水庫水位監(jiān)測器

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué)單片機(jī)原理及接口技術(shù)單片機(jī)原理及接口技術(shù) 課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）題目：題目： 水庫水位監(jiān)測器設(shè)計水庫水位監(jiān)測器設(shè)計 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 測控測控101101 學(xué)學(xué) 號：號： 100301028100301028 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 王北芳王北芳 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 起止時間：起止時間：2013.6.17-2013.6.282013.6.17-2013.6.28 本科生課程設(shè)計（論文） 本科生課程設(shè)計（論文） 課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：測控技

2、術(shù)與儀器注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算學(xué) 號100301028學(xué)生姓名王北芳專業(yè)班級測控101設(shè)計題目水庫水位監(jiān)測器設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)設(shè)計一個能夠利用超聲波測距原理設(shè)計的水庫水位監(jiān)測報警器。設(shè)計任務(wù)：設(shè)計任務(wù)：1采用超聲波傳感器，設(shè)計信號處理電路；2采用單片機(jī)，對信號處理電路的輸出信息進(jìn)行處理，計算水庫水面相對于超聲波傳感器的距離；3采用 3 位 LED 數(shù)碼管設(shè)計顯示器，顯示格式為 x:xx，單位是米。4設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動電路；設(shè)計要求：設(shè)計要求：1、分析系統(tǒng)功能，盡可能降低成本，選擇合適單片機(jī)、傳感器等，設(shè)計相應(yīng)驅(qū)動電路和鍵盤電路；2、應(yīng)用專業(yè)繪圖軟件繪制

3、硬件電路圖和軟件流程圖；3、按規(guī)定格式，撰寫、打印設(shè)計說明書一份，其中程序開發(fā)要有詳細(xì)的軟件設(shè)計說明，詳細(xì)闡述系統(tǒng)的設(shè)計過程，字?jǐn)?shù)應(yīng)在 4000 字以上。技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)：1測量范圍在 0.1 米至 4 米之間；2測量精度 1cm。工作計劃1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的設(shè)計要求。 （2 天，分散完成）2、選擇合適傳感器、單片機(jī)等元器件型號。 （1 天，實驗室完成）3、繪制硬件電路圖。 （1 天，實驗室完成）4、按系統(tǒng)的控制要求，編寫軟件程序。 （3 天，分散 2 天，實驗室 1 天）5、上機(jī)調(diào)試、修改程序、答辯。 （2 天，實驗室完成）6、撰寫、打印設(shè)計說明書（1 天，分散完成）指導(dǎo)

4、教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 指導(dǎo)教師簽字： 總成績： 年 月 日 本科生課程設(shè)計（論文） 摘 要水情水位測量一直是水文、水利部門的重要課題。為及時發(fā)現(xiàn)事故苗頭，為及時發(fā)現(xiàn)事故苗頭，防患于未來，經(jīng)濟(jì)實用、可靠的水位監(jiān)測系統(tǒng)將會發(fā)揮巨大的作用。本設(shè)計基于單片機(jī)的水庫水位監(jiān)測器主要由硬件與軟件兩部分組成，硬件是基于 AT89C51 芯片為核心的超聲波水位測量，采用 AT89C51 單片機(jī)進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，給出了超聲波發(fā)射和接收電路。軟件設(shè)計中采用模塊化程序設(shè)計思想將軟件主要分為超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊、功能模塊兩大模塊。利用超聲波傳輸中距離與時間的關(guān)系，設(shè)計出了能精確測量水庫水位檢測

