液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目名稱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究系別電氣信息工程系專業(yè)/班級(jí)學(xué)生學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師（職稱）寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要 本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的液位監(jiān)控系統(tǒng)是一種利用超聲波技術(shù)、電子技術(shù)、電磁開關(guān)技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)非接觸式液位測(cè)量和控制系統(tǒng)，能夠在某些特定場(chǎng)合或環(huán)境比較惡劣的情況下使用，在工業(yè)監(jiān)測(cè)和控制等方面得到了廣泛應(yīng)用。近些年來，工業(yè)水平的不斷發(fā)展對(duì)液位測(cè)量的精度、廣度和抗干擾性提出了越來越高的要求，超聲波測(cè)距技術(shù)本身也在不斷的完善和發(fā)展，測(cè)距儀更趨向小型化和智能化，逐步實(shí)現(xiàn)了高精確度、高可靠性、安全性和多功能化。本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是以單片機(jī)為主控制器，開發(fā)一個(gè)基于單片機(jī)的液位監(jiān)控系統(tǒng)

2、，可測(cè)量并顯示液位，還可以通過單片機(jī)控制把液位限定在某一范圍內(nèi)，在單片機(jī)控制失效的情況下發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒工作人員進(jìn)行手動(dòng)控制。研究?jī)?nèi)容包括超聲波測(cè)距的基本原理與方法、精度影響因素的分析與解決辦法、單片機(jī)對(duì)閥門的控制方法、監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件流程設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)完成之后提供一套可以使用的超聲波測(cè)距儀，測(cè)量范圍和測(cè)量精度滿足一般工業(yè)應(yīng)用需要。設(shè)計(jì)完成之后應(yīng)提供一套可以用于一般工業(yè)生產(chǎn)的液位監(jiān)控系統(tǒng)。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，可以綜合運(yùn)用傳感器、單片機(jī)、電子電路和程序設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，鍛煉和提高動(dòng)手能力、參與科研工作的能力。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；超聲波；測(cè)距；液位監(jiān)控AbstractThe m

3、onolithic machine-based liquid place supervisory control system the main body of a book is designed has been that one kind of the contact-type liquid making use of the ultrasonic technology , electron technology , electromagnetism switch technology to realize combining with coming each other place m

4、easures and controls system , has been able to be put into use under some specially appointed occasion or environment is comparatively very bad situation , has got extensive use in the field of industry monitoring and controlling and so on. Horizontal uninterrupted growth of industry has brought for

5、ward the more and more high request to accuracy , extent and anti-interference sex that the liquid place measures in recent year, self cant be in the ultrasonic distance measurement technology perfect ceaseless and developed, the range finder is incline to minaturized and intellectualized , step by

6、step have realized high precision , high reliability , security and multifunctional-rization.This designs primary mission is by the monolithic integrated circuit primarily controller, develops one based on monolithic integrated circuits fluid position supervisory system, measurable quantity and disc

7、losing solution position, but may also through the monolithic integrated circuit control the fluid position define that in some scope, the situation which expires in the monolithic integrated circuit control after-crops the alarm, the reminder staff carries on the hand control. Research content incl

8、uding ultrasonic rangings basic principle and method, precision influencing factor analysis and solution, monolithic integrated circuit to valve control method, supervisory systems overall plan design, hardware design, software flow design and so on. After the design completes, provides the ultrason

9、ic wave distance gauge which a set may use, the measuring range and the measuring accuracy meet the general industrial application needs. After the design completes, should provide a set to be possible to use in the general industrial production the fluid position supervisory system. Through graduat

10、ion projects entire process, may synthesize the utilization sensor, the monolithic integrated circuit, the electronic circuit and the programming aspect knowledge, the exercise and enhancement beginning ability, participation scientific effort ability.Keywords：Monolithic machine ；Ultrasonic ；Distanc

11、e measurement ；The place monitors liquid目 錄摘 要IAbstractII1 緒 論11.1課題的提出和意義11.1.1 課題的提出11.1.2 課題意義11.2 國(guó)內(nèi)外液位監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀11.3 國(guó)內(nèi)外超聲波測(cè)距方面的研究現(xiàn)狀21.4 本文的主要內(nèi)容32 超聲波液位測(cè)量的理論基礎(chǔ)42.1 超聲波的定義42.2 超聲波的物理特性42.2.1 超聲波的類型42.2.2 超聲波的傳播42.3 超聲波液位測(cè)量原理42.4 超聲波測(cè)距原理52.4.1 超聲波回波檢測(cè)法52.4.2 發(fā)射脈沖波形52.4.3 超聲波渡越時(shí)間的計(jì)量方法分析62.5 超聲波接收發(fā)射

12、裝置63 超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)83.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)83.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)83.2.1 超聲波頻率的選擇83.2.2 單雙探頭的選擇93.2.3 超聲波發(fā)射電路93.2.4 超聲波的接收和處理單元123.2.5 溫度補(bǔ)償單元153.2.6 顯示電路設(shè)計(jì)183.2.7 鍵盤電路設(shè)計(jì)193.2.8 電磁閥控制電路設(shè)計(jì)193.2.9 報(bào)警電路設(shè)計(jì)203.2.10 系統(tǒng)控制單元203.3 電源電路的設(shè)計(jì)223.3.1 直流穩(wěn)壓電源的組成223.3.2 直流穩(wěn)壓電源的分類223.3.3 系統(tǒng)供電電源的設(shè)計(jì)233.4 液位監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)243.4.1 系統(tǒng)軟件總體想243.4.2

