超声波自动测量物体液位系统的设计(附程序和电路图)

摘  要
目前许多领域都需要对液位进行监控，但由于种种原因目前我国多数企业还处于人工操作阶段，工作量很大，而且在有些工作环境人还无法靠近或现场无需人力来监控。本次设计是利用51单片机作为控制芯片，获取超声波传输的时间并且进行计算从而来测量液位的液位自动测量系统。本次设计主要包含几个模块：1）超声波发射、2）超声波接收、3）温度检测、4）报警系统。上述模块都是由单片机来控制并且相互传递信号。单片机编程用的是汇编语言，这样能更好的来控制系统的时序问题。利用超声波液位测量系统来测量物体液位，不仅实现了其自动化，且精度比传统方法更高，测量更可靠，控制简单，很好的解决了上面的问题。并且超声波测量系统还可以应用到很多其他的工业领域。
关键词：液位测量； 超声波； AT89C51； 温度测量
 
ABSTRACT
Now many areas need to monitor the level, but due to various reasons at present most in manual operation stage, and in some heavy workload working environment also can not come near or site monitoring of human. This design is using the 51-series microcomputer as the main control chip, ultrasonic transmission time and calculated to measure the level of automatic measurement system level. This design mainly used several modules: (1), (2) launch ultrasonic wave to accept, 3) temperature detection, 4) alarm system. These modules are made by a singleship controlling and relay signals. Microcontroller programming is used to assemble language, the better to control system's timing problems. Using ultrasonic level measurement system to measure level, not only realize the object and its automation, higher accuracy than traditional methods, measuring more reliable, simple and very good solve the above problem. And the ultrasonic measurement system can also be used to other industries.
Keywords: level measurement; Ultrasonic; AT89C51; Temperature measurement
 
设计要求：
(1) 测量距离范围要求为≤9.99 m；
(2) 精度要求1 cm；
(3) 有温度补偿；
(4) 显示方式为数码管显示；
(5) 具有较强的抗干扰能力，安装简单。
(6) 盲区问题有一定的解决方法。
超声波检测技术在工业生产和科学研究中得到了广泛的应用。本设计利用超声波测量物体的液位，但目前的超声波液位测量系统中存在着精度低、盲区大及测量数据不稳定等问题。针对上述缺点,本文以AT89C51单片机作为控制中心,研制出了小型化、便携式超声波液位自动测量系统。
论文主要研究基于单片机的超声波液位自动测量系统，分别对超声波发生电路、回波接收电路、温度补偿电路、数码显示电路、报警电路及系统设备的软、硬件各个部分进行了研究。
主要内容如下：
(1) 系统硬件电路的设计：
第一 根据测距技术的特点，进行超声波液位测量系统的整体设计。
第二 针对超声波液位测量系统的整体功能对各个模块电路进行设计。
第三 对超声波发生电路进行设计，产生用于测量的超声波。
第四 对超声波接收电路进行设计，接收反射回来的超声波。
第五 LED数码显示测量的距离值，以文字显示的方式显示测量的距离。
第六 当测量距离大于设定的最大值时，系统将进行自动蜂鸣报警。
(2) 系统软件的设计：
第一 超声波液位测量系统的算法。
第二 系统主程序的设计。
第三 发送、接收子程序的设计。
第四 温度补偿。
第五 LED显示程序的设计。

超声波测距的原理与误差
超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。
因为超声波在标准空气中的传播速度为340m/s，由单片机负责计时，单片机使用12.0 MHz晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。
超声测距大致有以下两种方法。第一种，取输出脉冲的平均值电压，该电压其幅值基本固定与距离成正比，测量电压即可测得距离第二种，测输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔。
我们这里介绍的测量电路采用第二种方案来计算距离。由于超声波的声速和温度有关，如果温度变化不是很大，那么我们认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，那么我们可以通过温度补偿的方法来加以校正。

目    录    23000字
第1章 概述    1
第1.1节 物体液位自动测量的必要性    1
第1.2节 物体液位测量技术的国内外研究现状    3
第1.3节 超声波液位计的应用    5
第1.4节 超声波测距应用范围与环境    6
第1.5节 发展应用前景    7
第2章 课题方案设计和技术要求    9
第2.1节 课题设计的任务和要求    9
第2.2节 超声波测距的原理与误差    11
第2.3节 课题的方案设计    13
第2.4节 超声波传感器    14
第3章 系统的硬件结构设计    16
第3.1节 单片机AT89C51    17
3.1.1 时钟电路    17
3.1.2 复位电路    18
第3.2节 超声波发射电路    19
第3.3节 超声波检测接收电路    20
第3.4节 DS18B20温度测量电路    23
第3.5节 显示电路    26
3.5.1 显示器    27
3.5.2 LED的驱动电路    28
第3.6节 报警电路    31
第4章 系统软件的设计    32
第4.1节 测距算法    32
第4.2节 主程序    34
第4.3节 温度检测程序设计    36
第4.4节 超声波发生子程序与超声波接收中断程序    38
第5章 总结    41
参考文献    43
附  录1 程序清单    44
附  录2 超声波物体液位自动测量系统电路原理图    56
英文原文    57
中文译文    64
致  谢    69