液位控制系统设计

.z.毕业设计(论文)题目名称液位控制系统的设计与研究系别电气信息工程系专业班级学生**指导教师〔职称〕-.z.摘要本文设计的基于单片机的液位监控系统是一种利用超声波技术、电子技术、电磁开关技术相结合来实现非接触式液位测量和控制系统，能够在*些特定场合或环境比拟恶劣的情况下使用，在工业监测和控制等方面得到了广泛应用。近些年来，工业水平的不断开展对液位测量的精度、广度和抗干扰性提出了越来越高的要求，超声波测距技术本身也在不断的完善和开展，测距仪更趋向小型化和智能化，逐步实现了高准确度、高可靠性、平安性和多功能化。本设计的主要任务是以单片机为主控制器，开发一个基于单片机的液位监控系统，可测量并显示液位，还可以通过单片机控制把液位限定在*一范围内，在单片机控制失效的情况下发出报警信号，提醒工作人员进展手动控制。研究内容包括超声波测距的根本原理与方法、精度影响因素的分析与解决方法、单片机对阀门的控制方法、监控系统的整体方案设计、硬件设计、软件流程设计等。设计完成之后提供一套可以使用的超声波测距仪，测量范围和测量精度满足一般工业应用需要。设计完成之后应提供一套可以用于一般工业生产的液位监控系统。通过毕业设计的整个过程，可以综合运用传感器、单片机、电子电路和程序设计方面的知识，锻炼和提高动手能力、参与科研工作的能力。关键词：单片机；超声波；测距；液位监控AbstractThemonolithicmachine-basedliquidplacesupervisorycontrolsystemthemainbodyofabookisdesignedhasbeenthatonekindofthecontact-typeliquidmakinguseoftheultrasonictechnology,electrontechnology,electromagnetismswitchtechnologytorealizebiningwithingeachotherplacemeasuresandcontrolssystem,hasbeenabletobeputintouseundersomespeciallyappointedoccasionorenvironmentisparativelyverybadsituation,hasgote*tensiveuseinthefieldofindustrymonitoringandcontrollingandsoon.Horizontaluninterruptedgrowthofindustryhasbroughtforwardthemoreandmorehighrequesttoaccuracy,e*tentandanti-interferencese*thattheliquidplacemeasuresinrecentyear,selfcan'tbeintheultrasonicdistancemeasurementtechnologyperfectceaselessanddeveloped,therangefinderisinclinetominaturizedandintellectualized,stepbystephaverealizedhighprecision,highreliability,securityandmultifunctional-rization.Thisdesign'sprimarymissionisbythemonolithicintegratedcircuitprimarilycontroller,developsonebasedonmonolithicintegratedcircuit'sfluidpositionsupervisorysystem,measurablequantityanddisclosingsolutionposition,butmayalsothroughthemonolithicintegratedcircuitcontrolthefluidpositiondefinethatinsomescope,thesituationwhiche*piresinthemonolithicintegratedcircuitcontrolafter-cropsthealarm,thereminderstaffcarriesonthehandcontrol.Researchcontentincludingultrasonicranging'sbasicprincipleandmethod,precisioninfluencingfactoranalysisandsolution,monolithicintegratedcircuittovalvecontrolmethod,supervisorysystem'soverallplandesign,hardwaredesign,softwareflowdesignandsoon.Afterthedesignpletes,providestheultrasonicwavedistancegaugewhichasetmayuse,themeasuringrangeandthemeasuringaccuracymeetthegeneralindustrialapplicationneeds.Afterthedesignpletes,shouldprovideasettobepossibletouseinthegeneralindustrialproductionthefluidpositionsupervisorysystem.Throughgraduationproject'sentireprocess,maysynthesizetheutilizationsensor,themonolithicintegratedcircuit,theelectroniccircuitandtheprogrammingaspectknowledge,thee*erciseandenhancementbeginningability,participationscientificeffortability.Keywords：Monolithicmachine；Ultrasonic；Distancemeasurement；Theplacemonitorsliquid目录摘要IAbstractII1绪论11.1课题的提出和意义11.1.1课题的提出11.1.2课题意义11.2国内外液位监测技术的开展现状11.3国内外超声波测距方面的研究现状21.4本文的主要内容32超声波液位测量的理论根底42.1超声波的定义42.2超声波的物理特性42.2.1超声波的类型42.2.2超声波的传播42.3超声波液位测量原理42.4超声波测距原理52.4.1超声波回波检测法52.4.2发射脉冲波形52.4.3超声波渡越时间的计量方法分析62.5超声波接收发射装置63超声波液位监控系统硬件设计83.1系统总体方案设计83.2超声波测距系统的硬件设计83.2.1超声波频率的选择83.2.2单双探头的选择93.2.3超声波发射电路9超声波的接收和处理单元123.2.5温度补偿单元153.2.6显示电路设计183.2.7键盘电路设计193.2.8电磁阀控制电路设计193.2.9报警电路设计203.2.10系统控制单元203.3电源电路的设计223.3.1直流稳压电源的组成223.3.2直流稳压电源的分类223.3.3系统供电电源的设计233.4液位监控系统的软件设计243.4.1系统软件总体想243.4.2主程序流程设计243.4.3测温子程序设计253.4.4按键子程序设计283.4.5显示子程序设计283.5抗干扰设计304超声波测液位的误差分析324.1环境对测量的影响324.1.1温度对声速的影响324.1.2湿度对超声波衰减程度的影响334.2仪器电路对测量的影响334.2.1硬件电路引起的时间误差及修正334.2.2触发时间引起的误差34参考文献36完毕语37致38附图139附图240-.z.1绪论1.1课题的提出和意义1.1.1课题的提出在日常生产和生活中常遇到液位的监测问题。