基于单片机的超声波液位测量系统
基于单片机的超声波测水位
基于单片机的超声波测水位报警系统目录摘要 (1)1 绪论 (2)1.1 项目研究背景及意义 (2)2 总体设计方案及论证 (2)2.1 总体方案设计 (2)3 硬件实现及单元电路设计 (3)3.1 主控制模块 (3)3.2 电源设计 (4)3.3 超声波测试模块 (4)3.3.1 超声波的特性 (5)3.3.2 超声波换能器 (6)3.4 超声波传感器原理 (8)3.5 测距分析 (12)3.6 时钟电路的设计 (13)3.7 复位电路的设计 (13)3.8 声音报警电路的设计 (14)3.9 显示模块 (14)4 软件设计 (15)4.1 主程序工作流程图 (15)5 总结 (17)6 参考文献 (17)附录 (18)附件1：原理图 (18)附件2：程序 (19)附件3：元件清单 (29)附件4：实物图 (30)摘要STC89C52是STC系列单片机里应用比较广泛的一款，在自动控制领域里享有很高的价值，以其易用性和多功能性受到了广大电子设计爱好者的好评。
本次设计主要是利用STC89C52单片机、超声波传感器完成测距报警系统的制作，以STC89C52为主控芯片，利用超声波对距离的检测，将前方物体的距离探测出来，然后单片机处理运算，与设定的报警距离值进行比较判断，当测得距离小于设定值时，STC89C52发出指令控制蜂鸣器报警。
关键词：超声波传感器STC89C521 绪论1.1 项目研究背景及意义由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。
因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。
可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。
基于单片机的超声波液位测量开题报告
单片机测量控制程序及显示电路
测量距离的计算及误差的消除
试验数据集结论
课
题
的
工
作
方
案
本课题就是针对基于单片机的超声波液位测量系统的的特点，以单片机作为控制芯片，结合超声波传感器及D/A模数转换器，设计一个液位测量系统。
随着科学技术的不断发展与进步，单片机在数据采集系统中的应用愈来愈广泛。在基于单片机的超声波液位测量系统中，单片机处于核心地位。
2．单片机应用系统设计技术， 张齐 电子工业出版社，2004.9
3．新型单片机接口器件与技术，李刚 西安电子科技大学出版社，2005.1
4. 80C51 嵌入式系统编程，李冰 清华大学出版社，2004年4月。
5. MCS-51/96单片机原理及应用，徐爱卿 北京航空航天大学出版社，2006年1月。
6．单片机原理及应用，蔡振江 电子工业出版社，2004年8月。
意义：现代工业生产正处于一个有劳动密集型、设备密集型向知识密集型转变的过程。液位控制问题是工业过程中一类常见问题，如在饮料、溶液过滤、化工生产等 多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制，在实际生产中，通常采用系统辨识的方法， 对复杂系统进行建模。 以建立一个简化的数学模型。然而对于一些控制精度较高的场合，则需要建立较精确的数学模型。这决定着系统辨识的方法不能得到很好的普及。而超声波液位测量仪具有精度高、显示方式多、集成度高、稳定性好 、设定简单、能方便的组成网络等特点，使得他在工业生产中将发挥更大的作用。
7．单片机实验及实践教程，夏继强 北京航空航天大学出版社，2002年8月。
8. 单片机基础，李广弟 北京航空航天大学出版社,2005年8月。
9. 单片机高级教程应用于设计，何立明 电子工业出版社，2007年1月
基于单片机的超声波液位检测系统设计
编号：审定成绩：毕业设计（论文）设计（论文）题目：基于单片机的超声波液位检测系统设计摘要液位测量及控制广泛应用于工业、生活等领域，由于许多测量环境条件及其恶劣，例如对具有腐蚀性的液体的液位测量。
显然，传统的液位测量设备已不能满要求。
因此，一些基于超声波的非接触式液位测量控制技术应运而生。
本文利用单片机的强大功能，通过硬件和软件的完美结合，设计、实现了一种基于超声波的液位检测控制系统。
系统由液位测量模块、数据显示模块、液位控制模块、超限报警模块和参数设置模块组成，通过HC-SR04超声波测距模块采集数据，经过单片机进行数据处理，然后进行实时液位显示，同时发出液位控制信号和报警控制信号。
最后，对所实现的实物进行了测试。
测试结果表明系统功能符合设计要求，能达到易控制、稳定性强、测量精度高、安全性高、功耗低的预期目的。
【关键词】单片机超声波液位测量液位控制ABSTRACTLevel measurement and control are widely used in the industrial field and other related fields. In the field of industry, many measurement environments are very bad such as the level measurement of corrosive liquids. Obviously, the traditional level measurement devices can not satisfy the requirements. As a result, some control based on the non-contact ultrasonic level measurement technology arises at the historic moment. This paper makes use of the powerful features of the SCM and the perfect combination