13、 主程序流程設(shè)計(jì)243.4.3 測(cè)溫子程序設(shè)計(jì)253.4.4 按鍵子程序設(shè)計(jì)283.4.5 顯示子程序設(shè)計(jì)283.5 抗干擾設(shè)計(jì)304 超聲波測(cè)液位的誤差分析324.1 環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響324.1.1 溫度對(duì)聲速的影響324.1.2 濕度對(duì)超聲波衰減程度的影響334.2 儀器電路對(duì)測(cè)量的影響334.2.1 硬件電路引起的時(shí)間誤差及修正334.2.2 觸發(fā)時(shí)間引起的誤差34參考文獻(xiàn)36結(jié)束語(yǔ)37致 謝38附圖139附圖240IV1 緒 論1.1課題的提出和意義1.1.1 課題的提出在日常生產(chǎn)和生活中常遇到液位的監(jiān)測(cè)問題。尤其在許多工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，需要對(duì)系統(tǒng)的液位或物料位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)具有腐蝕

14、性的液體液位的測(cè)量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電脈沖來檢測(cè)液面，電極長(zhǎng)期浸泡在液體中，極易被腐蝕、電解、失去靈敏性，因而對(duì)測(cè)試設(shè)備的抗腐蝕性要求較高。超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)，利用了超聲波傳感技術(shù)的原理，采取一種非接觸式的測(cè)量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工業(yè)系統(tǒng)中液位或物料位的檢測(cè)；而且超聲波具有很好的指向性和束射特性，人耳聽不見，一般不會(huì)對(duì)人體造成傷害。監(jiān)控工程實(shí)施方便、迅速、易做到實(shí)時(shí)控制，而且測(cè)量精度又能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，所以有廣泛的應(yīng)用前景。目前液位的檢測(cè)越來越受到重視，隨著人們生活水平和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，檢測(cè)的精度和實(shí)時(shí)性要求也越來越高，另外還要求系統(tǒng)能提供對(duì)液位的自動(dòng)控制功能。也就是說今

15、后液位的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的研究將是一個(gè)重要的課題。1.1.2 課題意義為了降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人的工作環(huán)境，節(jié)省財(cái)力、物力，避免資源的浪費(fèi)，特別是對(duì)一些具有高溫、高壓、低溫、低壓、有輻射性、毒性、易揮發(fā)易爆等液體，就要對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)，液位的檢測(cè)顯得尤為重要。而對(duì)于這些影響身體健康的液體，不易在現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行檢測(cè)，必須通過一定的技術(shù)，進(jìn)行監(jiān)控。1.2 國(guó)內(nèi)外液位監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀儲(chǔ)罐液位測(cè)量來源于石油和化工業(yè)，是工業(yè)測(cè)量中極為廣闊的領(lǐng)域。準(zhǔn)確的液位測(cè)量是生產(chǎn)過程控制的重要手段。早期，由于工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)規(guī)模不大，儲(chǔ)罐液位測(cè)量主要采用法蘭式液位變送器和吹氣式等機(jī)械式測(cè)量方法。但隨著生產(chǎn)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)

16、大，所需的儲(chǔ)罐數(shù)量變多，體積變大，原先的測(cè)量方法的弊端愈發(fā)變得突出，其缺點(diǎn)如下:(1) 法蘭式液位變送器需要保溫，施工及維護(hù)工作量較大;(2) 吹氣式用的吹氣管要特殊訂貨，且還要定期更換，維護(hù)工作量較大；吹氣式要消耗儀表氣，有能耗；它還需要敷設(shè)氣源管，安裝及維護(hù)工作量較大。這一系列問題的解決有待于新的測(cè)量方法的出現(xiàn)。從上世紀(jì)八十年代開始，一些發(fā)達(dá)國(guó)家就借助微電子、計(jì)算機(jī)、光纖、超聲波、傳感器等高科技的研究成果，將各種新技術(shù)、新方法應(yīng)用到儲(chǔ)罐測(cè)量領(lǐng)域。電子式測(cè)量方法便是其中的重要成果之一。在電子式液位測(cè)量方法中，有許多新的測(cè)量原理，包括壓電式、應(yīng)變式、雷達(dá)式、超聲波式、浮球式、電容式、磁致伸縮式

17、、伺服式、混合式等二十多種測(cè)量技術(shù)。由于該方法測(cè)量精度高，可靠性強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，因而正在逐步取代舊的機(jī)械式液位測(cè)量方法。據(jù)202年美國(guó)市場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明，電子式測(cè)量?jī)x的使用率占市場(chǎng)的76%左右，機(jī)械式僅占15%。用于儲(chǔ)罐液位測(cè)量的眾多電子式技術(shù)中，壓電式、超聲波式、應(yīng)變式、浮球式、電容式五種測(cè)量技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，約占總數(shù)的60%以上。其中，超聲波式測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用份額預(yù)計(jì)在2007年占到最大。超聲波液位測(cè)量有很多優(yōu)點(diǎn):它不僅能夠定點(diǎn)和連續(xù)檢測(cè)液位，而且能夠方便地提供遙控或遙控所需的信號(hào)。與放射性技術(shù)相比，超聲技術(shù)不需要防護(hù)。與目前的激光測(cè)量液位技術(shù)相比，超聲方法比較簡(jiǎn)單而且價(jià)格較低。

18、一般說來，超聲波測(cè)位技術(shù)不需要有運(yùn)動(dòng)的部件，所以在安裝和維護(hù)上有很大的優(yōu)越性。特別是超聲測(cè)位技術(shù)可以選用氣體、液體或固體來作為傳聲媒質(zhì)，因而有較大的適應(yīng)性。所以在測(cè)量要求比較特殊，一般測(cè)位技術(shù)無法采用時(shí)，超聲測(cè)位技術(shù)往往仍能適用。當(dāng)然各種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在特定的場(chǎng)合，某種方法很可能比超聲方法更為有效或經(jīng)濟(jì)。例如，在測(cè)量要求比較一般時(shí)，機(jī)械浮子方法就比超聲方法更加經(jīng)濟(jì);在精度要求特別高的某些情況下，光學(xué)測(cè)距或激光測(cè)距可能比超聲方法更為精密。1.3 國(guó)內(nèi)外超聲波測(cè)距方面的研究現(xiàn)狀 隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，再加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及，根據(jù)超聲波原

