超聲波測(cè)液位0226-0113-0108.doc

課程設(shè)計(jì)報(bào)告華 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)理 學(xué) 院 應(yīng) 用 物 理 系 設(shè)計(jì)題目： 超聲波測(cè)液位 學(xué) 院： 理學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí)： 2009級(jí) 1、2班 學(xué) 號(hào)： 200931120226 200931120108 200931120113 姓 名： 余耿朝 黃萬昭 李林生 電子郵件: 450822742 時(shí) 間： 2012年1月4日 成 績(jī)： 指導(dǎo)教師： 課 程 設(shè) 計(jì)（報(bào)告）任 務(wù) 書學(xué)生姓名 余耿朝 黃萬昭 李林生 指導(dǎo)教師 王念萍 職稱講師 學(xué)生學(xué)號(hào) 200931120226 200931120108 200931120113 專業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù) 題目 超聲波測(cè)液位 任務(wù)與要求系統(tǒng)說明：超聲波液位傳感器可對(duì)腐蝕性、毒性、高溫液體液位的進(jìn)行非接觸檢測(cè)，可制成便攜式、智能化的儀器，使用方便，功能強(qiáng)大。系統(tǒng)功能要求：超聲波發(fā)射、接收功能正常，可進(jìn)行液面距離檢測(cè)和顯示（數(shù)碼管或液晶顯示不限）；單片機(jī)使用情況不限。提高要求：1.液位零點(diǎn)可調(diào)2.帶有機(jī)械安裝設(shè)計(jì)開始日期 2012年1 月 3 日 完成日期 2012 年1 月 4日超聲波測(cè)液位摘要:本系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52為核心，利用一對(duì)40 kHz壓電超聲傳感器設(shè)計(jì)一款體積較小、價(jià)格低廉、精度較高、實(shí)時(shí)LED顯示和報(bào)警的超聲波測(cè)距儀。關(guān)鍵：超聲波收發(fā)器，STC89C52單片機(jī)，測(cè)距儀1. 引言：在日常生產(chǎn)生活中，很多場(chǎng)合如汽車倒車、機(jī)器人避障、工業(yè)測(cè)井、水庫液位測(cè)量等需要自動(dòng)進(jìn)行非接觸測(cè)距。超聲波是指頻率大于20 kHz的在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的機(jī)械震蕩波，其具有指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離相對(duì)較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，因此常被用于非接觸測(cè)距。由于超聲波對(duì)光線、色彩和電磁場(chǎng)不敏感，因此超聲波測(cè)距對(duì)環(huán)境有較好的適應(yīng)能力，此外超聲波測(cè)量在實(shí)時(shí)、精度、價(jià)格也能得到很好的折衷。2.超聲波測(cè)距原理：超聲波傳感器分機(jī)械方式和電氣方式兩類，它實(shí)際上是一種換能器，在發(fā)射端它把電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。本次設(shè)計(jì)超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，就成為超聲波接收器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測(cè)的距離也越遠(yuǎn)。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波測(cè)距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。測(cè)試傳輸時(shí)間可以得出距離。假定s為被測(cè)物體到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)得的時(shí)間為t/s，超聲波傳播速度為v/ms-1表示，則有關(guān)系式(1)s=vt/2 (1)在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，按式(2)對(duì)超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。v=331.4+0.607T (2)式中，T為實(shí)際溫度單位為，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m/s。（本系統(tǒng)以聲速為344m/s計(jì)算。）3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與理論分析3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、回波信號(hào)接收、顯示和報(bào)警、電源等硬件電路部分以及相應(yīng)的軟件部分構(gòu)成。系統(tǒng)原理框圖，如圖所示。超聲波發(fā)射換能器發(fā)射電路STC89C52電源電路障礙物超聲波接收換能器接收電路顯示電路單片機(jī)外圍電路報(bào)警電路整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)STC89C52控制，超聲波傳感器采用收發(fā)分體式，分別是一支超聲波發(fā)射換能器TCT40-16T和一支超聲波接收換能器TCT40-16R。