置与系统，也就努力研究、开发。
因此，上海的工程技术和科研人员需要的是应用技术，更看重的是生产实际应用，对研究理论、算法、成果是论文的较少；
深圳在研制新型测控装置与系统领域也比较有成绩，尽管与其它国家开发者相比较尚有距离，但是，深圳的高校、科研所的最大特点就是实际，与生产实际应用项目无关的问题基本上不去考虑，这里的工程技术和测控人员关心的不是理论、不是算法、不是论文，而考虑，是用什么材料、测控什么物理量、优点是什么、与机器设备的通讯接口等等。
一些发达国家在单片机新型测控装置与系统研究、制造、应用上，已积累了经验，奠定了基础，进入了国际市场。
我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，有一定的基础，与其它发达国家相比还存在距离。
但是，我国的科研人员能够克服很多的困难，有望在相关领域能够赶上甚至超过发达国家的技术水平，这是趋势。
1.4课题的提出及意义
目前在工控领域内流行很多种控制系统，它们有各自的优点和不足，适用范围也不同，先做一比较：
基于可编程控制器（PLC）控制方案。
PLC是一种专门为了在工业环境下运用而设计的数字运算操作的电子系统。
是用越烈的环境，但是由于其原设计定位就是以处理开关量为主的顺序控制的自动化产品，在其工作过程中只有顺序执行而没有工作周期的概念，因此，低于有大量复杂控制回路和人机联系较高的生产过程，用PLC来控制时不适合的。
以单片机为控制核心的智能控制系统有低功耗，更宽的工作电压范围，高性能化，混合信号集成化，串行扩展技术，小体积，低价格，ISP及基于ISP开发环境等优点。
液位是工业生产中最常见和最基本的工艺参数，因此完成上述主要功能需要比较全面地设计出超声波液位控制系统地方案。
该系统主要以8051单片机位控制核心，检测到地数据经8051单片机处理后，传至4位数码管显示模块显示
1超声波测距原理
1.1超声波
超声（超音波学）的定义：
声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象。
当声波的频率高到超过人耳听觉的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。
超声波通常指1秒内振动20000次以上的高频声波。
超声波具有以下四个基本特性：
束射特性，吸收特性，高功率，声压作用。
上述四个基本特性使超声波在媒体中导致如下五种效应：
力学效应、热学效应、光学效应、电学效应和化学效应。
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，声能集中；
在不同物质界面上会有反射、折射、散射等现象；
可获得较高声强。
利用声在媒质中的声速、衰减、共振、反射等现象可测量物质的成分、比重、厚度等。
超声波测距就是利用超声波脉冲反射回波实现的。
超声波在空气中的传播速度为340米/秒，因此，如果能测出超声波在空气中传播时间，就能算出其传播的距离。
超声波测距就是通过测定超声波传播的时间间隔来测出声波传送的距离，这就是所谓的时间差测距法。
超声波测距方法有如下两种：
（1）直接式超声波测距方法：
直接式超声波测距方法的原理是，测量发送器发射超声波到接收器并接收到超声波的时间t，已知超声波在空气中的传播速度v,则超声波发送器到对象物的距离为：
S=v*t
（2）反射式超声波测距方法：
反射式超声波测距方法的原理是，发送器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播途中遇到对象物就立即返回来，接收器接收到反射波就立即停止计时，这时计时器就显示下了超声波从发射到对象物间的来回传播时间t，从而发送器到对象物的距离可用下式计算出来：
S=Vt/2
1.2超声波传感器
在超声波测距系统中利用超声波传感器产生和接收超声波，利用超声波的特性进行数据测量。
利用超声波感知或检测物体，有非破坏性、遥控性、实时性、可穿透性等优点，在许多方面体现了独到之处。
很早以前，人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。
近年来，超声波的波长范围己达Lm级，频率己增大到GHz领域，分辨率达Pin量级的超声波显微镜已实用化。
