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1、 毕业论文（设计）基于单片机的超声波液位测控系统设计摘 要本设计从现代化计算机控制技术入手，利用单片机的强大智能功能，通过完整的软件与硬件的结合，阐述了一种先进液位测量系统。根据超声波传感器的特点，设计出一套适合实验室条件下的液位测量设备，主要通过单片机、超声波传感器测量锅炉液位。本次设计选择的电器设备有单片机、超声波传感器，D/A转换器等，设计硬件控制流程图、控制电路图以及软件中的主程序流程图。通过系统模拟实验表明：该系统设计合理，自动化程度高，实验过程时间短，工作稳定可靠，基本满足了设计的相关要求。关键词：液位测量；单片机；超声波传感器ABSTRATThis design obtains
2、from the modernization computer control technology, using monolithic integrated circuits formidable intelligent function, through the complete software and hardwares union, elaborated one kind of advanced fluid position measurement system.According to ultrasonic sensors characteristic, designs a set
3、 to suit under the laboratory condition the fluid position measurement equipment, mainly through monolithic integrated circuit, ultrasonic sensor survey boiler fluid position. This design choices electric appliance equipment has the monolithic integrated circuit, the ultrasonic sensor, the D/A switc
4、h and so on, designs in the hardware control flow chart, the control circuit diagram as well as softwares master routine flow chart. Indicated through the system simulation experiment: This system design is reasonable, the automaticity is high, the experiment process time is short, work stable relia
5、ble, has satisfied the design related request basically. Key words: Fluid position survey; Monolithic integrated circuit; Ultrasonic sensor目 录引 言11 超声波测距原理21.1超声波21.2超声波传感器31.3超声波传感器的结构和发射原理41.4超声波传感器的选择42 超声波测量系统的硬件设计42.1单片机的选用及简介52.2超声波液位检测电路62.3液位控制电路82.4键盘92.5显示电路93 系统软件设计113.1主程序流程图113.2超声波测距的相
6、关程序124 系统调试与结论14参考文献15谢 辞161引 言1.1概述传统的液位控制绝大多数是人工控制，造成了人力资源的浪费，同时安全性可靠性都不高。现代工业生产正处于一个由劳动密集型、设备密集型向知识密集型转变的过程。在这一过程中，智能控制无疑起至关重要的作用。本课题主要对锅炉液位进行检测与控制，而锅炉是一个典型的大惯性、大滞后、具有多个参变量的过程控制系统。 1.2液位控制研究现状液位控制问题是工业过程中的一类常见问题，例如在饮料、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制，在实际生产中，通常采用系统辨识的方法，对复杂系统进行建模，以建立一个简化的数学模型。然
7、而对于一些控制精度较高的场合，则需要建立较精确的数学模型，一提高控制精度。生产过程自动控制（简称过程控制）是自动控制技术在石油、化工，电力，冶金，机械。轻工，纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。进入21世纪，随着自动化技术，计算机技术，通信技术的迅速发展，过程控制发生了深刻的变革，正在向着数字化，网络化和综合自动化方向发展，在实现各种最优控制和经济指标，保证生产的质量和产量，提高经济效益和劳动生产率，节约能源，改善劳动条件，保证生产安全，保护环境等方面发挥着越来越巨大的作用。目前，世界各工业发达国家，正集中全力进行工厂综合自动化技术的研究。在我国以最大的社会效益和经济效益为目
8、标，研究和开发综合自动化技术是国民经济发展的需要，是参加国际市场剧烈竞争的需要。在世纪交替之际，新技术的研究和开发将大大推动工业过程自动化的发展，并带来巨大的社会效益和经济效益。1.3过程控制与单片机的发展过程控制经历了以下几个发展过程：19世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。 19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业实现车或大型装置的集中控制。19世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：发展到现代过程控制的新
