1、精選優質文檔-傾情為你奉上 單片機原理及應用課程設計報告書課題名稱超聲波液位檢測儀姓 名學 號專 業指導教師機電與控制工程學院 年 月 日任 務 書一、課題名稱超聲波液位檢測儀的設計與制作二、設計內容及要求1、以單片機為核心，設計一個液位檢測系統2、測量數據由液晶顯示3、系統要有一定的可靠性和一定的測量精度目 錄1、緒論 12、方案論證 23、方案說明 44、硬件方案設計 85、軟件方案設計 126、調試 227、技術小結 238、參考文獻 241、 緒論隨著各行業的快速發展，液位測量已應用到越來越多的領域，不僅用于各種容器、管道內液體液位的測量，還用于水渠、水庫、江河、湖海水位的測量。這些領

2、域使用傳統的液位測量手段已經無法滿足對其精確性的要求，所以超聲波液位測量這種新的測量方向已經成為一種新的手段被廣泛的應用。在目前市場上，按測量液位的感應元件與被測液體是否接觸，液位儀表可以分為接觸型和非接觸型兩大類。接觸型液位測量主要有:人工檢尺法、浮子測量裝置、伺服式液位計、電容式液位計以及磁致伸縮液位計等。它們的共同點是測量的感應元件與被測液體接觸，即都存在著與被測液體相接觸的測量部件且多數帶有可動部件。因此存在一定的磨損且容易被液體沾污或粘住，尤其是桿式結構裝置，還需有較大的安裝空間，不方便安裝和檢修。非接觸型液位測量主要有微波雷達液位計、射線液位計以及激光液位計等。顧名思義，這類測量儀

3、表的共同特點是測量的感應元件與被測液體不接觸。因此測量部件不受被測介質影響，也不影響被測介質，因而其適用范圍較為廣泛，可用于接觸型測量儀表不能滿足的特殊場合，如粘度高、腐蝕性強、污染性強、易結晶的介質。超聲波液位測量計就屬于非接觸型液位測量的一種，所以它也有不受被測介質影響，不影響被測介質，能適應粘度高、腐蝕性強、污染性強、易結晶、高溫、高壓、低溫、低壓、有輻射性、毒性、易揮發易爆等特殊介質的測量的特點，能適應的范圍比其它的測量手段更廣泛。本次課程設計，將對超聲波液位檢測系統進行介紹。2、方案論證液位計量儀表早期大多采用機械原理,但近年來隨著電子技術的應用，逐步向機電一體化發展，并且發展了許多

4、新的測量原理。在傳統原理中也滲透了電子技術及微機技術，結構有了很大的改善、功能有了很大的提高。尤其是近二十年來，隨著微處理器的引入，測量儀表更是發生了革命性的變化。液位計的量程從幾米到幾十米，測量精度亦大大提高。根據液位測量所涉及的液體存儲容器、被測介質以及工藝過程的不同，液位計類型的選用也不同。在進行液位測量前，必須充分了解液位測量的工藝特點，以此作為液位計設計過程中的參考因素。因此，可根據系統的工作原理的不同，設計出三種不同的液位檢測方法。方法一：根據連通器原理，可以直接用與被測容器連通的玻璃管或玻璃板來顯示容器中的液位高度，他是最原始但仍應用較多的一種液位測量儀表，另外，利用侵入式刻度鋼

5、皮尺直接測量液面高度的人工檢尺法也是應用較廣泛的液位計量方法，尤其是在大型油罐儲油量中，也可把它用作現場檢驗其他測量儀表的參考手段。其精度一般為2mm的人為誤差。方法二：根據懸浮物測量液位。利用浮子的比重比所測液體的比重稍小的特點，使浮子漂在液面上并隨液面的升高或下降來反應液位，他也是一種應用最早并且應用范圍很廣的液位測量儀表；將浮子用一條多孔鋼帶連接至一個恒轉矩裝置或平衡錘上，由浮子的重量帶動多于L鋼帶通過齒輪裝置推動機械計算器作現場顯示，還可連接電動變送器作現場顯示，還可連接電動變送器，獲得遠距離顯示。方法三：利用超聲波對容器液位進行檢測。超聲波液位儀是非接觸測量中發展最快的一種。該技術基