在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步将对电子学的发展起重要作用。
人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器:
机械方式和电气方式产生超声波发生器。
实质上，超声波发生器即是超声波换能器，它将其它形式的能量转换成超声波的能量（发射换能器来完成）和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量（接收换能器来完成）。
一般是用电能和超声能量相互转换。
电气方式类型包括:
压电型、磁致伸缩型和电动型等，机械方式有：
气流旋等。
各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。
目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。
而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，轻酸钡压电陶瓷、对钦酸铅压电陶瓷复合晶体（（PZT-4,PZT-5）等。
1.3超声波的传感器结构和发射原理
将两个压电元件（或一个压电元件和一个金属板）粘合在一起，称为双压电晶片（由一个压电元件构成的称为单压电晶片）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，如果两电极间未外加电压，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。
超声波传感器可以视为一个电感、电容和电阻串联的（共振）电路其电抗特性是左侧右侧呈电容性，中间部分呈电感性。
这种特性只有在高Q值的晶体振子活着陶瓷振子中可以看到。
利用这一特性构成了超声波传感器特有的电路。
超声波传感器由两个共振频率，低频的共振频率ft叫做串联共振频率，在电阻（R），电感（L）和电容（C1）的串联电路中振荡。
这时的传感器阻抗最低；
而在高频处的共振频率为逆共振频率，在电阻（R），电容（C1）和电容（C2）的串联电路中震荡。
发送超声波在串联共振频率处具有最高灵敏度，接收超声波在串联逆共振频率处具有最高灵敏度，而且由于超声波传感器具有共振特性，即使将方波输入到发送传感器，接收传感器的输出也是正弦波。
1.4超声波传感器的选择
市场上的超声波传感器大致可以分为通用型，宽频带型，封闭型，高频型几类，他们各有优缺点，也就各有用途。
通用型频带窄，但灵敏度高，抗干扰性强，在多通道，且通道间频率较近的应用中最好使用它；
宽频代型能在工作频带内有两个共振点，因而加宽了频带，它兼做发送和接收传感器；
封闭型适用于室外环境，有较好的奈风雨特性，用于汽车后的监测等装置上；
高频型的中心频率可以达到200KHz，方向性强，可以进行高分辨率的测量。
本次设计用了通用型TL851和TL852来发送和接收超声波。
2系统总体设计
控制原理为：
液位控制系统的控制目的是容器内液位保持恒定，假如管道中的压力是恒定的，管道阀门的开度对应一定的液体流量，这时为了保持液位恒定，只须测量实际液位，并与液位设定值进行比较，利用二者的偏差以PID控制规律控制管道阀门的开度。
系统只有检测液位偏离设定值时才能进行控制，在本课题中，在液位控制主回路中增加液体流量控制回路，构成单闭环控制结构。
根据分析控制流程为如图1：
图1控制流程图
2.1单片机的选用及简介
单片机也被称为“单片微型计算机”，单片机一词最初源于“singlechipmicrocomputer”,简称“SCM”，随着SCM在技术和体系结构上的进步，其控制功能不断扩展，它的主要作用已经不是计算而是控制了。
现在最具有代表性、最典型的机型当属AT89S51系列单片机了，本课题液位控制系统采用AT89S51单片机。
一块芯片上包括：
·
8位中央处理器单元CPU；
4/8KBROM或EPROM；
128/256字节的数据存储器RAM；
21/26个特殊功能寄存器SFP；
4个8位并行I/O口；
2/3个16位可编程的定时/计数器，T0、T1用来对外部脉冲进行计数，也可设置成定时器；
有5/6个中断源，其中3个是内部中断源，2个外部中断源，通过软件可编程为两个中断优先级；
1个全双工的通过编程工作在异步方式的串行接口，使数据可在微机之间一位一位地串行传送；
