畢業(yè)設(shè)計（論文）基于at89c51單片機的水塔智能水位控制系統(tǒng)設(shè)計

PAGE31摘要水塔水位控制系統(tǒng)是我國住宅小區(qū)廣泛應(yīng)用的供水系統(tǒng)，水塔供水的主要問題是塔內(nèi)水位應(yīng)該始終保持在一定范圍內(nèi)，避免“空塔”、“溢塔”現(xiàn)象發(fā)生。傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺點，而自動控制原理，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，保持水壓恒定以滿足用水要求，從而提高了供水系統(tǒng)的質(zhì)最。而智能控制系統(tǒng)的成本低，安裝方便，靈敏性好，是節(jié)約水源，方便家庭和單位控制水塔水位的理想裝置。本論文介紹了一種由AT89C51單片機為主控元件的超聲波水位測量系統(tǒng)。超聲波水位測量儀應(yīng)用超聲回波原理技術(shù)，在硬件部分，超聲波發(fā)射電路將由AT89C51單片機控制的每隔固定周期的方波脈沖信號控制，以滿足超聲波發(fā)射探頭的發(fā)射需要。超聲波接收電路對接收的回波進(jìn)行發(fā)大整形，送回單片機。系統(tǒng)以AT89C51單片機為設(shè)計核心，測量得到超聲波的傳播時間，計算出傳播的距離，從而得到所要測量的水位距離,并通過LED顯示出來。軟件部分，設(shè)計了中斷程序、顯示程序、主程序等。使得程序部分適合硬件部分，使系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)。關(guān)鍵詞超聲波，AT89C51，水位測量目錄TOC\o"1-3"\h\z\u17411水塔水位自動控制系統(tǒng)概述 429501綜述 4238941.1.1水塔水位自動控制系統(tǒng) 432574水位測量的分類 4280541.2.1按照原理分類 421272超聲波水位檢測原理 684662.1超聲波的水位檢測介紹 634402.1.1超聲波基本性質(zhì) 641142.1.2超聲波的特性 6117552.1.3超聲波的衰減 7113432.1.4超聲波的折射率 735302.1.5水位介質(zhì)中的聲速與溫度的關(guān)系 8261372.2超聲波水位檢測探頭 9283762.3超聲波探頭的壓電效應(yīng) 9183742.4超聲波水位檢測的理論分析 10109882.5超聲波水位計的優(yōu)缺點與可行性 1285412.6超聲波水位檢測的主要任務(wù) 12249103超聲波水位探測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 14283833.1系統(tǒng)總體設(shè)計思想 14308323.2發(fā)射電路設(shè)計 14137273.2.1發(fā)射電路工作原理 15241543.2.2發(fā)射電路的組成 15147223.3接收電路的設(shè)計 1713923.3.1接收電路的工作原理 18125793.3.2接收電路的組成 18185633.4顯示模塊 2061863.5獨立式按鍵 22307934超聲波水位探測系統(tǒng)的軟件設(shè)計 23310734.1軟件設(shè)計思想 2396464.2中斷程序 2356924.3顯示程序 2460474.4主程序 26163814.5按鍵掃描 294159結(jié)論 315784參考文獻(xiàn) 3225762附件 3317401致謝 361水塔水位自動控制系統(tǒng)概述綜述近年來，隨著自動控制技術(shù)和工業(yè)迅猛發(fā)展，計算機、微電子、傳感器等高新技術(shù)的應(yīng)用和研究，水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?，F(xiàn)代控制理論本質(zhì)上是時域法，是建立在狀態(tài)空間基礎(chǔ)上的，它不用傳遞函數(shù)，而是用狀態(tài)向量方程作基本工具，從而大大簡化了數(shù)學(xué)表達(dá)方式，因此原則上可以分析多輸入多輸出、非線形以及時變系統(tǒng)。自動控制技術(shù)的應(yīng)用，推動了控制理論的發(fā)展，而自動控制理論的發(fā)展，又指導(dǎo)了控制技術(shù)的應(yīng)用，使其進(jìn)一步完善。水塔水位自動控制系統(tǒng)水塔水位控制系統(tǒng)是我國住宅小區(qū)廣泛應(yīng)用的供水系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺點，而自動控制原理，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，保持水壓恒定以滿足用水要求，從而提高了供水系統(tǒng)的質(zhì)暈。該系統(tǒng)采用分立元件電路實現(xiàn)了水塔水位的自動控制，設(shè)計出一種低成木、高實用價值的水塔水位控制器。采用分立的電路實現(xiàn)超高、低水位處理，自動控制電機電路。