超声波液位仪的设计毕业论.docx
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超声波液位仪的设计毕业论
超声波液位仪的设计毕业论文
前言
工业生产中，常常需要测量容器内的液体液位。
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。
液位测量在工业生产过程中的作用相当重要。
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。
课题针对液位检测的实际问题,开发了一种基于单片机的超声波液位检测仪深入讨论了用超声波作为信号源进行液位检测的可行性及优越性，产生误差的各种原因，提出了相应的解决办法。
超声波液位检测仪以单片机AT89S51单片机最小系统为核心，利用超声波作为检测信号的手段，对液位进行检测和数据处理，减少了测量过程中的人工干预，方便了工作人员对液位检测的实时监控。
该系统硬件电路设计包含了超声波发射电路、接收电路、LED显示电路、电源电路等。
软件设计中，采用模块化程序设计思想。
在设计中，由于需要测量的距离范围从几厘米到几米，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，对回波进行放大，达到了设计要求。
1绪论
1.1课题背景
1.1.1超声波液位仪的研究背景与内容
超声波液位仪作为一种典型的非接触测量仪器，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，因而超声波液位仪电路结构简单，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。
然而超声波液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。
如何解决这些问题，提高超声波液位仪的精度，具有较大的现实意义。
目前，市场上的超声波液位仪多数采用单片机作为对液位仪控制和运算的核心，系统的硬件设计决定着测量结果的精度。
本文在对超声波传播特性研究的基础上，设计了基于单片机的超声波液位仪的硬件系统和软件系统，并对硬件和部分软件分别进行了相关的调试。
硬件设计的总体目标是力求在结构简单、成本合理的前提下，尽量完善其功能。
由于超声波液位仪需要测量几厘米到几米距离，因此，针对超声波在传播时呈指数衰减的特性，我们采用了最大限度提高驱动能力、对回波进行多级放大等措施，扩大了测量范围。
本设计运用单片机系统控制超声波的发射、接收、以及其它的各种功能。
在软件设计中，我们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。
这有利于软件的调试和修改。
另外，对设计过程中发现和存在的一些问题〔从软、硬件两方面〕，分析了原因并提出了一些解决的措施和改进的办法，为研制更加完善的超声波液位仪打下了基础。
1.1.2超声波液位仪的现状
经过不断的努力和探索，科技工作者己开发出了种类繁多、各具特色的液位仪。
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。
液位仪的量程从几厘米到几米，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，选择不同类型的液位仪。
在进行液位测量前，必须充分了解液位测量的工艺特点，以此作为液位仪设计过程中的参考因素[1]。
目前，进口的智能化超声波液位仪能够对接收信号做精确的处理和分析。
可以将各种干扰信号过滤出来，识别多重回波;分析信号强度和环境温度等有关信息。
这样即便在有外界干扰的情况下，也能够进行精确的测量。
超声波液位仪不仅能定点和连续测量液位，而且能方便地提供遥测所需的信号。
同时，超声波液位仪不存在可动部件，所以在安装和维护上相应比较方便。
超声测位技术可适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性。
新型气密结构、耐腐蚀的超声波探头可测量十几米的液位[2]。
1.2论文研究内容
1.2.1研究内容
进口的液位仪功能齐全，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液位仪价格相对便宜，但精度不高，功能相对单一。
为了设计出价格便宜，精度较高的超声波液位仪，本设计采用AT89S51为核心的单片机电路，同时使用双探头的方式发射和接收超声波，基于超声波测距的原理，算出液位的高度。
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理较为容易。
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[2]。
超声波液位测量方法与其它的液位测量方法相比，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，超声波液位仪具有非接触、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基于超声波液位仪的设计和提高精度方面的研究。
为了提高数据的精确度，重点探讨超声波在测量水平面高度时所受到诸如温度，气候以及超声波强度衰减等因素的影响，以及采取相应的措施来减少误差。
速度的影响：
超声波在工业应用中的频率为5KHZ-5MHZ，超声波探头到介质表面距离的计算公式如下：
D=T×C/2
D：
探头到介质表面的距离
T：
声波的传播时间
C：
波的传播速率
由此可知，除了声波的传播时间的测量准确性，声波的传播速度起着决定性的作用，声速的变化取决于传播媒介的不同。
在实际应用中，多种因素影响着传播媒介及声速。
为了获得更加准确的测量结果，超声波液位仪可以由所处环境的不同来设定不同媒介的声速[3]。
温度的影响：
如下表1，温度的变化影响着声速的变化，在正常环境中温度的变化带给声速的变化为0.17%℃。
在实际应用中，由于探头周围环境，超声波传播媒介的温度以及被测介质的温度不尽相同。