尤其在许多工业生产系统中，需要对系统的液位或物料位进展监测，特别是对具有腐蚀性的液体液位的测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电脉冲来检测液面，电极长期浸泡在液体中，极易被腐蚀、电解、失去灵敏性，因而对测试设备的抗腐蚀性要求较高。超声波液位检测系统，利用了超声波传感技术的原理，采取一种非接触式的测量方法，能够实现对工业系统中液位或物料位的检测；而且超声波具有很好的指向性和束射特性，人耳听不见，一般不会对人体造成伤害。监控工程实施方便、迅速、易做到实时控制，而且测量精度又能到达工业实用的要求，所以有广泛的应用前景。目前液位的检测越来越受到重视，随着人们生活水平和工业标准的提高，检测的精度和实时性要求也越来越高，另外还要求系统能提供对液位的自动控制功能。也就是说今后液位的监测和控制系统的研究将是一个重要的课题。1.1.2课题意义为了降低工人的劳动强度，改善工人的工作环境，节省财力、物力，防止资源的浪费，特别是对一些具有高温、高压、低温、低压、有辐射性、毒性、易挥发易爆等液体，就要对液位进展检测，液位的检测显得尤为重要。而对于这些影响身体安康的液体，不易在现场直接进展检测，必须通过一定的技术，进展监控。1.2国内外液位监测技术的开展现状储罐液位测量来源于石油和化工业，是工业测量中极为广阔的领域。准确的液位测量是生产过程控制的重要手段。早期，由于工业领域生产规模不大，储罐液位测量主要采用法兰式液位变送器和吹气式等机械式测量方法。但随着生产规模的进一步扩大，所需的储罐数量变多，体积变大，原先的测量方法的弊端愈发变得突出，其缺点如下:(1)法兰式液位变送器需要保温，施工及维护工作量较大;(2)吹气式用的吹气管要特殊订货，且还要定期更换，维护工作量较大；吹气式要消耗仪表气，有能耗；它还需要敷设气源管，安装及维护工作量较大。这一系列问题的解决有待于新的测量方法的出现。从上世纪八十年代开场，一些兴旺国家就借助微电子、计算机、光纤、超声波、传感器等高科技的研究成果，将各种新技术、新方法应用到储罐测量领域。电子式测量方法便是其中的重要成果之一。在电子式液位测量方法中，有许多新的测量原理，包括压电式、应变式、雷达式、超声波式、浮球式、电容式、磁致伸缩式、伺服式、混合式等二十多种测量技术。由于该方法测量精度高，可靠性强，持续时间长，安装维护简单，因而正在逐步取代旧的机械式液位测量方法。据202年美国市场调查结果说明，电子式测量仪的使用率占市场的76%左右，机械式仅占15%。用于储罐液位测量的众多电子式技术中，压电式、超声波式、应变式、浮球式、电容式五种测量技术应用最为广泛，约占总数的60%以上。其中，超声波式测量技术的应用份额预计在2007年占到最大。超声波液位测量有很多优点:它不仅能够定点和连续检测液位，而且能够方便地提供遥控或遥控所需的信号。与放射性技术相比，超声技术不需要防护。与目前的激光测量液位技术相比，超声方法比拟简单而且价格较低。一般说来，超声波测位技术不需要有运动的部件，所以在安装和维护上有很大的优越性。特别是超声测位技术可以选用气体、液体或固体来作为传声媒质，因而有较大的适应性。所以在测量要求比拟特殊，一般测位技术无法采用时，超声测位技术往往仍能适用。当然各种方法都有其独特的优点，在特定的场合，*种方法很可能比超声方法更为有效或经济。例如，在测量要求比拟一般时，机械浮子方法就比超声方法更加经济;在精度要求特别高的*些情况下，光学测距或激光测距可能比超声方法更为精细。1.3国内外超声波测距方面的研究现状随着超声波技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，根据超声波原理制成的测量仪器也越来越多。国内外对超声波测距仪研究，主要在大量程测距、高精度测距以及测距仪的智能化和网络化等几个方向。澳大利亚HAWK公司HPAWK系列产品使超声波测距技术有了重大的突破，她不仅拓宽了擦、超声波测距技术的应用场合〔适用极恶劣的工作环境〕，而且适用智能调节技术，大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标，让用户使用无后顾之忧。智能的全自动调节发波频率，自动的温差补偿功能使其工作更加稳定可靠。HPAWK系列产品还拥有灵活多样的通讯方式。可编程故障保护模式，它还拥有先进的远程GSM、CDMA、互联网调试功能，使得用户随时可以得到技术支持。它以其尖端的技术稳定可靠的工作质量，在化工、电力、冶金、煤矿、轻工、码头、汽车等行业得到广泛的应用。国内在超声波测距仪的研究国内相对落后一些，但也出现了很多功能和性能都很不错的产品，技术上也有很大的开展。不过尖端的产品和技术都不是应用最多的。应用最多的就是适用型的技术和产品，以最简单的方式实现符合要求的功能。1.4本文的主要内容本文的主要任务是以单片机为主控制器，开发一个基于超声波测距的液位监控系统，可测量并显示距离，还可以通过单片机控制把液位限定在*一范围内，在单片机控制失效的情况下发出报警信号，提醒工作人员进展手动控制。研究设计内容包括：(1)超声波测距的根本原理与方法(2)超声波监控系统的整体方案设计(3)超声波测距电路的设计(4)控制电路设计(5)系统软件流程设计(6)电源电路的设计(7)PCB布线及硬件抗干扰设计(8)超声波测距的误差分析设计完成之后提供一个可以应用于一般工业的完整的超声波液位监控系统的设计方案，测量范围和测量精度满足一般工业应用需要。通过毕业设计的整个过程，可以综合运用传感器、单片机、电子电路和程序设计等方面的知识，锻炼和提高科研的能力。2超声波液位测量的理论根底2.1超声波的定义人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反响，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz~20kHz，超声波[2]是频率大于20kHz的机械波。在通常的超声波测距系统中，用电脉冲鼓励超声探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，形成超声波。2.2超声波的物理特性2.2.1超声波的类型根据波动中质点振动方向与波的传播方向的不同关系，可将波动分为多种波型，在超声波检测中主要应用的波型有纵波、横波、外表波(瑞利波)和兰姆波。本文主要应用的是超声纵波。2.2.2超声波的传播在超声波[1]传播过程中，被超声所充满的空间称为超声场。与超声波的波长相比，如果超声场很强，这时超声波就像处在一种无限的媒介中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻媒介的尺寸相近，则超声波受界面限制不能自由地向外扩散。用来描述超声场的特征量主要包括:声速、声压、声强以及媒介的特征阻抗等等:超声场的物理性质主要有:反射与折射、衰减与吸收、叠加与干预等。由于超声波也是一种声波，超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关。理论上，在13℃的海水里声音的传播速度为1500m/s。在盐度水平为35%，深度为0m，温度为0℃的环境下，声波的速度为1449.3m/s。声音在25℃空气中传播速度的理论值为344m/s,这个速度在0℃时降为334m/s。声波传输距离首先和大气的吸收性有关，其次温度、湿度、大气压也是其中的因素，而这些因素对大气中声波衰减的效果比拟明显。温度是和其他常数一样决定声音速度的第二因素。它和温度的关系可以用以下公式来表示:C=331.45+0.61T(米/秒)。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是根本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离，这就是超声波测距系统的机理。