19、理制成的測(cè)量?jī)x器也越來越多。國(guó)內(nèi)外對(duì)超聲波測(cè)距儀研究，主要在大量程測(cè)距、高精度測(cè)距以及測(cè)距儀的智能化和網(wǎng)絡(luò)化等幾個(gè)方向。 澳大利亞HAWK公司HPAWK系列產(chǎn)品使超聲波測(cè)距技術(shù)有了重大的突破，她不僅拓寬了擦、超聲波測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合（適用極惡劣的工作環(huán)境），而且適用智能調(diào)節(jié)技術(shù)，大大提高了超聲波產(chǎn)品的可靠性及性能指標(biāo)，讓用戶使用無后顧之憂。智能的全自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)波頻率，自動(dòng)的溫差補(bǔ)償功能使其工作更加穩(wěn)定可靠。HPAWK系列產(chǎn)品還擁有靈活多樣的通訊方式?？删幊坦收媳Ｗo(hù)模式，它還擁有先進(jìn)的遠(yuǎn)程GSM、CDMA、互聯(lián)網(wǎng)調(diào)試功能，使得用戶隨時(shí)可以得到技術(shù)支持。它以其尖端的技術(shù)穩(wěn)定可靠的工作質(zhì)量，在化工、電

20、力、冶金、煤礦、輕工、碼頭、汽車等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)在超聲波測(cè)距儀的研究國(guó)內(nèi)相對(duì)落后一些，但也出現(xiàn)了很多功能和性能都很不錯(cuò)的產(chǎn)品，技術(shù)上也有很大的發(fā)展。不過尖端的產(chǎn)品和技術(shù)都不是應(yīng)用最多的。應(yīng)用最多的就是適用型的技術(shù)和產(chǎn)品，以最簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)合乎要求的功能。1.4 本文的主要內(nèi)容本文的主要任務(wù)是以單片機(jī)為主控制器，開發(fā)一個(gè)基于超聲波測(cè)距的液位監(jiān)控系統(tǒng)，可測(cè)量并顯示距離，還可以通過單片機(jī)控制把液位限定在某一范圍內(nèi)，在單片機(jī)控制失效的情況下發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒工作人員進(jìn)行手動(dòng)控制。研究設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：(1)超聲波測(cè)距的基本原理與方法(2)超聲波監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)(3)超聲波測(cè)距電路的設(shè)計(jì)(4

21、)控制電路設(shè)計(jì)(5)系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)(6)電源電路的設(shè)計(jì)(7)PCB布線及硬件抗干擾設(shè)計(jì)(8)超聲波測(cè)距的誤差分析設(shè)計(jì)完成之后提供一個(gè)可以應(yīng)用于一般工業(yè)的完整的超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，測(cè)量范圍和測(cè)量精度滿足一般工業(yè)應(yīng)用需要。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，可以綜合運(yùn)用傳感器、單片機(jī)、電子電路和程序設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)，鍛煉和提高科研的能力。2 超聲波液位測(cè)量的理論基礎(chǔ)2.1 超聲波的定義人們所感覺到的聲音是機(jī)械波傳到人耳引起耳膜振動(dòng)的反應(yīng)，能引起人們聽覺的機(jī)械波頻率在20Hz20kHz，超聲波2是頻率大于20kHz的機(jī)械波。在通常的超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，用電脈沖激勵(lì)超聲探頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，

22、這種振動(dòng)在與其接觸的介質(zhì)中傳播，形成超聲波。2.2 超聲波的物理特性2.2.1 超聲波的類型根據(jù)波動(dòng)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向的不同關(guān)系，可將波動(dòng)分為多種波型，在超聲波檢測(cè)中主要應(yīng)用的波型有縱波、橫波、表面波(瑞利波)和蘭姆波。本文主要應(yīng)用的是超聲縱波。2.2.2 超聲波的傳播在超聲波1傳播過程中，被超聲所充滿的空間稱為超聲場(chǎng)。與超聲波的波長(zhǎng)相比，如果超聲場(chǎng)很強(qiáng)，這時(shí)超聲波就像處在一種無限的媒介中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；反之，如果超聲波的波長(zhǎng)與相鄰媒介的尺寸相近，則超聲波受界面限制不能自由地向外擴(kuò)散。用來描述超聲場(chǎng)的特征量主要包括:聲速、聲壓、聲強(qiáng)以及媒介的特征阻抗等等:超聲場(chǎng)的物理性質(zhì)主要

23、有:反射與折射、衰減與吸收、疊加與干涉等。由于超聲波也是一種聲波，超聲波在媒質(zhì)中傳播的速度和媒質(zhì)的特性有關(guān)。理論上，在13的海水里聲音的傳播速度為1500m/s。在鹽度水平為35%，深度為0m，溫度為0的環(huán)境下，聲波的速度為1449.3m/s。聲音在25空氣中傳播速度的理論值為344m/s,這個(gè)速度在0時(shí)降為334m/s。聲波傳輸距離首先和大氣的吸收性有關(guān)，其次溫度、濕度、大氣壓也是其中的因素，而這些因素對(duì)大氣中聲波衰減的效果比較明顯。溫度是和其他常數(shù)一樣決定聲音速度的第二因素。它和溫度的關(guān)系可以用以下公式來表示:C=331.45+0.61T(米/秒)。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速