5、器。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測量精度高的優(yōu)點，可實時監(jiān)測水位。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；測溫電路；超聲波發(fā)射接收 本科生課程設(shè)計（論文） 目 錄第 1 章 緒 論.1 1第 2 章 課題的方案設(shè)計與論證.22.1 系統(tǒng)總體方案論證.22.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案.3第 3 章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計.43.1 單片機(jī)外圍電路.43.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計.43.3 超聲波接收電路設(shè)計.53.4 LED 顯示電路 .63.5 電源電路.73.6 報警電路設(shè)計.83.7 測溫電路.9第 4 章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計.104.1 超聲波測距的算法設(shè)計.104.2 主程序流程圖.104.3 超聲波發(fā)射子程序和超聲波接收中

6、斷程序.134.4 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試.13第五章 誤差分析.14第六章 課程設(shè)計總結(jié).15參考文獻(xiàn).16附錄 I.17附錄 II.18 本科生課程設(shè)計（論文） 1第 1 章 緒 論 近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，計算機(jī)、微電子、傳感器等高新技術(shù)的應(yīng)用和研究，液位儀表的研制得到了長足的發(fā)展，以適應(yīng)越來越高的應(yīng)用要求。單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展使液位測量方法得到了更進(jìn)一步的發(fā)展。超聲波在液位測量中的應(yīng)用也越來越廣，但是就目前的發(fā)展水平來說，超聲波在測距系統(tǒng)中的應(yīng)用還有一定的限度，因此研究超聲波的水位檢測是很有發(fā)展前景的。它在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間。本次設(shè)計中，通過延時避免了接收未經(jīng)液面反射

7、的超聲波，其次利用溫度傳感器檢測外界溫度，采用當(dāng)前溫度下的超聲波速度去計算，從而提高了距離計算的精度。在未來，超聲波的測距測量將有更大的用途，更大的應(yīng)用范圍。它不但可以幫助人們解決很多生活中的困難，還可以作為科學(xué)探測和研究的手段。特別是水位的測量，可以幫助確定水位的高度，以便于其他工作的順利進(jìn)行。本設(shè)計中采用反射式的方式，超聲波傳感器發(fā)射超聲波，遇到液面后超聲波被反射回來，超聲波接收探頭接收超聲波。其間通過單片機(jī)的控制，P1.0 口輸出控制信號從單片機(jī)輸入到驅(qū)動電路驅(qū)動超聲波發(fā)射電路，超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生 40KHz 的調(diào)制脈沖，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。經(jīng)過液面反射后超聲波接收探

8、頭將接收到的超聲波送到單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)通過各個引腳來實現(xiàn)和各電路模塊的接口連接。并通過軟件的設(shè)計來控制整個檢測過程。一步一步，從發(fā)射到接收超聲波，定時器的初始化，中斷程序的編寫，溫度的采樣，距離的計算，單片機(jī)都發(fā)揮了重要的最用。它是整個檢測系統(tǒng)的內(nèi)部核心。這次對水庫水位監(jiān)測器的設(shè)計獲得了具有很大的成果和意義，在這個科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的時代，應(yīng)用科學(xué)技術(shù)去解決生活中和工作的困難變得具有更高的價值。在設(shè)計中，我加深了對超聲波的認(rèn)識，對它的原理掌握的更好了。目前超聲波已廣泛運(yùn)用于診斷學(xué)、治療學(xué)、工程學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。此外我認(rèn)識到單片機(jī)在各方面都有很大的應(yīng)用潛能，在自動控制領(lǐng)域它更是發(fā)揮了不可

9、替代的作用。本設(shè)計利用超聲波實現(xiàn)水位的測量，檢測方便，易于實時控制，達(dá)到了工業(yè)的要求，因此具有實際的意義和廣泛的應(yīng)用前景。 本科生課程設(shè)計（論文） 2第 2 章 課題的方案設(shè)計與論證2.1 系統(tǒng)總體方案論證超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。為使基于單片機(jī)的超聲波液位測量控制系統(tǒng)具有較好的實用性，并且具有較高的性能/價格比，對該系統(tǒng)的硬件電路作了精心設(shè)計。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用