表1波速与温度的关系
温度℃
-20
-10
0
10
20
30
10
波速m/s
319
325
323
338
344
349
386
1.2.2论文的章节安排
本文首先介绍了超声波液位仪测距的工作原理。
接着基于测距原理，介绍了硬件设计。
为了提高测量精度，我们又设计了一种以51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字的超声波液位仪系统。
论文研究内容和章节安排如下：
第一章：
介绍本课题的背景与意义，研究的历史和现状。
第二章：
重点讲解往返时间检测法测距的理论,以及对超声波探头的工作原理进行详细介绍。
第三章：
超声波液位仪的主控制电路，重点介绍51单片机和外围电路的设计，以及各种器件的选择。
特别是对相关传感器的介绍。
第四章：
超声波液位仪的软件设计，包括软件流程图，以及程序代码的关键部分。
系统软件程序使用汇编语言编写。
第五章：
实验结果分析及改进
第六章：
结论与展望
2超声波的液位测量原理
2.1超声液位仪理论基础
2.1.1超声波介绍
超声波是一种人耳无法听到的、频率一般超过20kHz的声音,它具有以下特性：
（1）波长与辐射:
传播速度是用频率乘以波长来表示。
电磁波的传播速度是3×108m/s,而声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s。
在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。
正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。
（2）反射：
要探测某个物体是否存在，超声波应能够在该物体上得到反射，由于金属、木材、混凝土、橡胶和纸等可以反射近乎100﹪的超声波，因此我们可以很容易地探测到这些物体。
由于布、棉花等可以吸收超声波，探测到他们将十分困难。
另外，由于不规则反射，通常可能很难探测到表面震动幅度很大的物体。
（3）温度:
声波传播的速度“V”可以用下列公式（2.1）表示：
V=331.5+0.607t（m/s）（2.1）
式中，t=温度（C），也就是说，声音传播速度随周围温度的变化有所不同。
因此，要精确的测量与某个物体之间的距离时，始终检查周围温度是十分必要的。
（4）衰减:
传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是由于衍射现象上的扩散损失，和介质吸收能量产生的吸收损失。
2.1.2超声波探头的结构和原理
超声波探头是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能芯片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射，从而形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此这项技术广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以这种检测手段，必须发射超声波和接收超声波。
能同时完成这种功能的装置就是超声波探头，也称为超声换能器[4]。
对应用于工业的超声波探头而言，要求其精确度要达到1mm，并且具有较强的超声波辐射。
利用常规双压电芯片组件振动器的弯曲振动，在频率高于70kHz的情况下，是不可能达到此目的。
所以，在高频率探测中，必须使用垂直振动模式的压电陶瓷。
压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就显得十分重要，它的声阻抗为2.6×107kg/m2s,而空气的声阻抗为4.3×102kg/m2s。
5个幂的差异会导致在压电陶瓷震动辐射表面上的大量损失。
负载压电陶瓷，它可以使超声波探头在高达数百kHz频率的情况下，仍能够正常工作。
压电型超声波探头的工作原理：
它是借助于压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。
超声波探头有两块压电晶片和一块共振板，给它的两级加上脉冲信号，当其频率等于晶片固有频率的时候，压电晶片就会产生共振，并带动共振板一起振动，从而产生超声波。
反之，如果电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时。
将压迫两片电晶片振动，从而将机械能转换为电能，此时的探头就成了超声波接收器。
如图1所示，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。
该复合式振动器是由谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电芯片构成。
谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射，并且可以使超声波聚集在振动器的中央部位[12]。
图1超声波探头
2.1.3T/R40-16超声波探头
超声波探头选用40kHz的T/R40-16型压电陶瓷传感器，如图2所示。
当T/R40-16超声波探头在输入频率为40kHz时，各种特性呈现最佳状态。
因此为了得到最佳效果必须使单片机输出方波的为40kHz[5]。
图2超声波探头标号
超声波探头的性能指标：
中心频率40kHz，发射声压大于115dB，电容2400pF，允许输入电压12V。
其发射探头频率特性曲线图在中心频率40kHz处，超声发射器所产生的超声机械波最强，即在f0处所产生的超声声压能级最高。
而在f0两侧，声压能级迅速衰减，因此，超声波发射时要用非常接近中心频率f0的交流电压来驱动。
同样，接收探头器在中心频率f0处输出电信号的幅度最大，即在f0处探头的灵敏度最高.如图3传感器频率特性。
图3传感器频率特性
2.1.4传感器的指向角θ
超声波探头的指向角是声束半功率点的夹角，是影响液位仪的一个重要技术参数，它直接影响测量的分辨率。
对圆片传感器来说，它的大小与工作波长λ，圆形传感器半径r有关。
