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1、序号（学号）： 041240634长 春 大 学毕 业 设 计（论 文）超声波液位检测系统设计姓 名严细锋学 院电子信息工程学院专 业电气工程及其自动化班 级12403 指导教师宋继红（副教授）2016年6月5日装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 超声波液位检测系统设计 摘要：利用超声波的物理特性，使它作为控制信号对液位进行自动检测和数据处理，可以减少测量过程中的人工干预，从而提高测量的准确性。利用单片机和PC机实时通信进行打印和保存相关的测量到的数据，可以更好地检测液体的存储情况。同时，此系统可以对具有腐蚀性的液体进行测量，实时测量。由于超声波受温度影响，此系统加入了温度补偿模块，同时
2、还有报警模块，避免温度过高，从而使系统更具有实用性。关键字：单片机；超声波；液位检测；温度控制 Design of Ultrasonic Liquid Level Control SystemAbstract:According to ultrasounds physical characteristics,we can make it as a control signal for liquid level automatic testing and data processing,and these can reduce the manual operation in the proces
3、s of measurement,in order to improve the accuracy of measurement.Using single-chip and PC machine to print and save the related measured data of the real-time detection of liquid level.We can detect its liquid storage situation better. Simultaneously,this system can measure of corrosive liquid and i
4、t is real-time.Due to the ultrasonic affected by temperature,I design the temperature compensation module and alarm module ,avoiding making it damage when the temperature becomes higher,so as to make the system more practical.Keywords:MCU, Ultrasonic, Liquid Level Measurement, Temperature Controlii目
5、录第1章 绪论11.1课题研究的背景11.2课题研究的目的和意义11.3国内外研究的现状21.4设计的主要内容和功能3第2章 整体设计方案42.1方案设计架构42.2超声波检测原理42.2.1超声波的简介42.2.2超声波的测距原理6第3章 硬件设计103.1最小的系统电路单片机AT90S8515-4JI103.2 单片机模块113.3超声波发射电路的设计123.4超声波接收电路的设计133.5温度补偿电路的设计143.6 显示电路的设计143.7 报警电路的设计163.8 电源电路的设计173.9 无线通讯电路的设计173.10 USB-TTL模块设计183.11 键盘模块设计19第四章 系
6、统软件设计204.1超声波测距算法设计204.2主程序流程图204.3系统软件设计框图224.4 单片机的C程序234.5 系统的调试29第五章 总结30致谢31参考文献33附录135附录240II第1章 绪论1.1课题研究的背景科技的快速进步，使得人们的生产生活发生了极大地变化。在生产生活中，我们经常会遇到需要对某种液体的液位进行了解，因此需要一些测量方法，基于过往，我们有很多的传统的测量方法，如差位分布电极法，浮球液位计，电容式液位传感器等等。而传统的测量方法，差位分布电极法的电极需要与液体进行接触，容易使它被腐蚀和电解；浮球液位计测量精度低，浮球需要密封，不可以测量粘性介质，一旦遇到翻板
7、就不能正常工作了，从而不能远传指示了；电容式液位传感器介电常数要求就较高，需要介质和液面上部的介电常数保持恒定才能准确测量，其测量范围于金属棒的长短有着密切的关系，对容器材质有较高要求，且被测介质具有导电性。而本文利用超声波传感技术，这是种非接触性的测量技术，不仅解决了对测量液体的一些性能要求，如不一定需要是导电液体，也不一定非要液体不带腐蚀性，而且还提高了测量的精度，还定点连续地检测液位。由于超声波的频率非常高，所以它的方向性就相对来说较强，由于平率非常高，超声波对人体的伤害几乎没有，而且对工业测量来说方便经济，快速准确，能实时控制，满足工业要求，有很强的实用性，因此具有广泛的应用前景。1.
