基于單片機(jī)的超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)方案

1、 PAGE55 / NUMPAGES60摘 要超聲波液位測(cè)量是一種非接觸式的測(cè)量方式,它是利用超聲波在同種介質(zhì)中傳播速度相對(duì)恒定以與碰到障礙物能反射的原理研制而成的。與其它方法相比(如電磁的或光學(xué)的方法),它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色的影響，對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此，研究超聲波在高精度測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)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液位測(cè)量，采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)處理，給出了超聲波發(fā)射和接收電路，通過(guò)盲區(qū)的消除以與環(huán)境溫度的采樣

2、，提高了測(cè)距的精確度。利用超聲波傳輸中距離與時(shí)間的關(guān)系，設(shè)計(jì)出了能精確測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離的超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)液位。 并有超聲波處理模塊CX20106A、CD4069組成的超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機(jī)復(fù)位電路、LED顯示電路、報(bào)警電路等。軟件部分由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序組成。各探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理。最后通過(guò)實(shí)物的調(diào)試，各項(xiàng)參數(shù)與功能符合設(shè)計(jì)要求，能達(dá)到預(yù)期的目的。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī);超聲波;溫度控制;高精度測(cè)距AbstractThe ultrasonic liquid level measu

3、rement is a non-contact measurement method, realized by the principle of ultrasonicwave in the same medium with relatively constant propagation velocity and being reflected when it approaches an obstacle. Compared with other methods (such as electromagnetic or optical method), it has a certain of ad

4、aptability when objects to be measured are under such harsh environment as darkness, dust, smoke, electromagnetic interference, toxicity, unaffected by the light or the color of the object to be measured. Therefore, it bears important practical significance to conduct research onthe application of u

5、ltrasonic wave in high precision ranging system.In this project, SCM-based ultrasonic liquid level measuring system is mainly composed of two components, namely the hardware and the software.The hardware is ultrasonic liquid level measurement based on AT89C51 chip as the core;it adopts AT89C51 singl

6、e chip microcomputer for control and data processing, provides the ultrasonic transmitting and receiving circuit, and improves ranging accuracythrough elimination of blind spot and sampling of ambient temperature,. By taking advantage of the relationship between distance and time in ultrasonic trans

7、mission, an ultrasonic liquid level detecting system which can accurately measure the distance between two points is designed. This system has these advantages like easycontrol, reliable operation, high measurement precision, and real-time detection of liquid level. And it has ultrasonic transmittin

8、g and receiving circuit, reset circuitsofSCM, LED display circuit, alarm circuit composed of ultrasonic processing module CX20106A and CD4069. The software part consists of main program, preset subroutine, transmitting and receiving subroutine, and display subroutine. The probe signal is processed b

9、y SCM throughcomprehensive analysis.Finally through debugging of real objects, various parameters and functions can meet the project requirements to achieve the desired objective. Key words: single chip microcomputer (SCM); ultrasonic wave; temperature control; high precision ranging目 錄TOC o 1-3 h u

10、 HYPERLINK l _Toc23390 第一章 緒 論 PAGEREF _Toc23390 1 HYPERLINK l _Toc14904 1.1 課題研究的背景與意義 PAGEREF _Toc14904 1 HYPERLINK l _Toc5222 1.2 國(guó)外發(fā)展的現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc5222 3 HYPERLINK l _Toc26585 1.3 液位計(jì)的類型 PAGEREF _Toc26585 3 HYPERLINK l _Toc13561 1.4 本文的主要工作 PAGEREF _Toc13561 5 HYPERLINK l _Toc28379 第2章 系統(tǒng)的總體方案

11、設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc28379 7 HYPERLINK l _Toc13922 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)容和功能 PAGEREF _Toc13922 7 HYPERLINK l _Toc13689 2.2 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求： PAGEREF _Toc13689 7 HYPERLINK l _Toc22428 2.3 系統(tǒng)方案選擇 PAGEREF _Toc22428 8 HYPERLINK l _Toc29100 2.4 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc29100 8 HYPERLINK l _Toc17924 2.5 超聲波和超聲波傳感器 PAGEREF _Toc17924

12、9 HYPERLINK l _Toc13716 2.6 超聲波傳感器的主要應(yīng)用 PAGEREF _Toc13716 10 HYPERLINK l _Toc25735 2.7 超聲波傳感器測(cè)距原理 PAGEREF _Toc25735 10 HYPERLINK l _Toc21626 2.8 超聲波測(cè)距原理 PAGEREF _Toc21626 12 HYPERLINK l _Toc27950 2.9 超聲波發(fā)生器選擇 PAGEREF _Toc27950 12 HYPERLINK l _Toc3222 2.10 盲區(qū)處理 PAGEREF _Toc3222 14 HYPERLINK l _Toc185