24、是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離，這就是超聲波測(cè)距系統(tǒng)的機(jī)理。2.3 超聲波液位測(cè)量原理超聲波液位測(cè)量15其實(shí)就是要測(cè)量超聲波測(cè)距儀到頁(yè)面的距離，如果超聲波測(cè)距儀安裝在底部，測(cè)得的距離即為液位高度，如果超聲波測(cè)距儀安裝在液面上方，需要通過換算來算得液位高度（液罐總高度減去測(cè)得的距離即為液位高度）。本文選擇把測(cè)距儀安裝在液面上面，測(cè)距儀安裝相對(duì)方便些。2.4 超聲波測(cè)距原理2.4.1 超聲波回波檢測(cè)法超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限:聲波

25、幅值法易受反射波的影響。在超聲檢測(cè)技術(shù)，特別是超聲測(cè)量技術(shù)中使用最廣泛的是超聲波回波檢測(cè)法，通過測(cè)量超聲波經(jīng)反射放大后到達(dá)接收端的時(shí)間與發(fā)射時(shí)間之差，實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，稱為TOF(Time of Flight)方法，也叫渡越時(shí)間法。渡越時(shí)間法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，被廣泛的應(yīng)用于聲學(xué)測(cè)距系統(tǒng)。它的原理是：超聲波發(fā)射器發(fā)出單個(gè)或一組超聲波脈沖，在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中遇到被測(cè)目標(biāo)，經(jīng)過反射到達(dá)超聲波接收端，此時(shí)停止計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，得到的時(shí)間t就是超聲波在發(fā)射器和被測(cè)目標(biāo)之間來回傳播的時(shí)間。2.4.2 發(fā)射脈沖波形超聲測(cè)距常用的發(fā)射脈沖波形如圖2-1所示有:單個(gè)尖脈沖、衰減振蕩脈沖、窄等幅

26、波列脈沖和寬等幅波列脈沖。由于媒介中超聲波的衰減系數(shù)是頻率的函數(shù)，同一發(fā)射的脈沖波中不同頻率成分的波將以不同的群速度傳播，這使得脈沖波形將隨著傳播距離的增大而發(fā)生畸變，并且這種畸變程度隨距離的增加而變得顯著。圖2.1 超聲波測(cè)距常用發(fā)射脈沖波形在要求分辨力較高和盲區(qū)較短的超聲測(cè)量技術(shù)中，一般使用寬度較窄的脈沖波。但脈沖越窄，則頻譜分量越豐富，波形畸變?cè)絿?yán)重。在要求傳播距離較遠(yuǎn)的超聲測(cè)量技術(shù)中，則傾向采用較寬的等幅脈沖波。由于維持振動(dòng)的周期數(shù)較多寬等幅脈沖波的頻譜分量較純些、能量較大、畸變較小，所以適合于傳播較遠(yuǎn)的距離。2.4.3 超聲波渡越時(shí)間的計(jì)量方法分析根據(jù)超聲波測(cè)距的原理16，發(fā)射換能器

27、發(fā)出的超聲波，在媒介中傳播到物體表面，經(jīng)過反射后再通過媒介返回到接收換能器，通過測(cè)量超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間(t)，根據(jù)媒介中的聲速(v)，就能計(jì)算出從換能器到物體表面之間的距離(L)。被測(cè)距離的表達(dá)式： （式2.1）由上式計(jì)算出測(cè)量誤差： （式2.2）式中 ，-測(cè)距誤差；-聲速；t-時(shí)間測(cè)量誤差；-聲速誤差 。如果要求測(cè)量誤差小于0.01米，由于超聲波在20時(shí)的速度為344m/s，忽略聲速誤差，則: （式2.3）顯然直接測(cè)量的方法是行不通的，所以采用脈沖計(jì)數(shù)的方法間接測(cè)量被測(cè)時(shí)間，就可以滿足高精度要求。2.5 超聲波接收發(fā)射裝置以超聲波為檢測(cè)手段，包括發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超

28、聲波轉(zhuǎn)換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器域稱壓電式超聲波探頭)和磁致式超聲波傳感器。本論文采用的是壓電式超聲波傳感器，主要由超聲波發(fā)射器(或稱發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱接收探頭)兩部分組成，它們都是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以此作為超聲波的接收器。一般壓電式超聲波換能器有兩個(gè)共振頻率:低頻共振頻率叫串聯(lián)共振頻率()，此時(shí)阻耗(R)最小，用于發(fā)送超聲波

29、;高頻的共振頻率稱為逆共振頻率(a)，主要是產(chǎn)生共振，用于接收超聲波。而在串聯(lián)共振頻率()處發(fā)送靈敏度最高，在逆共振頻率(a)處接收靈敏度最高。所以選用一對(duì)超聲波換能器，使其效率最高。超聲波傳感器產(chǎn)生振蕩的方法很多，主要有以下幾種:(1)由外部電路產(chǎn)生振蕩，如NE555低頻振蕩器調(diào)制40kH之的高頻信號(hào)，高頻信號(hào)通過超聲波傳感器以聲能形式輻射出去。(2) 使用工業(yè)用小功率超聲波收發(fā)控制集成電路LM1812驅(qū)動(dòng)發(fā)送超聲波傳感器振蕩。(3) 采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器或直接使用程序產(chǎn)生固定的脈沖，通過放大處理后驅(qū)動(dòng)發(fā)送超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波.3 超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)發(fā)射驅(qū)

30、動(dòng)超聲波接收處理單片機(jī)LED顯示控制鍵 盤溫度傳感器圖3.1 液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖報(bào)警電路控制電路本文設(shè)計(jì)的超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng)工作原理框圖如圖3-1所示。該系統(tǒng)由AT89C2051 單片機(jī)1、超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、環(huán)境溫度采集電路、報(bào)警電路、控制鍵盤、控制電路及顯示電路組成。AT89C2051 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)各部件的工作。發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊振蕩源和放大驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)控制發(fā)射模塊產(chǎn)生40kHz的頻率信號(hào)來驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，每次發(fā)射包含若干個(gè)脈沖（發(fā)射持續(xù)約0.15ms），當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖發(fā)射后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，在檢測(cè)到第一個(gè)回波脈沖的瞬間，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這樣就能夠得到從發(fā)射