指向角θ越小，空间分辨越高，则要求传感器半径r越大。
由公式（2.2），可知θ。
（2λ/π）×r×sin（θ/2）=1.615（2.2）
选f0=40kHz时，λ＝C/f0=8.5mm。
当f0选定后，指向角θ近似与传感器半径成反比。
指向角θ愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径r愈大。
鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下，选用国产现有压电传感器片最大半径r=6.3mm，故θ=2×arcsin（1.615λ/2×π×r）=75°，超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是0°时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。
超声传感器的指向角一般为40°～80°，如图4所示。
图4传感器指内角
2.2超声波液位仪工作原理
2.2.1超声波液位仪工作原理
超声波液位仪的基本工作原理是利用超声波传播时间和传播速度来确定液面距离。
即所谓的脉冲---回波方式[6]。
如图5所示，由超声波的入射和反射之间的夹角θ，可以计算出探头距液面垂直高度L=Scos（θ/2）,L为超声波到液面的垂直距离，S为实际距离，液位高度计算公式为:
L=v×t/2cos（θ/2）（2.3）
其中，v表示超声波声速，t表示超声波传播时间。
单片机根据脉冲发射时间和接收的时间计算出时间差t，即超声波在空气中传播的时间，并由式：
S=1/2Ct（2.4）
计算出距离S，式中参数C是超声波在空气中传播速度，因而设置温度传感器进行修正。
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。
在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波液位仪专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。
通过温度补偿和数字平均滤波的方法，可以将数据提高到毫米级。
图5超声波液位原理图
2.2.2测量盲区
由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区。
用脉冲回波测量距离时，液面与超声波探头间的距离既不能太远也不能太近，存在着近限和远限。
距离过远时，接收到的信号太弱，以致无法从噪声信号中分辨出来，这是远限所以存在的原因。
在距离过近时，接收信号将落进盲区中而无法分辨，这是近限所以存在的原因[7]。
超声波液位仪在使用一个探头情况下，同时发射和接收超声波，由于在探头上施加的发射电压强达几十伏甚至上百伏以上，虽然发射信号只维持一个极短的时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定的余振，因此在一段较长时间内，加载接收放大器输入端的发射信号幅值仍是相当强的，可以达到限幅电路，引起探头振动，不能进行正确的测量，在这种情况下，选用两个探头分别用于发送和接收。
双探头方式，不仅可以增加探测距离，还可以减小盲区。
由于发射探头上并不直接施加发射电压，所以，从理论上说，可以没有盲区。
但是，由于接收电路多少会受到发射电路的感应，并且发射探头所发出的超声波可能有部分直接绕道接收探头，因此实际上仍存在一定的盲区，不过他要比单探头方式的盲区小很多。
所以，在本设计中，选取了双探头的工作方式，减小盲区，同时提高检测的距离。
2.3本章小结
本章介绍了超声波的特性，对超声波在传播过程中的衰减与声波所在介质等关系进行了分析，在超声波测量工作原理中，分析指出把超声波往返时间的测量转化对计数脉冲个数的测量。
在下面的章节中，我们将进行具体的硬件设计。
3硬件总体设计
3.1超声液位仪总体设计
液位系统硬件电路主要由单片机系统、电源电路接收模块、LED显示模块和报警模块等模块构成如图6所示。
通过对系统各部分所需要的电压和电流的计算，来选择不同的电子器件，经过不断地测试，达到了硬件总体设计要求超。
超声波液位仪硬件设计如图7所示。
图6超声波液位仪结构框图
图7超声波液位仪硬件设计
3.2单片机电路
作为超声波液位仪系统的核心部件，单片机的选择对整个系统功能的优化起着至关重要的作用。
面向工控领域的单片处理器，目前广泛应用的有51系列的8位单片机及面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器（DSP）。
DSP器件在工控领域的应用，从长远看是一个必然的趋势，但目前DSP器件的使用偏重于高端应用领域，对于智能仪表所开发的功能得不到充分利用，不能很好的体现器件优势。
51单片机具有开发技术成熟、应用广泛等优点，尤其是在ATMEL公司将Flash存储技术应用到单片机产品中，将Flash存储技术与Intel公司的MCS-51核心技术相结合，形成了AT89系列单片机[8]。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能，CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和12位的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。
AT89C51单片机的高性价比，可灵活应用于各种控制领域[9]。
按设计要求，根据超声波液位仪原理，以AT89C51单片机系统为核心电路，开发超声波液位仪。
它的部分引脚具体说明如表2：
表2单片机部分引脚介绍
名称
管脚名
类型
名称和功能
DIP
LCC
QFP
GND
20
22
16
I
地
Vcc
40
44
38
I
电源：
提供掉电、空闲、正常工作电压
RST
9
10
4
I
复位：
当晶振在运行中，只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位，内部有扩散电阻链接到Vcc即可实现上电复位。