13、00 第3章 各單元硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc18500 16 HYPERLINK l _Toc1077 3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 PAGEREF _Toc1077 16 HYPERLINK l _Toc3429 3.2 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc3429 18 HYPERLINK l _Toc23804 3.3 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc23804 19 HYPERLINK l _Toc1583 3.4 超聲波接收電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc1583 20 HYPERLINK l _Toc30299 3.5 顯示電路設(shè)計(jì) PAGEREF

14、_Toc30299 22 HYPERLINK l _Toc1914 3.6 電源電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc1914 22 HYPERLINK l _Toc103 3.7 LED顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc103 23 HYPERLINK l _Toc23862 3.8 報(bào)警電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc23862 24 HYPERLINK l _Toc19124 第4章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc19124 26 HYPERLINK l _Toc9833 4.1 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc9833 26 HYPERLINK l _Toc

15、22255 4.2 主程序流程圖 PAGEREF _Toc22255 26 HYPERLINK l _Toc10718 4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖 PAGEREF _Toc10718 29 HYPERLINK l _Toc13631 4.4 單片機(jī)的C程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc13631 31 HYPERLINK l _Toc12673 4.5 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試 PAGEREF _Toc12673 39 HYPERLINK l _Toc8377 4.6 調(diào)試分析 PAGEREF _Toc8377 39 HYPERLINK l _Toc10630 4.6.1 LED顯示程序的調(diào)試 PAG

16、EREF _Toc10630 39 HYPERLINK l _Toc17516 4.6.2 溫度測(cè)量程序的調(diào)試 PAGEREF _Toc17516 40 HYPERLINK l _Toc27077 第5章 結(jié)論 PAGEREF _Toc27077 41 HYPERLINK l _Toc5580 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc5580 42 HYPERLINK l _Toc752 致 PAGEREF _Toc752 44 HYPERLINK l _Toc22411 附錄 PAGEREF _Toc22411 45 HYPERLINK l _Toc30355 附錄 PAGEREF _Toc303

17、55 54 HYPERLINK l _Toc12320 附錄 PAGEREF _Toc12320 55第一章 緒 論課題研究的背景與意義目前，液位測(cè)量技術(shù)已經(jīng)廣泛的運(yùn)用在工業(yè)部門和日常檢測(cè)部門中。例如：液位測(cè)量技術(shù)在石油、化工、氣象等部門的應(yīng)用。在測(cè)量條件和環(huán)境來(lái)說(shuō)，有的測(cè)量系統(tǒng)被運(yùn)用在十分復(fù)雜的條件與環(huán)境中。例如:有的是高溫高壓，有的是低溫或真空，有的需要防腐蝕、防輻射，有的從安裝上提出苛刻的限制，有的從維護(hù)上提出嚴(yán)格的要求等。這些都大大的提高了對(duì)測(cè)量技術(shù)的要求。所以能實(shí)現(xiàn)測(cè)量的無(wú)接觸與智能化是液位測(cè)量計(jì)現(xiàn)在的主要發(fā)展方向。近年來(lái)，隨著工業(yè)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)、微電子、傳感器等高新技術(shù)的應(yīng)用和研究

18、，液位儀表的研制得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，以適應(yīng)越來(lái)越高的應(yīng)用要求。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測(cè)量容器中液體的液位。在一般的生產(chǎn)過(guò)程中，液位測(cè)量的目的主要是通過(guò)液位測(cè)量來(lái)確定容器里的原料、半成品或產(chǎn)品的數(shù)量，以保證生產(chǎn)過(guò)程各環(huán)節(jié)物料平衡以與為進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算提供可靠的依據(jù);另外還為了在連續(xù)生產(chǎn)的情況下，通過(guò)液位測(cè)量，了解液位是否在規(guī)定的圍，從而維持正常生產(chǎn)、保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量以與保證安全生產(chǎn)。液位的測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的作用已經(jīng)相當(dāng)重要。隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，液位測(cè)量已應(yīng)用到越來(lái)越多的領(lǐng)域，不僅用于各種容器、管道液體液位的測(cè)量，還用于水渠、水庫(kù)、江河、湖海水位的測(cè)量。這些領(lǐng)域使用傳統(tǒng)的液位測(cè)量手段已經(jīng)無(wú)