of software and hardware to design and implement an advanced control system for liquid level measurement based on the ultrasonic measurement. The designed system includes level measurement module, data display module, level control module, limit alarm module, and parameter set module. The system collects data through HC-SR04 Ultrasonic Ranging Module, and then process the data, display the level in real-time and issue level control signal and the warning signal. Finally, the system was tested. The tested results show the system functions can meet the designed requirements, which achieve control easily, high stability, high accuracy, and high security.【Key words】SCM Ultrasonic Level measurement Level control目录第一章绪论 (1)第一节课题的提出和意义 (1)一、课题的提出 (1)二、课题的意义 (1)第二节国内外液位检测控制技术的发展现状 (2)第三节本课题主要研究内容 (3)第二章整体方案设计 (4)第一节方案设计架构 (4)第二节超声波测量技术 (5)一、超声波的定义及特性 (5)二、超声波测距原理 (5)第三节本章小结 (6)第三章硬件设计 (7)第一节单片机的最小系统组成 (7)第二节LCD1602液晶显示模块 (8)一、LCD1602液晶显示简介 (8)二、显示内容 (9)第三节设置模块 (9)第四节报警模块 (10)第五节液位测量模块 (11)一、HC-SR04简介 (11)二、引脚接线方式 (12)三、模块工作原理 (12)第六节液位控制模块 (13)第七节本章小结 (14)第四章软件设计 (15)第一节编译语言与编译思想 (15)第二节软件设计 (15)一、总体设计 (15)二、关键模块程序设计 (16)第三节本章小结 (20)第五章仿真及调试 (21)第一节仿真 (21)第二节系统测试 (22)第三节本章小结 (25)结论 (26)致谢 (27)参考文献 (28)附录 (29)一、英文原文 (29)二、英文翻译 (33)三、源程序 (39)第一章绪论第一节课题的提出和意义一、课题的提出在日常生产生活中，常遇到液位测量及控制问题。
基于单片机的超声波液位检测系统设计
为２ ． ５ ％和 １ ． ２ ５ ％，这样 的精度 能够 满足实际需求 ，达到 了预期 目标。该系统具有测量准确 、功耗低 、使用寿命长等特点 ，可 以
满 足一般 的工业 需要 。 Nhomakorabea关键词 ：液位检测 ；超 声波 ；单片机
中图分 类号 ：Ｔ Ｐ ２ ７ ３ 文献标 识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ９—９ ４ ９ ２（ ２ ０ １ ４）０ ８ —０ ０ １ ３ —０ ４
摘要 ：为解决腐 蚀性液体 的液 位测量 中电极特别 容易被 电解腐 蚀的问题 ，将超声 波技术应用到工业生 产液 位或物料的检测 中。 以Ａ Ｔ ８ ９ Ｓ ５ ２ 单 片机 为核心 ，建立超声波测得距离 和声速 与传输 时间之间的关系 ，提 出通过硬件 电路设计 和软件编程实现对液位 高度 的检测的方法 ，进行 了超声 波测距在 ２ ０ ｃ ｍ和 ８ ０ ｃ ｍ两种距离 的试 验。 由于超声波受 温度的影 响较大 ，采 用温度传感器对 温度进行测量 ，根据公式进行温度补偿 ，并设计 了报警 模块 ，当温度过高时进行报警 。结果表 明 ， 超声波测距 的相对误差分别
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔｏ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｄ ｅ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｌ ｙ ｖ ｕ ｌ ｎ ｅ ｒ ａ ｂ ｌ ｅ ｔ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｌ ｙ ｔ ｉ ｃ ｃ ｏ ｒ ｒ ｏ ｓ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｃ ｏ ｒ ｒ ｏ ｓ ｉ ｖ ｅ ｌ ｉ ｑｕ ｉ ｄ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ， ｔ ｈ ｅ
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｕｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｌｉ ｑ ｕ ｉ ｄ Ｌｅ ｖ ｅ ｌ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｍ ＣＵ
基于单片机的超声波液位计的设计与实现
基于单片机的超声波液位计的设计与实现基于单片机的超声波液位计的设计与实现一、引言液位测量在工业生产过程中具有重要意义，涉及到液体储存、运输、计量等多个方面。