6、于超聲波在空氣中的傳播速度及遇到被測物體表面產生反射的原理。可實現非接觸測量、測量范圍寬、并且測量不受介質密度、介電常數、導電性等的影響。對比以上三種方法，方法一，雖然具有測量簡單、直觀、成本低的優點，但測量量程有限，并且不適于惡劣環境的測量，特別是在對粘稠性較高的液體進行液位檢測時，就很容易出現問題。粘性液體黏在管壁內側，容易引起讀數錯誤；方法二，由于滑輪機械裝置的摩擦力和冒帶重量，測量誤差較大，且當使用時間較長時，由于滑輪機械的磨損，致使測量誤差越來越大；方法三，可實現非接觸測量，測量范圍寬，且不受測量液體的影響，也不影響被測液體，是一種較為安全、測量精度較高的測量方法，因此它的實用性也是

7、最廣的。綜上所敘，在此我們選擇第三種方案，即利用超聲波對容器液位進行檢測。3、方案說明3.1超聲波的介紹簡單來說，超聲波就是超過人耳能聽到的物體振動的聲音的頻率范圍的聲波就叫超聲波。一般來說是指聲音超過了20000Hz以上的聲波稱之為超聲波。與光波不同，聲波是一種彈性機械波，即機械振動在彈性媒質中的傳播。超聲波有以下幾個特點：1.頻率高波長短定向好；2.振幅小加速度大能量集中功率高強度大；3.在不同介質界面上大部分能量反射。因而，超聲波特別適合于距離測量。3.1.1超聲波基本性質和其他聲波一樣，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，并有各自的傳播速度。例如，在常溫下空氣中的聲速約為334m/s，

8、在水中的聲速約為1440m/s，而在鋼鐵中約為5000m/s。其在空氣中的傳播速度主要與空氣的壓力和溫度有關正常條件下由于大氣壓力變化很小因此其傳播速度主要考慮溫度的影響在空氣中傳播速度為 C=331.3+0.606T(m/s)其中C為超聲波聲速，T為傳播介質的溫度。因此只要溫度已知，就能算出超聲波的速度。為了簡單起見，我們直接取其速度為340m/s。在空氣中， 聲波在介質中傳播時會被吸收而衰減，氣體吸收最強而衰減最大，液體其次，固體吸收最小而衰減最小。因此，對于一給定強度的聲波，在氣體中傳播的距離會明顯比在液體和固體中傳播的距離短。另外，聲波在介質中傳播時衰減的程度還與聲波的頻率有關，頻率越

9、高，聲波的衰減也越大，因此，超聲波比其他聲波在傳播時的衰減更明顯。因此考慮到實際工程的需要，在設計超聲波液位計時，選用頻率等于40kHz的超聲波，波長為0.85cm。3.2超聲波液位檢測原理超聲波液位測量法是70年代發展起來的一種新型液位測量方法，該方法利用了超聲波在相同的介質中傳播速度不變的原理。超聲波是機械波的一種，其最明顯的一個特征是方向性好，能夠定向傳播，當碰到障礙物時能夠反射回來。超聲波測量方法有很多，如脈沖回波法、共振法、頻差法以及聲衰減法等，其中應用最廣泛的是超聲波脈沖回波法。超聲波的測距原理是通過發射聲波傳感器由脈沖信號激勵發出超聲波，通過傳聲媒介傳到被測液面，形成反射波，反射

10、波再通過傳聲介質返回到接收傳感器，傳感器把聲信號轉換成電信號，由儀表計算出超聲波從發射到接收所傳播的時間，再根據超聲波在介質中傳播的速度計算出來回的直線路徑的長度，從而得到所測距離的長度。如圖2-1超聲波夜位檢測儀示意圖所示。圖3-2 超聲波夜位檢測儀示意圖該系統中是通過超聲波脈沖傳播的時間來確定液位，所以必須己知超聲波在傳聲媒質中聲速。然而，對于氣體介質式和液體介質式超聲波液位計，聲速會隨媒質的組成、溫度、壓強的變化而變化。因此，只有當測試條件比較理想，媒質的成分、溫度、壓強等沒有很大變化，才可把傳聲媒質的聲速近似看成不變，直接由測量的聲波傳播時間來確定液位，否則就應該對傳聲媒質的聲速進行校

11、正。在這個系統中，運用的是超聲波往返時間檢測法進行距離的測量的。即，檢測從超聲波發射器發出超聲波的時候算起，通過介質的傳播在反射回來的到接收器的時間，叫往返時間。用往返時間與介質中超聲波的速度相乘，就可以得到超聲波運動的距離，然而實際的距離為所得到距離的一半，如果測量高度為h、超聲波在介質里的傳播速度為v，傳播時間為t，可以得到： 這個公式使用于自發自收單感應器方式，探頭采用垂直的方式發射超聲波，然后再讓超聲波原路返回到探頭。如果采用一發一收雙感應器方式，那么探頭就不在采用垂直于介質面發射的方式，因此用上面的公式計算的出來就不在是真實高度，而是超聲波經過的路程。這就需要加入角，角為豎直方向與超

