基于51单片机的超声波测液位设计报告.docx

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基于51单片机的超声波测液位设计报告

（封面）

XXXXXXX学院

基于51单片机的超声波测液位设计报告

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摘要

随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。

但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。

因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。

城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。

而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。

控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。

因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。

本设计采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。

整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。

各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。

在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。

相关部分附有硬件电路图、程序流程图。

经实验证明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。

关键词：

AT89C51；超声波发射模块；超声波接收模块；CX20106A；显示模块

1.引言

在日常生产生活中，很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距。

超声波是指频率大于20kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波，其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点，因此常被用于非接触测距。

由于超声波对光线、色彩和电磁场不敏感，因此超声波测距对环境有较好的适应能力，此外超声波测量在实时、精度、价格也能得到很好的折衷。

2.超声波测距原理：

超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。

本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它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，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，就成为超声波接收器。

在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。

超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

　　超声波测距的方法有多种：

如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。

本设计采用往返时间检测法测距。

其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。

测试传输时间可以得出距离。

　　假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t/s，超声波传播速度为v/m·s-1表示，则有关系式

（1）

　　s=vt/2……

（1）

　　在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式

（2）对超声波传播速度加以修正，以减小误差。

　　v=331.4+0.607T……

（2）

　　式中，T为实际温度单位为℃，v为超声波在介质中的传播速度单位为m/s。

（本系统以声速为344m/s计算。

）

3.系统设计

本系统由超声波发射、回波信号接收、显示和报警、电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。

系统原理框图，如图1所示。

图1

整个系统由单片机STC89C52控制，超声波传感器采用收发分体式，分别是一支超声波发射换能器TCT40-16T和一支超声波接收换能器TCT40-16R。

超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中，遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。

进行相关处理后，输入单片机的INT0脚产生中断，计算中间经历的时间，同时再根据具体的相应的声速，根据就可得出相应的距离用来显示，当然在一些场合也可根据需要，设置距离报警值。

3.1超声波发射部分

超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40-16T能向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号。

40kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：

采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。

编程由单片机P1.0端口输出40kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器TCT40-16T以声波形式发射到空气中。

发射部分的电路，如图2所示。

图中输出端上拉电阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

发射电路部分,如图2所示:

图2

3.2超声波接收部分

上述TCT40-16T发射的在空气中传播，遇到障碍物就会返回，超声波接收部分是为了将反射波（回波）顺利接收到超声波接收换能器TCT40-16R进行转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106，得到一个负脉冲送给单片机的P3.2（INT0）引脚，以产生一个中断。

接收部分电路，如图3所示:

图3

可以看到，集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。

CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30～60kHz。

故本次设计用它来做接收电路。

CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。

工作过程如下：

接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚。

当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到STC89C52的INT0引脚上，以触发中断。

若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R42，将滤波器的中心频率设置在40kHz，就可达到理想的效果。

CX20106内部框图如图4所示：

图4

其引脚图如图5所示

图5

超声波探头的有关参数如下

型号：

TCT40-16R/T（直径16mm）外观如图6所示

图6

1.标称频率（KHz）：

40KHz

2.发射声压at10V（0dB=0.02mPa）：

≥117dB

3.接收灵敏度at40KHz（0dB=V/ubar）：

≥-65dB

4.静电容量at1KHz,<1V（PF）：

2000±30%

标有T字样的是发射头，标有R字样的是接收头

以下资料只供参考.

Partnumber             NU25C16T-1    

UsingMethod           Transmitter   

Construction            Openstructuretype   

Centerfrequency        40.0±1.0KHz      

Soundpressurelevel    112dBmin.   