它能自動完成上水停水的全部工作循環(huán)，保證液面高度始終處于較理想的范圍內(nèi)，它結(jié)構(gòu)簡單，制造成木低，靈敏度高，節(jié)約能源顯著，是用于各種高層水位儲存的理想設(shè)備。水位測量的分類按照原理分類根據(jù)工作原理的不同水位計可分為如下幾種：直讀水位計：是最原始但仍應(yīng)用較多的一種水位測量儀表，其精度一般為2mm的人為誤差。此種方法有測量簡單、直觀、成本低的優(yōu)點，但測量量程有限，且不適于惡劣環(huán)境中的測量。靜壓水位計：利用液柱對某定點產(chǎn)生壓力，測量該定點壓力或測量該點與另一參考點的壓差而間接測量水位的儀表，水位壓力的大小取決于水位高度；這種方法主要應(yīng)用于測量精度要求不高的場合。電磁水位計：這種測量方式是將水位的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化，從而對水位進(jìn)行間接測量，電磁水位計中電容由兩塊同心的圓柱面極板組成，電容式水位測量是根據(jù)電容量與被測水位和氣相介質(zhì)的相對介電常數(shù)、電容傳感器浸入水位的深度、電容傳感器垂直高度、內(nèi)外極板圓柱底面半徑之間的關(guān)系，由已知的其他數(shù)值得出所測水位高度值。4、浮子水位計：利用浮子的比重比所測水位的比重稍小的特點，使浮子漂在液面上并隨液面的升高或下降來反映水位，將浮子用一條多孔鋼帶連接至一個恒轉(zhuǎn)矩裝置或平衡錘上，由浮子的重量帶動多于L鋼帶通過齒輪裝置推動機械計數(shù)器作現(xiàn)場顯示，還可連接電動變送器，獲得遠(yuǎn)距離顯示。由于滑輪機械裝置的摩擦力和鉚帶重量，測量誤差一般約為士(4一10)mm。5、超聲波水位計：超聲波水位儀是非接觸測量中發(fā)展最快的一種。該技術(shù)基于超聲波在空氣中的傳播速度及遇到被測物體表面產(chǎn)生反射的原理。可實現(xiàn)非接觸測量、測量范圍寬、并且測量不受介質(zhì)密度、介電常數(shù)、導(dǎo)電性等的影響，因此它的適用范圍非常廣泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蝕性及有毒水位等的水位測量中。超聲水位測量技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮其重要作用。

2超聲波水位檢測原理2.1超聲波的水位檢測介紹簡單來說，超聲波就是超過人耳能聽到的物體振動的聲音的頻率范圍的聲波就叫超聲波。一般來說是指聲音超過了20000Hz以上的聲波稱之為超聲波。與光波不同，聲波是一種彈性機械波，即機械振動在彈性媒質(zhì)中的傳播。超聲波有以下幾個特點：頻率高波長短定向好；2.振幅小加速度大能量集中功率高強度大；3.在不同介質(zhì)界面上大部分能量反射，因而，超聲波特別適合于距離測量。超聲波基本性質(zhì)和其他聲波一樣，超聲波可以在氣體、水位及固體中傳播，并有各自的傳播速度。其在空氣中的傳播速度主要與空氣的壓力和溫度有關(guān)正常條件下由于大氣壓力變化很小因此其傳播速度主要考慮溫度的影響在空氣中傳播速度為 C=331.5+1.67t(m/s)（2.1）其中C為超聲波聲速，t為傳播介質(zhì)的溫度。在溫度已知時超聲波速度就能通過公式計算出來，在這個時候只要記錄從發(fā)射到接收超聲波的時間即可求出被測距離。超聲波的另一個特性是超聲波頻率越高，超聲波與光波的某些特性（如反射、折射定律）相似。 （2.2）其中λ為超聲波波長，為超聲波頻率與，C為超聲波速度。超聲波的特性1、超聲波的束射特性由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，遵守幾何光學(xué)上的定律。2、超聲波的吸收特性聲波在各種物質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，強度會漸進(jìn)減弱，這是因為物質(zhì)要吸收掉它的能量。對于同一物質(zhì)，聲波的頻率越高，吸收越強。對于一個頻率一定的聲波，在氣體中傳播時吸收最歷害，在水位中傳播時吸收比較弱，在固體中傳播時吸收最小。3、超聲波的能量傳遞特性當(dāng)聲波到達(dá)某一物質(zhì)中時，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也跟著振動，振動的頻率和聲波頻率―樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。物質(zhì)分子由于振動所獲得的能量除了與分子的質(zhì)量有關(guān)外，還是由分子的振動速度的平方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，物質(zhì)分子愈能得到更高的能量，超聲波的頻率比聲波高很多，所以它可以使物資分子獲得很大的能量；換句話說，超聲波本身可以供給物質(zhì)足夠大的功率。4、超聲波的聲壓特性當(dāng)聲波通入某物體時,由于聲波振動使物質(zhì)分子產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。