31、到接收的時(shí)間t；溫度采集電路也將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集送到單片機(jī)中，提供計(jì)算距離時(shí)對(duì)超聲波傳播速度的修正。最終單片機(jī)利用公式s = 12vt和v = 331.5 + 0.607T計(jì)算出被測(cè)距離，然后與系統(tǒng)預(yù)設(shè)距離比較，如果小于預(yù)設(shè)最低液位或者大于預(yù)設(shè)最高液位，單片機(jī)進(jìn)行液體流入流出自動(dòng)控制；當(dāng)液位變化過快或者其他單片機(jī)無法進(jìn)行液位控制的情況下，單片機(jī)啟動(dòng)報(bào)警電路通知工作人員進(jìn)行人為干預(yù)。完成這些步驟進(jìn)行第二次超聲波發(fā)射。在這過程中單片機(jī)顯示電路不斷的更新顯示的液位值。其中控制鍵盤可以控制系統(tǒng)的液位變化范圍（最高液位h1和最低液位h2）和報(bào)警參數(shù)h（超出極限低液位或極高液位認(rèn)為單片機(jī)不能完成自動(dòng)控

32、制）。3.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.2.1 超聲波頻率的選擇超聲波發(fā)散角隨頻率14的增加而增加，這樣使用雙探頭時(shí)將會(huì)有更多的繞射波被接受，所以超聲波頻率不易太高；超聲波測(cè)距的有效距離與超聲波的頻率成反比，頻率越低有效距離越大，40Hz的超聲波一般有效測(cè)距范圍為610米，超聲波測(cè)距精度和超聲波頻率成正比，因此頻率過低會(huì)影響測(cè)距精度，根據(jù)一般工業(yè)需要，結(jié)合其它因素，本系統(tǒng)采用40 KHz左右的頻率。3.2.2 單雙探頭的選擇如果使用單超聲波探頭，將會(huì)影響最小測(cè)量距離，而且可能會(huì)在轉(zhuǎn)換時(shí)有噪聲產(chǎn)生。因此本系統(tǒng)采用收發(fā)分離雙超聲波探頭。3.2.3 超聲波發(fā)射電路（1）超聲波發(fā)射電路功能發(fā)射電路目

33、的:為超聲波發(fā)射器提供它所需要的脈沖電信號(hào)依據(jù)電路需要，發(fā)射電路滿足下列要求: 振蕩電路振蕩頻率可調(diào) 驅(qū)動(dòng)能力較高 I/O口控制口（2）超聲波振蕩電路當(dāng)加載在超聲波傳感器15的兩端的信號(hào)頻率與其固有頻率為同一頻率時(shí)，發(fā)生共振，電信號(hào)電能能高效率的轉(zhuǎn)化為機(jī)械聲波機(jī)械能。一般廠家生產(chǎn)的超聲波傳感器標(biāo)識(shí)的固有頻率是40KHz，實(shí)際有偏差，如40士0.5KHz。故設(shè)計(jì)可調(diào)頻率振蕩電路，以便將信號(hào)頻率調(diào)到超聲波傳感器的固有頻率上。震蕩電路有多種設(shè)計(jì)方案，方案選擇如下:方案一：利用非門或與非門和電阻一起構(gòu)成振蕩電路，如圖3.2所示，圖3.2 非門和電阻、電容組成的振蕩電路這個(gè)電路組成的是最簡(jiǎn)單的振蕩器，這

34、種振蕩器特點(diǎn)是:T(1.42.3)RC，且電源波動(dòng)將使頻率不穩(wěn)定，適合小于100KHz的低頻振蕩情況。此振蕩是上電振蕩，不方便控制。方案二：采用兩三極管和電阻電容構(gòu)成的振蕩器如圖3-3所示，方案三：LC三點(diǎn)振蕩電路如圖3.4所示，方案四：555芯片組成振蕩電路，如圖3.5所示。555芯片振蕩電路，外圍元件少，電路簡(jiǎn)單，振蕩頻率可調(diào)，可產(chǎn)生方波和三角波，可調(diào)整波形占空比，在很多電路中都用到，如圖3.5所示。上面幾個(gè)振蕩電路都是很實(shí)用的電路，外圍元件少，電路簡(jiǎn)單，芯片驅(qū)動(dòng)能力大，振蕩輸出的信號(hào)為方波信號(hào)?？紤]系統(tǒng)需要和方便，本文中的振蕩電路選方案四，用555芯片和外圍元件構(gòu)成振蕩電路，此電路穩(wěn)定且

35、易控制。圖 3.3 三極管和電阻電容構(gòu)成的振蕩器圖3.4 LC三點(diǎn)振蕩電路圖 3.5 555芯片組成振蕩電路本文中采用的555芯片振蕩電路, 頻率的計(jì)算如下：RA =1.5K、 RB=15K、 C=1000pFTL = 0.69x RBx C= 0.69x15x103x1000x 10-12= 10secTH=0.69 x(RA + RB)x C= 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12= 11secf = 1/(TL + TH)= 1/(10.35 + 11.39) x 10-6)= 46.0 KHz （3）超聲波驅(qū)動(dòng)電路原理圖驅(qū)動(dòng)電路3目的:為超聲波發(fā)射器提供足夠

