传感器课程设计--超声波测液位.doc

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东北石油大学

课程设计

课程传感器课程设计

题目超声波测液位电路设计

院系

专业班级

学生姓名

学生学号

指导教师

2013年7月16日

任务书

课程传感器课程设计

题目超声波测液位电路设计

专业姓名学号

主要内容：

本文主要是针对类似油罐等封闭式液体的液位的测量，采用超声波作为主要手段。

此次设计采用反射波方式,超声波测距仪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部分。

单片机采用AT89C51或其兼容系列。

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。

显示电路采用简单实用的LED数码管。

基本要求：

1、通过传感器原理及相关电路知道设计超声波测液位电路。

2、设计电路，并用相关的软硬件测出液位。

3、掌握相关的传感器原理及应用。

主要参考资料：

[1]胡平．超声波测距仪的研制[J].计算机与现代化．2003，10．

[2]时德刚，刘哗．超声波测距的研制[J]．计算机测量与控制．2002，10．

[3]华兵．MCS-51单片机原理应用[M]．武汉：

武汉华中科技大学出版社．2002，5．

[4]李华．MCU-51系列单片机实用接口技术[M]．北京：

北京航天大学出版社．1993．

[5]郁有文．传感器原理及工程应用[M]．西安:

西安电子科技大学出版社．2000．

完成期限2013.7.13—2013.7.16

指导教师

专业负责人

2013年7月16日

传感器课程设计

摘要

超声波液位测量是一种非接触式的测量方式,它是利用超声波在同种介质中传播速度相对恒定以及碰到障碍物能反射的原理研制而成的。

与其它方法相比（如电磁的或光学的方法）,它不受光线、被测对象颜色的影响，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。

因此，研究超声波在高精度测距系统中的应用具有重要的现实意义。

本设计基于单片机的超声波液位测量系统主要由硬件与软件两部分组成，硬件是基于AT89C51芯片为核心的超声波液位测量，采用AT89C51单片机进行控制及数据处理，给出了超声波发射和接收电路，通过盲区的消除以及环境温度的采样，提高了测距的精确度。

利用超声波传输中距离与时间的关系，设计出了能精确测量两点间距离的超声波液位检测系统。

此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时检测液位。

并有超声波处理模块CX20106A、CD4069组成的超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、LED显示电路、报警电路等。

软件部分由主程序、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。

最后通过实物的调试，各项参数及功能符合设计要求，能达到预期的目的。

关键词：

单片机；超声波；温度控制；高精度测距

目录

一、设计要求 1

1、超声波传感器的功能与用途 1

2、课题研究的背景及意义 1

3、国内外发展的现状 1

二、方案设计 2

1、方案说明 2

2、方案比较及论证 3

三、传感器工作原理 4

1、超声波传感器的性能指标 4

2、超声波传感器的结构 4

四、电路的工作原理 6

五、单元电路设计、参数计算和器件选择 8

1、单元电路设计 8

2、参数计算 12

3、器件选择 12

六、总结 15

参考文献 16

传感器课程设计

超声波测液位电路设计

一、设计要求

1、超声波传感器的功能与用途

本设计中采用反射式的方式，超声波传感器发射超声波，遇到液面后超声波被反射回来，超声波接收探头接收超声波。

其间通过单片机的控制，I/O口输出控制信号从NE555振荡器输入到CD4069驱动电路驱动超声波发射电路，超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。

经过液面反射后超声波接收探头将接收到的超声波送到单片机进行处理。

输出由LED数码管显示，通过盲区的消除以及环境温度的采样，提高了测距的精确度。

利用超声波传输中距离与时间的关系，采用AT89C51单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波液位检测系统。

利用所设计出的超声波液位检测系统，对液面进行了测试，采集当时的环境温度获得精确的速度，计算出液面距离。

此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时检测液位。

2、课题研究的背景及意义

目前，液位测量技术已经广泛的运用在工业部门和日常检测部门中。

例如：

液位测量技术在石油、化工、气象等部门的应用。

在测量条件和环境来说，有的测量系统被运用在十分复杂的条件与环境中。

例如:

有的是高温高压，有的是低温或真空，有的需要防腐蚀、防辐射，有的从安装上提出苛刻的限制，有的从维护上提出严格的要求等。

这些都大大的提高了对测量技术的要求。

所以能实现测量的无接触与智能化是液位测量计现在的主要发展方向[1]。

近年来，随着工业的发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，液位仪表的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。

3、国内外发展的现状

随着电子技术的发展出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。

前2种方法由于技术难度大成本高一般仅用于军事工业而超声波测距则由于其技术难度相对较低且成本低廉适于民用推广。

这项技术也可用于工业测量领域。

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，因而超声波常常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

随着自动测量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。

超声测距是一种非接触式的检测方式。

与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光芒、被测对象颜色等影响。

对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。

因此在液位测量、机单片机毕业论文械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。

特殊是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很轻易检测出来，具有很高的分辨力，因而其正确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。

因此本设计也是利用超声波来测量距离[2]。

二、方案设计

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。

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、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

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AT89S51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。

1、方案说明

本设计基于单片机的超声波液位测量系统主要由单片机、温度检测电路、超声波发射电路、超声波接收电路、LED显示电路、报警电路等组成。

本设计采用模块化设计思想，以单片机AT89C51为核心，将其他模块有机的整合在一起，形成一个统一的系统，硬件系统的框图如图1所示。

报警系统

超声波接收

超声波发送

AT89C51单片机

LED显示

温度检测

555

电路

图1超声波液位测量系统框图

图2.1超声波液位测量系统框图

方案一：

（发射部分）通过NE555振荡器设计出振荡电路，产生40KH的脉冲在通过CD4069的驱动作用于超声波发射探头上。

（接收部分）将超声波接受探头接收到的信号通过CX20106整形和滤波以后再CX20106的7脚输出一个40KH的脉冲，在单片机的P3.2处产生一个下降沿。

方案二：

（发射部分）通过单片机发射40KH的脉冲，再经过4069非门，再经过4011与非门的驱动作用于超声波发射探头上。

（接收部分）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，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序。

2、方案比较及论证

通过方案一和方案二的比较我们可以发现，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，它是基于硬件的基础上，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，准确度比较高。

经过比较我们发现，在发射电路中方案一的设计比较经济实惠而且比较方便，所以我们选择方案一来产生超声波。

在接收电路中我们发现，在方案一中我们通过采用CX20106可以将信号进行放大和整形处理，在CX20106的5脚和7脚串联一个200K的电阻可以将频率稳定在40KH。

在方案二中我们通过LM324三级放大，再通过LM567检波电路，此电路调试比较复杂，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。

因此在本次设计中，我们选用的是方案一，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。

三、传感器工作原理

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

1、超声波传感器的性能指标

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器的主要性能指标包括：

（1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不会失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

（3）灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

2、超声波传感器的结构

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多作探测作用。

它有许多不同的结构，直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头等。

当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。

另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。

利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。

相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。

基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器[5]。

如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。

该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。

谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

s=340t/2

（1）

这就是所谓的时间差测距法。

图2超声波液位测量示意图

图3.1超声波液位测量示意图

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：

L=C×T

（2）式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。

四、电路的工作原理

本设计中采用反射式的方式，超声波传感器发射超声波，遇到液面后超声波被反射回来，超声波接收探头接收超声波。

其间通过单片机的控制，I/O口输出控制信号从NE555振荡器输入到CD4069驱动电路驱动超声波发射电路，超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。

经过液面反射后超声波接收探头将接收到的超声波送到单片机进行处理。

输出由LED数码管显示，通过盲区的消除以及环境温度的采样，提高了测距的精确度。

利用超声波传输中距离与时间的关系，采用AT89C51单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波液位检测系统。

