基于单片机的超声波测距系统的设计(带无线收发的,带大图)

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1、前言在现代工业生产过程中，要求对产品质量起决定作用的参数进行测量和控制，又由于一般生产现场环境恶劣或要求人员不得接近生产现场，在这时如何对工艺参数进行测量记录和调节控制便成为了首要问题，而且许多检测控制工作都是在控制终端集中完成，所以就要求将测量结果传输到控制室，同时该系统具有按照设定值自动进行液位自保持的功能。在21世纪初，通信技术得到了飞速发展，并在远程控制方面得到了广泛的应用，其中无线电技术在远程监视控制方面尤为突出，由其在设备要求和可靠性、抗干扰方面无可比拟的优势使其在信号传输方面得到了前所未有的应用。液位测量是现代工业测量中的一项基础测量，在许多生产中都要用到，是现代工业参数之一。本

2、设计是一款带有无线收发功能的液罐液位自保持系统。整个系统的硬件和软件设计都着眼于高可靠性、高可用性和高扩展性，通过超声波的接收发送功能来测量液位，并用18B20测温进行声速补偿。同时将测量结果通过无线收发器进行远距离通信，通过显示设备来直接读取测量值，并在此基础上增加控制设备完成了液位的自动控制功能，为生产现场提供了安全保障，减少了工作量，提高了工作效率。本系统采用的是AT89S52单片机，无线通信部分采用的是比较流行先进的CC1100-232模块，液位自保持部分采用控制步进电机带动阀门。1 绪论本节重点阐述了液位测量的意义以及液位测量的方法，通过对各种方法的对比，突出了本设计的特点。与此同时

3、本节还对目前在该方面研究的现状进行了阐述。 液位测量的意义工业生产中，常常需要测量容器内的液体液位。在一般的生产过程中，液位测量的目的主要是通过液位测量来确定容器里的原料、半成品或产品的数量，以保证生产过程各环节物料平衡以及为进行经济核算提供可靠的依据;另外还为了在连续生产的情况下，通过液位测量，了解液位是否在规定的范围内，从而维持正常生产、保证产品的产量和质量以及保证安全生产。液位测量在工业生产过程中的作用相当重要。随着各行业的快速发展，液位测量已应用到越来越多的领域，不仅用于各种容器、管道内液体液位的测量，还用于水渠、水库、江河、湖海水位的测量。目前无论是开渠水位的测量、大型油罐液位的测量

4、，还是小型容器液位的测量，或者其他液位系统的测量，都对测量精度提出了越来越高的要求。例如，石化部门使用的大型储油罐容量很大，很小的测量误差都将造成很大的绝对误差，因此提高液位测量的精度，不仅对储油罐的测量有很重要的意义，在其他液位测量系统中，也处于越来越重要的地位。近年来，随着电子技术和信号处理技术的迅速发展，液位测量仪表中的测量技术经历了由机械向机电一体化再到自动化的发展过程。结合这两大技术，尤其是将微处理器引进液位测量系统，使得液位计的精度越来越高，越来越向智能化、一体化、小型化的方向发展。在实际应用中，可根据需要选择合适的液位计，满足测量精度、测量环境等多方面的要求。 液位测量仪的研究现

5、状早期测距仪表大都采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且总结了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构上有了很大的改善，功能上有了很大提高。按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型两大类。1.2.1 接触型液位仪表接触型液位仪表主要有：人工检尺法、伺服式液位计、浮子测量装置、电容式液位计以及磁致伸缩液位计。它们的共同特点是测量的感应元件与被测液体接触。1）人工检尺法 计量员上到罐顶，自计量孔投放测深钢卷尺，然后取出尺子，观测液面浸湿尺子的刻度，此为人工检尺法。人工检尺法具有测量简单、直观、成本低等特点，但由于其

6、是人工测量，故不适合在恶劣的情况下使用，另外需要较长的测量时间，难以实现在线实时测量，不仅如此，还容易造成人为的测量误差。2）伺服式液位计 伺服式液位计基于浮力平衡的原理，由微伺服电动机驱动体积较小的浮子，能精确地测出液位等参数。现代伺服液位计的测量精度己达到40范围内，误差小于+1mm。但是，伺服式液位计仍属于机械测量装置，存在机械磨损，需要定期维修和重新定标，且安装调试比较麻烦。3）浮子测量装置 它是由浮子、传感器和二次仪表组成，是通过用浮子测量浮力的大小定量测量液位，将该装置固定在罐中，使浮子立于罐中处于相对静止状态，浮子在罐中所受浮力的大小等于液体的排出量。当浮力的大小发生变化时，变化