2.3超声波液位测量原理超声波液位测量[15]其实就是要测量超声波测距仪到页面的距离，如果超声波测距仪安装在底部，测得的距离即为液位高度，如果超声波测距仪安装在液面上方，需要通过换算来算得液位高度〔液罐总高度减去测得的距离即为液位高度〕。本文选择把测距仪安装在液面上面，测距仪安装相对方便些。2.4超声波测距原理2.4.1超声波回波检测法超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限:声波幅值法易受反射波的影响。在超声检测技术，特别是超声测量技术中使用最广泛的是超声波回波检测法，通过测量超声波经反射放大后到达接收端的时间与发射时间之差，实现距离测量，称为TOF(TimeofFlight)方法，也叫渡越时间法。渡越时间法实现简单，被广泛的应用于声学测距系统。它的原理是：超声波发射器发出单个或一组超声波脉冲，在发射时刻同时计时器开场计时，超声波在空气中传播，途中遇到被测目标，经过反射到达超声波接收端，此时停顿计时器计时，得到的时间t就是超声波在发射器和被测目标之间来回传播的时间。2.4.2发射脉冲波形超声测距常用的发射脉冲波形如图2-1所示有:单个尖脉冲、衰减振荡脉冲、窄等幅波列脉冲和宽等幅波列脉冲。由于媒介中超声波的衰减系数是频率的函数，同一发射的脉冲波中不同频率成分的波将以不同的群速度传播，这使得脉冲波形将随着传播距离的增大而发生畸变，并且这种畸变程度随距离的增加而变得显著。图2.1超声波测距常用发射脉冲波形在要求分辨力较高和盲区较短的超声测量技术中，一般使用宽度较窄的脉冲波。但脉冲越窄，则频谱分量越丰富，波形畸变越严重。在要求传播距离较远的超声测量技术中，则倾向采用较宽的等幅脉冲波。由于维持振动的周期数较多宽等幅脉冲波的频谱分量较纯些、能量较大、畸变较小，所以适合于传播较远的距离。2.4.3超声波渡越时间的计量方法分析根据超声波测距的原理[16]，发射换能器发出的超声波，在媒介中传播到物体外表，经过反射后再通过媒介返回到接收换能器，通过测量超声波从发射到接收所需的时间(t)，根据媒介中的声速(v)，就能计算出从换能器到物体外表之间的距离(L)。被测距离的表达式：〔式2.1〕由上式计算出测量误差：〔式2.2〕式中，--测距误差；--声速；σΔt时间测量误差；συ--声速误差。如果要求测量误差小于0.01米，由于超声波在20℃时的速度为344m/s，忽略声速误差，则:〔式2.3〕显然直接测量的方法是行不通的，所以采用脉冲计数的方法间接测量被测时间，就可以满足高精度要求。2.5超声波接收发射装置以超声波为检测手段，包括发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器域称压电式超声波探头)和磁致式超声波传感器。本论文采用的是压电式超声波传感器，主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两局部组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进展工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。一般压电式超声波换能器有两个共振频率:低频共振频率叫串联共振频率(ƒτ)，此时阻耗(R)最小，用于发送超声波;高频的共振频率称为逆共振频率(ƒa)，主要是产生共振，用于接收超声波。而在串联共振频率(ƒτ)处发送灵敏度最高，在逆共振频率(ƒa)处接收灵敏度最高。所以选用一对超声波换能器，使其效率最高。超声波传感器产生振荡的方法很多，主要有以下几种:(1)由外部电路产生振荡，如NE555低频振荡器调制40kH之的高频信号，高频信号通过超声波传感器以声能形式辐射出去。(2)使用工业用小功率超声波收发控制集成电路LM1812驱动发送超声波传感器振荡。(3)采用单片机内部的定时器或直接使用程序产生固定的脉冲，通过放大处理后驱动发送超声波传感器产生超声波.3超声波液位监控系统硬件设计3.1系统总体方案设计发射驱动发射驱动超声波接收处理单片机LED显示控制键盘温度传感器图3.1液位监测系统框图报警电路控制电路本文设计的超声波液位监控系统工作原理框图如图3-1所示。该系统由AT89C2051单片机[1]、超声波发射电路、接收放大电路、环境温度采集电路、报警电路、控制键盘、控制电路及显示电路组成。AT89C2051单片机是整个系统的核心部件，协调各部件的工作。发射驱动模块振荡源和放大驱动电路，单片机控制发射模块产生40kHz的频率信号来驱动超声波传感器，每次发射包含假设干个脉冲〔发射持续约0.15ms〕，当第一个超声波脉冲发射后，计数器开场计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停顿计数，这样就能够得到从发射到接收的时间Δt；温度采集电路也将现场环境温度数据采集送到单片机中，提供计算距离时对超声波传播速度的修正。最终单片机利用公式s=12vΔt和v=331.5+0.607T计算出被测距离，然后与系统预设距离比拟，如果小于预设最低液位或者大于预设最高液位，单片机进展液体流入流出自动控制；当液位变化过快或者其他单片机无法进展液位控制的情况下，单片机启动报警电路通知工作人员进展人为干预。完成这些步骤进展第二次超声波发射。在这过程中单片机显示电路不断的更新显示的液位值。其中控制键盘可以控制系统的液位变化范围〔最高液位h1和最低液位h2〕和报警参数h〔超出极限低液位或极高液位认为单片机不能完成自动控制〕。3.2超声波测距系统的硬件设计3.2.1超声波频率的选择超声波发散角随频率[14]的增加而增加，这样使用双探头时将会有更多的绕射波被承受，所以超声波频率不易太高；超声波测距的有效距离与超声波的频率成反比，频率越低有效距离越大，40Hz的超声波一般有效测距范围为6~10米，超声波测距精度和超声波频率成正比，因此频率过低会影响测距精度，根据一般工业需要，结合其它因素，本系统采用40KHz左右的频率。3.2.2单双探头的选择如果使用单超声波探头，将会影响最小测量距离，而且可能会在转换时有噪声产生。因此本系统采用收发别离双超声波探头。3.2.3超声波发射电路〔1〕超声波发射电路功能发射电路目的:为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号依据电路需要，发射电路满足以下要求:①振荡电路振荡频率可调②驱动能力较高③I/O口控制口〔2〕超声波振荡电路当加载在超声波传感器[15]的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时，发生共振，电信号电能能高效率的转化为机械声波机械能。一般厂家生产的超声波传感器标识的固有频率是40KHz，实际有偏差，如40士0.5KHz。故设计可调频率振荡电路，以便将信号频率调到超声波传感器的固有频率上。震荡电路有多种设计方案，方案选择如下:方案一：利用非门或与非门和电阻一起构成振荡电路，如图3.2所示，图3.2非门和电阻、电容组成的振荡电路这个电路组成的是最简单的振荡器，这种振荡器特点是:T≈(1.4～2.3)R×C，且电源波动将使频率不稳定，适合小于100KHz的低频振荡情况。此振荡是上电振荡，不方便控制。方案二：采用两三极管和电阻电容构成的振荡器如图3-3所示，方案三：LC三点振荡电路如图3.4所示，方案四：555芯片组成振荡电路，如图3.5所示。555芯片振荡电路，外围元件少，电路简单，振荡频率可调，可产生方波和三角波，可调整波形占空比，在很多电路中都用到，如图3.5所示。上面几个振荡电路都是很实用的电路，外围元件少，电路简单，芯片驱动能力大，振荡输出的信号为方波信号。考虑系统需要和方便，本文中的振荡电路选方案四，用555芯片和外围元件构成振荡电路，此电路稳定且易控制。图3.3三极管和电阻电容构成的振荡器图3.4LC三点振荡电路图3.5555芯片组成振荡电路本文中采用的555芯片振荡电路,频率的计算如下：RA=1.5KΩ、RB=15KΩ、C=1000pFTL=0.69*RB*C