10、了模塊化的設(shè)計方法。按實現(xiàn)的功能來分可分為以下幾個部分。其中 AT89C51 單片機(jī)是整個電路的核心，它控制其他模塊來完成各種復(fù)雜的操作。外圍電路包括溫度補(bǔ)償電路、超聲波發(fā)射及接收電路、報警及顯示電路等等。方案一:我們可以用 555 振蕩器產(chǎn)生 40KH 的方波信號，它是基于硬件的基礎(chǔ)上，便于我們可以通過示波器觀察到 40KH 的方波，具有直觀且易于觀察的特點，有利于電路的檢測。方案二:我們可以通過單片機(jī)產(chǎn)生 40KH 的脈沖信號，在通過 CD4069 驅(qū)動，將40KH 的脈沖信號發(fā)射出去，由于是軟件控制，準(zhǔn)確度比較高。經(jīng)過比較我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射電路中方案一的設(shè)計是比較經(jīng)濟(jì)實惠而且比較方便，但方

11、案二中的軟件設(shè)計使發(fā)射超聲波時間比較容易控制，而且超聲波的頻率準(zhǔn)確度比較高，本設(shè)計要求測量精度在 1cm 以內(nèi)，在方案二中我們通過采用 CX20106 可以將信號進(jìn)行放大和整形處理，在 CX20106 的 5 腳和 7 腳串聯(lián)一個 200K 的電阻可以將頻率穩(wěn)定在 40KH。因此在本次設(shè)計中，我們選用的是方案二，以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，并且在整個系統(tǒng)中我們都會采用單片機(jī)做計算和顯示。本設(shè)計的顯示電路有兩種方案：方案一：采用 LCD 液晶顯示器。方案二：采用數(shù)碼管（LED）顯示。方案一中，LCD 液晶顯示器既能顯示數(shù)字又能顯示文字，功能很大的，但價格要比較貴，且控制較為困難。而方案二，顯示數(shù)字清

12、晰，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。根據(jù)對比，方案二優(yōu)于方案一，所以選擇方案二，即采用 LED 進(jìn)行顯示。 本科生課程設(shè)計（論文） 32.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案本設(shè)計基于單片機(jī)的超聲波液位測量系統(tǒng)主要由單片機(jī)、溫度檢測電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、LED 顯示電路、報警電路等組成。本設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，以單片機(jī) AT89C51 為核心，將其他模塊有機(jī)的整合在一起，形成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)的框圖如圖 2.1 所示。整個系統(tǒng)由單片機(jī) AT89S51 控制，超聲波傳感器采用收發(fā)分體式，超聲波信號通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)射至空氣中，遇被測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

13、機(jī)的 INT0 腳產(chǎn)生中斷，計算中間經(jīng)歷的時間，同時再根據(jù)具體的溫度計算相應(yīng)的聲速，可得出相應(yīng)的距離用來顯示，當(dāng)然在一些場合也可根據(jù)需要，設(shè)置距離報警值。 超聲波接收超聲波發(fā)送AT89C51單片機(jī)LED 顯示報警系統(tǒng)溫度檢測圖 2.1 硬件系統(tǒng)框圖 本科生課程設(shè)計（論文） 4第 3 章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 單片機(jī)外圍電路單片機(jī)選用 AT89C51，經(jīng)濟(jì)易用，便于編程。AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)FLASH 存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器。對 AT89C

14、51 單片機(jī)來說，外圍電路應(yīng)該包括：單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。本設(shè)計不需要進(jìn)行外部擴(kuò)展就可滿足超聲波測距電路的系統(tǒng)要求。下面是 AT89C51 單片機(jī)的外圍電路。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。電源采用+5V 電源供電。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:24-Jun-2013Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16IN

15、T012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1AT89C51C130pFC230pFS2SW-PBR210KM12MHZ+ C320uF+5+5圖 3.1 單片機(jī)外圍電路3.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有