7、值通过浮子传递给传感器，经过二次仪表显示出液位的数值。浮子式液位装置具有结构简单、价格便宜等优点，缺点是浮子会随着液面的波动而波动，从而造成读数误差。浮子测量装置的适用范围为非腐蚀液体的测量。4）电容式液位计 电容液位传感器是利用被测对象物质的导电率，将液位变化转换成电容变化来进行测量的一种液位计。与其他液位传感器相比，电容液位传感器具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适用性强等优点。常见的电容传感器测量电路有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。这类仪表适用于腐蚀性液体、沉淀性液体以及其它化工工艺液体液面的连续测量与位式测量，或单一液面的液位测量。5）磁

8、致伸缩液位计 磁致伸缩液位计采用磁致伸缩技术来测量大罐的油水界面和油气界面。通常情况下，磁致伸缩液位计安装有两个浮子，其中一个浮子的密度小于油的密度，另一个浮子的密度大于油的密度而小于水的密度，它们分别用来检测油气界面和油水界面。磁致伸缩液位计安装容易，不需要定期维修和重新定标，工作寿命较长。其测量精度较高，测量的重复精度也较高，是比较理想的接触型液位计。但是磁致伸缩液位计与被测液体接触，仪器容易受到腐蚀，且液体的密度变化会带来测量误差。此外，浮子装置沿着波导管的护导管上下移动，容易被卡死，从而影响液位的正确测量。 非接触型液位仪表非接触型测量仪表主要包括超声波液位计、雷达液位计、射线液位计、

9、激光液位计以及光纤液位计等。这类液位测量仪表的共同特点是测量的敏感元件与被测液体不接触，其特性不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而适用范围较为广泛。此类仪表可用于接触式测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。1）超声波液位计 超声波液位计是由微处理器控制的数字仪表。测量时，脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经液体表面反射后被同一种传感器接收，转换成电信号。根据声波的发射和接收的时间差来计算传感器到被测物体的距离。由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。目前，智能化的超声波液位计能够对接收信号做精确的处理和分析：

10、可以将各种干扰信号过滤出来；识别多重回波；分析信号强度和环境温度等有关信息。这样即便在有外界干扰的情况下，也能够进行精确的测量。超声波液位计不仅能定点和连续测量，而且能方便地提供遥测和遥控所需的信号。同时，超声波液位计不存在可动部件，所以在安装和维护上相应比较方便。超声测位技术适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性且价格较为便宜。2）雷达液位计 在罐顶安装天线，天线发射的微波是频率波线性调制的连续波，当回波被天线接收到时，天线发射频率已经改变。根据回波与发射波的频率差可以计算出物料面的距离。FMCW方式测量线路较复杂，从而测量精确度较高，同时干扰回波也较易去除，一般用于较高

11、端的测量方案，但是安装比较复杂且价格不菲。3）射线液位计 核辐射放出的射线（如射线等）具有较强的穿透能力，且穿过不同厚度的介质有不同的衰减特性，核辐射式液位计正是利用这一原理来测量液位的。核辐射式液位计的核辐射源用点式或狭长型结构安装在油罐的外面，狭长型核辐射源检测元件也安装在油罐外面，可实现对液位动态变化的检测。除利用核辐射射线来测量之外，还可采用中子射线来测量液位。射线液位计安装非常方便，测量精度较高。因为它没有任何部件与被测物体直接接触，特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问题。4）激光液位计 其测量原理类似于超声波液位计，只是采用光波代替了超声波。发射传感器发射出激光，照射到被测液面，

12、在液面处发生反射，接收传感器接收反射光，将从发射至接收的时间换算成液位。激光的光束很窄，在液位计中通过光学系统转换成约20mm宽的光束，这样即使被测物面很粗糙，漫反射光也能被传感器接收。激光液位计非常适用于开口很狭窄的容器以及高温、高粘度的测量对象。而缺点是对液面的波动很敏感，大罐内油蒸汽，水气等微粒对测量不利，光学镜头必须定期保持清洁。5）光纤液位计 光纤液位检测是近年来出现的一种新技术。根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。这类检测仪表一般具有体积小、重量轻、无动作部件、安装方便等优点、大多可适用于任何液体液位高度的检测与控制，特别适用于易燃、易爆、腐蚀性液体的检测。这

