基于单片机的外测式液位仪控制电路设计毕业设计.docx

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基于单片机的外测式液位仪控制电路设计毕业设计

基于单片机的外测式液位仪控制电路设计

摘要

液位检测技术在现代化工业生产中应用十分广泛，如：

水位的测量、大型油罐液位的测量等。

随着智能仪器概念的提出，在电子和微控制芯片发展的基础上，液位仪器也经历着日新月异的变化。

本论文介绍了一种由AT89C51单片机为主控元件的超声波液位测量系统。

文中给出了系统的硬件设计各个功能机器原理图，同时给出软件系统程序设计方法，系统实现了标准液位的检测及显示功能。

该系统硬件电路设计包含了超声波发射电路、接收电路、温度测量电路和液晶显示电路。

在设计中，由于需要测量的距离范围从几米到十几米，针对超声波振幅在传播时呈指数衰减的特性，最大限度地提高驱动能力，对回波进行多级放大，达到了设计要求。

由于测量精度要求很高，系统进行了温度补偿设计。

软件设计中，采用模块化程序设计思想，将软件主要分为超声波驱动与数据处理模块、功能模块两大模块。

对软件的这种“自顶向下”的模块化软件编程方法能使软件的结构清晰，有利于软件的调试和修改。

关键词：

超声波，AT89C51，液位测量

BasedonSCMLevelTitrationInstrumentControlTheCircuitDesign

ABSTRACT

Thetechniqueoffluidleveldetectisextremelywidespreadinmodernindustrialproduction,forexample:

themeasurementofmeteorologicalwaterlevel，giantoilpotfluidlevel,andsoon.Alongwiththeadvancedintelligentinstrumentconception,onthebasisofdevelopmenttheelectronicandthemicrocontrolchip,thefluidlevelinstrumentistakingondailyvariations.

ThethesisintroducesanultrasonicwaveliquidmeasuringsystemthatusesAT89C51asmajorcontrollingcomponents,andgivestheprincipleofhardwaredesigningofthesystem,andtheprogrammingmethod,whichachievesthemeasureanddisplayingtheliquidlevel.Thesystemhardwarecircuitdesignincludesultrasoundcircuit,receivingcircuit,temperaturemeasurementcircuitandliquidcrystaldisplaycircuit.Inthedesign,duetotheneedformeasuringdistancerangefromafewmeterstotenmeters,wheninultrasonicamplitudeattenuationexponentiallyinspreadingthecharacteristics,maximizedriveability,totheechoonmulti-levelamplifierandmeetthedesignrequirements.Duetohighrequiredmeasureprecisionoftemperaturecompensation,systemdesign.Thesoftwaredesign,designideas,adoptmodularizationprogrammainlydividedintotheultrasonicdriversoftwarewithdataprocessingmodule,functionmoduletwobigmodules.Softwareforthis"top-down"modularsoftwareprogrammingmethodcanmakeclear,thestructureofsoftwareforthecommissioningandmodifythesoftware.

KEYWORDS：

ultrasonicwave，AT89C51，liquiddepthmeasure

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

1绪论

1.1液位测量综述

在现代工业生产中，常常需要测量容器中液体的液位。

在一般的生产过程中，液位测量的目的主要是通过液位测量来确定容器里的原料、半成品或产品的数量，以保证生产过程各环节物料平衡以及为进行经济核算提供可靠的依据;另外还为了在连续生产的情况下，通过液位测量，了解液位是否在规定的范围内，从而维持正常生产、保证产品的产量和质量以及保证安全生产。

液位的测量在工业生产过程中的作用已经相当重要。

目前，液位测量技术已经广泛的运用在工业部门和日常检测部门中。

例如：

液位测量技术在石油、化工、气象等部门的应用。

在测量条件和环境来说，有的测量系统被运用在十分复杂的条件与环境中。

例如:

有的是高温高压，有的是低温或真空，有的需要防腐蚀、防辐射，有的从安装上提出苛刻的限制，有的从维护上提出严格的要求等。

这些都大大的提高了对测量技术的要求。

所以能实现测量的无接触与智能化是液位测量计现在的主要发展方向。

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，液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。

随着各行业的快速发展，液位测量已应用到越来越多的领域，不仅用于各种容器、管道内液体液位的测量，还用于水渠、水库、江河、湖海水位的测量。

这些领域使用传统的液位测量手段已经无法满足对其精确性的要求，所以超声波液位测量这种新的测量方向已经成为一种新的手段被广泛的应用。

1.2液位计的分类

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

接触型液位测量主要有:

人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计等。

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沾污或粘住，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。

非接触型液位测量主要有微波雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等。

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。

超声波液位测量计就属于非接触型液位测量的一种，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。

液位计量仪表早期大多采用机械原理,但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且发展了许多新的测量原理。