8、2课题研究的目的和意义在现代化生产过程中，液体的液位的准确测量队生产具有重要意义，同时也是安全生产的重要环节。有一些液体在储藏罐内是具有易于挥发，易燃，易爆，强腐蚀性等特点。鉴于直接测量具有不安全性，精度也不易于达到要求，不利于实际生产，因此可以选择间接测量，由于超声波具有很多优点：（1）定点连续检测液位，（2）方便提供遥控喝遥控信号，（3）抗干扰性强，（4）可以选用气体，液体或固体作为传声媒介，其适应性强 等等其他优点。使用超声波液位检测技术，不仅能极大地降低成本，而且还能精确快速持续地测量出液位的高度。同时利用超声波检测技术无需对北侧容器开孔，能够真正实现“非接触式”测量，具有重大的研究价
9、值。超声波在液位检测方面 具有极强的应用价值，在其他方面也是如此，如可以用于科研，如科学的探索与研究。现在对大型水库水量准确的测定对我们来说就具有非常重要的意义，如可以确定发电量的多少，什么时候开闸放水，什么时候蓄水防旱，这对我们的生产生活有着密切的相关，因此对超声波的研究具有极大的价值，可以方便我们的生活，还可以加快人类的发展进程。 根据超声波的特性，可以把它作为控制信号来自动地检测液位的高低，这一过程就可以将许多工人从劳动中解放出来，解放了生产力。此系统提供了一个带有显示、键盘的人机对话界面，方便了操工作人员对检测的实时监控。 单片机通过与PC机进行实时通信等方式打印、保存有关数据，能够更
10、好地对检测的存储情况进行管理。1.3国内外研究的现状在国内，我们对超声波的研究虽然说是比较成熟，但是还是不如国外，比如就测量的精度而言，就不如国外。我国目前在侧液位高度的方法有以下几种（1）连通式液位计， 这种液位计是结构比较简单，成本低还比较的直观，可以用于现场；由于它是玻璃制成的，故容易损毁，当其壁上粘有污物时，就会影响读数，此外这种液位计不方便远传和调节。（2）电容式液位计，这种液位计是通过电容的变化来测量液面的，需要将导电棒放到被测液体中，这样就构成了电容的一极，而另外一极则是由容器壁来充当。此时的介质则是由被测液和空气组成，当这两者的介电常数不一样的时，如12(其中1为被测液体的介电
11、常数，2则是被测液上面的介质)时，当被测液位升高时，此时总的介电常数就会增大，故电容量也随之增大。反之则减小。此液位计就是根据此原理来测量液位高低的。由于此液位计的测量结果与介电常数有关，故其精度受介电常数的影响。此外此液位计能不用于测量腐蚀性液体。（3）雷达液位计，是由天线发出电磁波，经过反射再被天线接受的原理来测量的，此种测量方法的优点就是，不会受天气的影响，测量比较方便，但是他的成本昂贵，本身就比较复杂，一旦出现问题就不易查出是什么原因。（4）超声波液位检测，此种方法和雷达液位计的测量原理差别不大，但是所采用的控制源不一样，此除采用超声波作为信号，它的制造成本大大降低，适用范围也较广。以
12、上几种液体测量的方法，国内国外都有应用，但是国内所能达到的精度却没有国外高。在国内外，超声波检测技术的研究主要都是由两大部分组成（1）检测方法的研究和（2）各种设备的研发。而我国则是以学校、企业和研究所这三者为中心来合作研发相应的产品，当然也还有一部分是与外资合办。以引进和仿制为主，在经过近几年的发展中，我国的技术水平已经逐步赶上了发达国家，例如，中科院研发的K系列超声波检测计，企业与院校合作研究出的HS-2000外置超声波液位检测计，还有自主研发的USS超声波液位检测计SEAGMASONIC超声波液位计防护IP65等等。这些技术都可以和国外相媲美应为他们的技术指标和国外相近，甚至还超过了他们
