超声波液位测量系统课程设计

基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计0河南工业职业技术学院HenanPolytechnicInstitute毕业设计（论文）题目基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计班级姓名指导教师目录基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计1前言.....................................................................................11液位测量系统概述..........................................................21.1传感器与检测技术...................................................21.2液位测量系统的现状...............................................31.3液位传感器的发展方向...........................................72系统分析和总体设计...........................................................82.1对液位测量系统的要求...........................................82.2系统组成及工作原理...............................................82.2.1系统组成...........................................................82.2.2工作原理..........................................................83系统硬件设计.....................................................................103.1主机系统..................................................................103.2液位测量系统..........................................................123.2.1超声波传感器..................................................123.2.2信号调理电路..................................................173.2.3温度补偿电路..................................................243.3键盘........................................................................263.4液位显示.................................................................273.5通信系统.................................................................293.6报警系统.................................................................343.7电源........................................................................364系统软件设计....................................................................374.1编程思路及流程图..................................................37结论......................................................................................40致谢......................................................................................41参考文献.............................................................................42附录A硬件电路图.............................................................43附录B程序.......................................................................45附录C英文文献...................................................................54基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计2前言近年来，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也发展很快，经历了由机械式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以后，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。从上世纪八十年代开始，一些发达国家就借助微电子、计算机、光纤、超声波、传感器等高科技的研究成果，将各种新技术、新方法应用到储罐液位测量领域。电子式测量方法便是其中的重要成果之一。在电子式液位测量方法中，有许多新的测量原理，包括压电式、应变式、雷达式、超声波式、浮球式、电容式、磁致伸缩式、伺服式、混合式等二十多种测量技术。由于该方法测量精度高，可靠性强，持续时间长，安装维护简单，因而正在逐步取代旧的机械式液位测量方法。用于储罐液位测量的众多电子式技术中，压电式、超声波式、应变式、浮球式、电容式五种测量技术应用最为广泛，约占总数的60%以上。其中，超声波式测量技术的应用份额最大。超声波液位测量有很多优点:它不仅能够定点和连续检测液位，而且能够方便地提供遥控或遥控所需的信号。与放射性技术相比，超声技术不需要防护。与目前的激光测量液位技术相比，超声方法比较简单而且价格较低。一般说来，超声波测位技术不需要有运动的部件，所以在安装和维护上有很大的优越性。特别是超声测位技术可以选用气体、液体或固体来作为传声媒质，因而有较大的适应性。所以在测量要求比较特殊，一般液位测量技术无法采用时，超声测位技术往往仍能适用。基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计31液位测量系统概述1.1传感器与检测技术液体液位的准确测量是实现生产过程检测和实时控制的重要保障，也是实现安全生产的重要环节。液体罐内液位测量的方法有很多种，其中超声波传感器由于结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制，所以超声波测量法得到了广泛的应用。所谓超声波就是指频率高于20kHz的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；它沿直线传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；它还具有强度大、方向性好等特点，为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。超声波传感器是利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制而成的传感器。超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械震动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。超声波液位测量的方法有多种，如超声脉冲回波法、共振法、频差法、超声衰减法等[1]。超声脉冲回波法的基本原理是由超声波传感器的发射探头发射超声波，当超声波遇到障碍物时会被反射，利用单片机记录超声波发射的时间和接收到回波的时间，根据当前环境下超声波的传播速度，即可通过公式1.1计算出超声波传播的距离，也就得到了障碍物离测试系统的距离。S=C×[t／2]（1.1）式中S为被测距离，C为超声波传播速度，t为回波时间。共振法的基本原理是调节超声波的频率，使得探头和液面之间建立驻波共振状态，这时探头与液面之间的距离就与超声在介质中的波长成一定的比例关系。当超声波速度己知时，就可根据共振频率计算波长再换算出探头到液面的距离因。频差法就是让超声探头发出调频的超声波，超声波的频率随传播距离的不同而不同，根据接收信号和发射信号间的频差可得到从发射到接收的时间。超声衰减测量顾名思义就是超声波在被测介质中的衰减量随距离变化，根据接收信号和发射信号间的衰减量变化测量液位。从以上方法的对比中可以看出，用共振法检测液位受到一些具体条件的限制，需要与液面建立驻波关系，并且它属于一种接触式测量方法。频差法需要调频器产生调制频率，衰减法需测量超声波的衰减量。相比较而言，超声波脉冲回波法无需与液面之间建立驻波，并基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计4且可以实现非接触检测。所以脉冲回波法是其中最适合的方法，本文将采用该方法实现超声波外测液位检测。1.2液位测量系统的现状液位测量广泛应用于石油、化工、气象等部门。实现无接触、智能化测量是液位计目前的发展方向。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，近年来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。从测量范围来说，有的液位计只能测量几十厘米，有的却可达几十米。从测量条件和环境来说，有的非常简单，有的却十分复杂。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。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人类。接触型液位测量主要有:人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计等。它们的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，即都存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。因此存在一定的磨损且容易被液体沾污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。非接触型液位测量主要有超声波液位计、微波雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等。顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不接触。因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触型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。目前，市场上的液位仪表功能各异，价格差异也较大。从价格和功能上比较，国内和国外产品存在较大的差异:国外的液位测量仪表，功能较全，精度较高，但价格比较昂贵；而国内产品其功能和精度相对较低，但价格自然相对便宜。国外液位计量仪表早期大多采用机械原理,但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且发展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，结构有了很大的改善、功能有了很大的提高。从国外液位仪表发展的技术动向看，当前主要有三个热点：接触测量方式的液位仪，非接触测量方式的液位仪和新原理的小型液位开关。(1)接触型液位仪表接触型液位仪表，主要有:人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、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。基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计5①人工检尺法:利用浸入式刻度钢尺测量液位，取样测量油温和密度，通过计算得到液体的体积和重量，这是迄今为止依然在全世界广泛使用的液位测量方法，也可以把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。该方法分为实高测量和空高测量两种。人工检尺法测量的精度一般为±2mm，通常至少测量