超聲波信號(hào)通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)射至空氣中，遇被測(cè)物反射后回波被超聲波接收換能器接收。進(jìn)行相關(guān)處理后，輸入單片機(jī)的INT0腳產(chǎn)生中斷，計(jì)算中間經(jīng)歷的時(shí)間，同時(shí)再根據(jù)具體的相應(yīng)的聲速，根據(jù)就可得出相應(yīng)的距離用來顯示，當(dāng)然在一些場(chǎng)合也可根據(jù)需要，設(shè)置距離報(bào)警值。3.1.1超聲波發(fā)射部分超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40-16T能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)。40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機(jī)P1.0端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由74HC04組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT40-16T以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖2所示。圖中輸出端上拉電阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。3.1.2超聲波接收部分 上述TCT40-16T發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會(huì)返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器TCT40-16R進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106，得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的P3.2(INT0)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。接收部分的電路，如圖所示。可以看到，集成芯片CX20106在接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為3060 kHz。故本次設(shè)計(jì)用它來做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過程如下：接收的回波信號(hào)先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號(hào)，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳。當(dāng)接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號(hào)時(shí)，其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端7腳直接接到STC89C52的INT0引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻R42，將濾波器的中心頻率設(shè)置在40 kHz，就可達(dá)到理想的效果。其內(nèi)部框圖如圖所示：其引腳圖如圖所示超聲波探頭的有關(guān)參數(shù)如下型號(hào)：TCT40-16R/T(直徑16mm）1.標(biāo)稱頻率（KHz）：40KHz2.發(fā)射聲壓at10V（0dB=0.02mPa）：117dB3.接收靈敏度at40KHz (0dB=V/ubar)：-65dB4.靜電容量at1KHz,1V (PF)：200030%標(biāo)有T字樣的是發(fā)射頭，標(biāo)有R字樣的是接收頭以下資料只供參考.Part numberNU25C16T-1Using MethodTransmitterConstructionOpen structure typeCenter frequency40.01.0KHzSound pressure level112dB min.SensitivityCapacitance2400Pf20%Maximum input voltage60Vp-pDirectivity6015 (-6dB)Operating temperature-20C+70CStorage Temperature-40C+85CWeight2.2g 3.1.3數(shù)碼管顯示部分本實(shí)驗(yàn)采用四位的LED數(shù)碼管顯示，由P1.4-P1.7輸出位選信號(hào)，經(jīng)過9012PNP三極管反向接數(shù)碼管公共端。由P2口輸出段選信號(hào)，接數(shù)碼管段選端。其電路圖如圖所示：3.1.4報(bào)警部分：采用一個(gè)蜂鳴器，由P1.2輸出一定頻率的信號(hào)，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個(gè)三極管9 012的放大。報(bào)警部分的連線，如圖所示。3.1.5單片機(jī)復(fù)位電路：3.1.6單片機(jī)晶振電路：采用12 MHz的晶振。3.1.7軟件系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序設(shè)計(jì)、T0中斷服務(wù)子程序、INT0外部中斷服務(wù)子程序距離計(jì)算子程序、顯示子程序、延時(shí)子程序和報(bào)警子程序設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)軟件編制時(shí)應(yīng)考慮相關(guān)硬件的連線，同時(shí)還要進(jìn)行存儲(chǔ)空間、寄存器以及定時(shí)器和外部中斷引腳的分配和使用。