=0.69*15*103*1000*10-12=10μsec

TH=0.69*(RA+RB)*C

=0.69*16.5*103*1000*10-12

=11μsec

f=1/(TL+TH)

=1/((10.35+11.39)*10-6)

=46.0KHz〔3〕超声波驱动电路原理图驱动电路[3]目的:为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号。驱动电路要求产生出具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去鼓励发射器，由发射器将电能转换为超声机械波机械能。驱动电路有几种方案，如下：①采用专用芯片驱动。②由分立元件组成的驱动电路，其价格廉价，元件普通，调试方便。③采用变压器提升电压，增加驱动能力。④采用非门并接利用芯片的驱动能力。声波在空气中传播受空气介质影响，距离越大衰减越大。为能接收远距离得回波，采取有效措施有:增加驱动功率，减小声波频率。本文采用变压器升压增加驱动能力。整个发射电路由555振荡电路、晶体管放大电路、变压器以及压电超声波传感器组成[17]。40kHz振荡信号由555集成块和周围电路产生,然后送至放大电路驱动压电传感器发出一系列的脉冲群,每一个脉冲群持续时间大约为0.15ms左右。信号经过三级管放大,再经过阻抗匹配电路即变压器(变压器输入输出比1∶10)后,驱动超声波发射头,发射换能器两端就加上了高电压,内部的压电晶片开场震动,经过压电换能器将发出40kHZ的脉冲超声波。具体电路如图3.6所示。图3.6超声波发射电路超声波的接收和处理单元(1)超声波接收电路功能根据电路需求，需要接收放大电路满足以下要求:①微弱信号放大，放大倍数要求从mV到V。②波形整形。如图3.7所示，超声波接收器[13]将接收到回波信号转换成电压信号(正弦波)，信号经过两级放大以后，被送入电压比拟器进展比拟，电压比拟器输出的方波信号直接输入INT0中断口，该低电平作为AT89c51外部中断0的中断信号使AT89C51产生中断，在中断效劳程序中停顿计数器T0的计时，并计算出有关数据。由此可见，接收电路完成了超声波回波信号的换向识别、转换、信号的放大和整形以及产生中断信号等功能。如图3.7进展波形处理。图3.7接收电路信号变化关系图〔2〕超声波接收电路微弱信号需要放大整形，因此接收局部电路主要由放大电路、电压比拟电路构成。根据所用的T/R40-16型超声波传感器的资料以及在实验中所观察到的现象，超声波发射器在发射超声波时，有一局部声波从发射器直接传到接收器，这局部信号直接加到回波信号中，干扰回波信号的检测。此问题在软件中处理。超声波接收电路将接收换能器输出的微弱信号，进展滤波、放大、检波、整形，来得到大幅值电信号，供单片机INT0端口辨识。接收电路可采用新产品专用集成电路，也可用传统的滤波、放大、检波、整形的电路。过去均采用分立元件构成，现在可以用专用超声波接收集成电路来代替。还可以使用价格廉价的极普通的Mpc08C作为超声波的放大电路，采用独特的连接方式，可获得非常好的应用效果。通过比拟几个电路，用集成芯片固然能简单快捷，外围元件少，但是通过多级运放作为放大电路能改变放大倍数，能适应小信号的采集。综合因素考虑，本论文中采用图3.8所示的电路，即[10]采用运算放大器TL084构成放大电路:当频率为40KHz时，理论上极限放大约1000倍，但实际工作中不可能让放大器工作于极限状态，放大倍数过高，易产生自激振荡。因此采用两极放大，每级放大倍数45.5倍。①放大电路两级放大，放大倍数分别为45.5×45.5。②在此电路中R108并接接收器两端，其目的取微弱信号为电压信号，供放大电路放大，放大电路的输入阻值为18M，远远大于100K，灵敏度高，放大电压幅值为2.5士1V,士1V随距离远近而变化。③C108连接前后两极放大，阻两极间直流，通两极间交流。④运放芯片采用TL084，供电电压为9V，单电压供电。⑤在接收器的输入端接入2.5V是为了将微弱信号加载在2.5V使信号更有利于放大，除去不必要的干扰以及比拟电路的设计。图3.8由TL084集成运放两级放大接收电路比拟电路目的是将mV级的微弱信号放大后的V级信号整形成能为INT0辨识的脉冲信号，本文是下降沿引起中断。根据硬件电路的设计思想，要将回波信号转换成CPU识别的上下中断信号，所以在对回波信号(正弦波)经过两次放大以后，需要将正弦波整形成方波，于是后面接了一个电压比拟电路。考虑输入频率为40KHz，采用了集成电压比拟器LM393。LM393具有低偏置电流和失调电流(典型值分别为100nA和6nA)，其响应速度为200ns。可用单电源供电(如+5V)，也可用双电源供电(如±12V)。在本系统中采用了+5V单电源供电。通过实验观察，LM393输出信号符合设计要求，单片机INT0端口识别引脚1处标准下降沿，具体电路如图3.9所示。图3.9LM393构成比拟电路如图3.9所示，放大后的信号由LM393第2脚进入，在第3脚是+2.5V有一个电容电阻接入的比拟基准电压，由于R2电阻可调，4即根据输入的信号可以调节基准电压。可以有效地防止千扰。LM393是+9V(可调)供电，需要在输出端口接上一个上拉电阻R3，该电阻由+5V供电，将+9V高电平拉低到+5V高电平，供单片机INTO端口识别。完整的超声波接收和处理电路，如图3.10所示。3.2.5温度补偿单元〔1〕补偿目的声波在介质中的速度受介质、介质温度影响。在本课题中，介质是空气，空气颗粒较小，对超声波衰减影响较小，无视其带来的影响，但空气温度变化影响较大，不容无视。图3.10超声波的接收和处理电路〔2〕DS18B20简介DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改良型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比,他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数表方式。可以分别在93175ms和750ms内完成9位和12位的数字量,并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统构造更趋简单,可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改良,给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果[11]。DS18B20的内部构造：DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装,其内部构造框图如图3.11所示。