16、振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志電路的設(shè)計思想。 本科生課程設(shè)計（論文） 5超聲波發(fā)射電路由超聲波換能器（或稱超聲波振頭）和超聲波發(fā)生器兩部分組成， 40KHz 的超聲波信號是利用單片機(jī)內(nèi)部發(fā)出方波。工作時，單片機(jī)通過 P1.0口向超聲波發(fā)生電路的 3 腳輸入到 CD4069 驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生 40KHz 的調(diào)制脈沖，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。如圖 3.2 所示。123456ABCD654321DCBATitle

17、NumberRevisionSizeBDate:27-Jun-2013Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:發(fā)發(fā)發(fā)發(fā)發(fā)T-40UIE4069U1D4069U1A4069U1B4069U1C4069R191KR181K+5+5P1.0 圖 3.2 超聲波發(fā)射電路3.3 超聲波接收電路設(shè)計本設(shè)計中超聲波接收電路用的是 CX20106A，它是是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38kHz 與測距的超聲波頻率 40kHz 較為接近，可以

18、利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A 接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。其電路由6C圖 3.3 所示。 本科生課程設(shè)計（論文） 6 圖 3.3 超聲波接收電路 圖中 CX20106 各引腳的接法：1 腳 IN：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40k。2 腳 AGC：該腳與GND 之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻 R 或減小 C，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但 C 的改

19、變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，選用 R=4.7，C=3.3F。3 腳 C0：該腳與 GND 之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，我選用 C 為3.3F。4 腳 GND：接地端。5 腳 RC0：該腳與電源端 VCC 接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0 阻值越大，中心頻率越低。例如，取 R=200k 時，fn42kHz，若取 R=220k，則中心頻率 f038kHz。6 腳 C：該腳與 GND 之間接入一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會使探

20、測距離變短。7 腳OUT：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為 22k，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。8 腳 RC1：電源正極，4.5V5V。3.4 LED 顯示電路單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器，簡稱 LED。液晶顯示器簡稱 LCE。前者價廉，配置靈活，與單片機(jī)接口靈活；后者可進(jìn)行圖形顯示但接口比較復(fù)雜，成本較高。數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、低壓，對外界環(huán)境要求低，易維護(hù)的優(yōu)點，雖只能顯示非常有限的符號和數(shù)碼字，但可完全滿足本設(shè)計。在顯示部分采用 LED 動態(tài)顯示技術(shù)，節(jié)省單片機(jī)空間，而且動態(tài)

21、顯示電流很小，單片機(jī)123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:24-Jun-2013Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:發(fā)發(fā)發(fā)發(fā)發(fā)R-40INC1C2GNDfoC3OUTVCC12345678U3CX20106R21200kR2210KR2010KC53.3uFC51uFC6330pF+5INT0 本科生課程設(shè)計（論文） 7可以提供。LED 之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點分不開的。這些優(yōu)點概括

22、起來是：亮度高、工作電壓低、功耗小、大型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。 LED 的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性，可靠性、全色化方向發(fā)展。超級灰度控制具有 1024-4096 級灰度控制，顯示顏色 16.7M 以上，色彩清晰逼真，立體感強(qiáng)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED 數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的 IO 接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時,再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法較為簡單與便利。在

23、顯示電路的設(shè)計上，利用單片機(jī)的 P0P2 口來控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比較浪費管腳資源，但是對單片機(jī)的理論知識要求相對比較低，而且超聲波發(fā)射和接收電路并不需要很多的管腳來支持，所以我選擇這種方案。數(shù)碼管的選擇上，為了使數(shù)碼管亮度大，本人選擇了共陰極的數(shù)碼管，數(shù)碼管管腳接到高電平發(fā)亮。顯示及其驅(qū)動電路的原理圖見圖 3.4。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:30-Jun-2013Sheet of File:C:Documents and SettingsAdministrator發(fā)發(fā)MyDesign.ddbDrawn By:R16