本設(shè)計(jì)中P1.0引腳連接到74HC04推挽放大電路再連接到超聲波發(fā)射傳感器，P1.0引腳輸出的將是軟件方式產(chǎn)生的40 kHz方波（周期25us），而P3.2(INT0)用做接收回波觸發(fā)中斷。定時(shí)器T0工作在工作方式1，為16位計(jì)數(shù)，是用來計(jì)算脈沖往返時(shí)間，初值設(shè)為0。系統(tǒng)初始化后，P1.0口開始輸出8個(gè)周期的方波，啟動(dòng)超聲波發(fā)射，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T0從0開始計(jì)數(shù)，此時(shí)主程序進(jìn)入等待，當(dāng)接收到回波信號(hào)觸發(fā)外部中斷0時(shí)，進(jìn)入外部中斷0服務(wù)子程序中停止定時(shí)器T0計(jì)時(shí)，讀取定時(shí)器T0時(shí)間值到相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)，單片機(jī)再調(diào)用距離計(jì)算子程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出傳感器到目標(biāo)物體之間的距離（根據(jù)距離判斷正常顯示或報(bào)警），并進(jìn)行十六進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，得到8位數(shù)的距離值（單位um），再調(diào)用顯示子程序顯示高3位數(shù)值以及1位單位cm。若測(cè)試到的距離超過999cm，則數(shù)碼管顯示“-”表示超出范圍，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警；若超過65ms未接收到回波信號(hào)，定時(shí)器溢出則顯示“”，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。不管是正常顯示距離抑或出錯(cuò)，數(shù)碼管均顯示500ms。顯示時(shí)間到則返回程序開頭重新由P1.0輸出脈沖，進(jìn)行下一輪測(cè)試。實(shí)際使用的時(shí)候可以根據(jù)需要修改測(cè)量范圍達(dá)到控制液位報(bào)警的功能。3.1.8流程圖4實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及測(cè)試結(jié)果與分析本實(shí)驗(yàn)由單片機(jī)的P1.0端口輸出方波信號(hào)，經(jīng)過推挽式功率放大器進(jìn)行功率放大，使TCT40-16T發(fā)出超聲波，遇到障礙物時(shí)由TCT40-16R接收，經(jīng)過CX20106放大濾波整形為一個(gè)脈沖，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，經(jīng)過單片機(jī)的處理顯示，數(shù)碼管顯示的數(shù)值就是所測(cè)到的發(fā)送探頭到障礙物的距離（顯示3位數(shù)距離以及1位單位c），當(dāng)距離超過所設(shè)定的范圍時(shí)，蜂鳴器鳴叫同時(shí)數(shù)碼管顯示中間的四橫即數(shù)碼管的G段選。當(dāng)定時(shí)器溢出（65536us）時(shí)，蜂鳴器響，并且數(shù)碼管顯示上面的四橫即數(shù)碼管的A段選。本系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，多次測(cè)量均能正確顯示測(cè)量距離。優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍廣。本系統(tǒng)最小能測(cè)量2cm距離，理論上最大能測(cè)量999cm。足夠滿足大多數(shù)測(cè)量液位需要。測(cè)量精度大。本系統(tǒng)經(jīng)過多次測(cè)量對(duì)比，誤差僅為1cm。反應(yīng)時(shí)間快。本系統(tǒng)0.5秒重新測(cè)量一次距離，經(jīng)過多次試驗(yàn)均能迅速顯示即時(shí)距離。缺點(diǎn)：從上電到穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)。本系統(tǒng)上電大約需要15s的時(shí)間等待系統(tǒng)穩(wěn)定才能正確顯示測(cè)量距離。改進(jìn)：如本系統(tǒng)采用電池芯片供電，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行外殼包裝以及機(jī)械安裝裝置，即可成為便攜式超聲波測(cè)距儀。5實(shí)驗(yàn)結(jié)論通過本實(shí)驗(yàn)可以看出，用超聲波可以較為精確的對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量，這樣可以很好的用來進(jìn)行液位的測(cè)量，結(jié)合了單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)較為智能的功能，不但可以實(shí)現(xiàn)顯示，還可以進(jìn)行液位的監(jiān)測(cè)，這樣在液位進(jìn)入警戒狀態(tài)時(shí)，不但可以進(jìn)行報(bào)警，還可以進(jìn)行相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控。