36、功率的脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路要求產(chǎn)生出具有一定功率，一定脈沖寬度和一定頻率的超聲電脈沖去激勵(lì)發(fā)射器，由發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械波機(jī)械能。驅(qū)動(dòng)電路有幾種方案，如下：采用專用芯片驅(qū)動(dòng)。由分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路，其價(jià)格便宜，元件普通，調(diào)試方便。采用變壓器提升電壓，增加驅(qū)動(dòng)能力。采用非門并接利用芯片的驅(qū)動(dòng)能力。聲波在空氣中傳播受空氣介質(zhì)影響，距離越大衰減越大。為能接收遠(yuǎn)距離得回波，采取有效措施有:增加驅(qū)動(dòng)功率，減小聲波頻率。本文采用變壓器升壓增加驅(qū)動(dòng)能力。整個(gè)發(fā)射電路由555振蕩電路、晶體管放大電路、變壓器以及壓電超聲波傳感器組成17。40kHz振蕩信號(hào)由555集成塊和周圍電路產(chǎn)生,然后送至放大電路驅(qū)動(dòng)

37、壓電傳感器發(fā)出一系列的脈沖群,每一個(gè)脈沖群持續(xù)時(shí)間大約為0.15ms 左右。信號(hào)經(jīng)過三級(jí)管放大,再經(jīng)過阻抗匹配電路即變壓器(變壓器輸入輸出比110 ) 后,驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭,發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓,內(nèi)部的壓電晶片開始震動(dòng),經(jīng)過壓電換能器將發(fā)出40kHZ的脈沖超聲波。具體電路如圖3.6所示。圖 3.6 超聲波發(fā)射電路3.2.4 超聲波的接收和處理單元 (1)超聲波接收電路功能根據(jù)電路需求，需要接收放大電路滿足以下要求:微弱信號(hào)放大，放大倍數(shù)要求從mV到V。波形整形。如圖3.7所示，超聲波接收器13將接收到回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)(正弦波)，信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)放大以后，被送入電壓比較器進(jìn)行比較，電壓

38、比較器輸出的方波信號(hào)直接輸入INT0中斷口，該低電平作為AT89c51外部中斷0的中斷信號(hào)使AT89C51產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中停止計(jì)數(shù)器T0的計(jì)時(shí)，并計(jì)算出有關(guān)數(shù)據(jù)。由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號(hào)的換向識(shí)別、轉(zhuǎn)換、信號(hào)的放大和整形以及產(chǎn)生中斷信號(hào)等功能。如圖3.7進(jìn)行波形處理。圖3.7 接收電路信號(hào)變化關(guān)系圖（2）超聲波接收電路微弱信號(hào)需要放大整形，因此接收部分電路主要由放大電路、電壓比較電路構(gòu)成。根據(jù)所用的T/R40-16型超聲波傳感器的資料以及在實(shí)驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象，超聲波發(fā)射器在發(fā)射超聲波時(shí)，有一部分聲波從發(fā)射器直接傳到接收器，這部分信號(hào)直接加到回波信號(hào)中，干擾回波信號(hào)的檢

39、測(cè)。此問題在軟件中處理。超聲波接收電路將接收換能器輸出的微弱信號(hào)，進(jìn)行濾波、放大、檢波、整形，來得到大幅值電信號(hào)，供單片機(jī)INT0端口辨識(shí)。接收電路可采用新產(chǎn)品專用集成電路，也可用傳統(tǒng)的濾波、放大、檢波、整形的電路。過去均采用分立元件構(gòu)成，現(xiàn)在可以用專用超聲波接收集成電路來代替。還可以使用價(jià)格便宜的極普通的Mpc08C作為超聲波的放大電路，采用獨(dú)特的連接方式，可獲得非常好的應(yīng)用效果。通過比較幾個(gè)電路，用集成芯片固然能簡(jiǎn)單快捷，外圍元件少，但是通過多級(jí)運(yùn)放作為放大電路能改變放大倍數(shù)，能適應(yīng)小信號(hào)的采集。綜合因素考慮，本論文中采用圖3.8所示的電路，即10采用運(yùn)算放大器TL084CN構(gòu)成放大電路:

40、當(dāng)頻率為40KHz時(shí)，理論上極限放大約1000倍，但實(shí)際工作中不可能讓放大器工作于極限狀態(tài)，放大倍數(shù)過高，易產(chǎn)生自激振蕩。因此采用兩極放大，每級(jí)放大倍數(shù)45.5倍。 放大電路兩級(jí)放大，放大倍數(shù)分別為45.545.5。 在此電路中R108并接接收器兩端，其目的取微弱信號(hào)為電壓信號(hào)，供放大電路放大，放大電路的輸入阻值為18M，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100K，靈敏度高，放大電壓幅值為2.5士1V,士1V隨距離遠(yuǎn)近而變化。 C108連接前后兩極放大，阻兩極間直流，通兩極間交流。 運(yùn)放芯片采用TL084，供電電壓為9V，單電壓供電。 在接收器的輸入端接入2.5V是為了將微弱信號(hào)加載在2.5V使信號(hào)更有利于放大，除去不

41、必要的干擾以及比較電路的設(shè)計(jì)。圖3.8 由TL084集成運(yùn)放兩級(jí)放大接收電路比較電路目的是將mV級(jí)的微弱信號(hào)放大后的V級(jí)信號(hào)整形成能為INT0辨識(shí)的脈沖信號(hào)，本文是下降沿引起中斷。根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)思想，要將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU識(shí)別的高低中斷信號(hào)，所以在對(duì)回波信號(hào)(正弦波)經(jīng)過兩次放大以后，需要將正弦波整形成方波，于是后面接了一個(gè)電壓比較電路?？紤]輸入頻率為40KHz，采用了集成電壓比較器LM393。LM393具有低偏置電流和失調(diào)電流(典型值分別為100nA和6nA)，其響應(yīng)速度為200ns?？捎脝坞娫垂╇?如+5V)，也可用雙電源供電(如12V)。在本系統(tǒng)中采用了+5V單電源供電。通過實(shí)驗(yàn)觀