超聲波的衰減在傳播的過程中，衰減系數(shù)與聲波介質(zhì)以及頻率的關(guān)系為衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為: （2.3）其中，為衰減系數(shù)，為介質(zhì)常數(shù)，為振動頻率。在空氣中，聲波在介質(zhì)中傳播時會被吸收而衰減，氣體吸收最強而衰減最大，水位其次，固體吸收最小而衰減最小。因此，對于一給定強度的聲波，在氣體中傳播的距離會明顯比在水位和固體中傳播的距離短。另外，聲波在介質(zhì)中傳播時衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大，因此，超聲波比其他聲波在傳播時的衰減更明顯。因此考慮到實際工程的需要，在設(shè)計超聲波水位計時，選用頻率等于40kHz的超聲波，波長為0.85cm。超聲波的折射率當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，因為兩種介質(zhì)密度不同及聲波在其中傳播的速度不同，在分界面上聲波會產(chǎn)生反射和折射，其反射系數(shù)R為 （2.5）其中，、分別是反射和入射聲波的聲強；、分別是聲波的入射角和反射角；、分別是兩種介質(zhì)的聲阻抗；其中、；、分別是兩種介質(zhì)的密度，、分別是在兩種介質(zhì)里的速度。聲波垂直入射時，=0，=0;則反射系數(shù)R為 （2.6）由上式可以看出，與相差越小，R值也越小，說明反射越弱，當(dāng)=時，R=0，說明這時沒有反射，聲波全部透射。當(dāng)反射介質(zhì)聲阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射介質(zhì)聲阻抗時，即所謂的硬邊界。這時，入射波的介質(zhì)速度在碰到分界面時好像彈性碰撞一樣，變成一個反向速度，反射波質(zhì)點速度與入射波質(zhì)點速度相位改變180°，反射聲壓與入射聲壓同相位。比如，當(dāng)聲波從水傳播到空氣，在常溫下，它們的聲阻抗約為、，代入公式可得，R=0.999。這說明聲波從水位傳播到氣體或相反的情況下，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。表2.1給出了幾種常見介質(zhì)的反射系數(shù)。第一介質(zhì)第二介質(zhì)聲阻抗鋁鋼銅水銀玻璃水空氣鋁01鋼01銅01水銀01玻璃01水01空氣0水位介質(zhì)中的聲速與溫度的關(guān)系幾乎除水以外的所有液位，當(dāng)溫度升高時，容變彈性模量減小，聲速降低。惟有水例外，溫度在74℃左右時聲速達(dá)最大值，當(dāng)溫度低于74℃時，聲速隨溫度高而增加，當(dāng)溫度高于74℃時，聲速隨溫度升高而降低。水中聲速與溫度的關(guān)系公式如下，不同溫度下水中的聲速如表2.2所示。 C=1557-0.0245(74-t)2 （2.7）其中，c為超聲波在水中的傳播速度、t為水的溫度。表2.2不同溫度下的水中聲速溫度（攝氏度）102025304050607080聲速（米/秒）1448148314971510153015441552155515542.2超聲波水位檢測探頭超聲波探頭，也就是超聲波換能器，是超聲波測距系統(tǒng)中的重要組成部分。通常所說的超聲波換能器一般是指電聲換能器，它是一種能完成電能與聲能的相互轉(zhuǎn)換的裝置。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)換為聲能；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時，將聲能轉(zhuǎn)換為機械能，再轉(zhuǎn)換為電能。超聲換能器通常都有一個電的儲能元件和一個機械振動系統(tǒng)。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40KHz的高頻信號，高頻信號通過超聲波傳感器以聲能形式輻射出去；2.采用單片機內(nèi)部的定時器或直接使用程序產(chǎn)生固定的脈沖，通過CD4069驅(qū)動發(fā)送超聲波傳感器振蕩；3.使用工業(yè)用小功率超聲波收發(fā)控制集成電路LM1812驅(qū)動發(fā)送超聲波傳感器振蕩。2.3超聲波探頭的壓電效應(yīng)超聲波探頭使用最多的是由壓電晶片或壓電陶瓷制成的換能器。超聲波的接收和反射是基于壓電晶片的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。其工作原理是當(dāng)壓電晶片受發(fā)射脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，此即逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，此為正壓電效應(yīng)。前者是超聲波的發(fā)射，后者為超聲波的接收。壓電晶片的振動頻率即探頭的工作頻率，主要取決于晶片的厚度和超聲波在晶片材料中的傳播速度，為得到較高的頻率，要使晶片在共振狀態(tài)下工作，此時晶片厚度為1/2波長。