而超声波液位计是一种常用的液位测量技术，通过发射超声波脉冲，测量声波从发射到接收的时间来计算液位的高度。
它具有测量范围广、精度高、无接触、易于安装和维护等优势，因此受到了广泛应用。
本文主要针对基于单片机的超声波液位计的设计与实现进行研究。
我们选择STM32F103单片机作为核心控制器，并采用SRF04型超声波传感器作为液位的测量器件。
二、系统设计1. 硬件设计该液位计系统的硬件设计主要包括单片机模块、超声波传感器模块、显示模块以及电源模块。
单片机模块：我们选择STM32F103单片机，它具有丰富的外设资源和高性能处理能力。
单片机通过GPIO口与超声波传感器模块进行通信，并通过USART口与显示模块进行数据传输。
超声波传感器模块：采用SRF04型超声波传感器，它具有稳定的测量特性和较高的测量精度。
超声波传感器的发射脚与单片机的GPIO口相连，接收脚与GPIO口相连。
显示模块：采用OLED显示屏，通过I2C总线与单片机进行通信。
显示模块可以实时显示液位的数值。
电源模块：采用稳压电路，将输入的直流电源转换为单片机和其他模块所需的适宜电压。
2. 软件设计软件设计主要分为单片机程序设计和上位机程序设计两部分。
单片机程序设计：通过配置单片机的GPIO口和USART口，实现与超声波传感器和显示模块的通信。
通过发射超声波脉冲并接收返回的信号，计算液位的高度，并将结果通过USART口发送给上位机。
上位机程序设计：上位机程序运行在计算机上，通过串口与单片机进行通信。
接收到单片机发送的液位数据后，将数据显示在界面上，同时可以对液位计进行校准和参数设置。
三、系统实现1. 硬件实现按照设计要求，搭建液位计的硬件系统。
首先将STM32F103单片机与超声波传感器、显示模块及电源模块连接，确保各模块之间正常通信。
基于单片机的超声波液位测量系统
摘要超声波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AbstractThe ultrasonic liquid level measurement is a non-contact measurement method, realized by the principle of ultrasonic wave in the same medium with relatively constant propagation velocity and being reflected when it approaches an obstacle. Compared with other methods (such as electromagnetic or optical method), it has a certain of adaptability when objects to be measured are under such harsh environment as darkness, dust, smoke, electromagnetic interference, toxicity, unaffected by the light or the color of the object to be measured. Therefore, it bears important practical significance to conduct research on the application of ultrasonic wave in high precision ranging system.In this project, SCM-based ultrasonic liquid level measuring system is mainly composed of two components, namely the hardware and the software. The hardware is ultrasonic liquid level measurement based on AT89C51 chip as the core; it adopts AT89C51 single chip microcomputer for control and data processing, provides the ultrasonic transmitting and receiving circuit, and improves ranging accuracy through elimination of blind spot and sampling of ambient temperature,. By taking advantage of the relationship between distance and time in ultrasonic transmission, an ultrasonic liquid level detecting system which can accurately measure the distance between two points is designed. This system has these advantages like easy control, reliable operation, high measurement precision, and real-time detection of liquid level. And it has ultrasonic transmitting and receiving circuit, reset circuits of SCM, LED display circuit, alarm circuit composed of