XTAL2
18
20
14
O
晶体2：
反向振荡放大输出
XTAL1
19
21
15
I
晶体1：
反向振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入
/PSEN
29
32
27
O
程序存储使能：
当执行外部程序存储器代码时，/PSEN每个机器周期被激活两次，在访问外部数
据存储器时，/PSEN无效，访问内部程序存储器时/PSEN无效。
/EA/VPP
31
35
29
I
外部寻址使能/编程电压：
在访问
ALE
整个外部程序存储器时，/EA必须外部置低。
如果/EA为高时，将执行内部程序，除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址。
该引脚在对FLASH编程时接5V/12V编程电压。
如果保密位1已编程，/EA在复位时由内部锁存。
ALE
30
33
27
0
地址锁存使能：
在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE输出信号恒定为1/6振荡频率。
并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略。
3.2.1复位电路
AT89C51的上电复位电路如图3.3所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。
对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1µF。
上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。
在图8的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害[10]。
另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。
如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。
图8单片机复位电路（上电复位）
3.2.2电源电路设计
电源是整个系统的能源中心，系统中所有器件的运作都需要电源来提供能量，因此系统电源的质量在很大程度上影响到单片机系统的稳定性。
交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压，如图9所示：
图9电源电路设计框图
直流电源的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压降压后，再对交流电压进行处理。
变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η，η是变压器的效率。
滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分减少，输出恒稳的直流电。
常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。
各滤波电容C满足公式（3.1）：
RC=（3～5）T/2（3.1）
式中T为输入交流信号周期，RC为整流滤波电路的等效负载电[11]。
电源电路设计，如图10所示。
图10电源电路
H7805系列3端正稳压电路,TO-220封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。
内含过流、过热和过载保护电路。
带散热片时，输出电流可达1A。
虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流[12]。
结构如图11所示。
图11H7805引脚图
3.2.3时钟振荡器
晶体振荡器,以下简称晶振,是基于晶体的压电效应原理制造而成的。
当在晶片的两面上加交变电压时，晶片因反复的机械变形产生振动，而这种机械振动又会反过来产生交变电压。
当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其它频率下的振幅大得多，并且产生共振，这种现象称为压电谐振.晶振发生振荡必须附加外部时钟电路,一般是一个放大反馈电路,只有一片晶振是不能实现震荡的，于是就有了时钟振荡器。
将外部时钟电路跟晶振放在同一个封装里面,一般都4个引脚,两条电源线为里面的时钟电路提供电源,又叫做有源晶振,时钟振荡器,或简称钟振.好多钟振一般还要做一些温度补偿电路在里面,让振荡频率能更准确。
设计中使用12MHz的晶振，通过单片机内部6分频，发生2MHz的ALE信号，经过超声波发射电路，获得探头所需的40kHz的频率。
XTAL1和XTAL2分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出端。
这个振荡器可以使用石英晶体，也可以使用陶瓷谐振器。
本系统使用12MHz的石英晶振作为系统的时钟源[13]。
晶体的连接方式如图12所示。
电容C1和C2起去除噪声的作用，且应保持两个电容的值一样。
本系统电容值C20=C25=20PF。
图12晶体振荡器的连接
3.3超声波发射电路
超声波发射电路原理图如图13所示。
发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。
输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上位电阻R8、R9一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间[14]。
图13超声波发射电路原理图
超声波探头
超声波探头是发射和接收超声波的仪器。
本系统超声波发射探头采用
T40-16，超声波接收探头采用R40-16[15]，外形如图14所示
图14超声波探头
采用收发分体式超声波探头，有以下优点：
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