单片机的超声波液位测控系统设计方案 .docx

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1、精品名师归纳总结毕业论文 设计）基于单片机的超声波液位测控系统设计可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结摘 要本设计从现代化运算机掌握技术入手，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。依据超声波传感器的特点，设计出一套适合试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。本次设计挑选的电器设备有单片机、超声波传感器， D/A 转换器等，设计硬件掌握流程图、掌握电路图以及软件中的主程序流程图。通过系统模拟试验说明：该系统设计合理，自动化程度高，试验过程时间短， 工作稳固牢靠，基本满意了设计的相关要求。关键词：液位测量。单片机

2、。超声波传感器可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结ABSTRATThis design obtains 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.Acc

3、ording to ultrasonic sensors characteristic, designs a set to suit under the laboratorycondition 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

4、 integrated circuit, the ultrasonic sensor, the D/A switch and so on, designs in the hardware control flowchart, 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,

5、the experiment processtime is short, work stable reliable, has satisfied the design related request basically.Key words: Fluid position survey。 Monolithic integrated circuit 。 Ultrasonic sensor可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结目录引言 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 超声波传感器的挑选 42 超声波测量系统的硬

6、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 液位掌握电路 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 超声波测距的相关程序 12 4 系统调试与结论 14参考文献 15谢辞 16可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1 引言1.1 概述传统的液位掌握绝大多数是人工掌握，造成了人力资源的铺张，同时安全性牢靠性都不高。现代工业生产正处于一个由劳动密集型、设备密集型向学问密集型转变的过程。在这一过程中，智能掌握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掌握，而锅炉是一个典型的大惯性、大滞后、具有多

7、个参变量的过程掌握系 统。1.2 液位掌握讨论现状液位掌握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掌握，在实际生产中，通常采纳系统辨识的方法，对复杂系统进行建模，以建立一个简化的数学模型。然而对于一些掌握精度较高的场合，就需要建立较精确的数学模型，一提高掌握精度。生产过程自动掌握 ：手工操作状态，凭体会人工掌握生产过程，劳动生产率很低。19 世纪 50 岁月前后 外表化与局部自动化阶段 ：过程掌握进展的第一个阶段， 一些工厂企业实现了外表化和局部自动化。19 世纪 60 岁月 综合自动化阶段 ：过程掌握进展的其次个阶段，工厂

8、企业实现车或大型装置的集中掌握。19 世纪 70 岁月以来 全盘自动化阶段 ：进展到现代过程掌握的新阶段，这是过程掌握进展的第三个阶段。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结集散掌握系统 DCS是集运算机技术、掌握技术、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 ，但过程掌握的监视、治理是集中的 , 将运算机分布到车间或装置。使系统的危急分散，提高了系统的牢靠性，能便利敏捷的实现各种新型的掌握规律与算法，实现正确治理。本课题采纳单片机作为微处理器详细色机掌握器，目前我国在单片机的测控装置讨论、生产、应用中，取得了很大的成果，总结了很多体会。但在这个行

9、业，仍处于进展期。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、讨论出来的成果是论文的成果较多，在生产实际应用的较少。在上海，新型单片机测控装置于系统的讨论、生产基础比较雄厚，在生产中需要新型测控装置与系 统，也就努力讨论、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，对讨论理论、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果，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，与生产实际应用工程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怀的不是理论、不是算法、不是论文，而考虑

10、， 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讨论、制造、应用上，已积存了经验，奠定了基础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统讨论、制造、应用和体会上，有肯定的基础，与其它发达国家相比仍存在距离。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掌握系统，它们有各自的优点和不足，适用范畴也不同，先做一比较：基于可编程掌握器 PLC）掌握方案。 PLC 是一种特的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

11、，但是由于其原设计定位就是以处理 开关量为主的次序掌握的自动化产品，在其工作过程中只有次序执行而没有工作周期的概念，因此，低于有大量复杂掌握回路和人机联系较高的生产过程，用PLC来掌握时不适合的。以单片机为掌握核心的智能掌握系统有低功耗，更宽的工作电压范畴，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的设计出超声波液位掌握系统的方案。该系统主要以8051 单片机位掌握核心， 检测到的数据经 8051 单片机处理后，传至 4 位数码管显示模块显示。可编辑资料 - - -

12、欢迎下载精品名师归纳总结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，吸取特性，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，因而辨论率很好。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

13、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 340M/秒，因此，假如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, 就超声波发送器到对象物的距离为：S=Vt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