13、类检测仪表检测精度高但正处于发展阶段尚未成熟。1.3 超声波液位计研究目的及其可行性目前国内液位计的生产采用引进加仿制的手段。近年来，国内多家公司和科研机构陆续推出自行研制的液位测量仪表，其精度日益提高。进口的液位计功能齐全，精度较高，但是价格比较昂贵且维修不是很方便。对于小型用户来说，不是理想之选。而国内自行研制生产的液位计价格相对便宜，但精度不高，功能相对单一。超声波在空气中的传播速度大约为334m/s(常温下)，在同一介质中其传播速度相对恒定，与激光的速度(3108m/s)相比，超声波的传播速度要慢得多，因此对超声波信号的处理也容易得多。用超声波做为检测物体的媒介，有非破坏性、遥控性、实

14、时性、可穿透性等特点，在许多方面体现了其他方法所没有的独到之处，加之其成本较低，所以超声波是比较理想的信号源。超声波液位测量方法，与其他的液位测量方法相比，比如电磁或者光学的方法，它不受光线、被测对象的颜色等影响。对于被测物体处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境有一定的适应性。同时超声波传感器具有结构简单、价格便宜、体积小、信号处理可靠等特点。综合而言，超声波液位计具有非接触、精度较高、实时测量、可靠性强等优点，较为适合国内市场。1.4 论文主要内容本论文通过理论分析，对所设计的超声波测距系统进行了软硬件设计，本文主要内容如下：第一章，阐明了选题的背景和意义，介绍了国内外液位测量

15、系统发展现状，并说明了超声波液位计研究的可行性。第二章，一方面叙述了超声波的基本特性，另一方对超声波测距方法进行了理论分析，并简要阐述了无线电传输理论。第三章，对本设计的总体设计思想进行了阐述，与此同时对其工作过程进行了说明。第四章，本节集中对系统的硬件部分进行了分块详细阐述，主要包括：AT89S52的性能和外围电路、超声波发射和接收电路、温度检测电路、显示接口电路、无线串口通信电路、声光报警电路、阀门开度控制电路等。第五章，本节按照从整体到局部的顺序，对系统用到的软件进行了设计与编写。第六章，本节通过对自己做出来的实物进行实验研究，详细的分析讨论了本设计产生误差的原因。2 超声波测距技术综述

16、2.1 超声波基本特性声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动以波的形式向外传播。振动频率在16Hz-20kHz之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于16Hz的机械波，称为次声波；高于20kHz的机械波，称为超声波，而高于100MHz的机械波，则称之为特超声波。声速在相当大的频率范围内不随频率发生变化，也就是说超声的传播速度与可听声波的传播速度是相同的，超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律与可听声波并无质的区别，与一般声波相比，超声具有更好的指向性，并且可以穿透不透明物质。超声在一般流体媒质(气体、液体)中的传播理论己较成熟。在常温

17、常压下，空气近似为理想气体。超声波在理想气体中的传播速度为(m/s) （2-1）式2-1中，M为气体的摩尔质量；r为气体的定压比热与定容比热Cr之比；R为摩尔气体常数；T为热力学温度。对于一定的气体，r、R、M为定值。由公式可知：声速与热力学温度的平方根成正比。在温度T为、气压为标准大气压情况下，空气中声速的实验值为: = 0.05)m/s。在其他条件保持稳定，计算不同温度时，空气中的声速可用下式计算： (m/s) （2-2）式2-2中，。这样，在实际测量中，我们可以根据声速与温度的关系作相应的温度补偿。超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，超声波

18、会有很大的衰减。声波的衰减主要分为以下三种主要类型:吸收衰减、散射衰减和扩散衰减。其中，吸收衰减主要是由媒质的粘滞性、热传导及各种弛豫过程引起的；散射衰减是由于声波在遇到媒质界面时，向不同的方向产生散射，从而导致声波减弱；扩散衰减则是由声源特性引起的，是因为声波传播过程中因波阵面的面积扩大导致的声强衰减。超声波在相同的传播媒体里(大气条件)传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，在理想介质中，描述简谐声波向x正方向传播的质点位移运动可表示为： （2-3）式2-3中，A(x)为振幅；为振动初

19、始条件决定的常数；w为角频率；t为时间；x为传播距离；k=为波数；为波长；为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为： (2-4)式2-4中，为介质常数，为振动频率。在空气里，当振动的声波频率f=40kHz代入式2-4可得，即。它的物理意义是:声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。在声波的传播距离等于时,声波振幅衰减到初始值的倍。由此可以看出，声波频率越高，声能衰减得越厉害，声波的传播距离也越短。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。在实际的应用中，一般选用频率为40kHz的超声波进行距离测量，波长为。使用超声波传感器测距，频率取得太低，外界杂