19、法滿足對(duì)其精確性的要求，所以超聲波液位測(cè)量這種新的測(cè)量方向已經(jīng)成為一種新的手段被廣泛的應(yīng)用。在目前市場(chǎng)上，按測(cè)量液位的感應(yīng)元件與被測(cè)液體是否接觸，液位儀表可以分為接觸型和非接觸型兩大類3。接觸型液位測(cè)量主要有:人工檢尺法、浮子測(cè)量裝置、伺服式液位計(jì)、電容式液位計(jì)以與磁致伸縮液位計(jì)等。它們的共同點(diǎn)是測(cè)量的感應(yīng)元件與被測(cè)液體接觸，即都存在著與被測(cè)液體相接觸的測(cè)量部件且多數(shù)帶有可動(dòng)部件。因此存在一定的磨損且容易被液體沾污或粘住，尤其是桿式結(jié)構(gòu)裝置，還需有較大的安裝空間，不方便安裝和檢修。非接觸型液位測(cè)量主要有微波雷達(dá)液位計(jì)、射線液位計(jì)以與激光液位計(jì)等。顧名思義，這類測(cè)量?jī)x表的共同特點(diǎn)是測(cè)量的感應(yīng)元件

20、與被測(cè)液體不接觸。因此測(cè)量部件不受被測(cè)介質(zhì)影響，也不影響被測(cè)介質(zhì)，因而其適用圍較為廣泛，可用于接觸型測(cè)量?jī)x表不能滿足的特殊場(chǎng)合，如粘度高、腐蝕性強(qiáng)、污染性強(qiáng)、易結(jié)晶的介質(zhì)。超聲波液位測(cè)量計(jì)就屬于非接觸型液位測(cè)量的一種，所以它也有不受被測(cè)介質(zhì)影響，不影響被測(cè)介質(zhì)，能適應(yīng)粘度高、腐蝕性強(qiáng)、污染性強(qiáng)、易結(jié)晶、高溫、高壓、低溫、低壓、有輻射性、毒性、易揮發(fā)易爆等特殊介質(zhì)的測(cè)量的特點(diǎn)，能適應(yīng)的圍比其它的測(cè)量手段更廣泛。隨著科學(xué)的發(fā)展液位的檢測(cè)方法也在變化，精度也有了更佳的提高。單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展使液位測(cè)量方法得到了更進(jìn)一步的發(fā)展。超聲波在液位測(cè)量中的應(yīng)用也越來(lái)越廣，但是就目前的發(fā)展水平來(lái)說(shuō)，超

21、聲波在測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用還有一定的限度，因此研究超聲波的液位檢測(cè)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(jì)中，通過(guò)外界環(huán)境溫度的檢測(cè)提高了超聲波測(cè)距的精度。通過(guò)延時(shí)避免了接收未經(jīng)液面反射的超聲波，其次利用溫度傳感器檢測(cè)外界溫度，采用當(dāng)前溫度下的超聲波速度去計(jì)算，從而提高了距離計(jì)算的精度。在未來(lái)，超聲波的液位測(cè)量將有更大的用途，更大的應(yīng)用圍。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(cè)和研究的手段。特別是水位的測(cè)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(jì)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(lái)，超聲波接收探頭接收超

22、聲波。其間通過(guò)單片機(jī)的控制，P1.0口輸出控制信號(hào)從555振蕩器輸入到驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)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(hào)向前方空間發(fā)射。經(jīng)過(guò)液面反射后超聲波接收探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(guò)各個(gè)引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)和各電路模塊的接口連接。并通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)來(lái)控制整個(gè)檢測(cè)過(guò)程。一步一步，從發(fā)射到接收超聲波，定時(shí)器的初始化，中斷程序的編寫，溫度的采樣，距離的計(jì)算，單片機(jī)都發(fā)揮了重要的最用。它是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的部核心。這次對(duì)超聲波液位檢測(cè)的設(shè)計(jì)獲得了具有很大的成果和意義，在這個(gè)科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的時(shí)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

23、的價(jià)值。在設(shè)計(jì)中，我加深了對(duì)超聲波的認(rèn)識(shí)，對(duì)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(shí)到單片機(jī)在各方面都有很大的應(yīng)用潛能，在自動(dòng)控制領(lǐng)域它更是發(fā)揮了不可替代的作用。本設(shè)計(jì)利用超聲波實(shí)現(xiàn)液位的測(cè)量，檢測(cè)方便，易于實(shí)時(shí)控制，達(dá)到了工業(yè)的要求，因此具有實(shí)際的意義和廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)外發(fā)展的現(xiàn)狀隨著 HYPERLINK :/ dlgcw .cn/tag/view/id-%B5%E7%D7%D3 電子技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了微波雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距與超聲波測(cè)距。前2種 HYPERLINK :/ dlgcw .cn/tag/view/id-%B7%BD%B7%A8