ultrasonic processing module CX20106A and CD4069. The software part consists of main program, preset subroutine, transmitting and receiving subroutine, and display subroutine. The probe signal is processed by SCM through comprehensive analysis.Finally through debugging of real objects, various parameters and functions can meet the project requirements to achieve the desired objective.Key words: single chip microcomputer (SCM); ultrasonic wave; temperature control; high precision ranging目录第一章绪论 (5)1.1 课题研究的背景及意义 (5)1.2 国内外发展的现状 (7)1.3 液位计的类型 (7)1.4 本文的主要工作 (9)第2章系统的总体方案设计 (11)2.1 系统设计内容和功能 (11)2.2 课题设计的任务和要求： (11)2.3 系统方案选择 (12)2.4 系统总体方案的设计 (12)2.5 超声波和超声波传感器 (13)2.6 超声波传感器的主要应用 (14)2.7 超声波传感器测距原理 (14)2.8 超声波测距原理 (16)2.9 超声波发生器选择 (16)2.10 盲区处理 (18)第3章各单元硬件电路设计 (20)3.1 单片机最小系统电路 (20)3.2 温度补偿电路设计 (22)3.3 超声波发射电路设计 (23)3.4 超声波接收电路设计 (24)3.5 显示电路设计 (26)3.6 电源电路设计 (26)3.7 LED显示系统设计 (27)3.8 报警电路设计 (28)第4章系统软件的设计 (30)4.1 超声波测距仪的算法设计 (30)4.2 主程序流程图 (30)4.3 系统软件设计框图 (33)4.4 单片机的C程序设计 (35)4.5 系统的软硬件的调试 (36)4.6 调试分析 (41)4.6.1 LED显示程序的调试 (41)4.6.2 温度测量程序的调试 (42)第5章结论 (43)参考文献 (44)致谢 (46)附录Ⅰ (47)附录Ⅱ (56)附录Ⅲ (57)第1章第一章绪论1.1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日常检测部门中。
基于单片机的超声波液位测量器设计
基于单片机的超声波液位测量器设计中北大学毕业设计开题报告学生姓名：李永旭学号：09050441X50学院、系：信息商务学院、信息与通信工程专业：电气工程及其自动化毕业设计题目：基于单片机的超声波液位测量器设计指导教师:秦鹏2013年 3月 15 日毕业设计开题报告1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文献综述1.1 问题的提出和课题的研究意义随着科学技术的快速发展，超声波将在液位测量仪中的应用越来越广泛。
但就目前技术水平来讲，人们可以利用的液位测量技术还十分的有限。
因此，这是一个正在蓬勃发展而有无限前景的技术及产业领域。
展望未来，超声波液位测量仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位、高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自身噪声，改善潜艇声纳的工作环境。
毋庸置疑，未来的超声波液位测量仪将于自动化智能化接轨，与其他的液位测量仪集成和融合，形成多液位测量仪。
随着测距仪的技术进步，液位测量仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。
在新的世纪里面貌一新的液位测量仪将发挥更大是的作用[13]。
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善[1]。
本文的研究，就是以超声波为测量工具，通过单片机的控制，经过一系列转换、放大电路组成超声波液位测量仪以实现对处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境中的液面的测量。
基于单片机的超声波液位测量系统的设计
基于单片机的超声波液位测量系统的设计1 绪论1.1 课题背景及研究意义液位测量广泛应用于石油、化工、气象等部门，实现无接触、智能化测量是当前液位测量的发展方向。
随着工业、建筑业、农业、军事等领域的不断发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用与研究，传统的液位测量方法在很多场合已无法满足人们的需求，由此很多先进的测量工具应运而生。
按照应用习惯将这些测量工具分为接触式和非接触式两大类。
接触式液位测量主要有：人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计和磁致伸缩式液位计等。
它们共同的特点是感应元件与被测液体接触，因此存在一定的磨损且容易被液体粘住或腐蚀。
非接触式液位测量出现了微波雷达液位计、射线液位计、激光液位计及超声波液位计等。
它们共同的特点是感应元件与被测液体不接触，测量仪器不受被测介质的影响，这就大大解决了在粉尘多情况下，给人类引起的身体接触伤害，腐蚀性质的液体对测量仪器的腐蚀，触点接触不良造成的误测情况。
但前几种方法由于技术难度大，成本高，一般用于军事工业，而超声波液位计由于其技术难度相对较低，且成本低廉，适用于民用推广。