13、，但是，由于起步晚，在市场占有率这一方面就远远不如国外。此外我们尖端技术大体上说还可以的，但是产品大体上都是技术含量不高，而且性能也不好。针对此种状况，我国也有相应的措施，如对这些研究人员重视起来，制定考核程序，进行统一管理、培训。现在在引进国外的技术的同时，更加注重消化和吸收了，与自主研发的产品相结合，来提升整体水平，渐渐地与国际技术和市场碰头。在国外，他们在超声波的应用这一块应用的比我们要广，如我们是近年才将超声波应用到人类的美容这一领域，而国外则早就在使用，应用广只是一方面，其次他们的国际市场占有率也比我们高，其原因是多方面的，其一是他们起步比我们早好多年，研究的时间长，因此技术确实比我
14、们高，精度就比我们高；其二有相当长一段时间我们并没有重视超声波的应用，也缺少这方面的人才。近年来他们致力于相控阵超声检测技术。这项技术尤其独特的特点，它的声束偏转性好以及较好的聚焦性。这些特性吸引了这批研究者。现在国外以这个技术为代表的新型管道全自动超声波检测仪都进入了实用阶段了。这项技术逐渐用于工业，能够实现工业无损检测。1.4设计的主要内容和功能本系统以单片机为核心，通过与各个模块的协调来完成测量工作的。主要的模块有：（1）超声波发射电路、接收电路，（2）温度补偿电路，（3）键盘和显示接口的设计，（4）蜂鸣和报警器接口的设计，（5）单片机。通过超声波发射装置发出超声波，把接收装置接收到的数
15、据返回给单片机，同时进行温度补偿，自动对数据进行处理，并显示在LED上面。报警器则是根据实时温度数据来工作。这5个模块协调工作。采用反射方式，发射的超声波经过被测液面反射，再经过超声波接收头接收。由单片机来控制，各个模块收到的数据送到单片机内，进行综合处理。通过对温度的补偿，提高了测量的精确度。此系统简单易操作，而且可靠性也较好，实用，还能实时监控。 第2章 整体设计方案2.1方案设计架构 根据实际的生产生活的需要，再结合本课题的设计要求，此系统应该具有超声波发射电路、接收电路，温度补偿电路，键盘和显示接口设计，蜂鸣和报警器接口设计，核心单片机这五大部分。方案设计架构如图2.1所示。 显示模块
16、 超声波接收模块 单 片 机 无线通讯模块 报警模块 键盘模块 超声波发射模块温度补偿模块 图2.1超声波测液位系统结构框图主要技术指标： 测量误差在1cm之内； 温度精度 1； 超声波频率 40kHz； 电源电压的：12V； 报警时长 1min。2.2超声波检测原理2.2.1超声波的简介 超声波是我们听到的一个非常熟悉的名词，它得源于它的频率，是因为它得最小频率都比人类所能听到的频率的上限都要高，故命名为超声波。超声波它的频率下限时20000赫兹，由于频率较高，故它具有一般的声波不可比拟的特点：穿透性强，方向性好。因此应用范围相对来说也就比较广，如我们使用超声波制作零部件清洗机，提高了清洁高
17、度，可以比较彻底地清洗油污和一些粉末等杂质，清洗的效果好，可以对一些精密仪器清洗，是人工不可能完成的。同时清洗的范围也比较广，如机体外壳、齿轮、活塞缸盖等等部位。还有超声波焊接手枪，可以焊接塑料材料，并且根据不同的焊接工艺来更换焊接头，其特点是干净无污染、迅速有效。超声波也可以应用到医学上，如B超，可以用于检查孕妇肚子里的孩子是否发育正常，有助于优生。超声波的应用范围非常广。超声波也是一种机械波，由振动产生，只不过是它每秒振动的次数多。由于人的听觉范围一般是20-到20000赫兹，超声波频率大于20000赫兹，故人听不到。超声波的传播也需要介质。由已有的研究可知，在震动幅度相同的情况，物体振动
