基于单片机的超声波液位测量系统

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