通常我們一般使用PVDF壓電薄膜材料，此材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面積上有很大的選擇余地，易于加工且頻率范圍寬，常用來制成40KHz300KHz的超聲換能器。常見的壓電晶片的材料參數(shù)見表2.3。材料居里點介電常數(shù)聲阻抗特性壓電應(yīng)變常數(shù)壓電電壓常數(shù)石英57050鈦酸鋇系11517003016013鋯鈦酸鉛190-300150028320偏鈮酸鉛>4003008532鋯鈦鉛1201000270125-19014-21其中，壓電材料的居里點是指壓電材料完全喪失壓電效應(yīng)的溫度、介電常數(shù)反映了材料的介電性質(zhì)，在制造探頭考慮阻抗匹配時起作用、壓電應(yīng)變常數(shù)是指當(dāng)壓電體處于應(yīng)力恒定的狀態(tài)時，由于電場強度變化所產(chǎn)生的應(yīng)變變化與電場強度變化之比，它關(guān)系著晶片發(fā)射性能的好壞、壓電電壓常數(shù)是指壓電體在電位移恒定時，由于應(yīng)力變化所產(chǎn)生的電場強度變化與應(yīng)力變化之比，它關(guān)系著晶片接收性能的好壞。2.4超聲波水位檢測的理論分析超聲波是機械波的一種，其最明顯的一個特征是方向性好，能夠定向傳播，當(dāng)碰到障礙物時能夠反射回來。超聲波測量方法有很多，如脈沖回波法、共振法、頻差法以及聲衰減法等，其中應(yīng)用最廣泛的是超聲波脈沖回波法。超聲波的測距原理是通過發(fā)射聲波傳感器由脈沖信號激勵發(fā)出超聲波，通過傳聲媒介傳到被測液面，形成反射波，反射波再通過傳聲介質(zhì)返回到接收傳感器，傳感器把聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，由儀表計算出超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時間，再根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播的速度計算出來回的直線路徑的長度，從而得到所測距離的長度。如圖2.1超聲波夜位檢測儀示意圖所示。圖2.1超聲波夜位檢測儀示意圖該系統(tǒng)中是通過超聲波脈沖傳播的時間來確定水位，所以必須己知超聲波在傳聲媒質(zhì)中聲速。然而，對于氣體介質(zhì)式和水位介質(zhì)式超聲波水位計，聲速會隨媒質(zhì)的組成、溫度、壓強的變化而變化。因此，只有當(dāng)測試條件比較理想，媒質(zhì)的成分、溫度、壓強等沒有很大變化，才可把傳聲媒質(zhì)的聲速近似看成不變，直接由測量的聲波傳播時間來確定水位，否則就應(yīng)該對傳聲媒質(zhì)的聲速進(jìn)行校正。在這個系統(tǒng)中，運用的是超聲波往返時間檢測法進(jìn)行距離的測量的。即，檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波的時候算起，通過介質(zhì)的傳播在反射回來的到接收器的時間，叫往返時間。用往返時間與介質(zhì)中超聲波的速度相乘，就可以得到超聲波運動的距離，然而實際的距離為所得到距離的一半，如果測量高度為h、超聲波在介質(zhì)里的傳播速度為v，傳播時間為t，可以得到： （2.8）這個公式使用于自發(fā)自收單感應(yīng)器方式。探頭采用垂直的方式發(fā)射超聲波，然后再讓超聲波原路返回到探頭。如果采用一發(fā)一收雙感應(yīng)器方式，那么探頭就不在采用垂直于介質(zhì)面發(fā)射的方式，因此用上面的公式計算的出來就不在是真實高度，而是超聲波經(jīng)過的路程。這就需要加入角，角為豎直方向與超聲波方向的夾角。如圖2.2角示意圖，角示意圖因此，系統(tǒng)要把測得超聲波經(jīng)過的距離換算成真實的高度。如果超聲波經(jīng)過的距離為L，要測量的真實高度為h，那么超聲波經(jīng)過的距離與真實高度之間有這樣的關(guān)系： （2.9）這時h為要測量的真實高度。在公式中，為超聲波的入射角。如果實際情況無法測得角時，還可以通過測得兩個探頭之間的距離m來得到需要測量的高度，用(2.10)式來計算。 （2.10）一般說來，單探頭的自發(fā)自收工作方式是優(yōu)先考慮采用的。這是因為單探頭方式中水位計算公式比較簡單，同時檢測系統(tǒng)也簡單，安裝、維修比較方便。但是，單發(fā)單收的探頭檢測死區(qū)較大。為避免這一點，有時還需要采用雙探頭的設(shè)計。2.5超聲波水位計的優(yōu)缺點與可行性與其它種類的水位計相比，超聲波水位計具有以下優(yōu)點:1、非接觸式測量，超聲波換能器安裝在液面上方，不與被測介質(zhì)接觸，可方便的測量腐蝕性、粘稠或有毒水位，避免被被測水位腐蝕或污損，免于維護。2、通用性好，水位計即可測量開渠水位，也可測量大型儲罐等的水位水位。安裝拆卸方便。3、適應(yīng)性強，使用范圍廣，不受介質(zhì)密度、介電常數(shù)、導(dǎo)電性等的影響，對被測水位的物理化學(xué)性質(zhì)的適應(yīng)性極強。適用于有毒、有腐蝕、高粘度的水位水位測量，彌補了其他水位計在此類惡劣測量環(huán)境中的不足。