Sensitivity       

Capacitance             2400Pf±20%   

Maximuminputvoltage   60Vp-p    

Directivity             60°±15°（-6dB）   

Operatingtemperature   -20°C~+70°C   

StorageTemperature     -40°C~+85°C　

Weight                 2.2g

3.3数码管显示部分

本实验采用四位的LED数码管显示，由P1.4-P1.7输出位选信号，经过9012PNP三极管反向接数码管公共端。

由P2口输出段选信号，接数码管段选端。

其电路图如图7所示：

图7

3.4报警部分：

采用一个蜂鸣器，由P1.2输出一定频率的信号，在连接到蜂鸣器之前，经过一个三极管9012的放大。

报警部分的连线，如图8所示:

图8

3.5单片机复位电路：

如图9所示:

图9

3.6单片机晶振电路：

采用12MHz的晶振。

如图10所示:

图10

3.7系统软件设计：

1）软件设计分析

超声波测距的软件设计主要是由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序及显示子程序组成。

主程序首先对系统环境进行初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，把总中断允许位EA置位，并给显示端口P0和P2清0。

然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，必需延迟0.1ms（这就是测距器会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。

由于采用频率为12MHz的晶振，机器周期为1us,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算就可测得被测物体与测距仪之间的距离：

（3）

（4）

这样就可以计算出测距仪与障碍物之间的距离。

测出距离后得结果将以十进制BCD码方式显示LED,然后再发超声波脉冲重复测量过程，求多次测量的平均值（误差最小化）。

2）主程序框图

超声波测距系统程序设计思路如图11所示：

图11超声波测距主程序框图

3）超声波系统子程序设计

超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右的超声波信号频率约为40KHz的方波，脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。

超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（INT0引脚出现低电平），立即进入中断服务程序。

进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值为1。

如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值为2以表示此次测距不成功。

整个软件系统如图12，图13，图14所示：

图12主程序流程图图13定时中断服务子程序图14外部中断服务子程序

4．实验、调试及测试结果分析

本实验由单片机的P1.0端口输出方波信号，经过推挽式功率放大器进行功率放大，使TCT40-16T发出超声波，遇到障碍物时由TCT40-16R接收，经过CX20106放大滤波整形为一个脉冲，触发单片机的外部中断，经过单片机的处理显示，数码管显示的数值就是所测到的发送探头到障碍物的距离（显示3位数距离以及1位单位c），当距离超过所设定的范围时，蜂鸣器鸣叫同时数码管显示中间的四横即数码管的G段选。

当定时器溢出（65536us）时，蜂鸣器响，并且数码管显示上面的四横即数码管的A段选。

本系统经过反复调试，多次测量均能正确显示测量距离。

优点：

测量范围广。

本系统最小能测量2cm距离，理论上最大能测量999cm。

足够满足大多数测量液位需要。

测量精度大。

本系统经过多次测量对比，误差仅为1cm。

反应时间快。

本系统0.5秒重新测量一次距离，经过多次试验均能迅速显示即时距离。

缺点：

从上电到稳定的时间较长。

本系统上电大约需要15s的时间等待系统稳定才能正确显示测量距离。

改进：

如本系统采用电池芯片供电，对整个系统进行外壳包装以及机械安装装置，即可成为便携式超声波测距仪。

5．实验结论

通过本实验可以看出，用超声波可以较为精确的对距离进行测量，这样可以很好的用来进行液位的测量，结合了单片机可以实现较为智能的功能，不但可以实现显示，还可以进行液位的监测，这样在液位进入警戒状态时，不但可以进行报警，还可以进行相应的处理，实现智能监控。

总结

通过本次设计，我们受益良多。

本实验不但让我们更好的了解了超声波探头的使用，还让我们更好的熟悉单片机的编程以及外围电路连接，对单片机更加了解。

另外，我们还学会了推挽式功率放大器的应用，以及CX20106的用法，CX20106的用法还很多。

总之，本实验不仅增加了我们对传感器的认知，更激发了我们进一步了解其他传感器的热情。

参考文献

1）《传感器与检测技术》周杏鹏主编孙永荣仇国富副主编韩九强主审清华大学出版社

2）《单片机原理及接口技术》李朝青编著北京航空航天大学出版社

3）《数字逻辑电路与系统设计》蒋立平主编姜萍谭雪琴花汉兵编电子工业出版社

4）XX搜索引擎

附原理图：

附程序：

//超声波模块显示程序

#include//包括一个52标准内核的头文件

#defineucharunsignedchar//定义一下方便使用

#defineuintunsignedint

#defineulongunsignedlong

sbitTx=P1^0;//产生脉冲引脚

sbitRx=P3^2;//回波引脚

sbitbeep=P1^1;

ucharcodeSEG7[10]={0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09};//数码管0-9

uintdistance[4];//测距接收缓冲区

ucharge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i;//自定义寄存器

bitsucceed_flag;//测量成功标志

//********函数声明

voidconversion（uinttemp_data）;

voiddelay_20us（）;

voidpai_xu（）;

voiddelay（uintms）

{

uchart;

while（ms--）

{

for（t=0;t<120;t++）;