24、80R2680R3680R4680R5680R6680R7680R8680Q258050Q358050Q458050abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpJ1abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpJ2abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpJ3R12680R13680R14680+5P00P01P02P03P04P05P06P07P24P25P26P27圖 3.4 LED 顯示電路3.5 電源電路 本系統(tǒng)采用市電 220V，50Hz 供電，而單片機(jī)以及其它芯片均采用直流 5V 和 本科生課程設(shè)計（論文） 812V 電壓供電。故需要設(shè)計降

25、壓電路。本電路使用了由 LM7805 和 LM7812 構(gòu)成的橋式穩(wěn)壓整流電路。電路如圖 3.5 所示。經(jīng)過降壓、橋式整流、濾波后通過 LM7805 穩(wěn)壓并直接為單片機(jī)和其它器件供電，作為齊納二極管/電阻組合的替換方案時，LM7805 和 LM7812 通?？梢愿纳朴行л敵鲎杩惯_(dá)兩個數(shù)量級，并降低靜態(tài)電流。由于足夠的散熱設(shè)置，LM7805 和 LM7812 穩(wěn)壓器可提供 100mA 的輸出電流，同時還包含限流功能，以限制峰值輸出在安全值的范圍內(nèi)。LM7805 和 LM7812 為輸出晶體管提供了安全區(qū)域保護(hù)，限制內(nèi)部功耗。假如內(nèi)部功耗超出了散熱范圍，熱關(guān)斷電路將會啟動，防止芯片過熱。圖中電源由

26、電源變壓器、橋式整流電路、兩個濾波電容，兩個防自激電容和一只穩(wěn)壓器構(gòu)成。220V 交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路和濾波電容的整流和濾波，在穩(wěn)壓器的 VI 和 GND 兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過LM7805 的穩(wěn)壓和電容的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為單片機(jī)電路的電源。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:28-Jun-2013Sheet of File:C:PROGRAM FI

27、LESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:12Jout1DC12V12Jout2DC12V12JinAC220VVin2GND1+5V3LM7812CTU5Vin2GND1+12V3LM7805CTU4T11234BRIDG1IN4007C71000uFC91000uFC8100uFC10100uFC110.33uFC120.33uF12JinAC220VT21234IN4007BRIDGE1C130.33uFC140.33uF圖3.5 電源電路3.6 報警電路設(shè)計為了在某些緊急狀態(tài)或反常狀態(tài)下，能使操作人員不致忽視，以便及時處理

28、，往往需要有某種更能引起人們注意提起警覺的報警信號產(chǎn)生，這種報警信號通常有三種類型:閃光報警、鳴音報警、語音報警，本系統(tǒng)采用簡單易行的壓電式蜂鳴器報警電路。 本科生課程設(shè)計（論文） 9123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:24-Jun-2013Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:發(fā)發(fā)發(fā)BUZZERQ1s8050R11K+5P1.4 圖 3.6 報警電路如圖 3.8 所示報警電路，報警設(shè)備選用壓電式蜂鳴器，它約需要

29、10mA 的驅(qū)動電流，只需在其兩條引線上加 3 一 15V 的直流電壓，即可產(chǎn)生 3KHz 左右的蜂鳴聲音，圖中蜂鳴器的一端接在高電平+5V，另一端接 Pl.4，在初態(tài) Pl.4 始終輸出高電平1，當(dāng)需要報警時，程序?qū)ζ涠丝谇辶慵纯?，聲音的長短可用延時程序控制實現(xiàn)。3.7 測溫電路由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，為提高系統(tǒng)的精度，采用了溫度補(bǔ)償功能。這里使用的是DS18B20溫度傳感器，它是是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，測溫范圍為-55125，最大分辨率可達(dá)0.0625。DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用了一線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路