6總結(jié)通過本次設(shè)計(jì)，我們受益良多。本實(shí)驗(yàn)不但讓我們更好的了解了超聲波探頭的使用，還讓我們更好的熟悉單片機(jī)的編程以及外圍電路連接，對(duì)單片機(jī)更加了解。另外，我們還學(xué)會(huì)了推挽式功率放大器的應(yīng)用，以及CX20106的用法，CX20106的用法還很多?？傊緦?shí)驗(yàn)不僅增加了我們對(duì)傳感器的認(rèn)知，更激發(fā)了我們進(jìn)一步了解其他傳感器的熱情。參考文獻(xiàn)1) 傳感器與檢測(cè)技術(shù) 周杏鵬 主編 孫永榮 仇國(guó)富 副主編 韓九強(qiáng) 主審清華大學(xué)出版社2) 單片機(jī)原理及接口技術(shù) 李朝青 編著 北京航空航天大學(xué)出版社3) 數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)蔣立平 主編 姜萍 譚雪琴 花漢兵 編 電子工業(yè)出版社4) 百度搜索引擎附實(shí)物圖：實(shí)物圖（正面）實(shí)物圖（背面）附程序： /*超聲波測(cè)液位*/*主程序引導(dǎo)區(qū)*/ORG 0000HLJMP MAIN;轉(zhuǎn)向主程序ORG 0003HLJMP SERVE;接受到超聲波，進(jìn)入中斷ORG 000BHLJMP ERROR1;定時(shí)器溢出，越界錯(cuò)誤ORG 0030H/*主程序*/MAIN:/*定義*/D EQU P2W EQU P1CLK BIT P1.0;FMQ BIT P1.1;DM EQU 19HCM EQU 1AHM EQU 18HLC EQU 1BH/*中斷設(shè)置*/SETB EA;SETB ET0SETB EX0;SETB IT0;/*定時(shí)器，脈沖發(fā)送等參數(shù)設(shè)置*/MOV TMOD,#01H;設(shè)置定時(shí)器模式一MOV DPTR,#TAB;設(shè)置表頭LOOP:SETB 7FHMOV R7,#04H;MOV R6,#04H;發(fā)送脈沖次數(shù)MOV TH0,#00H;MOV TL0,#00H;/*發(fā)送脈沖*/L1:SETB CLK;NOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOP;CLR CLK;NOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPDJNZ R7,L1;MOV R7,#04H;SETB TR0;開啟定時(shí)器計(jì)時(shí)L2:SETB CLK;NOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOP;CLR CLK;NOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPDJNZ R6,L2;MOV R6,#04H;發(fā)送脈沖次數(shù)JB 7FH,$;等待，7FH為返回重新發(fā)送脈沖標(biāo)志位SJMP LOOP;/*接收到超聲波中斷服務(wù)*/SERVE:CLR TR0;關(guān)定時(shí)器MOV 40H,TL0;MOV 41H,TH0;/*判斷是否超過999cm*/MOV A,41HCJNE A,#0E3H,SW1MOV A,40HCJNE A,#1BH,SW2/*根據(jù)時(shí)間計(jì)算距離*/COUNT:MOV A,40H;MOV B,#0ACH;MUL AB;MOV 33H,A;最低字節(jié)MOV 43H,B;MOV A,41H;MOV B,#0ACH;MUL AB;CLR C;ADD A,43H;MOV 32H,A;次高字節(jié)MOV A,B;ADDC A,#00H;MOV 31H,A;最高字節(jié)ACALL HEX2BCD;十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換ACALL OUTPUT;輸出QUIT:CLR 7FH;RETI;/*根據(jù)是否超過999cm跳轉(zhuǎn)*/SW1:JNC ERROR2LJMP COUNTSW2:JNC ERROR2LJMP COUNT/*定時(shí)器溢出，表示超過11.272192米，超出顯示范圍，數(shù)碼管顯示4個(gè)a段（錯(cuò)誤代碼），同時(shí)蜂鳴器報(bào)警*/ERROR1:CLR TR0MOV W,#0FHMOV D,#7FHCLR FMQACALL DELAYACALL DELAYACALL DELAYSETB FMQCLR 7FHMOV TH0,#00HMOV TL0,#00HRETI/*超過999厘米，超出顯示范圍，數(shù)碼管顯示4個(gè)g段（錯(cuò)誤代碼），同時(shí)蜂鳴器報(bào)警*/ERROR2:CLR TR0MOV W,#0FHMOV D,#0FDHCLR FMQACALL DELAYACALL DELAYACALL DELAYSETB FMQLJMP QUIT/*十六進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制子程序*/HEX2BCD:MOV 34H,#0 MOV 35H,#0 MOV 36H,#0 MOV 37H,#0 CLR C MOV R5,#24;MOV R0,#37HMOV R1,#57HMOV R4,#04H HL:MOV A,33H RLC A MOV 33H,A MOV A,32H RLC A MOV 32H,A MOV A,31H RLC A MOV 31H,A MOV A,37H ADDC A,37H DA A MOV 37H,A MOV A,36H ADDC A,36H DA A MOV 36H,A MOV A,35H ADDC A,35