1.2 液位计的现状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、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩式液位计。
（1）人工检尺法：利用浸入式刻度钢尺测量液位，取样测量液体温度和密度，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范围内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。
人工检尺法一般精度为±2mm，通常至少测量两次，两次结果相差不得超过±lmm。
人工检尺法具有测量简单、直观、成本低等优点，但需要检测人员动手测量，不适合恶劣环境下的操作。
另外，需要较长的测量时间，难以实现在线实时测量，即实时性较差且需手工处理数据，不利于数据的计算机管理。
（2）浮子测量装置：浮子式测量装置采用大而重的浮子作为液位测量元件，驱动编码盘或编码带等显示装置，或连接电子变送器以便远距离传输测量信号。
基于单片机的超声波液位计设计
基于单片机的超声波液位计设计
概述：
超声波液位计是一种新颖的非接触式液位检测技术。
本文将基
于单片机设计一款基于超声波技术的液位计。
主要器材：
1.超声波传感器(负责探头与水面之间的物理量)
2.单片机
3.LCD显示屏
4.蓄电池(负责供电)
5.喇叭发声器（将波形转换成声音)
液位计的工作原理：
当发射器发出的超声波被液体遮挡，接收器接收到衰减的超声
波信号，可根据上报的信号直接算出液位的高度。
波纹发射器将电
信号转换成声波。
声波经再加工过程后，从发射器射出，声波在媒
质中传递，信号由接受器采集，采集后传至电路板和显示屏上显示。
液位计的设计流程：
1.设计硬件电路，包括LCM、单片机、蜂鸣器、超声波发射器
和接收器等。
2.编写程序；
3.测试电路设计的合理性。
液位计的设计原则：
1.系统要稳定，测量精度要高。
2.工作可靠性要好，尽量减少误差。
3.为了让检测系统更加方便使用，LCM要能够轻松的展示液位高度。
液位计的设计要点：
1.超声波发射器的输出角度要合理，信号不要受到扭曲。
2.使用ADC转换时，要尽量减小信号波动。
3.选用合适的蜂鸣器，以免误差过大。
4.液位计的设计电路要合理，系统信噪比要低。
总结：
本文提出了一款基于超声波技术的液位计的设计方法，将单片机、超声波传感器、LCD显示屏等元件充分利用起来，设计的液位计效果良好，具有普遍的应用价值。
毕业设计(论文)-基于单片机的超声波液位控制器设计
基于单片机的超声波液位控制器设计摘要课题针对液位检测的实际问题,开发了一种基于单片机的超声波液位检测仪.深入讨论了用超声波作为信号源进行液位检测的可行性及优越性，产生误差的各种原因，提出了相应的解决办法。
超声波液位检测仪以单片机 AT89C51 单片机最小系统为核心，利用超声波作为检测信号的手段，对液位进行检测和数据处理，减少了测量过程中的人工干预，方便了工作人员对液位检测的实时监控。
该系统硬件电路设计包含了超声波发射电路、接收电路、温度测量电路和液晶显示电路。
软件设计中，采用模块化程序设计思想，将软件主要分为超声波驱动与数据处理模块、功能模块两大模块。
对软件的这种“自顶向下”的模块化软件编程方法能使软件的结构清晰，有利于软件的调试和修改。
在设计中，由于需要测量的距离范围从几米到十几米，针对超声波振幅在传播时呈指数衰减的特性，最大限度地提高驱动能力，对回波进行多级放大，达到了设计要求。
由于测量精度要求很高，系统进行了温度补偿设计。
实验结果表明该设计方法可以提高超声波液位检测仪的测量精度并且硬件开销不大。
目录第一章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.1.1 超声波液位仪的研究背景与内容 (1)1.1.2 超声波液位仪的现状 (1)1.2 论文研究内容 (2)1.2.1 研究内容 (2)1.2.2 论文的章节安排 (3)第二章超声波的液位测量原理 (5)2.1 超声液位仪理论基础 (5)2.1.1 超声波介绍 (5)2.1.2 超声波探头的结构和原理 (5)2.1.3 T/R40-16 超声波探头 (7)2.1.4 传感器的指向角Θ (8)2.2 超声波液位仪工作原理 (9)2.2.1 超声波液位仪工作原理 (9)2.2.2 测量盲区 (10)2.3 本章小结 (11)第三章硬件总体设计 (12)3.1 超声液位仪总体设计 (12)3.2 单片机电路 (14)3.2.1 复位电路设计 (15)3.2.2 电源电路设计 (16)3.2.3 时钟振荡器 (17)3.3 发射电路 (18)3.4 接收电路 (19)3.5 液晶显示电路 (20)3.6 温度测量电路 (21)3.7 串行通信口电路 (23)3.8 本章小结 (25)第四章系统软件设计 (26)4.1 软件总体设计 (26)4.1.1 软件设计流程图 (26)4.1.2 主程序结构流程图 (27)4.1.3 回波接收流程图 (29)4.1.4 中断程序流程图 (29)4.1.5 串行口通信流程图 (30)4.1.6 DS18B20 流程图 (31)4.2 软件程序调试 (33)4.2.1 复位电路程序调试 (33)4.2.2 发送和接收超声波程序调试 (34)4.2.3 显示程序调试 (35)4.2.4 温度传感器程序调试 (36)4.2.5 通讯子程序调试 (38)4.3 本章小结 (39)第五章液位测量精度的提高和误差分析 (40)5.1 提高液位测量精度的主要方法 (40)5.1.1 温度测量 (40)5.1.2 算术平均滤波 (45)5.2 误差分析 (47)5.3 本章小结 (48)总结 (49)第一章绪论1.1 课题背景1.1.1 超声波液位仪的研究背景与内容超声波液位仪作为一种典型的非接触测量仪器，在很多场合有广泛的应用，诸如工业自动控制，建筑工程测量和水面高度测量等方面。