24、方法由于技術(shù)難度大成本高一般僅用于軍事工業(yè)而超聲波測(cè)距則由于其技術(shù)難度相對(duì)較低且成本低廉適于民用推廣。這項(xiàng)技術(shù)也可用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波常常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波 HYPERLINK :/ dlgcw .cn/tag/view/id-%BC%EC%B2%E2 檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí) HYPERLINK :/ dlgcw .cn/tag/view/id-%BF%D8%D6%C6 控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛

25、的應(yīng)用。隨著自動(dòng)測(cè)量和微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)距的理論已經(jīng)成熟，超聲波測(cè)距的應(yīng)用也非常廣泛。超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光芒、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測(cè)量、機(jī)單片機(jī)畢業(yè)論文械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特殊是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波 HYPERLINK :/ dlgcw .cn/tag/view/id-%D0%C5%BA%C5 信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu) HYPERLINK :/ dlgcw .cn/tag/view/

26、id-%D0%C5%CF%A2 信息很輕易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨力，因而其正確度也較其它方法為高；而且超聲波 HYPERLINK :/ dlgcw .cn/tag/view/id-%B4%AB%B8%D0%C6%F7 傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)也是利用超聲波來(lái)測(cè)量距離。液位計(jì)的類型按測(cè)量液位的感應(yīng)元件與被測(cè)液體是否接觸，液位儀表可以分為接觸型和非接觸型兩大類。一、接觸型液位儀表：接觸型液位儀表主要有:人工檢尺法、浮子測(cè)量裝置、伺服式液位計(jì)、電容式液位計(jì)以與磁致伸縮液位計(jì)。它們的共同特點(diǎn)是測(cè)量的感應(yīng)元件與被測(cè)液體接觸。1.人工檢尺法：計(jì)量員上到罐頂，自計(jì)量孔投放

27、測(cè)深鋼卷尺，然后取出尺子，觀測(cè)液面浸濕尺子的刻度，此為人工檢尺法。人工檢尺法具有測(cè)量簡(jiǎn)單、直觀、成本低等特點(diǎn)，但由于其是人工測(cè)量，故不適合在惡劣的情況下使用，另外需要較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間，難以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量，不僅如此，還容易造成人為的測(cè)量誤差。2.浮子測(cè)量裝置：它是由浮子、傳感器和二次儀表組成，是通過(guò)用浮子測(cè)量浮力的大小定量測(cè)量液位，將該裝置固定在罐中，使浮子立于罐中處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，浮子在罐中所受浮力的大小等于液體的排出量。當(dāng)浮力的大小發(fā)生變化時(shí)，變化值通過(guò)浮子傳遞給傳感器，經(jīng)過(guò)二次儀表顯示出液位的數(shù)值。浮子式液位裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但是浮子會(huì)隨著液面的波動(dòng)而波動(dòng)，從而造成讀數(shù)誤差

28、。浮子測(cè)量裝置的適用圍為非腐蝕液體的測(cè)量。3.伺服式液位計(jì)：伺服式液位計(jì)基于浮力平衡的原理，由微伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)體積較小的浮子，能精確地測(cè)出液位等參數(shù)?，F(xiàn)代伺服液位計(jì)的測(cè)量精度己達(dá)到40m圍小于士1 mm。但是，由于伺服式液位計(jì)仍屬于機(jī)械測(cè)量裝置，存在機(jī)械磨損，影響了測(cè)量的精度，因此需要定期維修和重新定標(biāo)且安裝困難。4.電容式液位計(jì)：電容液位傳感器是利用被測(cè)對(duì)象物質(zhì)的導(dǎo)電率，將液位變化轉(zhuǎn)換成電容變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量的一種液位計(jì)。與其他液位傳感器相比，電容液位傳感器具有靈敏性好、輸出電壓高、誤差小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、無(wú)自熱現(xiàn)象、對(duì)惡劣環(huán)境的適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。常見的電容傳感器測(cè)量電路有變壓器電橋式、運(yùn)算放大器式與