18、的能量与它的振动频率成正比，超声波加湿器就是根据此原理来制作的。其大致过程就是：将超声波通入到有水的容器中，剧烈的震动使得水变成非常细小的雾滴，想办法使空气流动，将这些破碎的雾滴吹入室内或大棚内，就可以增加该处的空气湿度。同样利用此原理，也可以将它用于医学，如当病人需要服用某种药物时而不能口服，知识就可以将药液打碎，让患者吸入即可，不会因此而耽误了病情。还有可以利用超声波具有高能量这一特点，用来捣毁病人体内的结石，可以极大缓解患者的痛苦，提高治疗的效果。在已知细菌的结构的时候，利用超声波可以摧毁这些微生物的细胞，从而达到了杀菌的目的。超声波有很多的特点，主要的特点如下： （1）高频率 ； （2
19、）穿透能力力强 ； （3）方向性好； （4）有透射、反射、折射干涉和共振现象（此特点普通声波也具有）； （5）高能量； （6）传播的距离远。由于超声波具有许多的特性，故它的应用范围也比较广。在上个世纪，由于光电效应的发现，使得人们可以进行人造超声波了，这个时候超声波就开启了迅速发展的模式，横跨各个领域，如医学、社会生产，还有科学技术方面。近年，还延伸到了人类的美容，都取得了很好的效果。超声波还有许多的物理特性：（1）传播特性，它的传播必须依赖介质，没有介质他是不能传播的，而且传播的时候是产生疏密的波形，它的波长较短，能够将它做成狭小的射线束，此时呈现直线传播，所以它的传播是有方向性的。（2）传
20、播速度，由于声波的传播速度与波的频率无关，而是与介质有关，常温下，声波在大气中的速度为340m/s，固体中为5000m/s，而在液体中则是1500m/s，这只是在常温下，当温度升高时，它的传播速度就会相应的增加。（3）超声波能够被吸收也有穿透力。因为在它遇到障碍物时，一部分可以透过障碍物，这个时候它的能量减少了，在穿透的同时，还有一部分被反射了，还有一部分被障碍物吸收了。在气体中传播时，能量损失最大，其次是在液体中传播，在固体中传播能量的损失最小。还有许多的和其他声波相同的特性，在此就不一一列举了。2.2.2超声波的测距原理 在常温下，超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据距离公式 S
21、= v * t （ 2-2-1）其中v为超声波在空气中传播的速度，t为超声波传播的时间，S为传播的距离。知，只要能测出超声波在介质中传播的时间，再经过数据加工处理即可得出超声波在此介质中传播的距离。当然为了测量更加准确，此文中设计了温度补偿装置，通过数学的方法来修正，使测得的结果更加可靠。其测量原理如图2.2所示。 图2-2所示即是利用超声波传感器它的发射探头来发射超声波的，当发出去的超声波遇到被测液体的时候会在液面发生发射，最后发射到接收器上，此过程所用的时间则由主单片机测量并记录下来的。 根据物理知识T1加T2是一个来回的时间之和，故t=（T1+T2）/2，又由于温度和大气压对超声波的传播
22、速度有一定的影响，而在正常情况下，压力几乎是不会变化的，故气压对超声波的传播速度的影响可以忽略不计。本文就主要只考虑温度的影响。故其速度计算公式为： C = 331.3 + 0606T（m/s） （2-2-2）其中T为传播介质的实际温度，C为超声波在瓷介质中传播的实际速度。由此测得的实际距离就为： S = C * t / 2 （2-2-3）被测体 T2 T1超声波发射装置超声波接收装置 图2.2超声波测距原理图2.3单片机的简介 单片机最开始出现的时间是1971年，自第一个单片机问世之后，在欧洲相继许多公司研制和开发出更多种单片机，这也促进了单片机以后的迅速发展。随着单片机技术的发展十分迅速，