64b闪速ROM的构造如下:8b检验CRC48b序列号8b工厂代码〔10H〕MSBLSBMSBLSBMSBLSB图3.11DS18B20内部构造图开场8位是产品类型的编号,接着是每个器件的惟一的序号,共有48位,最后8位是前56位的CRC校验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进展通信的原因。②非易市失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。③高速暂存存储器DS18B20温度传感器的内部存储器[12]包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM。后者用于存储TH,TL值。数据先写入RAM,经校验后再传给E2RAM。而配置存放器为高速暂存器中的第5个字节,他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率,DS18B20工作时按此存放器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下:TMR1R011111低5位一直都是1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动,R1和R0决定温度转换的精度位数,即是来设置分辨率,如表3.1所示(DS18B20出厂时被设置为12位)。表3.1R1和R0模式表R1R0分辨率分辨率温度最大转换时间/ms009位93.750110位187.51011位275.001112位750.00由表3.1可见,设定的分辨率越高,所需要的温度数据转换时间就越长。因此,在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存存储器除了配置存放器外,还有其他8个字节组成,其分配如下所示。其中温度信息(第1,2字节)、TH和TL值第3,4字节、第6～8字节未用,表现为全逻辑1;第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码,可用来保证通信正确。表3.2温度低位温度高位THTL配置保存保存保存8位CRCLSBMSB当DS18B20接收到温度转换命令后,开场启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1,2字节。单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式以010625℃。LSB形式表示。温度值格式如下:232221202-12-22-32-4MSBLSBSSSSS262524MSBLSB对应的温度计算:当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制；当S=1时,先将补码变换为原码,再计算十进制值。表3.2是对应的一局部温度值。DS18B20完成温度转换后,就把测得的温度值与TH,TL作比拟,假设T>TH或T<TL,则将该器件内的告警标志置位,并对主机发出的告警搜索命表3.2局部温度值温度/℃二进制表示十六进制表示+1250000011101000007D0H+25.062500000001100100010191H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H-0.51111111111111000FFF8H-25.06251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90H令作出响应。因此,可用多只DS18B20同时测量温度并进展告警搜索。DS18B20与单片机的接口电路见图3.13图3.13DS18B20与单片机的接口3.2.6显示电路设计显示模块使用静态显示，这样可以提高单片机工作效率，同时提高显示亮度，在室外使用时方便使用者读取数据。所谓静态显示，就是[8]当显示*一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止。例如7段显示器的a、b、c、d、e、f段导通，g、dp段截止，则显示0。这种显示方法的都需要有一个8位输出口控制。对于51单片机，可以在并行口上扩展多片锁存器74LS573作为静态显示器接口,但这样做相对麻烦一些，本系统直接用四个I/O口连接LED的片选端口。静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，单片机才执行一次显示子程序，这样大大节省了单片机CPU的时间，提高了单片机的工作效率；缺点是位数多时，硬件开销太大。因此静态显示适合显示亮度要求高、位数不多的情况下使用[13]。本设计中的显示电路如图3.10。其中七位段码由单片机P0口经过锁存器提供。片选信号由单片机的P1.4~P1.7四个I/O口提供。图3.10显示电路3.2.7键盘电路设计键盘采用4×4矩阵式键盘，接单片机P2口，由程序扫P2口判断按下的是那个位置的键，然后查询键值表，执行相应的功能。图3.12键盘控制电路3.2.8电磁阀控制电路设计液体由管道经过电磁阀注入，系统通过控制电磁阀[4]来控制液体的注入。控制信号来自单片机的P1.6引脚，经过三极管放大来驱动继电器，电磁阀由继电器直接控制。具体电路如图3.11所示。图3.11电磁阀控制电路其中R2、R3为限流电阻，防止三极管烧坏；LED为继电器工作指示灯；二极管D1起到保护继电器线圈的作用；R4、C4和R5共同起到消除继电器断开时产生的电弧。3.2.9报警电路设计报警电路由一个蜂鸣器组成，由单片机的P2.4脚控制，经过三极管放大驱动蜂鸣器。测量的距离超出设定的距离后由程序将单片机的P2.4置1，蜂鸣器开场发声。3.2.10系统控制单元控制单元由单片机AT89C51和周围器件构成。AT89C51是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器【9】，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89C51有以下特点：2k字节EPROM、128字节RAM、15根I/O线、2个16位定时/计数器、5个向量二级中断构造、1个全双向的串行口、并且内含精细模拟比拟器和片内振荡器，具有4.25V至5.5V的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。