29、脈沖寬度式等。這類儀表適用于腐蝕性液體、沉淀性液體以與其它化工工藝液體液面的連續(xù)測(cè)量與位式測(cè)量，或單一液面的液位測(cè)量。5.磁致伸縮液位計(jì)：磁致伸縮液位計(jì)采用磁致伸縮技術(shù)來(lái)測(cè)量大罐的油水界面和油氣界面。通常情況下，磁致伸縮液位計(jì)安裝有兩個(gè)浮子，其中一個(gè)浮子的密度小一于油品的密度，另一個(gè)浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它們分別用來(lái)檢測(cè)油氣界面和油水界面。磁致伸縮液位計(jì)安裝容易，不需要定期維修和重新定標(biāo)，工作壽命較長(zhǎng)。其測(cè)量精度較高，測(cè)量的重復(fù)精度也較高，是比較理想的接觸型液位計(jì)。但是磁致伸縮液位計(jì)與被測(cè)液體接觸，儀器容易受到腐蝕，且液體的密度變化會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。此外，浮子裝置沿著波導(dǎo)管的護(hù)

30、導(dǎo)管上下移動(dòng)，容易被卡死，從而影響液位的止確測(cè)量。二、非接觸型液位儀表：非接觸型測(cè)量?jī)x表主要包括超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、射線液位計(jì)、激光液位計(jì)以與光纖液位計(jì)等。這類液位測(cè)量?jī)x表的共同特點(diǎn)是測(cè)量的敏感元件與被測(cè)液體不接觸，因此不受被測(cè)介質(zhì)影響，也不影響被測(cè)介質(zhì)，因而適用圍較為廣泛，可用于接觸式測(cè)量?jī)x表不能滿足的特殊場(chǎng)合，如粘度高、腐蝕性強(qiáng)、污染性強(qiáng)、易結(jié)晶的介質(zhì)。1.超聲波液位計(jì)：超聲波液位計(jì)是由微處理器控制的數(shù)字物位儀表。在測(cè)量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)液體表面反射后被同一種傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算傳感器到被測(cè)物體的距離。 由于采用非接觸

31、的測(cè)量，被測(cè)介質(zhì)幾乎不受限制，可廣泛用于各種液體和固體物料高度的測(cè)量。目前，智能化的超聲波液位計(jì)能夠?qū)邮招盘?hào)做精確的處理和分析：可以將各種干擾信號(hào)過(guò)濾出來(lái);識(shí)別多重回波；分析信號(hào)強(qiáng)度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息。這樣即便在有外界干擾的情況下，也能夠進(jìn)行精確的測(cè)量。超聲波液位計(jì)不僅能定點(diǎn)和連續(xù)測(cè)量，而且能方便地提供遙測(cè)和遙控所需的信號(hào)。同時(shí)，超聲波液位計(jì)不存在可動(dòng)部件，所以在安裝和維護(hù)上相應(yīng)比較方便。超聲測(cè)位技術(shù)可適用于氣體、液體或固體等多種測(cè)量介質(zhì)，因而具有較大的適應(yīng)性且價(jià)格較為便宜。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的超聲波傳感器可測(cè)量高達(dá)15m的液位。2.雷達(dá)液位計(jì)：在罐頂安裝天線，天線發(fā)射的微波是頻率波線性

32、調(diào)制的連續(xù)波，當(dāng)回波被天線接收到時(shí)，天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)回波與發(fā)射波的頻率差可以計(jì)算出物料面的距離。FMCW方式測(cè)量線路較復(fù)雜，從而測(cè)量精確度較高，同時(shí)干擾回波也較易去除，一般用于較高端的測(cè)量方案，但是安裝比較復(fù)雜且價(jià)格不菲。3.射線液位計(jì)：核輻射放出的射線(如丫射線等)具有較強(qiáng)的穿透能力，且穿過(guò)不同厚度的介質(zhì)有不同的衰減特性，核輻射式液位計(jì)正是利用這一原理來(lái)測(cè)量液位的。核輻射式液位計(jì)的核輻射源用點(diǎn)式或狹長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)安裝在油罐的外面，狹長(zhǎng)型核輻射源檢測(cè)元件也安裝在油罐外面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)液位動(dòng)態(tài)變化的檢測(cè)。除利用核輻射射線來(lái)測(cè)量之外，還可采用中子射線來(lái)測(cè)量液位。射線液位計(jì)安裝非常方便，測(cè)量精度較高

33、。因?yàn)樗鼪](méi)有任何部件與被測(cè)物體直接接觸，特別適用于傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x表不能解決的測(cè)量問(wèn)顆。4.激光液位計(jì)：其測(cè)量原理類似于超聲波液位計(jì)，只是采用光波代替了超聲波。發(fā)射傳感器發(fā)射出激光，照射到被測(cè)液面，在液面處發(fā)生反射，接收傳感器接收反射光，將從發(fā)射至接收的時(shí)間換算成液位。激光的光束很窄，在液位計(jì)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成約20mm寬的光束，這樣即使被測(cè)物面很粗糙，漫反射光也能被傳感器接收。激光液位計(jì)非常適用于開口很狹窄的容器以與高溫、高粘度的測(cè)量對(duì)象。而缺點(diǎn)是對(duì)液面的波動(dòng)很敏感，大罐的油蒸汽，水氣等微粒對(duì)測(cè)量不利，且光學(xué)鏡頭必須定期保持清潔。5.光纖液位計(jì)：光纖液位檢測(cè)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新技術(shù)。根據(jù)光導(dǎo)纖維中光