9、阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。集散控制系统(DCS)-是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。系统在结构上是分散的(生产过程是分散系统)，但过程控制的监视、管理是集中的,将计算机分布到车间或装置。使系统的危险分散，提高了系统的可靠性，能方便灵活地实现各种新型的控制规律与算法，实现最佳管理。本课题采用单片机作为微处理器具体色机控制器，目前我国在单片机的测控装置研究、生产、应用中，取得了很大的成绩，总结了很多经验。但在这个行业，仍处于发展期。经调查，北京、天津的高校、科研所在这方面开展的工作更看重的是理论、算法、研究出来的成果是论文的成果较多，在生产实际应用的较少；在上
10、海，新型单片机测控装置于系统的研究、生产基础比较雄厚，在生产中需要新型测控装置与系统，也就努力研究、开发。因此，上海的工程技术和科研人员需要的是应用技术，更看重的是生产实际应用，对研究理论、算法、成果是论文的较少；深圳在研制新型测控装置与系统领域也比较有成绩，尽管与其它国家开发者相比较尚有距离，但是，深圳的高校、科研所的最大特点就是实际，与生产实际应用项目无关的问题基本上不去考虑，这里的工程技术和测控人员关心的不是理论、不是算法、不是论文，而考虑，是用什么材料、测控什么物理量、优点是什么、与机器设备的通讯接口等等。一些发达国家在单片机新型测控装置与系统研究、制造、应用上，已积累了经验，奠定了基
11、础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，有一定的基础，与其它发达国家相比还存在距离。但是，我国的科研人员能够克服很多的困难，有望在相关领域能够赶上甚至超过发达国家的技术水平，这是趋势。 1.4课题的提出及意义 目前在工控领域内流行很多种控制系统，它们有各自的优点和不足，适用范围也不同，先做一比较： 基于可编程控制器（PLC）控制方案。PLC是一种专门为了在工业环境下运用而设计的数字运算操作的电子系统。是用越烈的环境，但是由于其原设计定位就是以处理开关量为主的顺序控制的自动化产品，在其工作过程中只有顺序执行而没有工作周期的概念，因此，低于有大量复杂控制回路和人机联系
12、较高的生产过程，用PLC来控制时不适合的。以单片机为控制核心的智能控制系统有低功耗，更宽的工作电压范围，高性能化，混合信号集成化，串行扩展技术，小体积，低价格，ISP及基于ISP开发环境等优点。液位是工业生产中最常见和最基本的工艺参数，因此完成上述主要功能需要比较全面地设计出超声波液位控制系统地方案。该系统主要以8051单片机位控制核心，检测到地数据经8051单片机处理后，传至4位数码管显示模块显示。1 超声波测距原理1.1超声波超声（超音波学）的定义：声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。超声波
13、通常指1秒内振动20000次以上的高频声波。超声波具有以下四个基本特性：束射特性，吸收特性，高功率， 声压作用。上述四个基本特性使超声波在媒体中导致如下五种效应：力学效应、热学效应、光学效应、电学效应和化学效应。超声波的特点是它能在各种媒质中传播；波长短，因而分辨率很好；声束尖锐，声能集中；在不同物质界面上会有反射、折射、散射等现象；可获得较高声强。利用声在媒质中的声速、衰减、共振、反射等现象可测量物质的成分、比重、厚度等。超声波测距就是利用超声波脉冲反射回波法实现的。超声波在空气中的传播速度为340米/秒，因此，如果能测出超声波在空气中传播时间，就能算出其传播的距离。超声波测距就是通过测定超
14、声波传播的时间间隔来测出声波传送的距离，这就是所谓的时间差测距法。超声波测距方法有如下两种：（1）直接式超声波测距方法：直接式超声波测距方法的原理是，测量发送器发射超声波到接收器并接收到超声波的时间t，已知超声波在空气中的传播速度V,则超声波发送器到对象物的距离为： S=Vt（2）反射式超声波测距方法：反射式超声波测距方法的原理是，发送器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播途中遇到对象物就立即返回来，接收器接收到反射波就立即停止计时，这时计时器就计下了超声波从发射到对象物间的来回传播时间t，从而发送器到对象物的距离可用下式计算出来：S=Vt/21.2超声波传感器在
15、超声波测距系统中利用超声波传感器产生和接收超声波，利用超声波的特性进行数据测量。利用超声波感知或检测物体，有非破坏性、遥控性、实时性、可穿透性等优点，在许多方面体现了独到之处。很早以前，人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。近年来，超声波的波长范围己达Lm级，频率己扩大到GHz领域，分辨率达Pin量级的超声波显微镜已实用化。在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步将对电子学的发展起重要作用。人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器:机械方式和电气方式产生超声波发生器。实质上，超声波发生器即是超声波换能器，它将其它形式的能量转换成超声波的能量(发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(接收换能器来完成)。一般是用电能和超声能量相互转换。电气方式类型包括:压电型、磁致伸缩型和电动型等，机械方式有：气流旋笛、液哨、加尔统笛等。各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钦酸钡压电陶瓷、错钦酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT-4, PZT-5)等。1.3超声波传感器的结构和发射原理将两个压电元件（或一个压电元件和一个金属板）粘合在一起，称为