14、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，称为双压电晶片 由一个压电元件构成的称为单压电晶片）压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶

15、片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，假如两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。超声波传感器可以视为一个电感、电容和电阻串联的，电感 L 和电容 C1的串联电路中振荡。这时的传感器阻抗最低。而在高频处的共振频率 fa 为逆共振频率，在电阻 R，电容 C1和电容 C2的串联电路中震荡。发送超声波在串联共振频率处具有最高灵敏度，接收超声波在串联逆共振频率处具有最高灵敏度，而且由于超声波传感器具有共振特性，即使将方波输入到发送传感器，接收传感器的输出也是正弦波。1.4 超声波传感器

16、的挑选市场上的超声波传感器大致可以分为通用型，宽频带型，封闭型，高频型几类， 他们各有优缺点，也就各有用途。通用型频带窄，但灵敏度高，抗干扰性强，在多通道，且通道间频率较近的应用中最好使用它。宽频带型能在工作频带内有两个共振 点，因而加宽了频带，它兼做发送和接收传感器。封闭型适用于室外环境，有较好的奈风雨特性，用于汽车后的监测等装置上。高频型的中心频率可以达到200KHz，方向性强，可以进行高辨论率的测量。本次设计用了通用型 TL851 和 TL852 来发送和接收超声波。2 超声波测控系统的硬件设计掌握原理为：液位掌握系统的掌握目的是容器内液位保持恒定，假如管道中的压可编辑资料 - - -

17、欢迎下载精品名师归纳总结力是恒定的，管道阀门的开度对应肯定的液体流量，这时为了保持液位恒定，只须测量实际液位，并与液位设定值进行比较，利用二者的偏差以门的开度。PID 掌握规律掌握管道阀系统只有检测液位偏离设定值时才能进行掌握，在本课题中，在液位掌握主回路中增加液体流量掌握回路，构成单闭环掌握结构。依据分析掌握流程为如图1：图 1 掌握流程图2.1 单片机的选用及简介单片机也被称为“单片微型运算机”，单片机一词最初源于“ single chip microcomputer ”, 简称“ SCM”，随着 SCM在技术和体系结构上的进步，其掌握功能不断扩展，它的主要作用已经不是运算而是掌握了。现在

18、最具有代表性、最典型的机型当属 AT89S51 系列单片机了，本课题液位掌握系统采纳 AT89S51单片机。一块芯片上包括： 8 位中心处理器单元 CPU。 4/8KB ROM或 EPRO。M 128/256 字节的数据储备器 RAM。 21/26 个特别功能寄存器 SFP。 4 个 8 位并行 I/O 口。 2/3 个 16 位可编程的定时 / 计数器， T0、T1 用来对外部脉冲进行计数，也可设置成定时器。有 5/6 个中断源，其中 3 个是内部中断源， 2 个外部中断源，通过软件可编程为两个中断优先级。 1 个全双工的通过编程工作在异步方式的串行接口，使数据可在微机之间一位一位的串行传送

19、。内部时钟产生电路，但石英晶体振荡器和电容需要外接，答应最高振荡频率为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结12MHz。 64KB外部程序储备器寻址空间。 64KB外部数据储备器寻址空间。具有位寻址功能，位寻址空间为00H FFH,具有较强的位处理才能。AT89S51的引脚图如图 2：12345678P1.0 P1.1 P1. P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.739383736353433321312INT1 INT01514AT89S51T1 T031EA/VP1918P2.0 P2.1 P

20、2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.72122232425262728X1 X29RESET1716RD WRRXD TXD ALE/PPSEN10113029可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.2 超声波液位检测电路图 2 AT89S51 的引脚图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结超声波换能器选用压电式换能器。超声波收发器采纳超声波专用芯片TL851 和TL852 。TL851 数字集成电路，是专用的声纳测距掌握器。TL852 模拟集成电路，是专用的声纳测距接收器。这两个芯片已广泛应用于超声波测距系统中，是静电和压电换能器接口。超声波信号由 T

21、L851 和 TL852 及外围元件产生，然后通过三极管和变压器输送至超声波换能器，该超声波换能器集收发于一体，返回信号也是通过TL851 和TL852 等处理后传送给 AT89S51。由 TL851 和 TL852 组成的超声波收发器有两种工作方式：单回波 single-echo工作方式和多回波 multi-echo工作方式。所谓单回波工作模式是指发出 INIT信号后等待回波信号，然后将回波信号放大并在ECHO引脚生成一个规律高电平输出，这样从INIT置高电平到ECHO输出高电平的时间就是超声波发出到遇到对象物返回的时间。多回波工作模式的多个回波必需在一次发射中得到，那么就必需在ECHO输出