此外，AT89C51还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停顿，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以制止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。AT89C51有2个16位计时/计数器存放器Timer0和Timer1。作为一个定时器，每个机器周期存放器增加1，这样存放器即可计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计数器，该存放器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要二个机器周期来识别一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。充分利用AT89C51的片内资源，即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的液位监控系统。C1、C2、Y4组成时钟电路，为单片机[1]工作提供时钟脉冲。R1、C1、S1共同组成复位电路。P3.0与DS18B20相连，通过程序控制，完成与DS18B20的通信和对DS18B20的控制。P1.7接发射电路的控制信号接口，有单片机程序控制P1.7的电平来完成对发射电路的控制。P3.2与接收电路的输出电平接口相连，当接收电路输出低电平的时候，P1.7引发中断。P0口接的是显示电路。P1.6接一个开关，单片机程序通过查询P1.6来控制系统的工作和停顿。P0口为显示数据接口，P1.0—P1.3为LED片选信号接口，通过程序来选中其中一个LED芯片。P1.5为电磁阀控制接口，通过程序控制P1.5的电平来控制电磁阀的翻开和关闭。P1.4为报警电路接口，P1.4高电平启动报警电路，低电平关闭报警电路停顿报警。P2口为键盘接口，通过软件扫描P2口，再查询键值表，然后再执行相应的程序来完成键盘相应的功能。图3.12系统控制模块3.3电源电路的设计3.3.1直流稳压电源的组成图3.12直流稳压电源组成框图小功率稳压电源是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四局部组成的。其框图如图3.12所示。(1)电源变压器：将交流电网220V交流电压变成所需的交流电压。变压过程通常由变压器来完成，如收录机、VCD、黑白电视机等设备的电源，大都是用变压器来降低电网电压的。(2)整流器：将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。整流电路通常有半波整流电路、全波整流、桥式整流电路等，桥式整流较为常用。(3)滤波器：将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分，常用的滤波电路有电容滤波、电感滤涉及阻容滤波等电路。(4)稳压电路：滤波后的电压还会随电网电压波动〔一般有±10﹪左右的波动〕和随负载、温度的变化而变化。稳压电路的作用是克制电网电压波动、负载和温度变化时所引起的输出电压的变化，维持输出直流电压稳定。3.3.2直流稳压电源的分类直流稳压电源的种类很多，常见的主要有以下四类：(1)稳压二极管稳压电源：其特点是电路构造简单，但功率较小，稳压精度低；(2)晶体管串联调整式稳压电源：其主要特点是电路构造比拟简单，工作可靠，功率较大，稳压精度高，无电磁干扰，但效率低；(3)集成稳压器：其特点是体积小，可靠性高以及温度特性好，而且使用方便、价格廉价；(4)开关式稳压电源：它的主要特点是效率高，温升低，电路便于集成化，但电路较复杂，并有高频干扰存在。当负载要求功率较大且效率高时，常采用开关型稳压电源。前三类稳压二极管稳压电源、稳压二极管稳压电源和集成稳压器都属于线形稳压电源。本设计所要做的就是第四类开关式稳压电源的一种：并联型开关式稳压电源。3.3.3系统供电电源的设计〔1〕整流滤波电路的设计本电源的设计思想为尽可能平安、简单实用。由电压约为220V的市电供电，经降压变压器降压，然后进入整流滤波电路。①整流电路本系统使用的电源电源较多[3]，需要2.5V、5V、9V、12V四个不同的直流电压。由于稳压芯片的工作效率和输入输出的电压有关，四个不同电压大致可以分为两组。所以本电源使用两个输出电压的变压器〔7~8V和15V两个电压输出〕，然后经过两个整流电路进展整流。整流电路使用最为简单常用的单向桥式整流电路。整流电路输出的电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为：〔式3.1〕流过负载的平均电流为：〔式3.2〕流过二极管的平均电流为〔式3.3〕二极管所承受的最大反向电压：〔式3.4〕本文中采用ESAC82-004二极管②滤波电路如图3.14图3.14滤波电路②稳压电路为了设计简单，电源工作可靠，本文采用集成稳压模块进展稳压。5V、9V、12V分别使用LM7805、LM7809、LM7812进展稳压，2.5V电压由于工作电流很小，使用电阻分压从5V电源中获得。〔3〕系统电源整体电路设计所设计的直流稳压电源电路【7】的电气原理图如图3-15所示，它由降压变压器、整流桥、滤波电路和集成稳压芯片组成。这样设计相对简单也能满足系统的需要。图3.15电源原理图3.4液位监控系统的软件设计3.4.1系统软件总体想采用模块化程序设计思想，对不同功能的程序进展分别编程。其中环境温度的检测由定时器中断来控制，没隔一段时间测一次温度。系统工作流程如下：首先主程序完成初始化，然后发生超声波并启动计时器开场计时。为防止串扰，在发射期间接收中断INT0关闭，在发射完毕后开启中断INT0。当超声波回波被接收到后，引发中断停顿计时。然后读取温度和时间，再确定该温度下超声波在液体中的传播速度，最后计算液位。计算出液位后，与预设的最高液位和最低液位值进展比拟，如果超出预设值就做出相应的自动操作。再往后和液位极限值比拟，如果超过极限值就认定系统不能完成自动控制，启动报警电路，提醒相关人员进展人为操作。最后调用显示子程序，如果不需要系统进展任何操作的话就直接调用显示子程序。3.4.2主程序流程设计主程序主要完成初始化和协调子程序调用的工作。首先主程序要完成单片机存储系统的初始化，然后开场发射超声波并启动计时器，等接收电路接收到超声波信号后，引发中断。中断程序执行完毕后主程序开场处理数据，最后做出相应的动作。具体流程见下页图3-16所示。3.4.3测温子程序设计测温子程序【6】由定时中断执行，每隔一段时间测一次温度。测温程序如下。＃include<reg51.h>sbitDQ=P3^7;