幾乎沒有機械可動部件，無磨損，使用壽命長，重量輕。換能器內(nèi)的壓電元件以聲頻振動，振幅小，壽命長。4、穩(wěn)定性好，但是超聲波水位計也有其自身的局限性，主要表現(xiàn)在被測水位易揮發(fā)時，液面上方的空氣密度不均勻，會導(dǎo)致測量誤差較大:當(dāng)被測水位水位有較大波浪時，易引起聲波反射混亂，產(chǎn)生誤差;另外，超聲波水位計測量水位時有無法避免的盲區(qū)，因此小距離測量比較困難2.6超聲波水位檢測的主要任務(wù)在實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化、自動化的過程中，許多行業(yè)迫切地需要解決水位測量和控制的問題。水位測量和控制的好壞，直接影響到生產(chǎn)的安全、產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，以及能源消耗和成本，同時也影響到其它工藝參數(shù)的穩(wěn)定和控制。但在很多行業(yè)的工藝過程中卻是很難解決的問題。尤其在涉及高溫、高壓以及強放射性輔照的場合，以及要求遠(yuǎn)距離傳送等的情況下，要準(zhǔn)確、可靠地測量水位，更是一項困難的任務(wù)。超聲波水位探測系統(tǒng)的具有方向性好、穿透本領(lǐng)大，且在波阻抗比相差很大的界面反射時，反射能量很強等特性，而且用超聲波測量水位具有下述優(yōu)點：檢測元件可測范圍廣、換能器無可動部件、壽命長。目前國內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計超聲波水位計，但是專用集成電路的成本很高，并且沒有顯示，操作很不方便。1、主要內(nèi)容：（1）超聲波測量水位的物理基礎(chǔ)（2）超聲波水位探測硬件系統(tǒng)方案設(shè)計；①發(fā)射電路設(shè)計；②接收電路設(shè)計；（3）超聲波水位探測軟件系統(tǒng)方案設(shè)計；2、技術(shù)路線：（1）超聲波水位探測硬件系統(tǒng)方案的設(shè)計；（2）設(shè)計主電路、各種輔助電路和相關(guān)的接口電路元件；（3）通過計算，選擇控制系統(tǒng)主要元器；（4）超聲波水位探測軟件系統(tǒng)方案的設(shè)計。根據(jù)其功能要求進(jìn)行程序的編寫。3超聲波水位探測系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)總體設(shè)計思想超聲波水位探測系統(tǒng)是根據(jù)“回波測距”的原理設(shè)計的。由超聲波的發(fā)射器發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時反射回來，再由超聲波接收系統(tǒng)接收。測出從超聲波發(fā)射該脈沖束至接收到回波信號的傳輸時間，即渡越時間，由于超聲波在同一種介質(zhì)中的傳輸速度是不變的（設(shè)所處的介質(zhì)的密度和溫度等相關(guān)因素不變的情況下）。那么由渡越時間和聲速，就可算出要測的距離。根據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計要求，不光需要檢測部分，還需要加入運算部分。要實現(xiàn)對所測水位的自動探測，和對探測數(shù)據(jù)的具體顯示功能。主要的設(shè)計部分的總體框架圖如圖3.1所示，圖3.1超聲波水位探測系統(tǒng)總體框架圖超聲波儀水位探測系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要包括AT89C51單片機系統(tǒng)，超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、水位顯示電路等主要部分；軟件部分主要包括顯示程序、中斷程序、主程序等。3.2發(fā)射電路設(shè)計發(fā)射電路的主要目的是驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭內(nèi)的壓電晶片振動，使之發(fā)出超聲波，并且發(fā)射的超聲波具有一定的能量，可傳播較遠(yuǎn)的距離，實現(xiàn)測量的目的。驅(qū)動超聲發(fā)射探頭工作的方式很多，只要在探頭上施加一串其頻率與探頭中心頻率一致且能量足夠大的脈沖即可。發(fā)射脈沖可以由單片機或振動器來實現(xiàn)。而要獲得足夠大的能量，則可用三極管、場效應(yīng)管等來實現(xiàn)。本系統(tǒng)的發(fā)射電路的主要作用是產(chǎn)生40KHz的方波信號，以觸發(fā)探頭發(fā)射超聲波信號。如圖3.2所示，為超聲波發(fā)射電路圖。圖3.2超聲波發(fā)射電路圖發(fā)射電路工作原理當(dāng)單片機AT89C51的P2.0口輸出一低電平時，使能控制NE555集成電路產(chǎn)生40KHz的方波。由NE555構(gòu)成的諧振電路可以穩(wěn)定的輸出40KHz的調(diào)制解調(diào)信號。