基于單片機與超聲波的液位檢測報警系統(tǒng)

基于單片機與超聲波的液位檢測報警系統(tǒng)

從國內(nèi)外液位檢測儀表的開發(fā)技術(shù)方向來看，目前主要有三種液位檢測儀表：接觸測量法的液位儀、非接觸測量法的液位儀和新原理的小型液位開關(guān)。但現(xiàn)在大多液位檢測儀表都要在非?？量痰臈l件下(如在高溫、高壓、低溫、腐蝕和輻射等環(huán)境下)進行測量,這就需要使用能耐的非接觸式高溫高壓傳感器。超聲波就是一種非接觸式的傳感器,它適用范圍較為廣泛。超聲波作為一種信息載體,已在海洋探測與開發(fā)、無損檢測、醫(yī)學(xué)診斷及微電子學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可取代的作用。本文基于單片機與超聲波的特性研制了一套低成本、高精度的液位檢測報警系統(tǒng),該系統(tǒng)能對印刷上光液液位自動檢測和報警,也能對各種有毒、有害、高腐蝕、高溫、高濃度等物質(zhì)的液位進行測量。超聲波閱讀器系統(tǒng)控制電路系統(tǒng)硬件電路包括超聲波發(fā)射與接收電路、溫度檢測電路、顯示電路、在線下載程序電路和聲光報警電路。圖1是系統(tǒng)硬件框圖,系統(tǒng)的工作流程如下:先由鍵盤設(shè)定好報警上下限的初始值,上電運行后,由單片機產(chǎn)生超聲波信號再由超聲波接收器把信號輸入單片機,單片機通過對脈沖信號的判斷和處理,對聲光報警設(shè)備與顯示設(shè)備進行控制。系統(tǒng)的控制電路以AT89S52單片機為核心,所有電路的控制與信號的處理都由單片機完成。單片機的外圍電路主要有:晶振電路、復(fù)位電路、液晶顯示屏顯示電路、聲光報警控制電路、鍵盤接口電路、超聲波傳感器電路等。單片機的P0口接到液晶顯示屏的數(shù)據(jù)口上。P2.0至P2.2這3個口接到液晶顯示屏的各控制線上。P1.0、P1.1、P1.2和P1.3作為鍵盤輸入接口。P3.6通過74HC04(高速CMOS——六反相器)接到超聲波發(fā)射器上,P3.3通過紅外轉(zhuǎn)換接收的電路集成芯片CX20106判斷是否接收到超聲波信號并對接收到的信號進行處理。1.超聲波發(fā)射頭單片機發(fā)出的脈沖信號經(jīng)過整形后,傳到超聲波換能器(中心頻率為40kHz),通過超聲波發(fā)射頭將電能轉(zhuǎn)換為機械能發(fā)射出去。脈沖信號采用高頻低功耗非周期窄脈沖信號,因為其具有頻率高,波長短,繞射現(xiàn)象小,方向性好,發(fā)射器體積小等優(yōu)點。2.放大溫度不足夠,不能準(zhǔn)確判斷回波時由于超聲波發(fā)射后,在傳播過程中存在衰減問題,且超聲波頻率越高,衰減越快,但頻率高有利于提高超聲波的指向性。超聲波在傳播過程中幅值衰減很大,收到的回波可能十分微弱,要準(zhǔn)確判斷接收到第一個回波的時間,必須對收到的信號進行足夠的放大,否則不能準(zhǔn)確判斷回波時間,進而影響超聲波測量精度。因此本系統(tǒng)利用紅外轉(zhuǎn)化接收的電路集成芯片CX20106。CX20106是紅外接收的專用集成電路,且IC性能優(yōu)越,封裝形式及體積與許多遙控信號接受器的IC相同或相似,可用來代替多種信號的遙控集成電路。所以利用CX20106作為超聲波接收的檢波電路。這樣設(shè)計既簡化了電路又使系統(tǒng)具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。3.ds18b20溫度轉(zhuǎn)換分辨率系統(tǒng)中溫度檢測采用DS18B20傳感器。DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的支持“一線總線”接口的溫度傳感器,它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配處理器等優(yōu)點,可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供處理器處理。其測溫范圍為-55?+125℃,在-10?+85℃時精度為±0.5℃,測量的溫度值可以由用戶選擇設(shè)定用9?12位表示,DS18B20的轉(zhuǎn)換分辨率均可由用戶設(shè)定。溫度轉(zhuǎn)換所需轉(zhuǎn)換時間較短,最大轉(zhuǎn)換時間為750ms,可以設(shè)定溫度超標(biāo)報警的上、下限值,在溫度超限時發(fā)送報警信號。4.電源電極與電極布置本系統(tǒng)使用LCD12864液晶顯示屏顯示液位的實際高度、報警值和環(huán)境溫度值。