12、聲波方向的夾角。如圖3-3角示意圖，圖3-3 角示意圖因此，系統要把測得超聲波經過的距離換算成真實的高度。如果超聲波經過的距離為L，要測量的真實高度為h，那么超聲波經過的距離與真實高度之間有這樣的關系：這時h為要測量的真實高度。在公式中，為超聲波的入射角。如果實際情況無法測得角時，還可以通過測得兩個探頭之間的距離m來得到需要測量的高度，即 來計算。3.3測量盲區由于發射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發射脈沖一段時間范圍內，所要求發現的缺陷往往不能被發現，這段距離，稱為盲區。用脈沖回波測量距離時，液面與超聲波探頭間的距離既不能太遠也不能太近，存在著近限和遠限。距離過遠時，接

13、收到的信號太弱，以致無法從噪聲信號中分辨出來，這是遠限所以存在的原因。在距離過近時，接收信號將落進盲區中而無法分辨，這是近限所以存在的原因。超聲波液位儀在使用一個探頭情況下，同時發射和接收超聲波，由于在探頭上施加的發射電壓強達幾十伏甚至上百伏以上，雖然發射信號只維持一個極短的時間，但停止施加發射信號后，探頭上還存在一定的余振，因此在一段較長時間內，加載接收放大器輸入端的發射信號幅值仍是相當強的，可以達到限幅電路，引起探頭振動，不能進行正確的測量，在這種情況下，選用兩個探頭分別用于發送和接收。雙探頭方式，不僅可以增加探測距離，還可以減小盲區。由于發射探頭上并不直接施加發射電壓，所以，從理論上說，

14、可以沒有盲區。但是，由于接收電路多少會受到發射電路的感應，并且發射探頭所發出的超聲波可能有部分直接繞道接收探頭，因此實際上仍存在一定的盲區，不過他要比單探頭方式的盲區小很多。所以，在本設計中，選取了雙探頭的工作方式，減小盲區，同時提高檢測的距離。4.硬件方案設計本文所設計的超聲波液位檢測儀主要由51單片機的最小系統電路、超聲波發射和接收電路以及液晶顯示部分組成。其總體的系統設計框圖如下：41單片機最小系統最小系統是指能維護單片機運行的最簡單配置系統。它主要包括晶體震蕩電路、復位電路，其圖如下：4.2超聲波發射和接收電路超聲波發生器內部結構有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻

15、率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，就成為超聲波接收器。本次課程設計采用的超聲波測距模塊集發射和接收為一體，內部超聲波發生器諧振頻率40kHz,模塊工作電壓為4.5-5V。4.3液晶顯示部分4.4總原理圖5、軟件方案設計程序代碼：#include <reg52.h> /包括一個52標準內核的頭文件#include<intrins.h> /包含_nop_()函數定義的頭文件#define uchar unsigned char

16、 /定義一下方便使用#define uint unsigned int/#define ulong unsigned longsbit Tx = P33; /產生脈沖引腳sbit Rx = P32; /回波引腳sbit RS=P24; /寄存器選擇位，將RS位定義為P2.0引腳sbit RW=P25; /讀寫選擇位，將RW位定義為P2.1引腳sbit E=P26; /使能信號位，將E位定義為P2.2引腳sbit BF=P07; /忙碌標志位，將BF位定義為P0.7引腳unsigned char code string = "CHAO SHENG BO" /unsigned

17、char code string1 ="QUICK STUDY MCU"unsigned char code digit ="" /定義字符數組顯示數字/uchar code SEG710=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90;/數碼管0-9uint distance4; /測距接收緩沖區uchar ge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i; /自定義寄存器bit succeed_flag; /測量成功標志/*函數聲明void conversion(ui

18、nt temp_data);void delay_20us();void pai_xu();/*函數功能：延時1ms(3j+2)*i=(3×33+2)×10=1010(微秒)，可以認為是1毫秒*/void delay1ms() unsigned char i,j; for(i=0;i<10;i+) for(j=0;j<33;j+) ; /*函數功能：延時若干毫秒入口參數：n*/ void delay(unsigned char n) unsigned char i;for(i=0;i<n;i+) delay1ms(); /*函數功能：判斷液晶模塊的忙碌狀態

19、返回值：result。result=1，忙碌;result=0，不忙*/ unsigned char BusyTest(void) bit result;RS=0; /根據規定，RS為低電平，RW為高電平時，可以讀狀態 RW=1; E=1; /E=1，才允許讀寫 _nop_(); /空操作 _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四個機器周期，給硬件反應時間 result=BF; /將忙碌標志電平賦給result E=0; /將E恢復低電平 return result; /*函數功能：將模式設置指令或顯示地址寫入液晶模塊入口參數：dictate*/void WriteIn