基于单片机的超声波液位测量系统 (卢瑞)
液位计的类型
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。
一、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：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。
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。
在现代工业生产中，常常需要测量容器中液体的液位。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。液位的测量在工业生产过程中的作用已经相当重要。
基于单片机的超声波水箱液位检测系统
第1章绪论1.1 课题研究的意义大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。
在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监则器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。
所以，对水箱控制，如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。
从水资源节约方面考虑，以往的人工控制在很多情况下，造成资源不必要的浪费，大部分原因是水箱内部水位没有及时的反馈信息到操作员，从而使控制上有一定的延迟，从而造成了水量过多或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常。
而对水箱水位的监控以及自动化的引入可以很好的改善补水过多和及时补水的情况，可以很好的节约资源有效的降低成本。
单片机，一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使众多自动化控制系统得以实现。
80C51以它功能强大，设计简单，制造廉价，支持指令集较多。
所以应用到众多嵌入式系统开发中。
综上所述，可以看出对本课题水箱液位检测系统的设计的研究有着重要的意义。
1.2 研究现状目前，水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、钢铁等大型企业领域，它以自身的自动化控制系统的安全优势，已经慢慢深入到一些民用水箱产品。
但是目前阶段，它的成本还很高。
比如把一台纯手工家用水箱设计成自动化控制的水箱，从硬件的设计和铺设，对于民用化产品实施的性价比较高。
因此大规模的使用仍受到经济上的限制。
但是，从长远来看，随着自动化技术的改进和硬件成本的降低，以及人们对资源浪费的重视。
水箱控制系统仍然有大规模推广的前景。
我国仍然处于生产型发展中国家，所有几乎在能源相关的所有领域中，水箱是比不可少的部件，即使是发达国家也不例外。
基于单片机控制和超声波传感器的液位自动检测报警系统
130 | 电气时代·2010 年第 11 期·自动化系统工程从国内外液位检测仪表发展的技术动向看，当前主要有三类液位检测仪表：接触测量方式的液位仪，非接触测量方式的液位仪，新原理的小型液位开关。
但现在大多液位检测仪表都要在非常苛刻的条件下(如在高温、高压、低温、腐蚀和辐射等环境下)进行测量，这就需要使用能耐的非接触式高温高压传感器。
超声波就是一种非接触式的传感器，它适用范围较为广泛。
超声波作为一种信息载体，已在海洋探测与开发、无损检测、医学诊断及微电子学等领域发挥着不可取代的作用。
本文基于单片机与超声波的特性研制了一套低成本、高精度的液位检测报警系统，该系统能对印刷上光液液位自动检测和报警，也能对各种有毒、有害、高腐蚀、高温、高浓度等物质的液位进行测量。
系统硬件设计系统硬件电路包括超声波发射与接收电路、温度检测电路、显示电路、在线下载程序电路和声光报警电路。
图1是系统硬件框图，系统的工作流程如下：先由键盘设定好报警上下限的初始值，上电运行后，由单片机产生超声波信号再由超声波接收器把信号输入单片机，单片机通过对脉冲信号的判断和处理，对声光报警设备与显示设备进行控制。
系统的控制电路以AT89S52单片机为核心，所有电路的控制与信号的处理都由单片机完成。
单片机的外围电路主要有：晶振电路、复位电路、液晶显示屏显示电路、声光报警控制电路、键盘接口电路、超声波传感器电路等。
单片机的P0口接到液晶显示屏的数据口上。
P2.0至P2.2这3个口接到液晶显示屏的各控制线上。
P1.0、P1.1、P1.2和P1.3作为键盘输入接口。
P3.6通过74HC04(高速CMOS ——六反相器)接到超声波发射器上，P3.3通过红外转换接收的电路集成芯片基于单片机控制和超声波传感器的液位自动检测报警系统义乌工商职业技术学院 机电信息分院 黎云汉 毛亚军CX20106判断是否接收到超声波信号并对接收到的信号进行处理。
基于STC51单片机超声波测距系统-程序设计-proteus仿真设计
基于单片机控制的超声波液位测量系统摘要：随着社会的发展，超声波的应用越来越广泛，如：倒车测距、机器人判向、气象水位的测量、大型油罐液位的测量等。
而随着智能仪器概念的提出，在电子和微控制芯片发展的基础上，超声波测液位也发生了日新月异的变化。
本文是在熟悉了单片机、超声波、12864液晶屏和DS18B20等性能后，以AT89S52单片机为核心，利用T/R40-16超声波对液位进行自动检测；温度传感器DS18B20对环境温度实时监测；LCD12864液晶屏实时显示测量数据；方便了操作人员对系统检测结果的监控。