23、产品也各种各样。其发展过程大致可以划分为三个阶段：一、单片形成阶段，二、结构成熟阶段，三、性能提高阶段。在这几十年的发展过程中，单片机完成了从小容量想超大容量转变，从单一到多样化的转变，从指令由难向易的转变。功能变得强大使得它的应用领域也非常广，如智能仪器仪表领域，机电一体化产品领域，实施工业控制领域，分布系统的前端模块，家用电器领域。单片机的全称是单片微计算机，是典型的嵌入式系统核心的微控制器。单片机的更新换代非常的快，在最开始出现到现在单片机几乎每年都会更新，并且每次跟心相应的集成度、功能都能增加几倍。就目前来看，从单片机封装内部数据传输通道的宽度来说，俨然从早期的是4位机和8位机发展到了
24、32位机。作为计算机的一种单片机他的出现具有很深远的影响，它是人类在科技领域的一个重要的里程碑。同时也表明计算机正式形成了两大重要分支，其一是我们熟悉的通用计算机系统，我们每天基本上都在用，其二是嵌入式计算机应用系统。随着电子科学技术的日益发展，作为微计算机的一个重要的分支单片机在全球已经得到了广泛的应用，其在智能控制、工业生产、机电一体化等领域起到了举足轻重的影响。可以这样说，掌握单片机系统的开发技术，对从事电子工程的专业技术人员来说，是必不可缺的专业技能之一。单片机的应用也十分广，如（1）智能仪器仪表；（2）工业控制；（3）家用电器；（4）计算机通信设备；（5）医用设备等等。未来单片机的发
25、展趋势可以分为以下几个方向：（1）低功耗CMOS化基于现在人们对单片机的功耗标准越来越严格，目前越来越多的单片机厂商大多数都采用了CMOS制造工艺。比如市面上普及的80C51芯片采用的就是CMOS制造工艺。基于CMOS的物理特性导致运算速度不高，但是其功耗非常小在特定的对象应用的也相当广泛。相反CHMOS根据其物理特性不管在可靠性还是在数据处理的运算能力方面效果都相当突出，同时还具备了功耗低这一特点。基于这些特征，这种COMS制造工艺将在以后很长一段时间占据市场的主导地位也是以后主要的发展趋势之一。（2）体积微型化随着单片机的种类越来越多，功能越来越强大。致力于单片机的体积尽可能的小也越来越流
26、行，目前比较常规的单片机大多说都是将中央处理器、存储器、通信接口、系统中断以及时钟和定时电路都封装在一片很小很小的芯片上。还有一些增强型的单片机，把一些原来的外围扩展电路也都集成到一块片子上，其功能更加全面，更有利于科技人员的进一步开发和扩展。例如有的增强型芯片把脉冲宽度调制电路、数字模拟转换电路、看门狗这些单元电路都封装到一块芯片上，其可靠性更高，功能更强。这需要更先进的封装形式，原来老套的已经满足不了需求是就必须开发新的封装方式，在众多封装形式中表面封装被越来越多的人所接受，单片机的微型化发展之路这才得以延续。（3）种类多样化目前单片机区域多样化发展，种类真可谓如天空的繁星，各有各的独到之
27、处。虽然单片机种类很多，但是占据主导地位的还是51系列的单片机，其中以80C51和80C52为代表作，其具有良好的兼容性，许多公司产品的结构和指令基本都可以和其兼容。可以这么说以80C51为核心的单片机占据了半壁江山。但是其他公司现在也有着强劲的发展势头不予相让，都在开发更新新产品，并且努力提高单片机的产量。在以后的一段时期不会是某一产品独占鳖头，而是其它产品都会在市场占据一定的份额，根据人们的需求选用更适合他们的产品，这样优势互补，互惠互利，共同发展才是大势所趋。（4）低电压化节省能源一直是全球主张的主题之一，单片机同样也是。随着全球能源的日益短缺，资源匮乏，一些单片机厂商响应节约能源的主张