超聲波發(fā)射電路再由CD4069集成電路構(gòu)成解調(diào)電路，對由NE555構(gòu)成的諧振電路進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而驅(qū)動超聲波發(fā)射器，使超聲波發(fā)射電路發(fā)射出超聲波。超聲波發(fā)射電路通過調(diào)制，又由電壓驅(qū)動壓電晶體上產(chǎn)生電能-機械能-聲能轉(zhuǎn)換，使探頭輸出超聲波信號。發(fā)射電路的組成NE555NE555是一個能產(chǎn)生精確定時脈沖的高穩(wěn)定度控制器，其輸出驅(qū)動電流可達(dá)200mA。在多諧振蕩工作方式時，其輸出的脈沖占空比由兩個外接電阻和一個外接電容確定；在單穩(wěn)態(tài)工作方式時，其延時時間由一個外接電阻和一個外接電容確定，可延時數(shù)微妙到數(shù)小時。工作電壓范圍：4.5V~16V。引腳功能表3.1NE555引腳功能腳號腳名功能腳號腳名功能1GND地5ControlVoltage控制電壓2Trigger觸發(fā)6Thresholed閥值3Output輸出7Discharge放電端4Reset復(fù)位8VCC電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3.3NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖CD4069圖3.4CD4069的結(jié)構(gòu)圖3.3接收電路的設(shè)計接收電路主要是將超聲波檢測信號進(jìn)行放大，超聲波接收處理部分電路前級采用LM324構(gòu)成10000倍放大器，對接收信號進(jìn)行放大；后級采用LM311比較器對接收信號進(jìn)行調(diào)整，比較電壓為LM311的3管腳處，可由J1跳線選擇不同的比較電壓以選擇不同的測距模式。接收電路的工作原理該超聲波在水位與空氣、水位與參比面產(chǎn)生二次反射回波，兩次回波分別在壓電晶體上產(chǎn)生聲能-機械能-電能轉(zhuǎn)換，使探頭輸出電信號，此電信號為50mv，因此，接收電路的主要功能是信號的放大。在超聲波接收電路中放大器選用LM324,前兩極之間外接RC電路組成高通濾波器，后兩極之間外接選頻電路，有效的抑制噪聲。反射的電信號（50mv）經(jīng)接收板接收放大、濾波及檢波后，可以放大10000倍。再經(jīng)過LM311電路進(jìn)行比較，實現(xiàn)對超聲波接收信號的處理。當(dāng)P2.0由低變高時，開始發(fā)射，并立即啟動定時器T1計時，接收到的兩次電信號經(jīng)接收電路進(jìn)行二極放大、比較器比較，光耦和開關(guān)電路產(chǎn)生中斷信號，送回單片機作為外中斷INT0的觸發(fā)信號，引起CPU的兩次中斷。在中斷程序里，分別讀取定時器的計數(shù)值，即為探頭從發(fā)射到接收標(biāo)準(zhǔn)桿和水面的反射回波的傳播時間。接收電路的組成1、LM311的特點15伏分離電源，如通常的運算放大器運用一樣，使LM311成為一種真正通用的比較器。該設(shè)備的輸入可以是與系統(tǒng)地隔離的；而輸出則可以驅(qū)動以地為參考或以VCC為參考，或以VEE電源為參考的負(fù)載。此靈活性使之可以驅(qū)動DTL、RTL、TTL或MOS邏輯，在電流達(dá)到50毫伏時，該輸出還可以把電壓切換到50伏。因此該LM311可用于驅(qū)動繼電器、燈、螺線管。圖3.6為LM311的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖3.6LM311的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2、LM324工作特性是四低功率運算放大器，LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器、與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流大致為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一；共模輸入范圍包括負(fù)電源；因此消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性，輸出電壓范圍也包含伏電源電壓。圖3.7為LM324的結(jié)構(gòu)圖，圖3.7LM324結(jié)構(gòu)圖3.4顯示模塊1、數(shù)碼管結(jié)構(gòu)與原理由于數(shù)碼管顯示最便宜、配置靈活、與單片機的接口簡單，已被廣泛應(yīng)用于單片機系統(tǒng)中。目前市場上的LED中大多為七段數(shù)碼顯示器，其外形如圖3.8（a）所示。其內(nèi)部有八個發(fā)光二極管，其中這七個發(fā)光二極管組成了數(shù)字“8”，剩下一個發(fā)光二極管dp就是這位數(shù)字所帶的小數(shù)點。一般數(shù)碼管內(nèi)部有兩種連接方式，它分為共陰和共陽兩種。共陰就是將所有的發(fā)光二極管的陰極共地，如圖3.8（b）所示。圖中一個發(fā)光二極管就相當(dāng)于一個數(shù)碼段。