内部时钟产生电路，但石英晶体振荡器和电容需要外接，允许最高振荡频率为12MHz；
64KB外部程序存储器寻址空间；
64KB外部数据存储器寻址空间；
位寻址空间为00H～FFH,具有较强的位处理能力。
AT89S51的引脚图如图2：
图2AT89S51的引脚图
2.2超声波液位检测电路
超声波换能器选用压电式换能器。
超声波收发器采用超声波专用芯片TL851和TL852。
TL851数字集成电路，是专用的声纳测距控制器。
TL852模拟集成电路，是专用的声纳测距接收器。
这两个芯片已广泛应用于超声波测距系统中，是静电和压电换能器接口。
超声波信号由TL851和TL852及外围元件产生，然后通过三极管和变压器输送至超声波换能器，该超声波换能器集收发于一体，返回信号也是通过TL851和TL852等处理后传送给AT89S51。
由TL851和TL852组成的超声波收发器有两种工作方式：
单回波（single-echo）工作方式和多回波（multi-echo）工作方式。
所谓单回波工作模式是指发出INIT信号后等待回波信号，然后将回波信号放大并在ECHO引脚生成一个逻辑高电平输出，这样从INIT置高电平到ECHO输出高电平的时间就是超声波发出到遇到对象物返回的时间。
多回波工作模式的多个回波必须在一次发射中得到，那么就必须在ECHO输出高电平以后，在BINK上输入高电平且延时不小于0.44ms的脉冲，在脉冲的下降沿ECHO电平，可以重新接收回波。
TL851的测量距离为6英寸到35英尺。
它有一个可使用低成本外部陶瓷振起振的内部振荡器，使用简单的外部接口和420KHz的陶瓷晶振，可以驱动一个50KHz静电转换器。
TL851的INIT引脚必须在cc上电5ms之后才可以置高电平，在这5ms的时间里，系统内部被重新设定，并且产生稳定的振荡。
INIT置高电平之后，TL851就发送频率为49.4KHz，振幅为400V的16脉冲的脉冲串，驱动转换器XDCH工作。
这16脉冲在转换器中被转化为超声波并发射出去，在16个脉冲结束后，仍有一个200V的直流电以保证转换器继续工作。
当使用外部420KHz陶瓷晶振时，TL851的消隐（BLNK）信号禁止接收2.38ms内的回波，该回波可能是由转换器阻尼振荡所产生的噪声造成的，因此消隐特性禁止接收与传感器相距1.33英尺的目标物的回波。
如果想要检测1.33米的目标物，可以使禁止消隐（BINH）变为高电平以缩短消隐，使传感器可以接收输入信号。
消隐（BLNK）也可在单回波工作方式或多回波工作方式中用于关闭接收输入和重置ECHO为逻辑低电平。
AT89S51单片机的P1超声波收发器，其中,P1.0-P1.3分别接超声波收发器1的INIT、ECHO、BLNK、BINH引脚；
P1.4-P1.7的分别接超声波收发器2的INIT、ECHO、BLNK、BINH引脚。
通过清零P1.0、P1.4（经反相器加到INIT引脚）启动超声波换能器发射超声波，同时T1开始计数，并不断查询P1.1和P1.5的状态，当P1.1或P1.5变为高电平时，即收到回波，读取T1的计数值。
通过T1的计数值可以计算出从发射超声波到收到回波的时间，从而计算出发射处到对象物的距离。
图3为超声波液位检测的具体电路图:
图3超声波液位检测电路图
2.3液位控制电路
液位控制系统的执行机构大多采用调节阀，本系统采用电动调节阀。
电动调节阀所接收的信号为标准信号，即4－20MA。
DAC0832是8位分辨率D/A转换集成芯片，与处理器完全兼容，其价格低廉，接口电路及程序简单，转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。
DAC0832的引脚图（管脚图）及功能及图4下面
DI0~DI7：
数据输入线，TLL电平。
ILE：
数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。
CS：
片选信号输入线，低电平有效。
WR1：
为输入寄存器的写选通信号。
XFER：
数据传送控制信号输入线，低电平有效。
WR2：
为DAC寄存器输入线。
Iout1:
电流输出线。
当输入全为1时Iout1最大。
Iout2:
其值与Iout1之和为一常数。
RFD:
反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.
