1、东北石油大学课 程 设 计2013 年 7 月 16 日课 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 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
2、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2003，102时德刚，刘哗超声波测距的研制J计算机测量与控制2002，103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2002，54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19935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 2013.7.132013.7.16 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
3、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
4、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；高精度测距传感器课程设计目 录一、设计要求 .11、超声波传感器的功能与用途 .12、课题研究的背景及意义 .13、国内外发展的现状 .
5、1二、方案设计 .21、方案说明 .22、方案比较及论证 .3三、传感器工作原理 .41、超声波传感器的性能指标 .42、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 .81、单元电路设计 .82、参数计算 .123、器件选择 .12六、总结 .15参考文献 .16传感器课程设计0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
6、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
7、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
8、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传感器课程设计1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
9、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
10、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 A
11、T89C51 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。传感器课程设计2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 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
12、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
13、（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报警系统图 1 超声波液位测量系统框图传感器课程设计3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
14、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
15、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
16、，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。另一方传感器课程设计4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
17、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
18、 。 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 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=CT (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 )。图 2 超声波液位测量示意图