//定义通信端口//延时函数e*terndelay(intn);//e*ternvoidsend(unsignedcharff);//初始化函数Init_DS18B20(void)

{

unsignedchar*=0;

DQ=1;

//DQ复位

delay(8);

//稍做延时

DQ=0;

//单片机将DQ拉低

delay(80);//准确延时大于480us

DQ=1;

//拉高总线

delay(14);

*=DQ;

//稍做延时后如果*=0则初始化成功*=1则初始化失败delay(20);

//读一个字节

ReadOneChar(void)

{

unsignedchari=0;

unsignedchardat=0;

for(i=8;i>0;i--)

{

DQ=0;//给脉冲信号

dat>>=1;

DQ=1;//给脉冲信号

if(DQ)初始化初始化查询是否开场发射超声波同时启动计数器延时0.05msP1.7置0停顿发射调用子程序计算距离报警调用显示子程序开中断再次发射超声波否读取温度关中断读取时间否是图3.16主程序流程图否关闭电磁阀是否超过液位极限翻开电磁阀查询是否接收到超声波是否低于预设最低液位是否超过预设最高液位否

dat|=0*80;

delay(4);

}

return(dat);

}//写一个字节

WriteOneChar(unsignedchardat)

{

unsignedchari=0;

for(i=8;i>0;i--)

{

DQ=0;

DQ=dat&0*01;

delay(5);

DQ=1;

dat>>=1;

}

//delay(4);

}//读取温度

unsignedintReadTemperature(void)

{

unsignedchara=0;

unsignedcharb=0;

unsignedint

t=0;

//

floattt=0;

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0*CC);//跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0*44);//启动温度转换

Init_DS18B20();

WriteOneChar(0*CC);//跳过读序号列号的操作

WriteOneChar(0*BE);//读取温度存放器等〔共可读9个存放器〕前两个就是温度

a=ReadOneChar();

b=ReadOneChar();

send(a);

send(b);

send(0*ff);

t=b;

t<<=8;

t=t|a;

tt=t*0.0625;

//

tt=tt*10+0.5;//放大10倍输出并四舍五入此行没用

return(tt);

}

main()

{

unsignedchari=0;

while(1)