28、，开始在单片机添加入开发出来的省电运行方式，这样在芯片可供电的电压范围就越来越宽了，低电压工作将不会影响芯片的正常工作。目前一些单片机的供电电压下线可以达到1V左右，甚至一些厂家透露可在0.5V工作的芯片将会问世。（5）高可靠性单片机如果想要在某些极其恶劣的环境里工作，就必须采用新的措施，在原有的基础上加入新的工艺，以适应各种复杂的场合使用，另一方面还要提升芯片在抗各种干扰信号的能力。比如常规的单片机是不能在极寒和极热的环境下正常工作的，这就需要采用新的技术措施来保证单片机的正常且准确的工作。要想适合这种复杂又特定的环境常规芯片的存储容量是不能满足的，兼容性方面也许进一步提升标准，这就必须进行
29、扩展容量。总而言之，想要满足各种要求就需要采用新的技术、新的工艺，以满足单片机内存储容量的需求。（6）高性能化首要的目的就是进一步改善中央处理器的性能，更加快速的进行数据分析和处理，进而提升整个系统的稳定性。我们可以从两大方面出发，第一方面就是把指令结构进一步进行精简，这将会是一个长期而庞大的工程。就目前来看指令的最高运算速度可以到达100MIPS，并且在位数处理、定时控制和系统中断得到了大幅度的加强。这种芯片甚至可以比常规的芯片的数据处理速度高出十倍以上。这种集成芯片具备了极高的指令速度，使用软件对其I/O功能的模拟得以实现，就此导致了新的概念即虚拟外设的引用。 （7）小容量、廉价化基于4位
30、和8位的单片机以其存储容量小、价格便宜的优点得以广泛的应用在低端电子产品之中，成为了单片机的发展趋势之一。这种芯片主要应用在家电产品和电子玩具，这类产品不需要太高的运算速度也不需要很大的存储容量。现在是电子科技商业化的时代，商家主要是满足客户的各种需求，再加以量产达到他们所需的经济利益最大化。而作为客户的我们看重产品的主要是性价比，这符合大多数人的需求，以最少的价格购到可以满足自己需求的产品。随着片内集成度的继续提升以及引入了IC、SPI总线，使得片子的成本更低、体积更小、重量更轻。因此小容量和低价格会成为单片机的发展趋势之一。 第3章 硬件设计3.1最小的系统电路单片机AT90S8515-4
31、JI AT90S8515-4JI的硬件是应用Harward结构，它隶属于AT90S8515，有预取指令功能，这样指令就可以在一个周期之内被执行。指令功能强大，芯片的封装如图3.1所示。 图3.1 AT90S8515-4JI它的主要特点如下：（1） AVR高性能和低功耗RISC架构；（2） 118条强大的指令-在最小的时钟周期内执行；（3） 8K字节可下载的Flash程序存储器；（4） 512字节的EEPROM（可以擦写100000次）（5） 512字节的SRAM（32*8一般用作工作寄存器）（6） 通用I/O口32个，64个I/O专用寄存器（7） 32个通用寄存器，可以直接与算术逻辑单元（AL
32、U）相连，克服了单一累加器在数九处理的瓶颈现象。（8） 一个8位定时/计数器T/CO，一个16位带预分频及比较模式、捕获模式及双工8位、9位或10位的PEM输出的定时器计数器T/CI（9） 具有外中断源（10） 内部含有可编程看门狗定时器和片内晶振（11） 具有可编程的串行异步通讯UART接口和主从式 SPI串行接口。（12） 具有2种通过软件选择的省电模式：空闲模式、掉电模式。（13） 供电电压在4.0-6.0V之间可以全静态工作范围为0-8MHz。（14） 与MCS-51系列的8752/89C52/8X511引脚兼容，仅仅复位电平要求不同：MCS-51高电平复位，AVR低电平复位。3.2