VCR:
电源输入线
（+5v~+15v）
VREF:
基准电压输入线
（-10v~+10v）
AGND:
模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.
DGND:
数字地,两种地线在基准电源处共地比较
图3.5为DAC0832与单片机接口应用电路图：
图5DAC0832与单片机的接口电路图
2.4键盘
键盘输入单元采用独立式键盘,由上下左右四个组成键,其中这个键为开始键，下为显示切换键，左右为数字增减键，增减后用以改变设定值的大小，以下是片机的接
口电路。
图6键盘
2.5显示电路
LED（LightEmittingDiode）是当外加电压超过额定电压时发生击穿而发出可见光，LED的工作电压通常为2～20mA。
工作压降为2V左右，使用时加电阻。
显示电路采用LED数码管显示，数码管具有：
低能耗、低损耗、低压，对外界环境要求低，易维护的优点，虽只能显示非常有限的符号和数码字，但可完全满足本设计。
在显示部分采用LED动态显示技术，节省单片机空间，而且动态显示电流很小，单片机可以提供。
显示器结构如图7：
图7LED数码管
图8LED显示电路
以上是液位控制系统各部分硬件的具体设计，其整个系统具体电路如图3.9所示：
图9锅炉液位控制电路图
3系统软件设计
软件也是非常重要的部分，直接关系到最终结果。
在以下的介绍中，主要是针对各个模块程序的整体功能的介绍。
3.1主程序流程图
主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制及记录超声波的发射时间。
中断服务程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的显示或输出等工作。
软件分为两部分，即主程序和中断程序。
工作流程图如图10所示。
图10主程序流程图
3.2超声波测距的相应程序
前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过放大器的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.1和P1.5接到放大器的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。
部分源程序如下：
RECEIVEI：
PUSHACC
CLREX1；
关外部中断1
JNBp1.1,RIGHT；
P1.1引脚为0,转至右测距电路中断服务程序
JNBp1.5,LEFT；
P1.5引脚为0,转至左测距电路中断服务程序
RETURN：
SETBEX1；
开外部中断1
POP
RETI
IGHT：
...；
右测距电路中断服务程序入口
...
AJMPRETURN
LEFT：
左测距电路中断服务程序入口
..AJMP
在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T1，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。
当收到超声波反射波时，接收电路输出端，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。
其部分源程序如下：
RECEIVE0：
PUSHPSW
PUSHACC
CLREX0；
关外部中断0
MOVR7,TH0；
读取时间值
MOVR6,TL0
CLRC
MOVA,R6
SUBBA,#0BBH；
计算时间差
MOV31H,A；
存储结果
MOVA,R7
SUBBA,#3CH
MOV30H,A
SETBEX0；
开外部中断0
POPACC
POPPSW
4系统调试与结论
超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用Tl851和TL852的超声波换能器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。
若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。
根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。
根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。
系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。
由于受环境温度、湿度的影响,超声传感器的测量值与实际值偏差,表1列出了本超声测距系统测量值与对应的实际值:
表1超声测距系统测量值与实际值单位
实际值
45
60
75
100
125
150
175
200
测量值
55.5
66.9
83.1
107.2
131.5
157.3
182.4
206.4
从表中的数据可以看出,测量值总是比实际值大出大约7cm,经过分析原因主要有三个方面:
第一方面,超声波发射时速度随温度的变化而变化，造成误差;
第二方面,指令运行需占用一定的时间而使得测量的数据偏大;
根据温度影响，可以考虑程序执行时间进行修正。
参考文献
[3]袁浩.新
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