利用超声波传感器测量液位高度.doc
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1、. .本科生毕业设计论文题目:利用超声波传感器测量液位高度The Design of Using Ultrasonic Sensor Measure The Liquid Level Altitude院系名称:学生XX:学生学号:专业:指导教师:完成时间:. .word. .声明本人X重声明:所呈交的毕业设计论文是本人在指导教师指导下进展的研究工作及取得的研究成果。其中除加以标注和致谢的地方,以及法律规定允许的之外,不包含其他人已经发表或撰写完成并以某种方式公开过的研究成果,也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而作的材料。其他同志对本研究所做的任何奉献均已在文中作了明确的说明并表示谢意。本毕
2、业设计论文成果是本人在XX师X大学读书期间在指导教师指导下取得的,成果归XX师X大学所有。特此声明。声明人毕业设计论文作者学号:声明人毕业设计论文作者签名:签名日期:年月日. .word. .摘要随着现代科学技术的开展,人们逐渐了解到,超声波的穿透力很强不易损坏物体,而且它在两万赫兹以上,不会影响到人们的正常工作,并且他的传播速度快。由于超声波具有这样大的优点,所以人们对超声波的利用率越来也高。从大到工业体系的探伤,小到测距和金属外表清尘,超声波几乎无处不在的伴随我们的生活。本设计是以AT89S52单片机为核心的低本钱、高精度、微型化数字显示超声波测距仪。整个电路采用模块化设计,由单片机控制模
3、块,超声波发射模块,超声波接收模块和数据显示模块组成。软件局部由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序组成。各探头的信号经单片机综合分析处理,实现超声波测距仪的各种功能。在此根底上设计了系统的总体方案,最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关局部附有硬件电路图、程序流程图。关键词:AT89S52;超声波;测距. .word. .AbstractWith the development of modern science and technology, people gradually understanding that the ultrasonic wave penetra
4、ting power is very strong .The ultrasonic wave is not easy to damage the object,morover it above 20KHZ and affect peoples nomal work. So the using of Ultrasonic wave is more and more frequent. From the large scale flaw detection of the industrial system to the measuring distance and clearing of the
5、metal surface , the ultrasonic wave is useful in our every daily life .The ultrasonic distance measurer design with digital display functional module used AT89C52 MCU as the core ponent,of which carries the characteristics with low-cost,high-precision and microminiaturization.The whole circuit used
6、modular design,it includes the MCU control module,ultrasonic transmit module,ultrasonic receive module and the Data display module.In the software design part,it contains the main program,the presets subroutine,the launch subroutine,the receiving subroutine and the display subroutine.Through the pre
7、hensive analysis processing of the AT89C51 MCU, The signal of each detector can realizing the functions of ultrasonic measure.Based on these,designed the overall scheme of the system.On the finally,through the hardware and software realize the whole modules.And the relevant parts have the hardware c
8、ircuit diagrams and program flow charts on the appendix.Key words:AT89S52;Silent Wave;Measure Distance. .word. .目录摘要IABSTRACTII1 引言12 课题设计的任务和要求13 课程的方案设计与论证23.1 系统整体方案的设计23.1.1 设计方案一23.1.2 设计方案二33.1.3 方案比拟以及论证53.2 系统整体方案的论证54 系统的硬件构造设计64.1 各芯片功能特点简介74.1.1 52系列单片机的功能特点74.1.2 CX20216简介及其调试84.1.3 74ls
9、573管脚及功能特点94.2 测距原理及框图104.2.1 超声波测距的原理104.2.2超声波测距仪原理框图104.3 超声波发射电路114.4 超声波检测接收电路114.5 数据显示局部电路124.6 超声波测距系统的硬件电路设计135 系统的软件编程设计145.1 超声波测距仪的算法设计145.2主程序流程图145.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序165.4 系统的软硬件调试176完毕语18参考文献19附录一:超声波测距电路原理图20附录二:程序清单211 引言在科学技术日新月异开展的今天,许多场合开场引进电子设备做为辅助检测,针对诸多行业储液罐液位测量的特点和技术要求,设计一种
10、基于超声波传感器的液位高度测量系统。超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播,由于超声波具有定向性好,能量集中,在传输过程中衰减小,反射能力较强等特点,超声波传感器可广泛应用于非接触式检测法,不受光线,被测物颜色等的影响,它不仅能够定点和连续测液位,而且能方便地提供遥测或遥控所需的信号。与其他侧位技术相比拟,它不需要特别防护,安装维修较方便,而且构造方法都较简单,价格低廉。在超声波液位测量技术中,应用最广泛是超声波脉冲回波方法,由发射传感器发出超声波脉冲,传到液面经反射后返回接收传感器,测出超声波脉冲从发射到承受所需的时间,根据媒介中的声速,就能得到从传感器到液面之间的距离,从