34、在不同介質(zhì)中傳輸特性的改變對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量。這類檢測(cè)儀表一般具有體積小、重量輕、無(wú)動(dòng)作部件、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)、大多可適用于任何液體液位高度的檢測(cè)與控制，特別適用于易燃、易爆、腐蝕性液體的檢測(cè)。這類檢測(cè)儀表檢測(cè)精度高但正處于發(fā)展階段尚未成熟。本文的主要工作本文主要是針對(duì)類似油罐等封閉式液體的液位的測(cè)量，在考慮了各種液位測(cè)量方式后，根據(jù)前文所述，決定要超聲波作為主要手段，采用脈沖回波測(cè)量法。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式,超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)與顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)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(shí)鐘頻率，減小

35、測(cè)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(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的LED數(shù)碼管。超聲波發(fā)射電路主要由反相器CD4069和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R2、R3一方面可以提高反相器CD4069輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由

36、震蕩時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體管的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。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)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)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)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。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(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波檢測(cè)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38kHz與測(cè)距

37、的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)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C16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(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、超聲波接收中斷程序與顯示子程序組成。我們知道C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），所以控制程序可采用C語(yǔ)言編程。超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷1檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立

38、即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在I

39、NT0端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)容和功能本設(shè)計(jì)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(lái)，超聲波接收探頭接收超聲波。其間通過(guò)單片機(jī)的控制，I/O口輸出控制信號(hào)從NE555振蕩器輸入到CD4069驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)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(hào)向前方空間發(fā)射。經(jīng)過(guò)液面反射后超聲波接收探頭將接收到的超聲波送到單片機(jī)進(jìn)行處理。輸出由LED數(shù)碼管顯示，通過(guò)盲區(qū)的消除以與環(huán)境溫度的采樣，提高了測(cè)距的精確度。利用超聲波傳輸中距離與時(shí)間的關(guān)系，

40、采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)出了能精確測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離的超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)。利用所設(shè)計(jì)出的超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)液面進(jìn)行了測(cè)試，采集當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度獲得精確的速度，計(jì)算出液面距離。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)液位。設(shè)計(jì)具體容：(1)AT89C51主控單元電路(2)超聲波發(fā)射電路(3)超聲波接收電路(4)溫度補(bǔ)償電路(5)報(bào)警與顯示電路課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求：(1) 測(cè)量距離圍要求為9.99 m； (2) 精度要求1 cm；(3) 有溫度補(bǔ)償；(4) 顯示方式為數(shù)碼管顯示；(5) 具有較強(qiáng)的抗干擾能力。(6) 盲區(qū)問(wèn)題有一定的解決方法。系統(tǒng)方案選擇為使基

41、于單片機(jī)的超聲波液位測(cè)量控制系統(tǒng)具有較好的實(shí)用性，并且具有較高的性能/價(jià)格比，對(duì)該系統(tǒng)的硬件電路作了精心設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法。按實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)分可分為以下幾個(gè)部分。其中AT89C51 單片機(jī)是整個(gè)電路的核心，它控制其他模塊來(lái)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)射與接收電路、報(bào)警與顯示電路等等。方案一:我們可以用NE555振蕩產(chǎn)生40KH的方波信號(hào)，它是基于硬件的基礎(chǔ)上，便于我們可以通過(guò)示波器觀察到40KH的方波，具有直觀且易于觀察的特點(diǎn)，有利于電路的檢測(cè)。方案二:我們可以通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生40KH的脈沖信號(hào)，在通過(guò)CD4069驅(qū)動(dòng)，將40KH的脈沖信號(hào)發(fā)射出

42、去，由于是軟件控制，準(zhǔn)確度比較高。經(jīng)過(guò)比較我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射電路中方案一的設(shè)計(jì)是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠而且比較方便，但方案二中的軟件設(shè)計(jì)使發(fā)射超聲波時(shí)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(jì)要求測(cè)量精度在1cm以，在方案二中我們通過(guò)采用CX20106可以將信號(hào)進(jìn)行放大和整形處理，在CX20106的5腳和7腳串聯(lián)一個(gè)200K的電阻可以將頻率穩(wěn)定在40KH。因此在本次設(shè)計(jì)中，我們選用的是方案二，以提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，并且在整個(gè)系統(tǒng)中我們都會(huì)采用單片機(jī)做計(jì)算和顯示。系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)主要由單片機(jī)、溫度檢測(cè)電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、LED顯示電路、報(bào)警

