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1、上海师范大学信机学院毕业设计基于单片机的超声波液位控制器设计摘要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 AT89C51 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、温度测量电路和液晶显示电路。软件设计中，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、功能模块两大模块。对软件的
2、这种“自顶向下”的模块化软件编程方法能使软件的结构清晰，有利于软件的调试和修改。 在设计中，由于需要测量的距离范围从几米到十几米，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，对回波进行多级放大，达到了设计要求。由于测量精度要求很高，系统进行了温度补偿设计。实验结果表明该设计方法可以提高超声波液位检测仪的测量精度并且硬件开销不大。目 录第一章 绪论 .1 1.1 课题背景.1 1.1.1 超声波液位仪的研究背景与内容 . 1 1.1.2 超声波液位仪的现状 . 1 1.2 论文研究内容 . 2 1.2.1 研究内容 . 2 1.2.2 论文的章节安排 . 3 第二章 超声波的
3、液位测量原理 . 5 2.1 超声液位仪理论基础 . 5 2.1.1 超声波介绍 . 5 2.1.2 超声波探头的结构和原理 . 5 2.1.3 T/R40-16 超声波探头 . 7 2.1.4 传感器的指向角 . 8 2.2 超声波液位仪工作原理 . 9 2.2.1 超声波液位仪工作原理 . 9 2.2.2 测量盲区 . 10 2.3 本章小结 . 11第三章 硬件总体设计 . 12 3.1 超声液位仪总体设计 . 12 3.2 单片机电路 . 14 3.2.1 复位电路设计 . 15 3.2.2 电源电路设计 . 16 3.2.3 时钟振荡器 . 173.3 发射电路 . 18 3.4 接
4、收电路 . 19 3.5 液晶显示电路 . 20 3.6 温度测量电路 . 21 3.7 串行通信口电路 . 23 3.8 本章小结 . 25 第四章 系统软件设计 . 26 4.1 软件总体设计 . 26 4.1.1 软件设计流程图 . 26 4.1.2 主程序结构流程图 . 27 4.1.3 回波接收流程图 . 29 4.1.4 中断程序流程图 . 29 4.1.5 串行口通信流程图 . 30 4.1.6 DS18B20 流程图 . 31 4.2 软件程序调试 . 33 4.2.1 复位电路程序调试 . 33 4.2.2 发送和接收超声波程序调试 . 34 4.2.3 显示程序调试 . 3
5、5 4.2.4 温度传感器程序调试 . 36 4.2.5 通讯子程序调试 . 38 4.3 本章小结 . 39 第五章 液位测量精度的提高和误差分析 . 40 5.1 提高液位测量精度的主要方法 . 40 5.1.1 温度测量 . 40 5.1.2 算术平均滤波 . 45 5.2 误差分析 . 475.3 本章小结 . 48 总结. 49第一章 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
6、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
7、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十几米距离，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、温度测量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。因为对计算的精度要求较高，所以本设计采用温度补偿和数字平均滤波的方法提高计算精度。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
8、，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。液位仪的量程从几米到十几米，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5。 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3。 1.2 论文研究内容