20、音干扰较多；频率取得太高，在传播过程中衰减较大，并且，超声波传感器在测量过程中容易产生盲区，接收端易接收到泄漏波。改善这一缺点，须减少发射波串的长度，增高发射波频率。但发射波串长度过短会使得发射换能器不能被激振或激振达不到最大值;发射波频率过高则衰减大，作用距离下降。实验表明:使用40kHz的超声波，发射脉冲群含有6-12个脉冲，具有较好的传播性能。2.2 超声波传感器超声波传感器是实现声电转换的装置，是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号，或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件，它又称为超声波换能器或超声波探头。超声传感器的种类很多，按照实现超声传感器机电转换的物理效应的不

21、同可将传感器分为：电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等。按照传感器的应用范围不同可以分为：开放型、通用性、宽带型、密封型和高频型。目前压电式传感器的理论研究和实际应用最为广泛，本设计电路采用了此传感器。常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等。压电式传感器根据应用范围的不同可分为以下几类。1）开放型超声波传感器 开放型超声波传感器结构如图2-1所示。一个复合式振动 图2-1开放型超声波传感器的构造Fig2-1 Construction of an open type ultrasonic sensor器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是由谐振器、一个金属片以

22、及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。 2）通用性超声波传感器 超声波传感器的带宽一般为几十kHz，并具有选频特性。通用型超声波传感器的频带窄，但灵敏度较高，抗干扰性强。但通用型接收传感器与发送传感器是分开使用的，测量中必须成对使用。3）宽带型超声波传感器 宽带型超声波传感器在工作带宽内具有二个谐振频率，即具有二个谐振点。所以一个传感器可以兼作接收传感器与发送传感器。宽带传感器其有两个谐振频率，其频率特性就相当于两种传感器的组合。因此，在很宽频带范围内具有较高的灵敏度。4）

23、密封型超声波传感器 密封型超声波传感器的结构图如图2-2所示。室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧，底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。密封型超声波传感器对环境的适应性较强，可应用于汽车后方检测物体的装置以及待时计算器等。图2-2是密封型超声波传感器的构造。图 2-2 密封型超声波传感器的构造Fig2-2 Construction of sealed-type ultrasonic sensor5）高频型超声波传感器 高频型超声波传感器的结构图如图2-3所示。当要求精确度要达到1mm时，利用常规双压电晶片元件振

24、动器的弯曲振动，在频率高于70kHz的情况下，是不可能达到此目的的。所以，当对探测精度较高时，需用高频超声波传感器。压电换能器的工作过程是利用了压电效应，压电效应分为正压电效应和逆压电效应。A）正压电效应 当对某电介质施加应力时，产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正图2-3 高频型超声波传感器的构造Fig2-3 Construction of high-frequency ultrasonic sensor比，这种效应称为正压电效应。利用正压电效应将机械能转换成电能，并用来接受超声波的装置，称为接收传感器。B）逆压电

25、效应 将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化，这种位置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比，如电场反向，则形变亦相反，这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波，将适当的交变电信号施加到晶体上，晶体将发生交替的压缩和拉伸，因而产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体耦合到弹性介质中，晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到那种介质中。超声波传感器的工作原理：超声波传感器有两块压电陶瓷晶片和一块共振板。当在两电极加交变脉冲信号（触发脉冲）时，若其频率等于晶片的固有频率，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波

26、。当压电晶片振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，但这种振动加速度很大，于是把电磁振荡能量转化为振动能量。相反，若电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。压电陶瓷晶片有固有谐振频率，即中心频率。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致；接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要和它的固有谐振频率一致。这样，超声波发射器才有较高发射效率，接收器才有较好接收灵敏度。2.3 超声波测距的理论分析在超声波检测技术中，主要是利用超声波反射、折射、衰减等一些物理性质来实现检验的目的。超声波测量

27、方法有很多，如脉冲回波法、共振法、频差法以及声衰减法等，其中应用最广泛的是超声波脉冲回波法。它的基本工作原理是:发射声波传感器由脉冲信号激励发出超声波，通过传声媒介传到被测液面，形成反射波；反射波再通过传声介质返回到接收传感器，传感器把声信号转换成电信号，由仪表计算出超声波从发射到接收所传播的时间，再根据超声波在介质中传播的速度，利用公式2-5就可以确定液位的高度了。公式2-5中的：对于液介和气介方式，分别是液体和气体媒质中的声速；对于固介的方式，它是所选用的声波波形(纵波、横波、弯曲波、扭转波等)在传声固体中的传播速度。从超声波脉冲传播的时间来确定液位都必须己知传声媒质的声速。然而，对于气介

