1、本科毕业论文（20 届）基于 AT89C51 单片机的水塔水位控制系统的设计所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 2摘 要水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，水塔供水的主要问题是塔内水位应该始终保持在一定范围内，避免“空塔” 、 “溢塔”现象发生。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，而自动控制原理，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，从而提高了供水系统的质最。而智能控制系统的成本低，安装方便，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。本论文介绍了一种由 AT89C51 单
2、片机为主控元件的超声波水位测量系统。超声波水位测量仪应用超声回波原理技术，在硬件部分，超声波发射电路将由 AT89C51 单片机控制的每隔固定周期的方波脉冲信号控制，以满足超声波发射探头的发射需要。超声波接收电路对接收的回波进行发大整形，送回单片机。系统以 AT89C51 单片机为设计核心，测量得到超声波的传播时间，计算出传播的距离，从而得到所要测量的水位距离,并通过LED 显示出来。软件部分，设计了中断程序、显示程序、主程序等。使得程序部分适合硬件部分，使系统功能得以实现。关键词 超声波，AT89C51，水位测量 34目录1 水塔水位自动控制系统概述.41.1 综述 .41.1.1 水塔水位
3、自动控制系统 .41.2 水位测量的分类 .41.2.1 按照原理分类 .42 超声波水位检测原理 .62.1 超声波的水位检测介绍 .62.1.1 超声波基本性质 .62.1.2 超声波的特性 .62.1.3 超声波的衰减 .72.1.4 超声波的折射率 .72.1.5 水位介质中的声速与温度的关系 .82.2 超声波水位检测探头 .92.3 超声波探头的压电效应 .92.4 超声波水位检测的理论分析 .102.5 超声波水位计的优缺点与可行性 .122.6 超声波水位检测的主要任务 .123 超声波水位探测系统的硬件设计 .143.1 系统总体设计思想 .143.2 发射电路设计 .145
4、3.2.1 发射电路工作原理 .153.2.2 发射电路的组成 .153.3 接收电路的设计 .173.3.1 接收电路的工作原理 .183.3.2 接收电路的组成 .183.4 显示模块 .203.5 独立式按键 .224 超声波水位探测系统的软件设计 .234.1 软件设计思想 .234.2 中断程序 .234.3 显示程序 .244.4 主程序 .264.5 按键扫描 .29结 论 .31参考文献 .32附件 .33致 谢 .3661 水塔水位自动控制系统概述1.1 综述近年来，随着自动控制技术和工业迅猛发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，水位仪表的研制得到了长足的发展，
5、以适应越来越高的应用要求。现代控制理论本质上是时域法，是建立在状态空间基础上的，它不用传递函数，而是用状态向量方程作基本工具，从而大大简化了数学表达方式，因此原则上可以分析多输入多输出、非线形以及时变系统。自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展，而自动控制理论的发展，又指导了控制技术的应用，使其进一步完善。1.1.1 水塔水位自动控制系统水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，而自动控制原理，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，从而提高了供水系统的质晕。该系统采用分立元件电路实现了水塔水位的自动控制，设计出
6、一种低成木、高实用价值的水塔水位控制器。采用分立的电路实现超高、低水位处理，自动控制电机电路。它能自动完成上水停水的全部工作循环，保证液面高度始终处于较理想的范围内，它结构简单，制造成木低，灵敏度高，节约能源显著，是用于各种高层水位储存的理想设备。1.2 水位测量的分类1.2.1 按照原理分类根据工作原理的不同水位计可分为如下几种：1、直读水位计：是最原始但仍应用较多的一种水位测量仪表，其精度一般为 2mm 的人为误差。此种方法有测量简单、直观、成本低的优点，但测量量程有限，且不适于恶劣环境中的测量。2、静压水位计： 利用液柱对某定点产生压力，测量该定点压力或测量该点与另一参考点的 压差而间接
7、测量水位的仪表，水位压力的大小取决于水位高度；这种方法主要应用于测量精度要求不高的场合。3、电磁水位计：这种测量方式是将水位的变化转换为电量的变化，从而对水位进行7间接测量，电磁水位计中电容由两块同心的圆柱面极板组成，电容式水位测量是根据电容量与被测水位和气相介质的相对介电常数、电容传感器浸入水位的深度、电容传感器垂直高度、内外极板圆柱底面半径之间的关系，由已知的其他数值得出所测水位高度值。4、浮子水位计：利用浮子的比重比所测水位的比重稍小的特点，使浮子漂在液面上并随液面的升高或下降来反映水位，将浮子用一条多孔钢带连接至一个恒转矩装置或平衡锤上，由浮子的重量带动多于 L 钢带通过齿轮装置推动机
8、械计数器作现场显示，还可连接电动变送器，获得远距离显示。由于滑轮机械装置的摩擦力和铆带重量，测量误差一般约为士(4 一 10)mm。5、超声波水位计：超声波水位仪是非接触测量中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。可实现非接触测量、测量范围宽、并且测量不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，因此它的适用范围非常广泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蚀性及有毒水位等的水位测量中。超声水位测量技术在越来越多的领域发挥其重要作用。82 超声波水位检测原理2.1 超声波的水位检测介绍简单来说，超声波就是超过人耳能听到的物体振动的声音的频率范围的声波就叫超声波。一般