系统硬件电路设计主要包含：超声波发射电路、接收电路、显示报警电路、温度补偿电路和相应的按键控制电路。
超声波发射电路由单片机发出的脉冲信号，经过信号整形后，传到超声波换能器(中心频率为40kHz)。
将电能转换为机械能，以满足超声波传感器的驱动要求。
超声波接收电路采用红外接收电路常用的CX20106芯片，简化了电路，并具有较强的抗干扰性。
接收电路将回波信号转换成单片机的中断信号。
AT89S52单片机是其核心部分，主要任务是，发出脉冲串用来驱动超声波发射换能器发出超声波，通过定时器T0对超声波传输时间进行计时，利用DS18B20进行温度的测量，根据测出的时间、温度和有关参数计算出距离。
系统软件设计主要利用KeiluVision3进行编程，为了使整个程序的层次和结构比较清晰，采用了单片机C语言模块化的设计思想。
这样的方法有利于程序的调试和修改。
软件模块主要分为LCD12864显示模块、按键设置模块、温度传感器DS18B20的温度补偿模块、报警与数据处理模块等。
对系统进行测试和记录结果表明，该系统能较为准确测量液位。
关键词：超声波液位测量自动控制AT89S52单片机DS18B20（三）超声波测距理论分析超声波测距主要是利用超声波的方向性好，能够定向传播，遇到障碍物时能够反射的特性。
并且超声波在同一介质中传播的速度是一样的(温度不变的情况下)。
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介绍了超声波测距的基本原理和系统框图，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时间的关系，采用8051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。
系统主要由超声波发射器电路、超声波接收器电路、单片机控制电路、环境温度检测电路及显示电路构成。
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。
关键词：超声波，液位测量，温度传感器前言 (1)1 总体概述 (1)2 超声波和超声波传感器 (3)2.1 超声波 (3)2.1.1 定义 (3)2.1.2 超声波的主要参数 (3)2.1.3 超声波的特性 (3)2.1.4 超声波的特点 (3)2.1.5 超声波传感器的主要应用 (3)2.2 超声波传感器测距原理 (4)2.2.1 超声波传感器 (4)2.2.2 超声波传感器的性能指标 (4)2.2.3 超声波传感器的结构 (5)2.2.4 超声波测距原理 (5)3 MCS-51系列单片机 (7)3.1 8051单片机的总体结构 (7)3.1.1 8051单片机的总体框图和功能 (7)3.1.2 8051的引脚功能 (8)3.2 8051单片机的定时器/计数器 (10)3.2.1 8051的定时器/计数器功能 (10)3.2.2 定时器控制寄存器 (10)3.2.3 工作方式控制寄存器 (11)3.2.4 中断允许控制寄存器（IE） (11)3.2.5 定时器/计数器的工作方式 (11)3.3 8051单片机的中断 (12)3.3.1 中断的定义 (12)3.3.2 8051单片机的中断源 (12)3.3.3 中断控制的专用寄存器 (13)4 硬件设计 (16)4.1 8051 单片机的最小系统组成 (16)4.2 超声波发射电路设计 (17)4.2.1 超声波频率及探头的选择 (17)4.2.2 超声波发射电路 (17)4.3 超声波接收电路设计 (18)4.3.1 超声波接收器 (18)4.3.2 超声波接收电路图 (19)4.4 温度检测电路 (20)4.4.1 温度检测方案的分析 (20)4.4.2数字温度传感器DS18B20简介 (20)4.4.3 DS18B20的结构及电路 (20)4.5 显示方案的论证与选择 (21)4.5.1 LED显示电路图 (21)4.6 稳压电源 (22)4.6.1 稳压电源构成 (22)4.6.2 +5V电源电路 (23)4.6.3 +12V电源电路 (23)5 软件设计 (25)5.1 主程序设计 (26)5.1.1 主程序流程图 (26)5.1.2 主程序 (27)5.2 中断服务子程序 (27)5.2.1 中断初始化 (27)5.2.2 中断子程序流程图 (29)5.3 温度检测子程序 (29)5.4 距离的计算 (30)结论 (31)致 (32)参考文献 (33)附录 A (34)附录 B (35)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。
在未来，超声波的液位测量将有更大的用途，更大的应用围。
它不但可以帮助人们解决很多生活中的困难，还可以作为科学探测和研究的手段。
特别是水位的测量，可以帮助确定水位的高度，以便于其他工作的顺利进行。
1．总体概述我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”[1]。
超声波发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。
由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。
在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。
表1.1 超声波波速与温度的关系表超声波液位测距原理框图如图1.1单片机发出40kHZ的信号，通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，进行处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED 显示。
图1.1 超声波测距系统设计框图1.1工作原理本文采用超声脉冲回波法测液位[5]。