22、高电平以后，在BINK 上输入高电平且延时不小于可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结0.44 ms的脉冲，在脉冲的下降沿 ECHO又回到低电平，可以重新接收回波。 TL851 的测量距离为 6 英寸到 35 英尺。它有一个可使用低成本外部陶瓷晶振起振的内部振荡器，使用简洁的外部接口和420KHz 的陶瓷晶振，可以驱动一个50KHz 静电转换器。 TL851 的 INIT引脚必需在 Vcc上电 5ms 之后才可以置高电平，在这5ms 的时间里，系统内部被重新设定，并且产生稳固的振荡。INIT置高电平之后， TL851 就发送频率为49.4KHz，振幅为400V 的 16 个脉冲的脉冲

23、串，驱动转换器XDCH工作。这 16 个脉冲在转换器中被转化为超声波并发射出去，在16 个脉冲终止后，仍有一个 200 V的直流电以保证转换器连续工作。当使用外部 420KHz陶瓷晶振时， TL851 的消隐 变为高电平以缩短消隐，使传感器可以接收输入信号。消隐 BLNK 也可在单回波工作方式或多回波工作方式中用于关闭接收输入和重置ECHO为规律低电平。AT89S51 单片机的 P1 口掌握两个超声波收发器，其中,P1.0-P1.3分别接超声波收发器 1的 INIT、ECHO、 BLNK、BINH 引脚。 P1.4-P1.7的分别接超声波收发器 2的 INIT、ECHO、BLNK、BINH 引

24、脚。通过清零 P1.0 、P1.4经反相器加到 INIT引脚）启动超声波换能器发射超声波，同时T1 开头计数，并不断查询 P1.1和 P1.5 的状态，当 P1.1或 P1.5 变为高电平常，即收到回波，读取T1 的计数值。通过 T1 的计数值可以运算出从发射超声波到收到回波的时间，从而运算动身射处到对象物的距离。图 3 为超声波液位检测的详细电路图 :可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Vcc可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Vcc9154E CHOFIL T13RE C8A3.9K21A可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结68k0.01uTL852GC

25、DGCC1213GCBGCA144L C87GCD6GCC TL8515GCBGCA210XMIT2116BL NKABINH1521INIT1412XT AL 2111.2K30p30pGND可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1mH10K33K6G1OUT9RE C0.1uBIASXIN2GADJ3G2IN7G1IN110k1.5kVccNPNOSCXT AL 1XDCH2200pVcc200V420kGND9RST19XT AL 131E A39P0.0AD038P0.1AD137P0.2AD23612MXT AL 218AL E30PSEN29RD/P3.717T IME

26、R 1/P3. 515W R/P3.61614可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结GND3.9KGNDP0.3AD335P0.4AD434P0.5AD533P0.6AD632P0.7AD71P1.0T IME R 0/P3. 4INT R1/P3.313INT R0/P3.212T XD/P3.11110RXD/P3.0P2.7A1528可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结9131.2KA2P1.13P1.24P1.35P2.6A1427P2.5A1326P2.4A122524可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结VccGCD15ECHO74GCDFIL T8

27、21RE CA6P1.4P1.57P1.6P2.3A1123P2.2A10P2.1A922可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结0.01uGCC1213GCB6GCC TL85116A21GCBBL NK8P1.7P2.0A821可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结68k1mHTL852GCA14L C4BIAS8XIN235210VccGCAXMIT OSCBINH15INIT14XT AL 212XT AL 11121420k可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结10K6G1OUT9RE CGADJG2IN7G1IN11.5kNPNXDCH2200p可编辑资

28、料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结33K0.1u10k200V可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结GNDGND可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.3 液位掌握电路图 3 超声波液位检测电路图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结液位掌握系统的执行机构大多采纳调剂阀，本系统采纳电动调剂阀。电动调剂阀所接收的信号为标准信号，即4 20MA。DAC0832是 8 位辨论率 D/A 转换集成芯片，与处理器完全兼容，其价格低廉，接口电路及程序简洁，转换掌握简洁等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。DAC0832的引脚图 Vref: 基准电压输入线-10v