33、单片机模块本系统采用的是AT90S8515-4JI芯片，它的管脚说明见表3-1。这个单片机的供电电压是5V。此模块带有一个复位电路和一个晶振电路。电路图如图3.2所示。当5V电压接通时，只要按下S9这是就会产生一个高电平，并将这个信号送给AT90S8515-4JI，这时就能实现复位。晶振电路在这里结合单片机内部电路，产生单片机所必备的时钟频率12MHz。 图3.2 单片机电路图 表3-1 部分引脚功能 引脚 说明 VCC 接电源电压 GND 用来接地 Port A 包括PA0到PA7，是8个双向I/O口 Port B 包括PB0到PB7，是8个双向I/O口 Port C 包括PC0到PC7，是
34、8个双向I/O口 Port D 包括PD0到PD7，是8个双向I/O口 RST 用来复位输出的。 ALE在访问外部存储器时，地址锁存器它所允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。 复位重置 ICP 定时器/计数器的输入引脚 XTAL1用于反向震荡放大器的输入以及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2 用于反向振荡放大器的输出 OC1B 作为定时器/计数器的输出引脚3.3超声波发射电路的设计 超声波发射电路就是将电能量经过电路中的超声波换能器变换成超声波发射出去。此超声波具有较高的能量。本文则是40kHZ的超声波。此电路有两大部分组成：超声波发射器与超横波换能器。换能器在转换过程中只消耗很少的能量；
35、超声波发生器（也叫超声波控制器）会产生特定频率的信号或脉冲。超声波发生器包含了压电晶片和共振板，其工作原理是在外加电源的情况下，是脉冲频率和压电晶片的固有振荡频率一样，这样压电晶片和共振板一起产生共振，于是就产生了超声波。其原理图如图3.3所示。 图3.3 超声波发射电路其中555电路用来产生40kHZ的超声波，由公式 （3-2-1）来确定它的振荡频率，而信号的频率是由来调节的，通过调节，使它与固有的40kHZ保持同步。本设计电源选用的是锂电池12v，其目的是为了使NE555有足够的驱动力。 选用NE555主要是由于它有许多的优点，比如用简单的电阻电容器件就可以组装成特定的延时电路，并且它的延
36、时范围大，能从微妙级别到以时为单位，而且它的电源选择的范围广。还有一个重要的原因是因为它的准确、稳定，并且经济。3.4超声波接收电路的设计在超声波发射出去后，为了测定它传播的时间，必须要知道一个时间段，而这个时间段就是以发射到接收这段时间，故准确接收超声波也是非常重要的。由于此次设计超声波的频率为40kHZ，考虑到我们生活中常用的电视机红外遥控接收器所用的芯片即是CX20106A，它的载波频率为38kHZ，和我们所用的40kHZ的超声波频率比较接近，故可以选择CX20106A作为超声波的接收芯片。由这种芯片大量应用与电视机中，则它的稳定性、接受能力和抗干扰能力必定非常好。事实上它的这些特性与实
37、验数据也相吻合。其电路图如图3.4所示。 图3.4超声波接收电路 我们可以通过控制的大小来适当调整它的一些性能。CX20106的引脚及其解释如表3-2所示 表 3-2 CX20106引脚对应的英文符号 注释 1 IN 输入端，其阻抗值大约为40k 2 C1 RC串在它和GND之间，构成负反馈的一部分 3 C2 检波电容连在它和GND之间 4 GND 连接大地的端子 5 F0与VCC之间串电阻，改变组织可以控制中心频率 6 C3 330pF的标准积分电容接在它和GND之间 7 OUT 遥控命令输出端 8 VCC 电源正极，4.5-5V3.5温度补偿电路的设计 考虑了温度对测量声速影响为了侧量的精