42、察，LM393輸出信號(hào)符合設(shè)計(jì)要求，單片機(jī)INT0端口識(shí)別引腳1處標(biāo)準(zhǔn)下降沿，具體電路如圖3.9所示。圖3.9 LM393構(gòu)成比較電路如圖3.9所示，放大后的信號(hào)由LM393第2腳進(jìn)入，在第3腳是+2.5V有一個(gè)電容電阻接入的比較基準(zhǔn)電壓，由于R2電阻可調(diào)，4即根據(jù)輸入的信號(hào)可以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓?？梢杂行У胤乐骨_。LM393是+9V(可調(diào))供電，需要在輸出端口接上一個(gè)上拉電阻R3，該電阻由+5V供電，將+9V高電平拉低到+5V高電平，供單片機(jī)INTO端口識(shí)別。 完整的超聲波接收和處理電路，如圖3.10所示。3.2.5 溫度補(bǔ)償單元（1）補(bǔ)償目的聲波在介質(zhì)中的速度受介質(zhì)、介質(zhì)溫度影響。在本課題中，

43、介質(zhì)是空氣，空氣顆粒較小，對(duì)超聲波衰減影響較小，忽視其帶來的影響，但空氣溫度變化影響較大，不容忽視。圖3.10 超聲波的接收和處理電路（2）DS18B20簡(jiǎn)介DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比, 他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)表方式?？梢苑謩e在93175ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量, 并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線(單線接口) 讀寫, 溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線, 總線本身也可以向所掛接的DS18 B20供電,

44、而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單, 可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820 有了很大的改進(jìn), 給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果11。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝, 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.11所示。 64b閃速ROM 的結(jié)構(gòu)如下:8b檢驗(yàn)CRC48b序列號(hào)8b工廠代碼（10H）MSB LSBMSB LSBMSB LSB圖3.11DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖開始8位是產(chǎn)品類型的編號(hào), 接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào), 共有48 位, 最后8位是前56位的CRC校驗(yàn)碼, 這也是多個(gè)DS1

45、8B20可以采用一線進(jìn)行通信的原因。 非易市失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH 和TL，可通過軟件寫入用戶報(bào)警上下限。 高速暫存存儲(chǔ)器DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器12包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的E2RAM。后者用于存儲(chǔ)TH , TL值。數(shù)據(jù)先寫入RAM ,經(jīng)校驗(yàn)后再傳給E2RAM。而配置寄存器為高速暫存器中的第5個(gè)字節(jié), 他的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率,DS18B20工作時(shí)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如下:TMR1R011111低5位一直都是1, TM是測(cè)試模式位, 用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式。在DS18B20

46、出廠時(shí)該位被設(shè)置為0, 用戶不要去改動(dòng), R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù), 即是來設(shè)置分辨率, 如表3.1所示(DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為12 位)。表3.1 R1和R0模式表R1R0分辨率分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間/ms009位93.750110位187.51011位275.001112位750.00由表3.1可見, 設(shè)定的分辨率越高, 所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長(zhǎng)。因此, 在實(shí)際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。高速暫存存儲(chǔ)器除了配置寄存器外, 還有其他8個(gè)字節(jié)組成, 其分配如下所示。其中溫度信息(第1,2字節(jié))、TH 和TL 值第3, 4字節(jié)、第68 字節(jié)未用,表現(xiàn)為全邏輯1; 第9

47、字節(jié)讀出的是前面所有8 個(gè)字節(jié)的CRC 碼, 可用來保證通信正確。表3.2溫度低位溫度高位T HTL配置保留保留保留8 位CRCLSBMSB當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后, 開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16 位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1, 2 字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù), 讀取時(shí)低位在前, 高位在后, 數(shù)據(jù)格式以010625。LSB形式表示。溫度值格式如下:232221202-12-22-32-4MSBLSB SSSSS262524MSBLSB對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算: 當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí), 直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S= 1時(shí), 先將補(bǔ)碼變換為原碼,

48、再計(jì)算十進(jìn)制值。表3.2是對(duì)應(yīng)的一部分溫度值。DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后, 就把測(cè)得的溫度值與TH , TL作比較, 若T TH 或T TL , 則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位, 并對(duì)主機(jī)發(fā)出的告警搜索命表3.2部分溫度值溫度/二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+ 12500000111 01000007D0H+ 25.062500000001 100100010191H+ 0.500000000 000010000008H000000000 000000000000H- 0.511111111 11111000FFF8H- 25.062 511111110 01101111FE6FH-551111110

49、0 10010000FC90H令作出響應(yīng)。因此, 可用多只DS18B20 同時(shí)測(cè)量溫度并進(jìn)行告警搜索。DS18B20與單片機(jī)的接口電路見圖3.13圖 3.13 DS18B20與單片機(jī)的接口3.2.6 顯示電路設(shè)計(jì)顯示模塊使用靜態(tài)顯示，這樣可以提高單片機(jī)工作效率，同時(shí)提高顯示亮度，在室外使用時(shí)方便使用者讀取數(shù)據(jù)。所謂靜態(tài)顯示，就是8當(dāng)顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。例如7段顯示器的a、b、c、d、e、f段導(dǎo)通，g、dp段截止，則顯示0。這種顯示方法的都需要有一個(gè)8位輸出口控制。對(duì)于51單片機(jī)，可以在并行口上擴(kuò)展多片鎖存器74LS573作為靜態(tài)顯示器接口,但這樣做相對(duì)麻煩一些，

50、本系統(tǒng)直接用四個(gè)I/O口連接LED的片選端口。靜態(tài)顯示器的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一定的情況下顯示器的亮度高，控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，僅僅在需要更新顯示內(nèi)容時(shí)，單片機(jī)才執(zhí)行一次顯示子程序，這樣大大節(jié)省了單片機(jī)CPU的時(shí)間，提高了單片機(jī)的工作效率；缺點(diǎn)是位數(shù)多時(shí)，硬件開銷太大。因此靜態(tài)顯示適合顯示亮度要求高、位數(shù)不多的情況下使用13。 本設(shè)計(jì)中的顯示電路如圖3.10。其中七位段碼由單片機(jī)P0口經(jīng)過鎖存器提供。片選信號(hào)由單片機(jī)的P1.4P1.7四個(gè)I/O口提供。圖3.10 顯示電路3.2.7 鍵盤電路設(shè)計(jì) 鍵盤采用44矩陣式鍵盤，接單片機(jī)P2口，由程序掃P2口判斷按下的是那個(gè)位置的鍵，然