28、式和液介式超声波液位计，声速会随媒质的组成、温度、压强的变化而变化。在固介中不同波形也有不同的传播速度。因此，只有当测试条件比较理想，媒质的成分、温度、压强等没有很大变化，才可把传声媒质的声速近似看成不变，直接由测量的声波传播时间来确定液位，否则就应该对传声媒质的声速进行校正。h= t/2 （2-5）发射传感器接收传感器液面图2-4 超声波液位检测仪示意图Fig 2-4 schematic diagram of ultrasonic liquid lever detection instrument根据图2-4可知，由公式2-5所计算得到的传播距离到液面的距离为h, s并非实际的液位。设传感器

29、到液面的距离为h, s和h的换算关系为：h = （2-6）根据式2-6得的h是实际液位。其中，为发射超声波的入射角。设超声波的发射传感器和接收传感器距离容器底部的距离为L，传感器之间的距离为m,那么液位的计算公式为 (2-7)根据传声媒质的不同，超声波液位测量技术可分为气介式、液介式或固介式三类。根据所用传感器的工作方式，又可分为自发自收单传感器方式和一发一收双传感器方式。组合后可以得到的六种检测方式。一般说来，单探头的自发自收工作方式是优先考虑采用的。这是因为单探头方式中液位计算公式比较简单，同时检测系统也简单，安装、维修比较方便。但是，本文采用的是压电陶瓷传感器，由于压电陶瓷传感器的余震较

30、为严重，单发单收的探头检测死区较大。为避免这一点，本系统采用双探头的设计，即采用两个超声波传感器:一个用来接收一个用来发射。采用的传播介质为气体。本文采用的是压电陶瓷传感器，发射探头和接收探头采用两个传感器，分别具有发射超声波和接收超声波的功能（将电信号转为超声波信号同时将接收的超声波信号转换为电信号）。这样，设计电路结构简单安装使用也方便，为进行温度补偿通常还将温度传感器封装在探头中。采用渡越时间检测法（从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，就是渡越时间）。显然，直接用秒表测时间是不现实的。因此，实现声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测量精度。这里利用单

31、片机定时器计数的方法，间接测量时间，可以把声波传播的时间精度提高到所需准确度。具体的做法是，每隔一定的时间发射一串超声波脉冲，发射脉冲串的同时开始单片机定时器记数，在超声波接收器接收到反射信号时，停止单片机计数。单片机定时器所计的时何，就是渡越时间，代入式2-7中，就可以算出夜位。由于超声波是一种声波，其声速与温度有关，其关系为： （2-8）式2-8中t 为摄氏温度，在使用中，根据环境温度的变化，要进行温度补偿，否则将会有比较大的误差。2.4 无线电通信理论分析无线电通信就是利用无线电波传输信息的通信方式。能传输声音、文字、数据和图像等。无线电是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，是其

32、中的一个有限频带，上限频率在300GHz（吉赫兹），下限频率较不统一，在各种射频规范书常见的有三种：3KHz-300GHz（ITU国际电信联盟规定）；9KHz-300GHz；10KHz-300GHz。与有线电通信相比，不需要架设传输线路，不受通信距离限制，机动性好，建立迅速；但传输质量不稳定，信号易受干扰或易被截获，保密性差。人类发明了电报和 后，信息传播的速度不知比以往快了多少倍。电报、 的出现缩短了各大陆、各国家人民之间的距离感。但是，当初的电报、 都是靠电流在导线内传输信号的，这使通信受到很大的局限。譬如，要通信首先要有线路，而架设线路受到客观条件的限制。高山、大河、海洋均给线路的建造和

33、维护带来很大的困难。况且，极需要通信联络的海上船舶，以及后来发明的飞机，因它们都是会移动的交通工具，所以是无法用有线方式与地面人们联络。19世纪发明的无线电通讯技术，使通信摆脱了依赖导线的方式，是通信技术上的一次飞跃，也是人类科技史上的一个重要成就。 无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。本设计中所选用的无线通信是在，属于高频通信，通信距离远，但必须是无碍通信的。3 超声波液位检测仪的总体设计3