{

i=ReadTemperature();//读温度

}

}3.4.4按键子程序设计设计思路[7]：由于按键数目较多，使用一般的按键设计会占用较多的单片机接口，故要采用矩阵式键盘设计。这样按键子程序就需要确定所按下键的行和列。程序先分别逐个送给1~4列一个电平，每送一个电平就查询一次各行电平。当遇到有行电平和送出的电平一样时，就确定按下的键在此行和送出电平的这一列[6]。确定按键位置后查询键值表，然后执行相应的功能。程序流程见图3.17。3.4.5显示子程序设计/*4个7段数码管锁存器地址*/#defineLED1ADDR0*8000#defineLED2ADDR0*8100#defineLED3ADDR0*8200#defineLED4ADDR0*8300//0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,a,b,c,d,e,f/*0-9a-f的7段数码管显示编码*/unsignedcharledcode[16]={0*C0,0*F3,0*89,0*A1,0*B2,0*A4,0*84,0*F1,0*80,0*A0,0*90,0*86,0*CC,0*83,0*8C,0*9C};/*存放要显示的数字值*/unsignedcharval[4];///*写锁存器的子程序*/voidwraddr(unsignedintaddr,unsignedchard){ unsignedchar*data*pa; pa=(unsignedchar*data*)addr; *pa=d;}/*显示子程序*/voiddisplay(void){ unsignedint { if((val[i]>=0)&addr[4]={LED1ADDR,LED2ADDR,LED3ADDR,LED4ADDR}; inti; for(i=0;i<4;i++)&(val[i]<=15)) { wraddr(addr[i],ledcode[val[i]]); } else { wraddr(addr[i],0*ff); } }/*初始化子程序*/voidinit(void){ wraddr(LED1ADDR,0*FF); wraddr(LED2ADDR,0*FF); wraddr(LED3ADDR,0*FF); wraddr(LED4ADDR,0*FF);//输入要显示的数值 val[0]=1; val[1]=2; val[2]=3; val[3]=4;开始开始a：是否有键闭合调用显示子程序两次调用显示子程序是否有键闭合判断闭合键号并入栈闭合键释放否键入键号加A×b送给累加器AA清零b赋1判断是否输入完毕End延时6msNNNYYY返回aNY图3.17键盘设定子程序流程图3.5抗干扰设计本设计中的PCB为两层板，主要元件布置在一面.合理的布局是布线的前提和根本，在PCB设计时应根据电路的布局规则和相关原理首先对元器件进展合理的布局。在实际PCB设计中，通过分析干扰产生的机理和可能的干扰途径，主要采取了以下措施:(1)将整个电路按功能划分为几大模块，合理布局，以减少模块间的噪声祸合。(2)在直流电源回路中，负载的变化会引起电源干扰，当电路从一种状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声。在靠近集成芯片的电源引脚附近与地之间并接0.1叮的旁路电容，以抑制电源线上的电压波动。(3)防止数字电路和模拟电路使用同一电源。模拟地和数字地只有一个共接点，其接点选在电源输入处。(4)地线和电源线的尽量加宽，走线尽量短，电路板上空余不用的地方都铺地，假设接地线用很细的线条，则接地电位会随电流的变化而变化，使其抗噪性能降低。(5)PCB双面布线尽量相互垂直，同时，布线均使用45o折线而不用90o折线，以减小高频信号对外的发射与祸合。(6)单片机的数据线、控制线要尽量短，以减少对地电容，数据线的各线长短、布线方式应尽量一致，以免造成各线的阻抗差异过大，使数据和地址信号传输过程中到达终端时波形差异过大，同时也防止形成各线上信号的不同步。(7)对单片机的各引脚，易受到干扰而引起误操作的管脚采用上拉或下拉处理，使其处于稳定状态防止误操作。未用的I/O引脚，如果引脚默认为输入引脚，需要将其上拉或下拉为固定的电平，以降低功耗。4超声波测液位的误差分析4.1环境对测量的影响声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，因此，利用声速测量距离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度变化，气体中声速主要受密度影响。液体的深度、温度等因素会引起密度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大。一般超声波在固体中传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度的影响最大‘声波扰动是机械的，声波在传播中带有机械能量，声能传播的途中逐渐转变成热，从而出现随距离而逐渐衰减的现象，称为声吸收。声波的频率越高衰减得越厉害，传播距离也越短，在给定的频率下，衰减是湿度的函数协[12]。4.1.1温度对声速的影响在空气中测量距离时，温度是影响声速的主要因素。要取得满意的测量结果，必须对声速进展修正。声波在空气中的传播速度为:〔式4.1〕式中，R气体普适常数，取8.314Jmol-1K-1；r气体定压热容与定容热容的比值，对空气是1.40；M气体分子量，空气为2.8*10-3kg·mol-1；T气体的绝对温度。上式中除了R是常量外，其余r、M、T只有在一定的标准条件下才可作为常量对待，但在一般情况下，这些微小的变化对声速影响不大，因此，我们假定r、M、T这3个参数恒定，来研究温度对声速的影响。设t为气体的摄氏温度，则有:〔式4.2〕把〔式4.2〕式代入〔式4.1〕式得:〔式4.3〕将(4.3)式展开泰勒级数得:〔式4.4〕略去高次导数后可得:〔式4.5〕代人数值后可得:〔式4.6〕从上式可以看出[10]，温度每升高loC，超声波的传播速度约增加0.6m/s。假设忽略计时误差，如测量误差要小于0.00lm，测距时间间隔=0.01s〔即测距距离为3.4m左右)，由超声波测距公式(式2.19)推导出，带入数据后可知，，也就是说，忽略各种其它误差，只考虑声波误差，则，如果要保持测距误差小于0.0lm(距离在3.4m)以内，声速误差必须不大于0.1m/s，但温度每升高1oC，声速的变化为0.6m/s，所以，应进展温度补偿。通常情况下，可在设备中安装温度敏感元件，采用适当的补偿电路，利用敏感元件的输出信号来对声速进展自动校正。当声程范围内没有温度梯度时，以上方法可实现完全补偿。当声程范围内存在温度梯度时，可以采集声程数点的温度值，通过数据处理求出声程内的平均温度，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。声程内平均温度:〔式4.7〕式中，声程内第价温度因子(与温敏元件现场安装位置有关)；声程内第价温度敏感元件测出的温度值:n声程内温度敏感元件的个数。按照式(4.5)计算出声程内的平均温度，将平均温度代入声