51、后查詢鍵值表，執(zhí)行相應(yīng)的功能。圖 3.12 鍵盤控制電路3.2.8 電磁閥控制電路設(shè)計(jì)液體由管道經(jīng)過電磁閥注入，系統(tǒng)通過控制電磁閥4來控制液體的注入?？刂菩盘?hào)來自單片機(jī)的P1.6引腳，經(jīng)過三極管放大來驅(qū)動(dòng)繼電器，電磁閥由繼電器直接控制。具體電路如圖3.11所示。圖3.11 電磁閥控制電路其中R2、R3為限流電阻，防止三極管燒壞；LED為繼電器工作指示燈；二極管D1起到保護(hù)繼電器線圈的作用；R4、C4和R5共同起到消除繼電器斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧。3.2.9 報(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警電路由一個(gè)蜂鳴器組成，由單片機(jī)的P2.4腳控制，經(jīng)過三極管放大驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。測(cè)量的距離超出設(shè)定的距離后由程序?qū)纹瑱C(jī)的P2.4置1

52、，蜂鳴器開始發(fā)聲。3.2.10 系統(tǒng)控制單元控制單元由單片機(jī)AT89C51和周圍器件構(gòu)成。AT89C51是一個(gè)2k字節(jié)可編程EPROM的高性能微控制器。它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51的指令和引腳兼容，因而是一種功能強(qiáng)大的微控制器【9】，它對(duì)很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)高度靈活有效的解決方案。AT89C51有以下特點(diǎn)：2k字節(jié)EPROM、128字節(jié)RAM、15根I/O線、2 個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、5個(gè)向量二級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)全雙向的串行口、并且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，具有4.25V至5.5V的電壓工作范圍和12MHz/24MHz工作頻率，同時(shí)還具有加密陣列的二級(jí)程序存儲(chǔ)器加鎖、掉電和時(shí)鐘電路等。

53、此外，AT89C51還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式?？臻e時(shí)，CPU停止，而讓RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作?？傻綦姳４鍾AM的內(nèi)容，但可使振蕩器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件復(fù)位。AT89C51有2個(gè)16位計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器寄存器Timer0 和Timer1。作為一個(gè)定時(shí)器，每個(gè)機(jī)器周期寄存器增加1，這樣寄存器即可計(jì)數(shù)機(jī)器周期。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期有12個(gè)振蕩器周期，所以計(jì)數(shù)率是振蕩器頻率的1/12。作為一個(gè)計(jì)數(shù)器，該寄存器在相應(yīng)的外部輸入腳P3.4/T0和P3.5/T1上出現(xiàn)從1至0的變化時(shí)增1。由于需要二個(gè)機(jī)器周期來辨認(rèn)一次1到0的變化，所以最大的計(jì)數(shù)率是振蕩器頻率的1

54、/24，可以對(duì)外部的輸入端P3.2/INT0和P3.3/INT1編程，便于測(cè)量脈沖寬度的門。充分利用AT89C51的片內(nèi)資源，即可在很少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的液位監(jiān)控系統(tǒng)。C1、C2、Y4組成時(shí)鐘電路，為單片機(jī)1工作提供時(shí)鐘脈沖。R1、C1、S1共同組成復(fù)位電路。P3.0與DS18B20相連，通過程序控制，完成與DS18B20的通信和對(duì)DS18B20的控制。P1.7接發(fā)射電路的控制信號(hào)接口，有單片機(jī)程序控制P1.7的電平來完成對(duì)發(fā)射電路的控制。P3.2與接收電路的輸出電平接口相連，當(dāng)接收電路輸出低電平的時(shí)候，P1.7引發(fā)中斷。P0口接的是顯示電路。P1.6接一個(gè)開關(guān)，單片機(jī)程序通過查詢

55、P1.6來控制系統(tǒng)的工作和停止。P0口為顯示數(shù)據(jù)接口，P1.0P1.3為L(zhǎng)ED片選信號(hào)接口，通過程序來選中其中一個(gè)LED芯片。P1.5為電磁閥控制接口，通過程序控制P1.5的電平來控制電磁閥的打開和關(guān)閉。P1.4為報(bào)警電路接口，P1.4高電平啟動(dòng)報(bào)警電路，低電平關(guān)閉報(bào)警電路停止報(bào)警。P2口為鍵盤接口，通過軟件掃描P2口，再查詢鍵值表，然后再執(zhí)行相應(yīng)的程序來完成鍵盤相應(yīng)的功能。圖 3.12 系統(tǒng)控制模塊3.3 電源電路的設(shè)計(jì)3.3.1 直流穩(wěn)壓電源的組成 圖3.12直流穩(wěn)壓電源組成框圖小功率穩(wěn)壓電源是由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成的。 其框圖如圖3.12所示。 (1)電源變壓器：將交流電網(wǎng)220V交流電壓變成所需的交流電壓。變壓過程通常由變壓器來完成，如收錄機(jī)、VCD、黑白電視機(jī)等設(shè)備的電源，大都是用變壓器來降低電網(wǎng)電壓的。 (2)整流器：將工頻交流電轉(zhuǎn)為具有直流電成分的脈動(dòng)直流電。整流電路通常有半波整流電路、全波整流、橋式整流電路等，橋式整流較為常用。 (3)濾波器：將脈動(dòng)直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分，常用的濾波電