若給某段加上高電平，那么相對應(yīng)的段就會亮。根據(jù)想要顯示的數(shù)值給各段數(shù)碼管加上相應(yīng)的高電平就可以顯示不同數(shù)值了。共陽就是將所有發(fā)光二極管的陽極一起接高電平上，如圖3.8（c）所示。若對應(yīng)的段賦予低電平，則點亮數(shù)碼管。圖3.8（a）數(shù)碼管外形圖（b）共陰數(shù)碼管（c）共陽數(shù)碼管三極管驅(qū)動數(shù)碼管顯示部分是整個系統(tǒng)的重要部分，它主要是對檢測距離進(jìn)行實時顯示。采用動態(tài)顯示方式，所謂動態(tài)顯示方式是距離實時數(shù)字在LED上一個一個逐個顯示，它是通過位選端控制在哪個LED上顯示數(shù)字，由于這些LED數(shù)字顯示之間的時間非常的短，使的人眼看來它們是一起顯示的，并且動態(tài)顯示方式所用的接口少，節(jié)省了CPU的管腳。由于端口的問題以及動態(tài)顯示方式的優(yōu)越性，在此設(shè)計的連接方式上采用共陰級接法。顯示器LED有段選和位選兩個端口，首先說段選端，它由LED八個端口構(gòu)成，通過對這八個端口輸入的不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)使得它的顯示有所不同，從而可以得到我們所要的顯示值。但對于四十個管腳的AT89C51來說，LED八個段選管腳足夠用，于是我選用NPN三極管來驅(qū)動數(shù)碼管。圖3.9為三極管驅(qū)動數(shù)碼管原理圖，圖3.9三極管驅(qū)動數(shù)碼管原理圖3.5獨立式按鍵獨立式按鍵就是各按鍵相互獨立，每個按鍵都與單片機的一位I/O口相連，并且都采用了上拉電阻。通過判斷相應(yīng)I/O口的電平狀態(tài)決定鍵盤是否被按下，當(dāng)沒有鍵按下時相應(yīng)的I/O口為高電平；當(dāng)任意一個鍵被按下時，和它相連的I/O口將被置為低電平。獨立式鍵盤的設(shè)計主要有中斷方式和查詢方式兩種，中斷方式就是在鍵盤按下后去觸發(fā)中斷，在中斷程序中判斷哪個鍵被按下，一般情況下不采用中斷方式。本系統(tǒng)采用查詢方式，用P1口作為鍵盤的I/O，如圖4.5所示。圖3.10獨立式按鍵圖4超聲波水位探測系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1軟件設(shè)計思想軟件是為硬件服務(wù)的，只有硬件在軟件的指揮下，按預(yù)定的目的工作，整體才會發(fā)揮其作用，軟件設(shè)計要依據(jù)硬件實現(xiàn)的功能而定，軟件設(shè)計采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，主要分四部分：主程序、中斷服務(wù)子程序、按鍵掃描子程序和顯示子程序。4.2中斷程序所謂中斷是指中央處理器CPU正在處理某件事情的時候，外部發(fā)生了某一事件，請求CPU迅速去處理，CPU暫時中斷當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)入處理所發(fā)生的事件，處理完后，再回到原來被中斷的地方，繼續(xù)原來的工作，這樣的過程稱為中斷。我們主要使用外部中斷源和定時器T0、T1中斷。外部中斷為電平觸發(fā)方式，即下降沿觸發(fā)，用來接收標(biāo)準(zhǔn)超聲波檢測回波的中斷，用T0來定時10ms中斷，T1用來計時從發(fā)射超聲波到接收發(fā)射波的時間計數(shù)。INT0中斷服務(wù)程序流程如圖4.1所示，T0中斷服務(wù)程序流程如圖4.2所示。圖4.1INT0中斷服務(wù)程序流程圖圖4.2T0中斷服務(wù)程序流程圖INT0中斷服務(wù)程序如下：//***************************************************************//外部中斷0，用做判斷回波電平INTO_()interrupt0//外部中斷是0號{outcomeH=TH1;//取出定時器的值outcomeL=TL1;//取出定時器的值 TH1=0; //計數(shù)器清零 TL1=0;succeed_flag=1;//至成功測量的標(biāo)志EX0=0;//關(guān)閉外部中斷T0中斷服務(wù)程序：//***************************************************************//定時器0中斷,用做顯示timer0()interrupt1//定時器0中斷是1號{ TH0=0xec;//寫入定時器0初始值 TL0=0x78; Display（）；//數(shù)碼管顯示}4.3顯示程序顯示程序主要完成對水位液面高度值的顯示。如圖4.3所示，為顯示程序流程圖。