30、，具有低成本和易使用的特點。測溫電路圖3.7所示。DS18B20溫度傳感器：獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理 器與DS18B20的雙向通訊。測溫范圍55125，固有測溫分辨率0.5。工作電源：35V/DC。在使用中不需要任何外圍元件。測量結(jié)果以912位數(shù)字量方式串行傳送。不銹鋼保護(hù)管直徑6。適用于DN1525，DN40DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫。標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋M10X1，M12X1.5，G1/2任選。PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線，便于與其它電器設(shè)備連接。應(yīng)用范圍：該產(chǎn)品適用于冷凍庫，糧倉，儲罐，電訊機(jī)房，電力機(jī)房，電纜線

31、槽等測溫和控制領(lǐng)域。軸瓦，缸體，紡機(jī)，空調(diào)，等狹小空間工業(yè)設(shè)備測溫和控制。汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、以及中低溫干燥箱等。供熱/制冷管道熱量計量，中央空調(diào)分戶熱能計量和工業(yè)領(lǐng)域測溫和控制。 本科生課程設(shè)計（論文） 10123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Jun-2013Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign.ddbDrawn By:VCCD0GND123J5DS18B20+5R34.7KP1.3圖 3.7 測溫電路第 4 章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

32、水庫水位監(jiān)測器的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計算程序運(yùn)行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計算（計算距離時） ，又要求精細(xì)計算程序運(yùn)行時間（超聲波測距時） ，所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。 4.1 超聲波測距的算法設(shè)計 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的

33、距離。距離的計算公式為： （4-2/*2/tcsd1） 其中，d 為被測物與測距儀的距離，s 為聲波的來回的路程，c 為聲速，t 為聲 本科生課程設(shè)計（論文） 11波來回所用的時間。 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時器 T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。4.2 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖 4.1 所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制

34、。 定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器 T0 工作模式為 16 位的定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P2 清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲 0.1ms(這也就是測距器會有一個最小可測距離的原因)后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。 N Y4.1 主程序流程圖開始初始化啟動定時器調(diào)用中斷程序是否監(jiān)測到波？開始 本科生課程設(shè)計（論文） 12 N Y 4.2 定時中

35、斷子程序 4.3 外部中斷子程序 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器 T0 工作模式為 16 位定時計數(shù)器返回定時器初始化發(fā)射超聲波停止發(fā)射是否發(fā)射完關(guān)外部中斷讀取時間計算距離開外部中斷結(jié)果輸出返回開始 本科生課程設(shè)計（論文） 13模式。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P1 清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約 0.1 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。由于采用的是 12 MHz 的晶 振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是 1s，當(dāng)主程序檢

36、測到接收成功的標(biāo)志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（4-2）計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計時取 20時的聲速為 344 m/s 則有： (4-2) cmTtcd10000/01722/*其中，T0 為計數(shù)器 T0 的計算值。測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離，主程序采用 C 語言編寫。4.3 超聲波發(fā)射子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 P1.0 端口發(fā)送 2 個左右超聲波脈沖信號（頻率約 40kHz 的方波） ，脈沖寬度為 1

37、2s 左右，同時把計數(shù)器 T0 打開進(jìn)行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。 超聲波測距儀主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平） ，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測距不成功。 前方測距電路的輸出端接單片機(jī) INT0 端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門 IC3A 的輸出接單片機(jī) INT1 端口，同時單片

38、機(jī)P1.3 和 P1.4 接到 IC3A 的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。 4.4 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用 15 的超聲波換能器 TCT40-10F1（T 發(fā)射）和 TCT40-10S1（R 接收） ，中心頻率為 40kHz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距 48cm，其余元件無特殊要求。若能將超 本科生課程設(shè)計（論文） 14聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容 C0 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并

39、調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.075.5m，測距儀最大誤差不超過 1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實際使用的測量要求。第五章 誤差分析水庫水位監(jiān)測器的原理是利用超聲波測距，利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。 由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，在實際測量中，因溫度的不同則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?/p>