34、.1 总体设计思想超声波液位检测仪是根据“回波测距”的原理设计的。由超声波的发射器发射超声波，声波遇到障碍物后反射，由超声波接收器接收。测出从超声波发射脉冲束至接收到回波信号的传输时间，即渡越时间，超声波在不同温度下的传播速度是不同的，因此必须测出声波传播环境的温度对声速进行修正。由渡越时间和声速，就可算出要测的距离。根据设计要求，本液位检测仪需要将超声波检测技术与无线电技术相结合，对储液罐进行自动测量并能够进行液位自动保持，还要能够无线收发和显示有关数据。超声波液位检测仪的总体设计框图如图 3-1 所示。 图3-1 超声波测量仪的总体框架图Figure 3-1 the frame diagr

35、am of ultrasonic measuring instrument超声波液位检测仪是由硬件和软件两部分组成。硬件主要包AT89S52 单片机最小系统，超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路、74HS164串行显示电路、无线电通信的接口电路、阀门开度控制电路等部分；软件部分主要包括系统初始化模块、超声波驱动及信号处理模块、显示模块、无线电通信模块等，软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路消晰，便于调试。3.2 工作过程在超声波液位检测仪开始测距前需要通过温度传感器检测并显示声波传播环境的温度，以便能按照温度计算出超声波的声速。启动超声波液位检测仪测距时.首先由单片机发出40kHz

36、的脉冲串，脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波发射换能器发出超声波。单片机在发送脉冲的同时开始计时；超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收换能器接收，其输出的正弦波经过两级放大，再经过电压比较器和D触发器产生中断信号中断单片机的计时，这样就得到了超声波的传输时间，然后在中断服务程序中根据测出的时间计算出距离，中断返回后再发送下一串脉冲。测量后，可以无线电串口技术进行实时通信并根据测出的距离自动调节进液口阀门开度进行液位自保持。这样不但减少了测量过程中的人工干预，为测量带来了方便，而且还便于管理。4 系统的硬件设计4.1 AT89S52的性能和外围电路AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微

37、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。 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级中断结构，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

38、。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。 4.1.2 AT89S52 单片机的引脚配置 图4-1 AT89S52引脚图 Figure 4-1 AT89S52 pin diagramVCC： 电源 GND： 地 P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。 在flash编程

39、时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IL）。 此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号 第二功能 P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入）

40、，时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地

41、址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。引脚号 第二功能 P3.0 RXD（串行输入） P3.1 TXD（串行输出） P3.2 INT

42、0(外部中断0) P3.3 INT0(外部中断0) P3.4 T0（定时器0外部输入） P3.5 T1（定时器1外部输入） P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器写选通) RST： 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。 ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

43、在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。 如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。 当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不

44、被激活。 EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。 为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。 在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。 XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。AT89S52 单片机内含有 Flash 程序存储器，故在一般情况下不需要扩展存储器。只需要复位电路和时钟电路就可以构成 AT90S8535 单片机的最小系统。 图4-2 AT90S8535 单片机的最小系统Figure 4-2 AT90S8535 MCU minimum syst

45、em 超声波换能器的选择选择换能器时，需考虑其工作频率，充分考虑到超声波在空气中的衰减特性。空气中超声波的衰减系数为： （4-1）式（4-1）中，A代表介质粘滞性与热传导的吸收系数，B代表介质内散射体的瑞利散射吸收系数。由式（4-1）知，超声波的衰减系数对频率很敏感，合适的频率对测距系统的测量量程、测量精度都至关重要。换能器的工作频率越低，衰减越小，测量距离越长，但精度较低；工作频率越高，测量精度也越高，但衰减越大。频率越高，声波的衰减越大。换能器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失、背景噪声等因素，还决定换能器的尺寸。确定换能器的工作频率主要考

46、虑以下几个因素：1）工作频率越高，波长越短，尺寸分辨率越高，“细节”容易辩识清楚。因此，从测量精度来看，工作频率要求提高。2）如果测量距离较远，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率平方成正比，为减小声波的传播损失，必须降低工作频率。3）从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。综上所述，由于本测距仪的测量距离在1m以内，测量距离较短，所以最终选择频率较高的40kHz的换能器。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比和测量精度。 本系统测距方案本系统以脉冲回波法为基本方案，采用AT89S52作为系统的控制与运算核心，整个系统框图如图3-1所

47、示：发射电路中由AT89S52产生40kHz的方波作为触发信号，该模块内部发送超声波；接收引脚在未接收到信号时为高电平，当接收到信号时变为低电平；通过计时器计时，即可测出声波的传播时间，显示电路实现测量数据本地显示；利用无线收发模块CC1100-232实现数据开路传输；电源电路给整个系统供电。超声波测距电路的测量范围及分辨能力，不仅需要性能良好的换能器，也需要合理的驱动电路以及回波检测电路。表4-1超声波换能器的数据表Table 4-1 Datasheet of ultrasonic transducer电气参数csb-01超声波模块工作电压DC5V工作电流15mA工作频率40kHz最远射程3