20、struction (unsigned char dictate) while(BusyTest()=1); /如果忙就等待 RS=0; /根據規定，RS和R/W同時為低電平時，可以寫入指令 RW=0; E=0; /E置低電平(根據表8-6，寫指令時，E為高脈沖， / 就是讓E從0到1發生正跳變，所以應先置"0" _nop_(); _nop_(); /空操作兩個機器周期，給硬件反應時間 P0=dictate; /將數據送入P0口，即寫入指令或地址 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四個機器周期，給硬件反應時間 E=1; /E置高

21、電平 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四個機器周期，給硬件反應時間 E=0; /當E由高電平跳變成低電平時，液晶模塊開始執行命令 /*函數功能：指定字符顯示的實際地址入口參數：x*/ void WriteAddress(unsigned char x) WriteInstruction(x|0x80); /顯示位置的確定方法規定為"80H+地址碼x" /*函數功能：將數據(字符的標準ASCII碼)寫入液晶模塊入口參數：y(為字符常量)*/ void WriteData(unsigned char y) while(BusyTe

22、st()=1); RS=1; /RS為高電平，RW為低電平時，可以寫入數據 RW=0; E=0; /E置低電平(根據表8-6，寫指令時，E為高脈沖， / 就是讓E從0到1發生正跳變，所以應先置"0" P0=y; /將數據送入P0口，即將數據寫入液晶模塊 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四個機器周期，給硬件反應時間 E=1; /E置高電平 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /空操作四個機器周期，給硬件反應時間 E=0; /當E由高電平跳變成低電平時，液晶模塊開始執行命令 /*函數功能：對LC

23、D的顯示模式進行初始化設置*/void LcdInitiate(void) delay(15); /延時15ms，首次寫指令時應給LCD一段較長的反應時間 WriteInstruction(0x38); /顯示模式設置：16×2顯示，5×7點陣，8位數據接口delay(5); /延時5ms，給硬件一點反應時間 WriteInstruction(0x38);delay(5);WriteInstruction(0x38); /連續三次，確保初始化成功delay(5);WriteInstruction(0x0c); /顯示模式設置：顯示開，無光標，光標不閃爍delay(5); W

24、riteInstruction(0x06); /顯示模式設置：光標右移，字符不移delay(5);WriteInstruction(0x01); /清屏幕指令，將以前的顯示內容清除delay(5); void main(void) / 主程序 uint distance_data,a,b; uchar CONT_1; uchar k; /定義變量i指向字符串數組元素 LcdInitiate(); /調用LCD初始化函數 delay(10); /延時10ms，給硬件一點反應時間 WriteAddress(0x01); / 從第1行第3列開始顯示 k = 0; /指向字符數組的第1個元素 whil

25、e(stringk != '0')WriteData(stringk);k+; /指向下字符數組一個元素 i=0; flag=0;Tx=0; /首先拉低脈沖輸入引腳TMOD=0x10; /定時器0，定時器1，16位工作方式/TR0=1; /啟動定時器0 IT0=0; /由高電平變低電平，觸發外部中斷/ET0=1; /打開定時器0中斷EX0=0; /關閉外部中斷EA=1; /打開總中斷0 while(1) /程序循環 WriteAddress(0x41); / 從第2行第6列開始顯示 WriteData('J'); /將萬位數字的字符常量寫入LCD WriteDa

26、ta('U'); /將萬位數字的字符常量寫入LCD WriteData('L'); /將萬位數字的字符常量寫入LCD WriteData('I'); /將萬位數字的字符常量寫入LCD WriteData(':'); /將萬位數字的字符常量寫入LCD WriteData(digitbai); /將萬位數字的字符常量寫入LCD WriteData(digitshi); /將千位數字的字符常量寫入LCD WriteData('.'); /將萬位數字的字符常量寫入LCD WriteData(digitge); /將百位數字

27、的字符常量寫入LCD WriteData(' '); /將百位數字的字符常量寫入LCD WriteData('C'); /將萬位數字的字符常量寫入LCD WriteData('M'); /將萬位數字的字符常量寫入LCD EA=0; Tx=1; delay_20us(); Tx=0; /產生一個20us的脈沖，在Tx引腳 while(Rx=0); /等待Rx回波引腳變高電平 succeed_flag=0; /清測量成功標志 EX0=1; /打開外部中斷 TH1=0; /定時器1清零 TL1=0; /定時器1清零 TF1=0; / TR1=1; /啟

