基于单片机的超声波液位测量系统

山东交通学院毕业设计（论文）1摘要介绍了超声波测距的基本原理和系统框图，给出了超声波发射和接收电路，通过盲区的消除以及环境温度的采样，提高了测距的精确度。利用超声波传输中距离与时间的关系，采用8051单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波液位检测系统。系统主要由超声波发射器电路、超声波接收器电路、单片机控制电路、环境温度检测电路及显示电路构成。利用所设计出的超声波液位检测系统，对液面进行了测试，采集当时的环境温度获得精确的速度，计算出液面距离。此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时检测液位。关键词：超声波，液位测量，温度传感器李文婷：基于超声波的液位测量系统2AbstractIntroducesthebasicprinciplesofultrasonicrangefinderandsystemdiagrams,givesultrasonictransmitterandreceivercircuit,Throughtheeliminationofdeadzoneandthesampleofambienttemperature,whichimprovestheaccuracyofthemeasuringdistance.UsetherelationbetweenUltrasonictransmissiondistanceandtime,takethe8051microcontrollertocontrolanddataprocessing,devisedtoaccuratelymeasurethedistancebetweentwopointsofultrasonicleveldetectionsystem.Thesystemisprimarilyconsistoftheultrasonictransmitter,ultrasonicreceivercircuit,microcontrollercircuit,theambienttemperaturedetectioncircuitandshowcircuit.Usetheultrasonicleveldetectionsystem,onthesurfaceofatest,collectingatambienttemperatureandgettinganaccuratespeed,calculatethesurfacedistance.Thissystemiseasytocontrol,reliable,highprecision,real-timedetectionlevel.Keywords：Ultrasonic,levelmeasurement,temperaturesensors山东交通学院毕业设计（论文）3目录前言………………………………………………………………………………11总体概述………………………………………………………………………22超声波和超声波传感器………………………………………………………32.1超声波…………………………………………………………………32.1.1定义……………………………………………………………32.1.2超声波的主要参数……………………………………………32.1.3超声波的特性…………………………………………………32.1.4超声波的特点…………………………………………………32.1.5超声波传感器的主要应用……………………………………32.2超声波传感器测距原理………………………………………………42.2.1超声波传感器…………………………………………………42.2.2超声波传感器的性能指标……………………………………42.2.3超声波传感器的结构…………………………………………52.2.4超声波测距原理………………………………………………53MCS-51系列单片机……………………………………………………………73.18051单片机的总体结构………………………………………………73.1.18051单片机的总体框图和功能………………………………73.1.28051的引脚功能………………………………………………83.28051单片机的定时器/计数器………………………………………103.2.18051的定时器/计数器功能…………………………………103.2.2定时器控制寄存器……………………………………………103.2.3工作方式控制寄存器…………………………………………113.2.4中断允许控制寄存器（IE）…………………………………113.2.5定时器/计数器的工作方式……………………………………113.38051单片机的中断……………………………………………………123.3.1中断的定义……………………………………………………123.3.28051单片机的中断源…………………………………………123.3.3中断控制的专用寄存器………………………………………134硬件设计………………………………………………………………………164.18051单片机的最小系统组成………………………………………164.2超声波发射电路设计…………………………………………………174.2.1超声波频率及探头的选择……………………………………17李文婷：基于超声波的液位测量系统44.2.2超声波发射电路………………………………………………174.3超声波接收电路设计…………………………………………………184.3.1超声波接收器…………………………………………………184.3.2超声波接收电路图……………………………………………194.4温度检测电路…………………………………………………………204.4.1温度检测方案的分析…………………………………………204.4.2数字温度传感器DS18B20简介………………………………204.4.3DS18B20的结构及电路………………………………………204.5显示方案的论证与选择………………………………………………214.5.1LED显示电路图………………………………………………214.6稳压电源………………………………………………………………224.6.1稳压电源构成…………………………………………………224.6.2+5V电源电路…………………………………………………234.6.3+12V电源电路…………………………………………………235软件设计………………………………………………………………………255.1主程序设计……………………………………………………………265.1.1主程序流程图…………………………………………………265.1.2主程序…………………………………………………………275.2中断服务子程序………………………………………………………275.2.1中断初始化……………………………………………………275.2.2中断子程序流程图……………………………………………295.3温度检测子程序………………………………………………………295.4距离的计算……………………………………………………………30结论………………………………………………………………………………31致谢………………………………………………………………………………32参考文献…………………………………………………………………………33附录A……………………………………………………………………………34附录B……………………………………………………………………………35山东交通学院毕业设计（论文）5前言随着科学的发展液位的检测方法也在变化，精度也有了更佳的提高。单片机技术和传感器技术的发展使液位测量方法得到了更进一步的发展。超声波在液位测量中的应用也越来越广，但是就目前的发展水平来说，超声波在测距系统中的应用还有一定的限度，因此研究超声波的液位检测是很有发展前景的。它在技术和产业领域具有广阔的发展空间。本次设计中，通过外界环境温度的检测提高了超声波测距的精度。通过延时避免了接收未经液面反射的超声波，其次利用温度传感器检测外界温度，采用当前温度下的超声波速度去计算，从而提高了距离计算的精度。在未来，超声波的液位测量将有更大的用途，更大的应用范围。它不但可以帮助人们解决很多生活中的困难，还可以作为科学探测和研究的手段。特别是水位的测量，可以帮助确定水位的高度，以便于其他工作的顺利进行。本设计中采用反射式的方式，超声波传感器发射超声波，遇到液面后超声波被反射回来，超声波接收探头接收超声波。其间通过单片机的控制，P1.0口输出控制信号从555振荡器输入到驱动电路驱动超声波发射电路，超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。经过液面反射后超声波接收探头将接收到的超声波送到单片机进行处理。单片机通过各个引脚来实现和各电路模块的接口连接。并通过软件的设计来控制整个检测过程。一步一步，从发射到接收超声波，定时器的初始化，中断程序的编写，温度的采样，距离的计算，单片机都发挥了重要的最用。它是整个检测系统的内部核心。这次对超声波液位检测的设计获得了具有很大的成果和意义，在这个科学技术是第一生产力的时代，应用科学技术去解决生活中和工作的困难变得具有更高的价值。在设计中，我加深了对超声波的认识，对它的原理掌握的更好了。目前超声波已广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。此外我认识到单片机在各方面都有很大的应用潜能，在自动控制领域它更是发挥了不可替代的作用。本设计利用超声波实现液位的测量，检测方便，易于实时控制，达到了工业的要求，因此具有实际的意义和广泛的应用前景。李文婷：基于超声波的液位测量系统61．总体概述我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”[1]。超声波发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。表1.1超声波波速与温度的关系表Table1.1ultrasonicwavespeedandtemperatureoftherelationshipbetweentables温度（℃）-30-20-100102030100声速（m/s）313319325323338344349386超声波液位测距原理框图如图1.1单片机发出40kHZ的信号，通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，进行处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。图1.1超声波测距系统设计框图Figure1.1ultrasonicrangefinderdesigndiagrams超声波接收超声波发送8051单片机LED显示温度检测555电路山东交通学院毕业设计（论文）72．超声波和超声波传感器2.1超声波2.1.1定义科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。2.1.2超声波的主要参数超声波的两个主要参数：频率：F≥20K/Hz；功率密度：p=发射功率(W)/发射面积(cm2);通常p≥0.3w/cm2;在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用“空化”现象来解释：超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时，其功率密度为0.35w/cm2，这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力，将液体分子拉裂成空洞—空化核。此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污物撞击下来。这种由无数细小的