在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善、功能有了很大的提高。

尤其是近二十年来，随着微处理器的引入，测量仪表更是发生了革命性的变化。

液位计的量程从几米到几十米，测量精度亦大大提高。

根据液位测量所涉及的液体存储容器、被测介质以及工艺过程的不同，液位计类型的选用也不同。

在进行液位测量前，必须充分了解液位测量的工艺特点，以此作为液位计设计过程中的参考因素。

随着工业自动化的发展，发展了许多新的测量原理，一批具有智能控制功能、可实现非接触测量、精度高、稳定性好的液位计相继问世，并应用到越来越多的工业测量领域，如基于超声波、雷达、光纤等技术的液位测量仪。

根据工作原理的不同液位计可分为如下几种：

1、直读液位计：

如图1-1所示。

其中，1-被测容器；2-玻璃管；3-标尺；4、5-阀；6、7-连通管。

图1-1直读式液位测量方法

直读式液位测量方法：

是一种直接用与被测容器连通的玻璃管或玻璃板来显示容器中的液位高度，它是最原始但仍应用较多的一种液位测量仪表;另外，利用浸入式刻度钢皮尺直接测量液位高度的人工检尺法也是应用较广泛的液位计量方法，尤其是在大型油罐储油量的测量中，也可把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。

其精度一般为2mm的人为误差。

此种方法有测量简单、直观、成本低的优点，但测量量程有限，且不适于恶劣环境中的测量。

2、浮子液位计：

如图1-2所示。

其中，1-浮球；2-连杆；3-转轴；4-平衡重；5-杠杆。

图1-2浮子式液位测量方法（内、外浮球方式）

利用浮子的比重比所测液体的比重稍小的特点，使浮子漂在液面上并随液面的升高或下降来反映液位，它也是一种应用最早并且应用范围很广的液位测量仪表;将浮子用一条多孔钢带连接至一个恒转矩装置或平衡锤上，由浮子的重量带动多于L钢带通过齿轮装置推动机械计数器作现场显示，还可连接电动变送器，获得远距离显示。

由于滑轮机械装置的摩擦力和铆带重量，测量误差一般约为士（4-10）mm。

3、静压液位计：

如图1-3所示。

其中，1-过滤器；2-减压阀；3-节流元件；4-转子流量计；5-变送器。

图1-3静压式液位测量方法

利用液柱对某定点产生压力，测量该定点压力或测量该点与另一参考点的压差而间接测量液位的仪表，液体压力的大小取决于液位高度;这种方法主要应用于测量精度要求不高的场合。

4、电磁液位计：

如图1-4和图1-5所示。

其中，1-内电极；2-外电极；3-绝缘套管。

这种测量方式是将液位的变化转换为电量的变化，从而对液位进行间接测量，如电容式、电感式和电阻式液位计等。

图1-4非导电液体电容式测量原理

图1-5导电液体电容式测量原理

（a）电磁液位计中电容由两块同心的圆柱面极板组成，电容式液位测量是根据电容量与被测液体和气相介质的相对介电常数、电容传感器浸入液体的深度、电容传感器垂直高度、内外极板圆柱底面半径之间的关系，由已知的其他数值得出所测液位高度值。

电容式液位计价格低，安装容易，且可以应用于高温、高压的场合。

但电容液位计测量重复精度较低，需定期维修和重新标定，工作寿命也不长。

（b）电阻式液位测量方法特别适用于导电液体。

敏感器件具有电阻特性，其电阻值随液位的变化而变化，因此将电阻变化值传送给二次电路即得到液位高度值。

（c）电感式液位测量方法同样适用于导电液体的液位测量，特别是液态金属。

其原理是:

液位变化使得电感元件的自感、互感或导磁率发生变化，故将该变化量送往二次相应的液位数值。

电感式测量应用最广泛的是高频液位计。

该液位计的测量原理是，频率调制信号通过射频电缆祸合到传输线传感器谐振回路，谐振回路的输出电压经过检波电路和射频电缆传送给低通滤波器，然后根据低通滤波器的输出电压控制调谐电路，产生新的振荡频率，直到传感器谐振电路处于完全谐振状态为止，则此时的振荡频率即与传感器的电感量相对应，从而与液位相对应。

以上3种方法都是利用液位传感器的电参数产生变化的方法来测量液位的。

这种测量方法原理简单、易于操作、成本低廉，但精度较低、可靠性差，已不能满足现代工业测量中对测量精度和仪器可靠性的要求。

随着科学技术的发展，基于新技术的液位计发展越来越快。

5、超声波液位计：

超声波液位仪是非接触测量中发展最快的一种。

该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。

可实现非接触测量、测量范围宽、并且测量不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，因此它的适用范围非常广泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蚀性及有毒液体等的液位测量中。

我国从九十年代初开始，将超声测距技术应用到河流、湖泊、水、渠等水体的水位测量中，以及油、浆等液体的液位测量中。

超声液位测量技术在越来越多的领域发挥其重要作用。

6、雷达液位仪：

连续式微波液位仪通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，微波发射和接收器安装在罐顶，向液面发射频率调制的微波信号。