48、m最近射程2cm测量角度15度规格尺寸40*20*15mm4.2.2 csb-01超声波测距模块简介图4-3为超声波模块csb-01的实物图。图4-3 csb-01超声波测距模块Figure 4-3 csb-01 ultrasonic ranging module产品特点：csb-01超声波测距模块可提供2cm-300cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达到1mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本原理：经发射器发射出波长约6mm，频率为40kHz的超声波信号。此信号被物体反射回来，由接收头接收，接收头实质上是一种压电效应的转换器。它接收到信号后产生mV级的微弱电压信号。发射电路如

49、图4-4所示, 发射电路如图4-5所示。图4-4 超声波发射电路 Figure 4-4 ultrasonic transmitting circuit 图4-5 超声波接收电路 Figure 4-5 ultrasonic receiver circuit温度补偿：超声波在固体中传播速度最快，在气体中传播速度最慢，而且声速c与温度有关。如果环境温度变化显著，必须考虑温度补偿问题。空气中声速与温度的关系可以表示为：表4-2 温度声速参照表Fig4-2 Reference table of temperature and sound speed温度-30-20-100102030100声速米/秒31

50、3319325332338344349386 （4-2） 式中T为环境摄氏温度，表4-2是温度参考关系。使用限制：由于超声波测距的性能与被测物表面材料有很大关系，如毛料、布料对超声波的反射率很小，会严重影响测量结果。为了提高系统的测量精度，本设计选择了温度补偿电路。系统采用DALLAS 公司生产的温度传感器 DS18B20，其输出电压与摄氏温标呈线性关系。根据实际温度的值，利用上式可计算补偿声速。4.3 测温电路声波在空气中传播时，空气的温度、大气压力、湿度等因素会影响超声波的速度。正常条件下，由于大气压力和湿度等因素变化很小，传播速度主要受温度的影响。所以，为了减小误差，避免因环境温度而带来

51、的偏差，必须对环境温度进行检测，并通过声速与温度的关系式4-2来矫正声速，消除环境温度引起的声速变化给测量结果带来的误差。传统的测温系统一般都是由温度传感器测温，然后通过 AD 转换电路将测得的模拟信号转换为数字信号送给微控制器进行处理。本系统采用了DALLAS 公司生产的温度传感器 DS18B20，该芯片内部包含 AD 转换电路，且与单片机连接时只需一条通讯线就可完成测量，极大方便了设计。DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司生产的“一线总线式”数字温度传感器，其内部使用了在板(ON-BOARD)专利技术，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理，具有结构简单、体积小、功耗小、

52、抗干扰能力强、使用简单等优点。与其它温度传感器相比，DS18B20 具有以下特性：1)独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可以实现微处理器与 DS1820 的双向通讯；2)在使用中不需要任何外围元件；3)测温范围：-55+125；4)分辨率：在-10+85 范围内，精度为；6)温度转换时间小于 1 s；7)可以程序设定 912 位的分辨率。DS18B20 不需任何连接任何外围硬件即可方便的对温度进行测量，其供电电源可来源于单片机的 I/O 口数据线，无需额外的电源。DS18B20 的引脚图如图 4-6 所示，DQ 为数字信号输入/输出端；GND 为电源地；VCC为外接供电电源

53、输入端(在寄生电源接线方式时接地)。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境应用。同时，DS18B20 支持 3 5 V 的电压范围，使系统设计更灵活、方便。 图4-6 DS18B20引脚图 Figure 4-6 DS18B20 pin diagram 超声液位测量系统的显示要求比较简单，测量结果采用十进制数字显示。只需能显示0-9的数字以及小数点，且显示稳定无闪烁即可。因此显示部分采用七段半导体数码管，显示精度lmm。七段LED数码显示器内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的极管接线形式，可分为共阴极型和共阳极型。在共阴极接法

54、中，LED数码管的a-g七个发光二极管因加正电压而发亮，因加零电压而不发亮。而在共阳极接法中，刚好与共阴极接法向反。数码管具有亮度大，响应速度快等优点。数码管管脚原理图，如图4-7所示。 图4-7 显示模块电路 Figure 4-7 display module circuitLED显示器有静态显示和动态显示两种。本设计中采用动态显示方式，以实时显示液位变化。设计中采用共阴极型，表4-3列出了共阴极LED数码管显示的字形码，根据表中数据编写相应的程序，控制数码管根据单片机计算出的液位值显示正确的液位高度。表4-3 共阴极LED数码管字形码表Table 4-3 common cathode LE

