基于单片机的超声波水位控制器的设计.docx

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基于单片机的超声波水位控制器的设计

题目（中文）:

基于单片机的超声波水位控制器的设计

（英文）:

TheDesignofUltrasonicWaterLevel

ControllerBasedonMCU

插图索引

基于单片机的超声波水位控制器的设计

摘要

蓄水装置在日常生活和工业应用中发挥着重要的作用。

该设计是针对水位检测和控制的实际问题开发的一种基于单片机的超声波水位控制器，深入讨论了用超声波作为信号源进行液位检测的可行性以及优越性，同时实现了水位的自动控制这一功能。

该系统使用超声波水位传感器对水位进行检测然后将检测到的信号传给单片机AT89C52进行处理，从而实现电机的调速、蜂鸣器鸣笛报警等功能。

最后，使用LM016L液晶显示屏显示当前水位的状态以及电动机的转速情况。

并且可以通过使用手动按键调整PWM（PulseWidthModulation）来实现电机调速等功能。

本系统适应在不同的用水场合下的需要，能够节省工作时间，提高了系统整体的工作效率，实现水位的自动控制。

【关键词】单片机控制水位检测LM016L显示PWM电机调速

Thedesignofultrasonicwaterlevelcontroller

basedonMCU

Abstract

Storagedevicesplayanimportantroleindailylifeandindustrialapplications.Thedesignforthewaterleveldetectionandcontrolofpracticalproblemsdevelopedaultrasonicwaterlevelcontrollerbasedonsingle-chipmicrocomputer,anddiscussedhowtouseultrasoundasasourceforthefeasibilityandsuperiorityofliquidleveldetection,andhasrealizedtheautomaticcontrolofwaterlevelatthesametime.

ThesystemuseultrasonicwaterlevelsensortotestthewaterandwilldetectthesignalstosinglechipmicrocomputerAT89C52,soastorealizethecompilationcontrolofmotorspeed,Sirenssoundedbuzzeralarmandsoon.Finally,currentlevelsandmotorspeedareshownwithLM016LLCDscreeninthissystem.Thissystemrealizesthebuzzerlowlevelalarm,lowwhistlewarninglevelautomaticprocessing,normallevelalarmornormalwaterbuzzersirensandmanualbuttonsPulseWidthModulation.Thissystemrealizestheautomaticcontrolindifferentwatersituationofwatertosavetheworkingtime,speed,andalsoimprovestheoverallefficiencyofwaterlevel.

【Keywords】SCMcontrolWaterdetectionLM016LdisplayPWMmotorspeed

绪论

1研究的背景和意义

单片机超声波水位控制器在很多场合有广泛的应用，诸如工业自动控制，建筑工程测量和水面高度测量等方面。

与激光测距、微波测距等测量方法相比，由于超声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波，时间测量精度的要求也远小于激光测距、微波测距等，因而超声波水位仪电路结构简单，造价低廉，容易设计，且超声波在传播过程中不易受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各个场合均得到广泛应用。

然而超声波水位仪在实际应用中也有很多局限性会对测量数据的精确度造成一定的影响。

诸如，环境温度、风速等，使其无法达到要求[1]。

如何解决这些问题，提高超声波水位仪的精度，具有较大的现实意义。

近年来，随着工业的发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，水位仪表的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。

在目前市场上，按测量水位的感应元件与被测液体是否接触，水位仪表可以分为接触型和非接触型两大类。

接触型水位测量主要有：

人工检尺法、浮子测量装置、伺服式水位计、电容式水位计以及磁致伸缩水位计等。

它们的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，即都存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。

因此存在一定的磨损且容易被液体玷污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。

非接触型水位测量主要有微波雷达水位计、射线水位计以及激光水位计等。

顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不接触。

因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。

超声波水位测量计就属于非接触型水位测量的一种，所以它也有不受被测介质影响，不影响被测介质，能适应粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶、高温、高压、低温、低压、有辐射性、毒性、易挥发易爆等特殊介质的测量的特点，能适应的范围比其它的测量手段更广泛[2]。