40、加以校正。測溫范圍為-55125，最大分辨率可達(dá) 0.0625。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為 331.45 米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計時，單片機(jī)使用 12.0M 晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。采用 AT89C51 單片機(jī)，晶振:12M,單片機(jī)用 P1.0 口輸出超聲波換能器所需的 40KHZ 方波信號,利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號,顯示電路采用簡單的 3 位共陽 LED 數(shù)碼管。聲速受溫度的影響為： （5-)273/(1 cc1）當(dāng)溫度從 040 度變化時，將會產(chǎn)生 7%的聲速變化。在聲波傳送過程中，聲強(qiáng)隨頻率的增

41、高衰減增大。在回波信號放大與整形的過程中，遠(yuǎn)目標(biāo)幅度小、信噪比 本科生課程設(shè)計（論文） 15低，可能導(dǎo)致整形失敗或越過門檻的時刻前后移動，這也是影響測量距離的原因之一。這里的誤差包含兩種：一種是固定誤差，測量的起始位置與探頭的壓電晶片所在的位置之間的距離，這種誤差不隨測量環(huán)境和距離的變化而變化；另一種是可變誤差，隨距離的增大而增大，主要是由接受超聲波越過整形門檻的時間與超聲波實際到達(dá)探頭的時間不同引起的。因此，在除溫度以外其他環(huán)境因數(shù)相對穩(wěn)定的情況下，測量誤差可表示為： （5-2）C1為總誤差，為固定誤差，為超聲波越過整形門檻的時間與超聲波實際到1達(dá)探頭的時間差，C 為超聲波在某種溫度下的速度

42、。超聲波測距的算法設(shè)計: 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘 340 米（15時）。X2 是聲波返回的時刻，X1 是聲波發(fā)聲的時刻，X2-X1 得出的是一個時間差的絕對值，假定 X2- X1=0.03S，則有 340m0.03S=10.2m。由于在這 10.2m 的時間里，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離。 第六章 課程設(shè)計總結(jié)由于時間和其它客觀上的原因，此次設(shè)計沒有做出實物。但是對設(shè)計有一個很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播

43、的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機(jī)采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用 P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS

44、244 驅(qū)動， 本科生課程設(shè)計（論文） 16位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動。超聲波檢測接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。超聲波測距的算法設(shè)計原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器

45、 R 所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時器 T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。 在元件及調(diào)制方面，由于采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多，所以調(diào)試應(yīng)該不會太難。一般只要電路焊接無誤，稍加調(diào)試應(yīng)該會正常工作。電路中除集成電路外，對各電子元件也無特別要求。根據(jù)測量范圍要求不

46、同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。 參考文獻(xiàn)1胡平超聲波測距儀的研制J.計算機(jī)與現(xiàn)代化2003，102時德剛劉嘩.超聲波測距的研制J計算機(jī)測量與控制2002，10.3張謙琳.超聲波檢測原理和方法.北京：中國科技大學(xué)出版社，1993.10.4時德剛.劉嘩.超聲波測距的研究.計算機(jī)測量與控制，2002.10. 5梅麗風(fēng).單片機(jī)原理及接口技術(shù).清華出版社.2009.04.6王福瑞單片微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計大全M北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1998.282-283 頁.7王大海新型溫濕度自動控制

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49、345678U3CX 20106R21200kR2210KR2010KC53.3uFC51uFC6330pF+5INT 0R1680R2680R3680R4680R5680R6680R7680R8680Q258050Q358050Q458050abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpJ1abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpJ2abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpJ3R12680R13680R14680+5發(fā)發(fā)發(fā)BU ZZ ERQ1S8050R11K+5P1.4VCCD0GND123J5DS18B20R34.7KP1.0P00P01P02P03P04P05P06P07P24P25P26P2712Jout1DC12V12Jout2DC12V12JinAC220VVin2GND1+5V3LM 7812CTU 5Vin2GND