28、動定時器1 EA=1; while(TH1 < 30);/等待測量的結果，周期65.535毫秒（可用中斷實現） TR1=0; /關閉定時器1 EX0=0; /關閉外部中斷 if(succeed_flag=1) distance_data=outcomeH; /測量結果的高8位 distance_data<<=8; /放入16位的高8位 distance_data=distance_data|outcomeL;/與低8位合并成為16位結果數據 distance_data*=12; /因為定時器默認為12分頻 distance_data/=58; /微秒的單位除以58等于厘米 /

29、為什么除以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; /沒有回波則清零 distancei=distance_data; /將測量結果的數據放入緩沖區 i+; if(i=3) distance_data=(distance0+distance1+distance2+distance3)/4; pai_xu(); distance_data=distance1; a=distance_data; if(b=a) CONT_1=0; if(b!=

30、a) CONT_1+; if(CONT_1>=3) CONT_1=0; b=a; conversion(b); i=0; /*/外部中斷0，用做判斷回波電平INTO_() interrupt 0 / 外部中斷是0號 outcomeH =TH1; /取出定時器的值 outcomeL =TL1; /取出定時器的值 succeed_flag=1; /至成功測量的標志 EX0=0; /關閉外部中斷 /*/定時器0中斷,用做顯示timer0() interrupt 1 / 定時器0中斷是1號 TH0=0xfd; /寫入定時器0初始值 TL0=0x77; /顯示數據轉換程序void conversi

31、on(uint temp_data) uchar ge_data,shi_data,bai_data ; bai_data=temp_data/100 ; temp_data=temp_data%100; /取余運算 shi_data=temp_data/10 ; temp_data=temp_data%10; /取余運算 ge_data=temp_data; /bai_data=SEG7bai_data; /shi_data=SEG7shi_data&0x7f; /ge_data =SEG7ge_data; EA=0; bai = bai_data; shi = shi_data;

32、ge = ge_data ; EA=1; /*void delay_20us() uchar bt ; for(bt=0;bt<60;bt+); void pai_xu() uint t; if (distance0>distance1) t=distance0;distance0=distance1;distance1=t; if(distance0>distance2) t=distance2;distance2=distance0;distance0=t; if(distance1>distance2) t=distance1;distance1=distance

33、2;distance2=t; 6、調試超聲波液位儀安裝時，應保持超聲波發射和接收的兩個探頭處于水平狀態，并且要使探頭位置始終位于液面之上，防止液面淹沒探頭。以至使超聲波發射和接收模塊短路，因此其安裝位置十分重要。  硬件電路制作完成并調試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據實際情況可以修改超聲波發生子程序每次發送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。系統調試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優化系統使其達到實際使用的測量要求。  由于受環境溫度、濕度的影響, 超聲傳感器的測量值與實際值總有一些偏差, 表1 列出了本超聲測距系統測

34、量值與對應的實際值:表1 超聲測距系統測量值與實際值單位實際值56789101112測量值5.06.17.18.39.410.811.713.2經過多次測量得出，該液位儀在一定的測量范圍內測量誤差較小，此范圍約為4cm-8cm，當在該范圍之外測量時，誤差較大，因此要根據實際容器來調整程序，以求達到最小誤差。誤差分析：1.超聲波的傳播速度隨溫度的變化而變化2軟件執行以及硬件反應都需要占用一定時間而使得測量的數據偏大3.探頭安裝不平，致使測量距離偏大4.測量時產生的讀數誤差7.設計總結在本次設計中，我們廣泛借鑒了各種設計的優點，充分考慮了整個設計中的各個環節。包括產生40KHz的方波，在接收電路中

35、，對所接收方波進行濾波、放大、整形等步驟。但由于條件和技術所限，對于很多以上所分析的在發射和接收過程中所產生的誤差沒有得到有效的校正。比如溫度誤差、硬件電路誤差等。在我們為期一個學期的設計中，我們用到了以前學到的很多知識，比如電工、單片機、和匯編語言等。這使我們意識到，任何一件產品的產生，都不是單一知識所能實現的。而且在電路的設計和程序的編制過程中，出現了很多意想不到的錯誤，讓我們措手不及，有些甚至是一些非常低級的錯誤，但是這些錯誤也同樣讓我們獲益非淺，它使我們意識到，研究是一個非常嚴肅的過程，來不得半點馬虎。必須有一個嚴謹的態度，加上100的努力才有可能獲得成功的喜悅。總之，在本課題的設計過程中盡管走了很多的彎路，但是還是學到了不少知識，從中受益