这次对超声波水位控制器的设计获得了具有很大的成果和意义，在这个科学技术是第一生产力的时代，应用科学技术去解决生活中和工作的困难变得具有更高的价值。

在设计中，我加深了对超声波的认识，对它的原理掌握的更好了。

此外我认识到单片机在各方面都有很大的应用潜能，在自动控制领域它更是发挥了不可替代的作用。

本设计利用超声波实现水位的测量，检测方便，易于实时控制，达到了工业的要求，因此具有实际的意义和广泛的应用前景。

2国内外研究现状

3课题研究的目的和主要内容

进口的水位仪功能齐全，精度较高，但是价格比较昂贵且维修不是很方便。

对于小型用户来说，不是理想之选。

而国内自行研制生产的水位仪价格相对便宜，但精度不高，功能相对单一。

为了设计出价格便宜，精度较高的超声波水位仪，本设计采用AT89C52为核心的单片机电路，同时使用双探头的方式发射和接收声波，基于超声波测距的原理，算出水位的高度。

由于在户外测距，受到天气的干扰因素比较多，因此会考虑外部因素造成的误差。

除此之外，也可以使用数字平均滤波的方式来提高数据的精确度。

因为超声波在空气中的传播速度大约为334m/s（常温下），在同一介质中其传播速度相对恒定，与激光的速度（3×108m/s）相比，它的传播速度要慢得多，所以对超声波信号的处较为容易。

因此，这也体现了超声波测距的独到之处，加之其成本较低，所以超声波是比较理想的信号源。

超声波水位测量方法与其它的水位测量方法相比不易受光线、被测对象颜色等因素影响，利用这样的特性，一般将仪器放置于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境之中。

同时超声波探头具有结构简单、价格便宜、体积小、信号处理可靠等特点。

综合而言，超声波水位仪具有非接触、精度较高、实时测量、可靠性强等优点，较为适合国内市场。

本篇论文研究的主要内容是通过对其蓄水容器水位的控制对外供水，以满足需要。

该系统使用超声波水位传感器对水位进行检测并将检测到的信号传给单片机AT89C52进行处理，并采用C语言编写控制程序，从而实现电机的调速、蜂鸣器鸣笛报警等功能。

最后，使用LM016L液晶屏显示当前水位状态以及电动机的转速。

该系统实现了过低水位蜂鸣器鸣笛报警、过低警戒水位自动处理、正常水位蜂鸣器鸣笛报警以及正常水位处理、手动按键调整PWM（PulseWidthModulation）电机调速等功能。

本系统适应在不同的用水场合下的用水速度需要，节省工作时间，提高了整体工作的效率，实现水位的自动控制。

1系统总体方案设计

方案一：

本方案采用555电路进行控制，即当水位探测传感器探测到低水位时送一个低于1/3VCC的低电平给NE555芯片，555的输出即为高电平驱动水泵加水；当在正常的水位时候，送给NE555为1/3VCC----2/3VCC的电平，即保持前一个水泵不加水的状态；当水位居于高水位时，给NE555电路一个高电平，这时NE555输出电平翻转为低电平，不能驱动水泵，水泵停止加水。

图1-1方案一方框图

方案二：

本方案采用单片机AT89C52作为我们的控制芯片，主要工作过程是当储水容器中的水在低水位时，超声波水位传感器将信号送给单片机，然后单片机驱动电机加水和蜂鸣器报警；当水位在正常范围内时，电机不动，蜂鸣器不报警。

图1-2方案二方框图

方案论证：

第一种方案设计使用起来比较方便也简单，不用编程等软件方面的设计，但是没有稳压电路，使输入NE555芯片的电平十分不稳定，容易发生误判水位引起混乱的情况，且NE555电路只有一个输出端，不能连接显示系统，所以不能完成显示功能。

另外，此方案不能精确测量出液位高度，铜丝长时间浸泡在水中表面会发生氧化，长时间会是系统的误判率升高。

第二种方案中使用了单片机芯片和超声波传感器，单片机控制和超声波测距技术是信息时代用于精密测量的技术。

此系统使用过程中采用稳压电路能够准确地把输入的电平送给单片机不会产生误判的情况，由于AT89C52单片机有四端口32引脚能够非常方便地设计显示系统。

综上，我们已经清楚地看到了两种方案的优劣，要能够很好地完成本次设计的各个指标和达到设计的目的，我选择第二种方案作为我的设计方案。

2超声波和超声波传感器

2.1超声波

2.1.1定义

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。

当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”[4]。

2.1.2超声波的主要参数

2.1.3超声波的特性

（1）2.1.4超声波的特点

（1）超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。

（2）超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。

（3）超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）。

超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）[6]。

2.2超声波传感器的主要应用

超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。

超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。

超声波诊断的优点是：

对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。

因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。

超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。

这个方法是利用