29、+10vAGND模: 拟的, 摸拟信号和基准电源的参考的 .DGND数: 字的, 两种的线在基准电源处共的比较图 3.5 为 DAC0832与单片机接口应用电路图：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.4 键盘图 5 DAC0832 与单片机的接口电路图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结键盘输入单元采纳独立式键盘 , 由上下左右四个键组成 , 其中上这个键为开头键 ,下为显示切换键 , 左右为数字增减键 . 增减键用以转变设定值的大小 , 以下是键盘与单片机的接口电路。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 6 键盘2.5 显示电路LEDLight Em

30、itting Diode）是当外加电压超过额定电压时发生击穿而发出可见光， LED的工作电压通常为 220mA。工作压降为 2V 左右，使用时需加限流电阻。显示电路采纳 LED 数码管显示，数码管具有：低能耗、低损耗、低压，对外界环境要求低，易爱护的优点，虽只能显示特别有限的符号和数码字，但可完全满意本设 计。在显示部分采纳 LED 动态显示技术，节约单片机空间，而且动态显示电流很小，单片机可以供应。显示器结构如图7：10 9gf8GND76abafgbeded12GND3cdpcdp45可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结单片机与显示电路的连接如图 8：图 7LED 数码管可编辑

31、资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结12345678a b c d ef gdpag12345678a b c d ef gdpagd123456783a b c d ef gdpafgbd12345678a b c d ef gdpafbfbfgbedcececedcdpdpdpdpGNDGNDGNDGND9999123456781312P1。0P1。1P1。2P1。3P1。4P1。5P1。6P1。7INT1 INT0T1 T0P0。0P0。1P0。2P0。3P0。4P0。5P0。6P0。7P2。039383736353433322122232425262728123456789101

32、1121314D5 D6 D7 D8 ID0 ID1D4 D3 D2 D1a27262524ID2ID3 ICM7218Bcb151431P2。1AT89S51ID4 ID5 ID6 ID7 MODE WRITEd e f gdp23222120191817161918EA/VPX1 X2P2。2P2。3P2。4P2。5P2。6P2。791716RESETRD WRRXD TXD ALE/PPSEN10113029图 8LED显示电路以上是液位掌握系统各部分硬件的详细设计，其整个系统详细电路如图3.9 所示：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 9 锅炉液位掌握电路图3 系统软件

33、设计软件也是特别重要的部分，直接关系到最终结果。在以下的介绍中，主要是针对各个模块程序的整体功能的介绍。3.1 主程序流程图主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收次序的掌握及记录超声波的发射时间。中断服务程序主要完成时间值的读取、距离运算、结果的显示或输出等工作。软件分为两部分，即主程序和中断程序。工作流程图如图 10 所示。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 10 主程序流程图3.2 超声波测距的相关程序可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3.2.1 超声波的接收与发送前方测距电路的输出端接单片机 INT0 端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过放大器

34、的输出接单片机INT1 端口，同时单片机 P1.1 和 P1.5 接到放大器的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如 下：RECEIVEI ： PUSHPSWPUSHACCCLREX。1 关外部中断 1JNB p1.1, RIGHT 。P1.1 引脚为 0, 转至右测距电路中断服务程序JNB p1.5, LEFT 。P1.5 引脚为 0, 转至左测距电路中断服务程序RETUR：N SETB EX1。开外部中断 1POP ACC POP PSWRETIRIGHT：.。右测距电路中断服务程序入口.AJMP RETURNLEFT： .。左测距电路中断服务程序入口.A

35、JMP RETUN3.2.2 超声波传播时间在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T1，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 INT0 或 INT1 端产生一个中断恳求信号，单片机响应外部中断恳求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，运算距离。其部分源程序如下：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结RECEIVE：0PUSH PSW PUSH ACCCLR EX0 。关外部中断 0 MOV R7, TH0 。读取时间值MOV R6, TL0CLR C MOV A, R6SUBB A, #0BBH。运算时

36、间差可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结MOV 31H, A 。储备结果MOV A, R7 SUBB A, #3CH MOV 30H, ASETB EX0。开外部中断 0POP ACC POP PSW RETI4 系统调试与结论超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采纳Tl851 和 TL852 的超声波换能器 TCT40-10F1T发射）和 TCT40-10S1R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48cm，其余元件无特别要求。如能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，就可提高抗干扰才能。依据测量范畴要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4 的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰才能。硬件电路制作完成并