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。
测距原理如图 1.2 所示。
S=C ×[t ／2] （1.1）式中 S 为被测距离，C 为超声波的传播速度，t 为回波时间，t=Tl+T2。
图 1.2 超声波测距原理图利用超声波在液体中传播时，有较好的方向性，且传播过程中能量损失较少，遇到分界面时能反射的特性，可用回波测距的原理，测定超声波发射后遇液面反射回来的时间，以确定液面的高度。
超声波液位检测的原理图如图 1.3 所示。
超声波接收超声波发送8051单片机 LED 显示 温度检测555 电路图 1.3 超声波液位检测原理图由图1.3可知h=H-S （1.2）式中 S 为超声波探头到液面的距离，可由式 1.1 求得， H 为超声波探头到容器底的距离，需要提前测定，h 为所要测的液位高度。
为了防止超声波发射探头发出的超声波直接传入接收探头引起误差，两个探头在安装时应平行并且相距 4～8cm。
在软件设计时，为了消除这个误差，INT0 应当在超声波发射探头发射超声波后 0.3ms 再开启，以防从发射探头发出的超声波直接进入接收探头触发中断。
在 20℃条件下超声波的传播速度为 344m/s，超声波在 0.3ms 时间在空气中可以传播 10.32cm，已经超出发射和接收探头之间的距离，此时超声波接收探头已经接收不到从发射探头直接发射过来的超声波，此时再开启 INT0 中断，就不会因为发射探头发出的超声波直接进入接收探头触发中断产生时间误差。
2．超声波和超声波传感器2.1 超声波2.1.1 定义科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。
当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。
因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。
2.1.2 超声波的主要参数超声波的两个主要参数：频率：F≥20K/Hz；功率密度：p=发射功率(W)/发射面积(cm2);通常p≥0.3w/cm2; 在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用“空化”现象来解释：超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时，其功率密度为0.35w/cm2，这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力，将液体分子拉裂成空洞—空化核。
此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污物撞击下来。
这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。
太小的声强无法产生空化效应。
2.1.3 超声波的特性（1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。
（2）超声波可传递很强的能量。
（3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。
（4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。
2.1.4 超声波的特点（1）超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。
（2）超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。
（3）超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）。
超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B 超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。
2.1.5 超声波传感器的主要应用超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。
超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。
超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。
因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。
超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。
这个方法是利用超声波的反射。
当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。
每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。
在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。
过去，许多技术因为无法探测到物体组织部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。
当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。
在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。
2.2 超声波传感器测距原理2.2.1 超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。