9、来说是指声音超过了 20000Hz 以上的声波称之为超声波。与光波不同，声波是一种弹性机械波，即机械振动在弹性媒质中的传播。超声波有以下几个特点：1.频率高波长短定向好；2.振幅小加速度大能量集中功率高强度大；3.在不同介质界面上大部分能量反射，因而，超声波特别适合于距离测量。2.1.1 超声波基本性质和其他声波一样，超声波可以在气体、水位及固体中传播，并有各自的传播速度。其在空气中的传播速度主要与空气的压力和温度有关正常条件下由于大气压力变化很小因此其传播速度主要考虑温度的影响在空气中传播速度为C=331.5+1.67t(m/s) （2.1）其中 C 为超声波声速，t 为传播介质的温度。在温
10、度已知时超声波速度就能通过公式计算出来，在这个时候只要记录从发射到接收超声波的时间即可求出被测距离。超声波的另一个特性是超声波频率越高，超声波与光波的某些特性（如反射、折射定律）相似。（2.2）fc/其中 为超声波波长， 为超声波频率与，C 为超声波速度。2.1.2 超声波的特性1、超声波的束射特性由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，遵守几何光学上的定律。2、超声波的吸收特性声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因为物质要吸收掉它的能量。对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收最历害，在水位中传播时吸收比较弱，在固体
11、中传播时吸收最小。93、超声波的能量传递特性当声波到达某一物质中时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。物质分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外，还是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，物质分子愈能得到更高的能量，超声波的频率比声波高很多，所以它可以使物资分子获得很大的能量；换句话说，超声波本身可以供给物质足够大的功率。4、超声波的声压特性当声波通入某物体时,由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。2.1.3 超声波的衰减在传播的过
12、程中，衰减系数与声波介质以及频率的关系为衰减系数与声波所在介质及频率的关系为:（2.3）2bf其中， 为衰减系数， 为介质常数， 为振动频率。f在空气中， 声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，水位其次，固体吸收最小而衰减最小。因此，对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在水位和固体中传播的距离短。另外，声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此，超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。因此考虑到实际工程的需要，在设计超声波水位计时，选用频率等于 40kHz 的超声波，波长为 0.85cm。2.1.4 超声波的折射率当声波从一种
13、介质向另一种介质传播时，因为两种介质密度不同及声波在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射，其反射系数 R 为（2.5）21ROIZCSO其中， 、 分别是反射和入射声波的声强； 、 分别是声波的入射角和反射角；RI 、 分别是两种介质的声阻抗；其中1210、 ； 、 分别是两种介质的密度， 、 分别是在两种介质里的速1V212 1V2度。声波垂直入射时， =0， =0;则反射系数 R 为（2.6）21ZR由上式可以看出， 与 相差越小，R 值也越小，说明反射越弱，当 = 时，21 21R=0，说明这时没有反射，声波全部透射。当反射介质声阻抗远远大于入射介质声阻抗时，即所谓的硬边界
14、。这时，入射波的介质速度在碰到分界面时好像弹性碰撞一样，变成一个反向速度，反射波质点速度与入射波质点速度相位改变 180，反射声压与入射声压同相位。比如，当声波从水传播到空气，在常温下，它们的声阻抗约为 、6104.，代入公式可得，R=0.999。这说明声波从水位传播到气体或相反的情况下，22104由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。表 2.1 给出了几种常见介质的反射系数。表 2.1 几种常见介质的反射系数第二介质第一介质 声阻抗 铝 钢 铜 水银 玻璃 水 空气铝 1.70 0 0.21 0.14 0.01 0.02 0.72 1钢 4.56 0 0.01 0.16 0.31 0.88 1铜 3.92 0 0.13 0.23 0.86 1水银 1.93 0 0.04 0.75 1玻璃 1.80 0 0.65 1水 0.13 0 1空气 0.000041 02.1.5 水位介质中的声速与温度的关系几乎除水以外的所有液位，当温度升高时，容变弹性模量减小，声速降低。惟有水例外，温度在 74 左右时声速达最大值，当温度低于 74时，声速随温度高而增加，当温度高于 74时，声速随温度升高而降低。水中声速与温度的关系公式如下，不同温度下水中的声速如表 2.2 所示。C =1557-0.0245(74-t)2 （2.7）