采用LCD12864的串行控制方式,LCD的第1腳(GND)接電源地,第2腳(VCC)接電源正,第3腳(VO)是液晶顯示對比度調(diào)節(jié)端,第4腳(CS)串行控制方式片選接于單片機的P2.0口,第5腳(SID)串行控制方式的數(shù)據(jù)口接于單片的P2.1口,第6腳(SCLK)串行控制方式的同步時鐘信號與單片機的P2.2口相連,D0?D7是數(shù)據(jù)口,第15腳(PSB)并/串選擇:H并行,L串行,第17腳(RST)復(fù)位,低電平有效,第19腳(BLA)和第20腳(BLK)是背光電源正極與負(fù)極。5.蜂鳴器的驅(qū)動系統(tǒng)采用電磁式蜂鳴器和LED進行超限報警。通過單片機AT89S52的P2.7口連接一個1kΩ電阻,再接至PNP型晶體管的基極來驅(qū)動蜂鳴器。當(dāng)P2.7口輸出一定頻率的脈沖信號時,晶體管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換,這樣就會產(chǎn)生一定頻率的變化電平使蜂鳴器發(fā)出報警聲。P2.3口、P2.4口或P2.5口根據(jù)超限情況,讓某一顏色的燈按一定的頻率閃爍(紅燈:超過上限值;黃燈:超過下限值;綠燈:正常)。軟件的設(shè)計及分析圖2是軟件設(shè)計的總體框圖。軟件設(shè)計運用模塊化程序設(shè)計思想,對不同功能的程序進行編程,這樣不但使得整個軟件的層次和結(jié)構(gòu)比較清晰,而且有利于軟件的調(diào)試和修改。軟件設(shè)計的主要思路是:首先進行系統(tǒng)初始化,然后輸入設(shè)定初值,接著發(fā)射脈沖串,計時以及計算液位的距離和溫度等數(shù)據(jù)后再進行數(shù)據(jù)處理顯示。本系統(tǒng)軟件的模塊由按鍵功能模塊、超聲波發(fā)射模塊、DS18B20溫度補償模塊、LCD12864顯示模塊,延時子程序模塊組成。1.接觸其他操作本程序設(shè)計功能鍵按下之后才能進入設(shè)置狀態(tài)是為了防止不小心觸碰到其他按鍵而導(dǎo)致程序停止。進入調(diào)節(jié)上限值時,可以通過加按鍵和減按鍵調(diào)整所需要的值,設(shè)置完成后通過按下確認(rèn)鍵,就可退出設(shè)置狀態(tài),程序繼續(xù)運行。2.斷信號的產(chǎn)生單片機產(chǎn)生40kHz的方波信號,同時定時器T1也開始計時,等待中斷信號(超聲波接收頭收到40kHa超聲波信號會使INT1產(chǎn)生一個低電平)。接收到中斷信號后,單片機就停止計時,同時計算出距離值,進行距離補償后把數(shù)據(jù)保存起來,然后重復(fù)上面操作兩次,分別計算出距離值。3.基于數(shù)字碼的溫度測量由于溫度傳感器DS18B20采用單總線協(xié)議,即與單片機接口僅需占用一個I/O端口,無須任何外部元件,而直接將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,以數(shù)字碼方式串行輸出。方便進行多點溫度測量,具有微型化、低功耗、高性能,抗干擾能力強,易配微處理器等優(yōu)點。當(dāng)傳感器檢測外界溫度與合適溫度溫差較大時,就會進行溫度補償。4.讀/寫檢測本系統(tǒng)是采用串行控制方式。原則上每次對控制器進行讀/寫操作之前,都必須進行讀/寫檢測,確保讀寫操作使能為0。實際上,由于單片機的操作速度低于液晶控制器的反應(yīng)速度,因此可以不必進行讀/寫檢測,或只進行簡短的延時即可。串行控制數(shù)據(jù)或是指令發(fā)送都是分成高4位和低4位再分別補零進行操作。5.控制延遲程序延時程序是為了方便程序中要運用到短暫的延時,不必每次需要延時的時候重新寫一次,把延時程序也寫成一個函數(shù)模塊,每次要用到延時程序時,只需調(diào)用延時程序就可以了。結(jié)果與分析為了驗證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性以及溫度對其影響,在不同的條件下對系統(tǒng)進行分組實驗測試。1.溫度對超聲波傳播的影響測量溫度:29℃。測量方法:利用三角尺測量的實際值和系統(tǒng)的測量值一并記錄進行比較。在29℃的環(huán)境溫度下的測量結(jié)果如表1,可以看出實際值與測量值之間最大誤差值為0.1mm,所以在溫度29℃時精確度是較高的。測量溫度:30℃。測量方法同上。在30℃的環(huán)境溫度下的測量結(jié)果如表2,可以看出實際值與測量值之間存在的最大誤差值為0.4mm,所以溫度的不同對測量結(jié)果有著不同的影響。理想環(huán)境下,超聲波在一種介質(zhì)中的傳播速度保持不變,但是隨著溫度的變化,超聲波的速度也相應(yīng)地發(fā)生變化。在常溫下,溫度變化1℃,超聲波的速度就會變化0.607m/s。這樣測量300mm的距離就會產(chǎn)生約0.5mm的誤差,由于聲速隨溫度的變化較劇烈,將產(chǎn)生比較大的誤差。因此,需要注意環(huán)境溫度的變化,及時修改計算公式中的聲速值,以便獲得更精確的測量結(jié)果。系統(tǒng)用溫度傳感器DS18B20實測溫度來進行聲速補償從而克服溫度變化帶來的誤差。2.溫度4:30