圖4.3顯示流程圖顯示程序如下：ucharcodeSEG7[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};//數(shù)碼管0-9 //供陽//ucharcodeSEG7[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; //共陰ucharcodetab[]={0xb6,0x89,0xc7};//0x76H0x890x38L0xc7//ucharcodetab[]={0x49,0x76,0x38};Voiddisplay(void){ if(ok_flag) {switch(flag){ case0x00:P0=tab[0];P2=0xf7;flag++;break; case0x01:P0=shi;P2=0xfb;flag++;break; case0x02:P0=bai;P2=0xfd;flag++;break; case0x03:P0=qian;P2=0xfe;flag=0;break;}}if(set_flag){ switch(flag){ case0x00:P0=tab[1];P2=0xf7;flag++;break; case0x01:P0=shi_set;P2=0xfb;flag++;break; case0x02:P0=bai_set;P2=0xfd;flag++;break; case0x03:P0=qian_set;P2=0xfe;flag=0;break;}}}4.4主程序如圖4.4所示為主程序流程圖。圖4.4主程序流程圖主程序如下所示：#include<reg52.h>//包括一個52標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的頭文件#defineucharunsignedchar//定義一下方便使用#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlong//***********************************************sbitTrig=P2^0;//產(chǎn)生脈沖引腳sbitEcho=P3^2;//回波引腳//sbittest=P1^1;//測試用引腳ucharcodeSEG7[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};//數(shù)碼管0-9 //供陽//ucharcodeSEG7[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; //共陰ucharcodetab[]={0xb6,0x89,0xc7};//0x76H0x890x38L0xc7//ucharcodetab[]={0x49,0x76,0x38};uchartimer_over,cnt;//uintdistance[4];//測距接收緩沖區(qū)ucharge,shi,bai,qian,temp,flag,outcomeH,outcomeL;//自定義寄存器ucharge_set,shi_set,bai_set,qian_set;//自定義寄存器ucharbutton_key;bits1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8;bitsucceed_flag;//測量成功標(biāo)志bitset_flag,ok_flag;//************************************************************//主函數(shù)voidmain(void)//主程序{ ulongdistance_data; ulonga,b,c; ucharCONT; TMOD=0x11;//定時器0，定時器1，16位工作方式 TH0=0xec;//寫入定時器0初始值 TL0=0x78; TR0=1; //啟動定時器0 ET0=1;//打開定時器0中斷 TH1=0x00;//定時/計數(shù)器1 TL1=0x00;//計數(shù)初值0 TR1=1; ET1=1; IT0=0;//由高電平變低電平，觸發(fā)外部中斷 EX0=0;//關(guān)閉外部中斷 EA=1;//打開總中斷0 while(1)//程序循環(huán) { EA=0; Trig=1;delay_20us();Trig=0;//產(chǎn)生一個20us的脈沖，在Trig引腳while(Echo==0);//等待Echo回波引腳變高電平 succeed_flag=0;//清測量成功標(biāo)志 EX0=1;//打開外部中斷 TH1=0;//定時器1清零TL1=0;//定時器1清零 TF1=0;//TR1=1;//啟動定時器1 EA=1； while(TH1<30);//等待測量的結(jié)果，周期65.535毫秒（可用中斷實現(xiàn)） TR1=0;//關(guān)閉定時器1EX0=0;//關(guān)閉外部中斷 if(succeed_flag==1) { succeed_flag=0; distance_data=outcomeH;//測量結(jié)果的高8位distance_data<<=8;//放入16位的高8位 distance_data=distance_data|outcomeL;//與低8位合并成為16位結(jié)果數(shù)據(jù)distance_data*=12;//因為定時器默認(rèn)為12分頻distance_data/=68;//微秒的單位除以58等于厘米}//為什么除以58等于厘米