55、D digital tube shape code table显示字符abcdefgdp字型码0111111000xfc1011000000x602110110100xda3111100100xf24011001100x665101101100xb66101111100xbe7111000000xe08111111100xfe9111101100xf6P110011100xce熄灭000000000x004.5 无线串行口通信对于数据传输部分，本文采用了 Chipcon 公司的 CC1100芯片。CC1100芯片抗干扰能力强、使用时外围器件少且产品易开发。该芯片主要应用于无线数据通信、无线检测

56、、无线报警及安全系统、家庭自动化和智能玩具等诸多领域。4.5.1 CC1100-232 无线模块特点： 1）低功耗模块，最大发射功率10mW ,推荐使用10mW，以达到最佳的通信效果。 2）载频频段433MHz ,推荐使用433MHz频段，该频段为免费ISM频段免许可证使用 （420MHz440MHz）。还可以为用户提供其他的载频频段475MHz、868MHz和915MHz选择（需要定制）。 3）高抗干扰能力和低误码率 ,基于FSK的调制方式，采用高效前向纠错和信道交织编码技 术，提高了数据抗随机干扰和突发干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-510-6。 4）传输距离远

57、, 在直线可视情况下，天线放置高度位置2 米，可靠传输距离大于200m (BER=10-3/9600bps)。 5）支持透明的数据传输 ,提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协 议。自动过滤掉空中产生的假数据(所收即所发)。 6）256个可编程信道（20M频段） ,在同一个频段可以按照用户200kHz间隔频点则可以提供至少256个信道，满足用户多种通信组合方式。 7）可调节数据缓冲区 ,目前一次连续发的数据或字符串长度不要大于30字节，也就是说如果数据长度大于30， 则需要分开发送 ，两次间隔至少30ms。 4.5.2 CC1100-232数传模块的使用方法 CC1100-232无

58、线模块提供TTL电平接口，可以直接连接串口 设备。如需连接PC（如需要调试底层软件，或通过PC远程控制终端设备），需要加TTL转RS232或者TTL转USB的电平转换板 。1）模块供电： CC1100-232 模块使用直流电源，宽电源输入设计，工作电压 +2.7V+5.5V。根据用户的需要，可以与其它设备共用电源，但请选择纹波系数较好的电源，纹波峰值小于200mV。如果有条件话，可采用稳压片单独供电。建议最好不要使用开关电源，如果必须使用开关电源，请注意开关脉冲对无线模块的干扰（瞬间脉 冲高压可能对模块造成永久损坏）。另外系统中若有其他设备，则需可靠接地。若没有条件可靠接入大地，则可自成一地，

59、但必 须与市电完全隔离。 2）连接端口的定义： 图4-7 CC1100-232外形示意图 Figure 4-7 CC1100-232 schematic appearance表4-4 CC1100-232引脚对照表 Table 4-4 the CC1100-232 pin table管教定义说明连接到终端备注1GND电源地GND2TXD串口数据输出TTL3RXD串口数据输入TTL4VCC电源5RST复位可不连6SL6、7短接后向模块发送的配置命令无效7GND地信号可不连4.6 蜂鸣器报警本设计采用电磁式蜂鸣器作为超限报警提示。他与单片机的连接如图 4-8 所示，单片机 AT89S52 的P1.

60、7 口通过 NPN 型三极管驱动蜂鸣器。当 P1.7输 出高电平时，三极管导通，蜂鸣器发出报警声。 图4-8 蜂鸣器报警电路 Figure 4-8 buzzer alarm circuit4.7 阀门开度控制电路本系统通过单片机控制步进电机转动，进而控制阀门的开度，达到控制储液罐进液速度的目的，其控制原理如图4-9所示：步进电机储液罐阀门 图4-9 阀门开度控制示意图 Figure 4-9 opening of the control valve schematic当储液罐内的液位高于设定值时，单片机根据此时液位与设定值的差值计算出步进电机应旋转的方向和角度，从而使阀门反向旋转，减小进液速度，从而使储液罐内的液位回到设定值。同理，当储液罐内的液位低于设定值时，单片机根据此时液位与设定值的差值计算出步进电机应旋转的方向和角度，从而使阀门正向旋转，加快进液速度，从而使储液罐内的液位回到设定值。4.7.1 步进电机及其驱动电路步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您