当接收到回波信号时，由于来回传播的时间延迟，发射频率己改变了。

将两者信号混合处理，所得信号的频差与罐顶到液面之间的距离成正比。

7、光纤液位仪：

其测量原理与超声波液位计类同，只是用光波代替超声波。

即光源发射激光，经被测液面反射，接收反射光后，将从发射至接收的时间换算成液位。

激光的光束是很窄的，在液位计中通过光学系统转换成约20mm宽的光束，这样可使反射光易于被传感器接收。

8、Y射线液位计：

该技术基于Y射线对不同物质产生不同衰减的理论，将放射源钻-60或艳-137置于一个防护容器内，放在被测容器的一侧，在其对面，装有一个检测器，当Y射线穿透容器时，会发生衰减，衰减率取决于被测液体的密度、吸收系数和厚度。

液位越高，衰减越大，接收器将Y射线量变为光脉冲信号，再由光电倍增管转换为电脉冲信号。

液位与Y射线衰减量是非线性关系，必须进行标定。

9、小型液位开关：

在液位计智能化的同时，出现了一些基于新检测原理，由新型电子部件构成的小型现场液位开关。

较典型的是利用超声波穿透空气及液体时衰减率的显著差别来检测液面的超声液位开关;利用空气和液体对振动体的阻尼差别来检测液位的振动式液位开关;以及利用空气和液体电导率的不同来检测液位的电导式液位开关。

传统液位计逐渐被这些新型液位计所取代。

新型液位计无论是在精度、稳定性，还是在智能测量方面都比传统液位计有着明显的优势，是今后液位计的发展方向。

其中，超声波液位计以其低成本、高精度、非接触测量、稳定性好等优势受到广泛青睐，发展出了适应于不同场合的超声波液位计，广泛应用于石油化工、航天航空、水利、气象、环保、医药卫生、食品饮料等多个领域。

本课题中正是以超声波液位计为研究对象。

1.3课题研究的主要内容

在实现工业现代化、自动化的过程中，许多行业迫切地需要解决液位测量和控制的问题。

液位测量和控制的好坏，直接影响到生产的安全、产品的产量和质量，以及能源消耗和成本，同时也影响到其它工艺参数的稳定和控制。

但在很多行业的工艺过程中却是很难解决的问题。

尤其在涉及高温、高压以及强放射性辅照的场合，以及要求远距离传送等的情况下，要准确、可靠地测量液位，更是一项困难的任务。

超声波液位探测系统的具有方向性好、穿透本领大，且在波阻抗比相差很大的界面反射时，反射能量很强等特性，而且用超声波测量液位具检测元件可测范围广、换能器无可动部件、寿命长等优点。

本课题的研究内容主要包括：

（1）超声波外测液位检测系统的方案论证。

具体包括超声波外测液位检测系统的可行性分析，检测方法的选择，超声波外测液位检测原理解析，超声波探头的选取，超声波在被测液体中传播速度的校正方法研究和整个超声波外测液位检测系统的总体设计思想。

（2）超声波外测液位检测系统的硬件设计。

硬件电路包括超声波发射、接收电路、单片机控制电路、温度测量电路、显示电路、与上位机通信电路和电源电路。

（3）超声波外测液位检测系统的软件设计。

采用模块化程序设计思想，编写相应的软件程序，并进行调试和运行。

2超声波液位探测系统的硬件设计

2.1超声波的介绍

简单来说，超声波就是超过人耳能听到的物体振动的声音的频率范围的声波就叫超声波。

一般来说是指声音超过了20000Hz以上的声波称之为超声波。

与光波不同，声波是一种弹性机械波，即机械振动在弹性媒质中的传播。

超声波有以下几个特点：

1.频率高波长短定向好；2.振幅小加速度大能量集中功率高强度大；3.在不同介质界面上大部分能量反射。

因而，超声波特别适合于距离测量。

2.1.1超声波基本性质

和其他声波一样，超声波可以在气体、液体及固体中传播，并有各自的传播速度。

例如，在常温下空气中的声速约为334m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000m/s。

其在空气中的传播速度主要与空气的压力和温度有关正常条件下由于大气压力变化很小因此其传播速度主要考虑温度的影响在空气中传播速度为

C=331.3+0.606T（m/s）（2-1）

其中C为超声波声速，T为传播介质的温度。

在温度已知时超声波速度就能通过公式计算出来，在这个时候只要记录从发射到接收超声波的时间即可求出被测距离。

超声波的另一个特性是超声波频率越高，超声波与光波的某些特性（如反射、折射定律）就越相似。

=C/f（2-2）

其中

为超声波波长、f为超声波频率与、C为超声波速度。

在传播的过程中，衰减系数与声波介质以及频率的关系为衰减系数与声波所在介质及频率的关系为:

（2-3）

其中，

为衰减系数，b为介质常数，f为振动频率。

在空气中，声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小。

因此，对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。

另外，声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此，超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。

因此考虑到实际工程的需要，在设计超声波液位计时，选用频率等于40kHz的超声波，波长为0.85cm。

2.1.2超声波的特性

（1）超声波的束射特性

由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且．遵守几何光学上的定律。

即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，也就是要改变它的传插方向，两种物质的密度差别愈大，则折射也愈大。

（2）超声波的吸收特性

声波在各种物质中传播时，随着传播