43、電路等組成。本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)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(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)的框圖如圖2.1所示。報(bào)警系統(tǒng)超聲波接收超聲波發(fā)送 AT89C51 單片機(jī)LED顯示溫度檢測(cè)555電路圖2.1 超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)框圖超聲波和超聲波傳感器科學(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為2020000赫茲。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時(shí)，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。超聲波的兩個(gè)主要參數(shù)： 頻率：F20K/Hz； 功率密度：p=發(fā)射功率(W)/發(fā)射面積(c

44、m2);通常p0.3w/cm2; 在液體中傳播的超聲波能對(duì)物體表面的污物進(jìn)行清洗，其原理可用“空化”現(xiàn)象來(lái)解釋：超聲波振動(dòng)在液體中傳播的音波壓強(qiáng)達(dá)到一個(gè)大氣壓時(shí)，其功率密度為0.35w/cm2，這時(shí)超聲波的音波壓強(qiáng)峰值就可達(dá)到真空或負(fù)壓，但實(shí)際上無(wú)負(fù)壓存在，因此在液體中產(chǎn)生一個(gè)很大的壓力，將液體分子拉裂成空洞空化核。此空洞非常接近真空，它在超聲波壓強(qiáng)反向達(dá)到最大時(shí)破裂，由于破裂而產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊將物體表面的污物撞擊下來(lái)。這種由無(wú)數(shù)細(xì)小的空化氣泡破裂而產(chǎn)生的沖擊波現(xiàn)象稱為“空化”現(xiàn)象。 太小的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/823622.htm t _blank 聲強(qiáng)

45、無(wú)法產(chǎn)生空化效應(yīng)。 一 、超聲波的特性 （1）超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 （2）超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。 （3）超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 （4）超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1506897.htm t _blank 空化現(xiàn)象。二 、超聲波的特點(diǎn)（1）超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。 （2）超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。 （3） 超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)）。超聲波是一種波動(dòng)形式，

46、它可以作為探測(cè)與負(fù)載信息的載體或媒介（如B超等用作診斷）；超聲波同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，它就可以通過(guò)與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)與結(jié)構(gòu)（用作治療）。 超聲波傳感器的主要應(yīng)用超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一，下面以醫(yī)學(xué)為例子說(shuō)明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來(lái)看看其中有代表

47、性的一種所謂的A型方法。這個(gè)方法是利用超聲波的反射。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個(gè)反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來(lái)，而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。 在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無(wú)損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。過(guò)去，許多技術(shù)因?yàn)闊o(wú)法探測(cè)到物體組織部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無(wú)聲息”地探測(cè)人們所需要的信號(hào)。在未來(lái)的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。超聲波傳感器測(cè)距原理超聲波傳感器是

48、利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。 以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。一 、超聲波傳感器的性能指標(biāo)超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的

49、一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不一樣，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括： （1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （2）工作溫度。由于 HYPERLINK :/baike.baidu /view/52480.htm t _blank 壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不會(huì)失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。 （3）靈敏度

50、。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。二、 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭等。當(dāng)電壓作用于壓電瓷時(shí)，就會(huì)隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動(dòng)壓電瓷時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電瓷或一片壓電瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個(gè)電信號(hào)時(shí)，就會(huì)因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)。基于以上作用，便可以將壓電瓷用作超聲波傳感器。

51、如超聲波傳感器，一個(gè)復(fù)合式振動(dòng)器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動(dòng)器是諧振器以與，由一個(gè)金屬片和一個(gè)壓電瓷片組成的雙壓電晶片元件振動(dòng)器的一個(gè)結(jié)合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動(dòng)而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動(dòng)器的中央部位。室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。壓電瓷被固定在金屬盒體的頂部側(cè)。底座固定在盒體的開口端，并且使用樹脂進(jìn)行覆蓋。對(duì)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的超聲波傳感器而言，要求其精確度要達(dá)到1mm，并且具有較強(qiáng)的超聲波輻射。利用常規(guī)雙壓電晶片元件振動(dòng)器的彎曲振動(dòng)，在頻率高于70kHz的情況下，是不可能達(dá)到此目的的。所以，在高頻