利用所设计出的超声波液位检测系统，对液面进行了测试，采集当时的环境温度获得精确的速度，计算出液面距离。

此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时检测液位。

AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K在系统可编程Flash存储器。

使用某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AT89C51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。

AT89C51具有以下标准功能：

4k字节Flash，128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级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89C51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停止工作，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，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止[4]。

图3系统硬件设计电路图

五、单元电路设计、参数计算和器件选择

1、单元电路设计

（1）电源电路设计

本系统采用市电220V，50Hz供电，而单片机以及其它芯片均采用直流5V和12V电压供电。

故需要设计降压电路。

本电路使用了由LM7805和LM7812构成的桥式稳压整流电路。

电路如图4所示。

图4电源电路

经过降压、桥式整流、滤波后通过LM7805稳压并直接为单片机和其它器件供电，作为齐纳二极管/电阻组合的替换方案时，LM7805和LM7812通常可以改善有效输出阻抗达两个数量级，并降低静态电流。

LM7805和LM7812可提供本地卡上稳压，结合单点调节，解决分配问题。

由于足够的散热设置，LM7805和LM7812稳压器可提供100mA的输出电流，同时还包含限流功能，以限制峰值输出在安全值的范围内。

LM7805和LM7812为输出晶体管提供了安全区域保护，限制内部功耗。

假如内部功耗超出了散热范围，热关断电路将会启动，防止芯片过热。

（2）显示电路设计

在单片机应用系统中，LED数码管的显示常用两种方法：

静态显示和动态扫描显示。

所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。

这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时,再发送新的字形码，因此，使用这种方法较为简单与便利。

在显示电路的设计上，利用单片机的P0～P2口来控制数码管显示，这种接法虽然比较浪费管脚资源，但是对单片机的理论知识要求相对比较低，而且超声波发射和接收电路并不需要很多的管脚来支持，所以我选择这种方案。

数码管的选择上，为了使数码管亮度大，本人选择了共阴极的数码管，数码管管脚接到高电平发亮。

显示及其驱动电路的原理图见图5。

图5单元显示电路

（3）温度补偿电路设计

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，测温范围为-55～125℃，最大分辨率可达0.0625℃。

DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用了一线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。

测温电路图6所示。

图6DS18B20

（4）超声波发射电路设计

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。

超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志[6]。

图7超声波发射电路

电路的设计思想

超声波发射电路由超声波换能器（或称超声波振头）和超声波发生器两部分组成，40KHz的超声波信号是利用NE555时基电路振荡产生的，振荡频率，通过调节信号频率，使之与换能器的40KHz固有频率一致，为保证555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12V电源。

工作时，单片机通过P1.0口向超声波发生电路发出控制信号从555振荡电路的3脚输入到CD4069驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波，超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。

（5）超声波接收电路设计

超声波接收电路CX20106A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38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。

实验证明用CX20106A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。

适当更改电容的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

其电路由图8所示。

图8超声波接收电路

CX20106A的引脚注释：

1脚IN：

超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

2脚C1：

该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。

增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。

但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7Ω，C=3.3μF。

3脚C2：

该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μF。

4脚GND：

接地端。

5脚f0：

该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，

阻值越大，中心频率越低。

例如，取R=200kΩ时，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。

6脚C3：

该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得

太大，会使探测距离变短。

7脚OUT：

遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上

一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kΩ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。

8脚VCC：

电源正极，4.5V～5V。

2、参数计算

超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。

这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。

距离的计算公式为：

（3）

其中，d为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。

在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离[6]。

3、器件选择

超声波发生器选择

超声波发生器可以分为两类：

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。

本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。

超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，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。

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，常用材料是压电式陶瓷。

由于超声波在空气传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择高频率的传感器，而长距离测量时应用低频率的传感器。

一、超声波接收传感器及处理芯片CX20106A

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前