11、而确定液位高度。2 课题设计的任务和要求设计一个超声波测距仪,任务:(1).了解超声波测距原理。(2).根据超声波测距原理,设计超声波测距器的硬件构造电路。设计一个超声波测距仪,要求:(1).设计出超声波测距仪的硬件构造电路。(2).对设计的电路进展分析能够产生超声波,实现超声波的发送与接收,从而实现利用超声波方法测量物体间的距离,并且,测距X围在20cm-2m之间,测量精度控制在3mm以内。 (3).对设计的电路进展分析。 (4).以数字的形式显示测量距离。3 课程的方案设计与论证3.1 系统整体方案的设计由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量
12、。利用超声波检测距离,设计比拟方便,计算处理也较简单,并且在测量精度方面也能到达农业生产等自动化的使用要求。超声波发生器可以分为两大类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不一样,因而用途也各不一样。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素,本文采用AT89S52单片机作为控制器,用动态扫描法实现LED数字显示,超声波驱动信号用单片机的定时器。3.1.1 设计方案一发射局部通过NE555振荡器设计出振荡电路,产生40KH的脉冲在
13、通过CD4069的驱动作用于超声波发射探头上如图3-1。接收局部将超声波探头接收到的正弦40KH超声波信号其VPP为50mV通过LM324运放三级放大以及整形以后产生VPP为3.5V的梯形波信号,用锁相环电路进展检波处理后,启动单片机中断程序如图3-21。图3-1 555超声波发射电路原理图图3-2 324超声波接收电路原理图3.1.2 设计方案二发射局部通过单片机发射40KH的脉冲,在经过4069非门,在经过4011与非门的驱动作用于超声波发射探头上如图3-3、如图3-42。接收局部将超声波承受探头接收到的信号通过CX20216整形和滤波以后再CX20216的7脚输出一个40KH的脉冲,在单
14、片机的P3.2处产生一个下降沿如图3-5。图3-3 超声波发射电路原理图1图3-4 超声波发射电路原理图2图3-5超声波接收电路原理图3.1.3 方案比拟以及论证通过方案一和方案二的比拟我们可以发现,在方案一中的发射电路中,我们可以用NE555振荡产生40KH的方波信号,它是基于硬件的根底上,便于我们可以通过示波器观察到40KH的方波,具有直观且易于观察的特点,有利于电路的检测。在方案二中,我们可以通过单片机产生40KH的脉冲信号,在通过CD4069或者74LS04驱动,将40KH的脉冲信号发射出去,由于是软件控制,准确度比拟高。经过比拟我们发现,在发射电路中方案一的设计是比拟经济实惠而且比拟
15、方便,但方案二中的软件设计使发射超声波时间比拟容易控制,而且超声波的频率准确度比拟高,本设计要求测量精度在3mm以内,所以我们选择方案二来产生超声波。在接收电路中我们发现,在方案一中我们通过LM324三级放大,再通过LM567检波电路,此电路调试比拟复杂,在做三级放大时,放大倍数不容易控制,在输出波形上会发生小幅度的偏移。在方案二中我们通过采用CX20216可以将信号进展放大和整形处理,在CX20216的5脚和7脚串联一个200K的电阻可以将频率稳定在40KH。因此在本次设计中,我们选用的是方案二,以提高测量结果的准确度,并且在整个系统中我们都会采用单片机做计算和显示。3.2 系统整体方案的论
16、证超声波测距的原理是利用超声波的发射和承受,根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种,一种是在被测距离的两端,一端发射,另一端接收的直接波方式,适用于身高计;一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式,适用于测距仪。此次设计采用反射波方式3。测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器,常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减,衰减的程度与频率的上下成正比;而频率高分辨率也高,故短距离测量时应选择频率高的传感器,而长距离的测量时应用低频率的传感器,在本设计中我们采用40KHZ的传感器。4 系统的硬件构造设计超声波测距仪
17、硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三局部。单片机采用AT89S52,采用12MHz高精度的晶振,以获得较稳定时钟频率,减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波发射器所需的40kHz的方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的四位共阴LED动态扫描显示。超声波发射电路主要由74LS00和超声波发射器T-40构成,单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级与非门后送到超声波发射器的一个电极,另一路经两级与非门后送到超声波发射器的另一个电极,用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端,可以提高超声波
18、的发射强度。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片会发生共振,并带动共振板振动产生超声波,这时它就是一个超声波发生器;反之,如果两电极问未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收换能器。超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20216A组成,它是一款红外线检波接收的专用芯片,常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近,可以利用它制作超声波检测接收电路。
19、实验证明用CX20216A接收超声波(无信号时输出高电平),具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。4.1 各芯片功能特点简介4.1.1 52系列单片机的功能特点At89s52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于 常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。该系列单片机引脚与封装如图4-1所示。图4-
20、1 51单片机系列封装图AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM, 32 位I/O 口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16 位 定时器/计数器,一个6向量2级中断构造,全双工串行口, 片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU 停顿工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结, 单片机一切工作停顿,直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52引脚P0 口:P0口是一个8位漏极开路的
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