52、率探測(cè)中，必須使用垂直厚度振動(dòng)模式的壓電瓷。在這種情況下，壓電瓷的聲阻抗與空氣的匹配就變得十分重要。壓電瓷的聲阻抗為2.6107kg/m2s，而空氣的聲阻抗為4.3102kg/m2s。5個(gè)冪的差異會(huì)導(dǎo)致在壓電瓷振動(dòng)輻射表面上的大量損失。一種特殊材料粘附在壓電瓷上，作為聲匹配層，可實(shí)現(xiàn)與空氣的聲阻抗相匹配。這種結(jié)構(gòu)可以使超聲波傳感器在高達(dá)數(shù)百kHz頻率的情況下，仍然能夠正常工作。 超聲波測(cè)距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的

53、時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。 圖2.2 超聲波液位測(cè)量示意圖超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。測(cè)距的公式表示為：L=CT式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。由于超聲

54、波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。 超聲波發(fā)生器選擇超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)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(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)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(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感

55、器，常用材料是壓電式瓷。由于超聲波在空氣傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇高頻率的傳感器，而長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。一 、超聲波接收傳感器與處理芯片CX20106A超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不一樣，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般

56、比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。因此超聲波接受傳感器應(yīng)該應(yīng)用集成電路CX20106A，CX20106A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38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)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

57、擾能力。此部分電路在集成芯片上二 、溫度傳感器的選擇大家知道，聲音在不同溫度的空氣中傳播速度是不同的，所以這里要考慮到溫度補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。溫度傳感器有很多種，例如溫度傳感器AD590。AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。流過(guò)器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)。AD590的測(cè)溫圍為-55+150。AD590的電源電壓圍為4V30V。電源電壓可在4V-6V圍變化，電流變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。輸出電阻為710WM。它的精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精

58、度最高，在-55+150圍，非線性誤差為0.3。但是考慮到成本問(wèn)題我選用TS-18B20數(shù)字溫度傳感器。該產(chǎn)品采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信多點(diǎn)能力，簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感應(yīng)用無(wú)需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓圍為3.0V至5.5V無(wú)需備用電源測(cè)量。溫度圍為-55C至+125 。-10C至+85C圍精度為0.5C 溫度傳感器可編程的分辨率為912位溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置應(yīng)用圍包

59、括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)，或任何熱敏感系統(tǒng)。盲區(qū)處理超聲波是由壓電晶片振動(dòng)產(chǎn)生的，壓電晶片的振動(dòng)是由信號(hào)控制的，當(dāng)信號(hào)停止的同時(shí)，晶片由于慣性要等一段時(shí)間才能停下來(lái)，之后才能接收回波信號(hào)，這段時(shí)間超聲波傳感器仍然在發(fā)射信號(hào)，因此不能接收回波信號(hào)，故稱之為盲區(qū)。當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，雖然發(fā)射信號(hào)只保持一個(gè)很短的時(shí)間，但停止發(fā)射信號(hào)后，超聲波探頭上還存在一定的余振，因此在發(fā)射信號(hào)停止后的一段時(shí)間，加在回波檢測(cè)電路輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍是相當(dāng)強(qiáng)的，可以達(dá)到電路的限幅電平。另一方面超聲波探頭上接收到的反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較近處的障礙物發(fā)射信號(hào)也達(dá)不到電路的限幅電平。當(dāng)障礙物

60、離探頭越來(lái)越遠(yuǎn)時(shí)，接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，發(fā)射信號(hào)的幅值也相應(yīng)地越來(lái)越小。在超聲波檢測(cè)中，接收信號(hào)的衰減程度設(shè)計(jì)的比發(fā)射信號(hào)余振的衰減慢得多，如圖中實(shí)線所示。圖2.3 測(cè)量盲區(qū)示意圖為了保證有一定的信噪比，接收信號(hào)的幅值規(guī)定了一個(gè)閥值，也就是說(shuō)接收信號(hào)的幅值必須大于這一閥值時(shí)才能使回波接收電路有輸入信號(hào)。從圖中可見，從b點(diǎn)以后接收信號(hào)將低于閥值，這相當(dāng)于所測(cè)距離的最大值。從圖中的a點(diǎn)以后，接收信號(hào)才開始比發(fā)射信號(hào)大，但還將與發(fā)射信號(hào)相互迭加，較難分辨，因此這段時(shí)間不能進(jìn)行測(cè)量。從圖中的c點(diǎn)以后，發(fā)射信號(hào)己低于閥值，接收信號(hào)才基本上擺脫了發(fā)射信號(hào)的影響而能明顯地分辨出來(lái)。所以在要求較