}

}

voidmain（void）//主程序

{uintdistance_data,a,b;

ucharCONT_1;

i=0;

flag=0;

Tx=0;//首先拉低脉冲输入引脚

TMOD=0x11;//定时器0，定时器1，16位工作方式

TR0=1;//启动定时器0

IT0=0;//由高电平变低电平，触发外部中断

ET0=1;//打开定时器0中断

EX0=0;//关闭外部中断

EA=1;//打开总中断0

while

（1）//程序循环

{

EA=0;

Tx=1;

delay_20us（）;

Tx=0;//产生一个20us的脉冲，在Tx引脚

while（Rx==0）;//等待Rx回波引脚变高电平

succeed_flag=0;//清测量成功标志

EX0=1;//打开外部中断

TH1=0;//定时器1清零

TL1=0;//定时器1清零

TF1=0;//

TR1=1;//启动定时器1

EA=1;

while（TH1<30）;//等待测量的结果，周期65.535毫秒（可用中断实现）

TR1=0;//关闭定时器1

EX0=0;//关闭外部中断

if（succeed_flag==1）

{

distance_data=outcomeH;//测量结果的高8位

distance_data<<=8;//放入16位的高8位

distance_data=distance_data|outcomeL;//与低8位合并成为16位结果数据

distance_data*=12;//因为定时器默认为12分频

distance_data/=58;//微秒的单位除以58等于厘米

}//为什么除以58等于厘米，Y米=（X秒*344）/2

//X秒=（2*Y米）/344==》X秒=0.0058*Y米==》厘米=微秒/58

if（succeed_flag==0）

{

distance_data=0;//没有回波则清零

}

distance[i]=distance_data;//将测量结果的数据放入缓冲区

i++;

if（i==3）

{

distance_data=（distance[0]+distance[1]+distance[2]+distance[3]）/4;

pai_xu（）;

distance_data=distance[1];

a=distance_data;

if（a>800）

beep=0;

else

beep=1;

if（b==a）CONT_1=0;

if（b!

=a）CONT_1++;

if（CONT_1>=3）

{CONT_1=0;

b=a;

conversion（b）;

}

i=0;

}

}

}

//***************************************************************

//外部中断0，用做判断回波电平

INTO_（）interrupt0//外部中断是0号

{

outcomeH=TH1;//取出定时器的值

outcomeL=TL1;//取出定时器的值

succeed_flag=1;//至成功测量的标志

EX0=0;//关闭外部中断

}

//****************************************************************

//定时器0中断,用做显示

timer0（）interrupt1//定时器0中断是1号

{

TH0=0xfd;//写入定时器0初始值

TL0=0x77;

switch（flag）

{case0x00:

P2=ge;P1=0x7f;flag++;break;

case0x01:

P2=shi;P1=0xbf;flag++;break;

case0x02:

P2=bai;P1=0xdf;flag=0;break;

}

}

//显示数据转换程序

voidconversion（uinttemp_data）

{

ucharge_data,shi_data,bai_data;

bai_data=temp_data/100;

temp_data=temp_data%100;//取余运算

shi_data=temp_data/10;

temp_data=temp_data%10;//取余运算

ge_data=temp_data;

bai_data=SEG7[bai_data];

shi_data=SEG7[shi_data]&0x7f;

ge_data=SEG7[ge_data];

EA=0;

bai=bai_data;

shi=shi_data;

ge=ge_data;

EA=1;

}

//******************************************************************

voiddelay_20us（）

{ucharbt;

for（bt=0;bt<60;bt++）;

}

voidpai_xu（）

{uintt;

if（distance[0]>distance[1]）

{t=distance[0];distance[0]=distance[1];distance[1]=t;}

if（distance[0]>distance[2]）

{t=distance[2];distance[2]=distance[0];distance[0]=t;}

if（distance[1]>distance[2]）

{t=distance[1];distance[1]=distance[2];distance[2]=t;}

}