38、确性，故需要该模块。温度只需要精确到一度即可。本次设计采用数字式温度传感器DS18B20。原理图如图3.5所示。DS18B20的一些特点如表3-3所示。 图3.5 温度补偿电路 表3-3 DS18B20的特性 工作电压范围 35v 测量温度范围 -55125 测量的精度 -1085之内为0.5 （满足设计的要求） 测量的距离 200米以内 适用范围 储藏罐，冷库等需要检测的位置 DS18B20温度传感器能够直接读出实时被测温度，独特的连接方式，使得外部电路简化，同时可以联网寻址，芯片的编码唯一，应用的范围也广，还可以设置9-12位的分辨率。3.6 显示电路的设计一般显示器有二极管显示器和液晶显
39、示器。这两种显示器都是线路简单，成本还不高，本系统选用二极管显示器。这部分主要是用LED数码管来显示，而一个数码管则是由几个发光二极管连接成的。这些发光二极管按照一定的排列，现代工艺上统一为他们编号，分别用a、b、c、d、e、f、g、dp来表示，通过控制每一段发光二极管的亮灭的组合来显示相应的数字。比如当显示是“5”的时候，则a亮f亮g亮c亮d亮，b不亮e不亮dp不亮，其中a至g围成了一个“8”字型，而dp则表示小数点。通常发光二极管的连接方式有两种，一种是共阳，另一种则是共阴。共阳接法实质上就是将这些发光二极管的正极都接到一起，负极则是接不同的线路，用负极的通断来决定发光二极管的亮灭，其中低
40、电平为有效（灯亮）。共阴接法则恰恰和它相反，将它们的负极接到一起，正极连接不同的线路，通过正极的通断来决定其发光还是不发光，其中高电平为有效电平LED的形状结构如图3.6所示，一般他有两种工作状态，动态扫描和静态扫描。静态显示的时候有个特点就是每个数码管要想保持所显示的数字形状，咋么个数码管的段选必须要接一个8位的数据线。这种模式可以占用较少的CPU的时间，方便监测和控制它的缺点是硬件部分电路比较复杂，故成本就高。动态显示它的特点则是数码管的段选线是并联的，数码管具体是哪一个有效则是由位选线控制的。动态显示的亮度不如静态显示。 图3.6 数码管数码管的共阴极和共阳极如图3.7所示。 共阴极 共
41、阳极 图3.7 数码管的类型 本系统的显示电路如图3.8所示。给显示电路供电后，由单片机经过对接收到的数据处理后，测出的液位高度就由这些数码管来显示，由于精确到1cm，故采用了4个数码管来确保精确度。当与数码管的相连的NPN型三极管导通时，对应的数码管就能亮，就能显示出相应的数字，即所测量的液体的高度。 图3.8 显示电路 3.7 报警电路的设计报警对许多的系统来说非常重要，因为在实际操作中，由于人为因素或自然因素等会使系统不适用甚至是崩溃。既要能正确报警又不能误报，所以一个好的报警模块就显示的非常重要。本系统中，需要报警的就是当测量的温度超过一定值时进行报警，此时这个系统就会因为温度过高而测
42、量的不准，从而保证这个系统在正常条件下工作。本系统采用的是压电式蜂鸣器。压电式蜂鸣器是将电信号转换为声信号，此种蜂鸣器有占用的体积小、成本低、可靠性较好等许多的优点。报警电路如图3.9所示。 图3.9 报警电路此电路的一些参数为： 1. 驱动电流 10mA 2.直流电压 3-15V 3.蜂鸣器声音频率 3KHz 其中蜂鸣器的一段加5V直流电压，另外一端就连接PD4。当报警的时候PD4就由高电平变为低电平，这一过程是由程序来实现的。通过设定一定的液位的上下限和温度上下限，当这些条件不在所设定的范围内就会启动报警系统。3.8 电源电路的设计此模块就是为了给单片机提供电源，采用的是TPS54531的一些参数如下它工作时输入电压范围为3.5v到28v，而输出电压为0.8v到25v；5A为它的最大输出电流，占空比最大为90%。再输入24v电压后经过TPS54531芯片后就能得到可以给单片机供电的5v电压（此过程需要选定相应的原