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。

以解除操作员用常规手段测量液位带来的不便以及危险，提高测量的安全性[3][4]。

1.2测距仪的现状及超声波测距优势
目前国内一般使用专用集成电路设计超声波液位测量仪，但是专用集成电路的成本很高，并且显示液位高度也比较困难，操作使用也不是很方便，而本设计研究的液位测
量仪成本低廉，性能优良，市场前景极为广阔，对提高我国超声波液位测量仪实际水平，具有较大的意义，在整个液位变化过程中自动测量液位的高低，并用数字显示出来，在距离到极限距离时会发出急促的警告声，提醒操作员注意采取措施。

本设计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[12]。

超声波液位测量仪能测量并显示液位的高度,同时用间歇嘟嘟声报警,间歇时间随障碍物距离缩短而缩短。

操作员不但可以直接观察被显示的高度,还可以用听觉判断液位的高低[13]。

利用超声测距技术与单片机设计制作出超声波液位测量仪。

该系统在常见的液位测量装置的基础上采用计算机控制技术和超声波测距技术，通过显示液位的高低并根据其液位高低实时发出报警，解除了操作员用常规手段测量距离带来的不便以及危险，提高了测量的安全性[14]。

1.3超声波测距仪的研究现状及发展趋势
随着工业水平飞速发展以及人民对物质需求水平的不断提高超声波液位测量仪作为一种新型的液位测量方式已经被越来越多的行业所应用[12]。

在工业生产中超声液位测量占据着极为重要的地位，具有广阔的应用领域液位测量数据是实际生产和过程控制的重要参数储液罐储存液体的总量就是利用液位测量进行管理和控制的。

超声波液位测量技术在石油、化工等工业领域中得到广泛应用，阐述了该技术涉及的传感器结构、安装方式、远程控制及信号处理软件等方面的进展，随着网络通信技术的应用，预计该技术将向数字网络是的灌区液位定位系统发展[15]。

1.4主程序编制及流程图
图 4.1为主程序流程图。

开机后先显示亮灯并且蜂鸣器发声，表示开始工作。

T0用于记录发射至接收的时间间隔t(单位为ms)。

初始化后，程序控制发射40KHZ的超声波信号，发射开始立即启动定时器开始计时。

发射完成。

CPU接收回波信号后，立即产生中断同时立即停止计数。

定时器专门用于记录CPU发射脉冲信号前沿至回波脉冲信号前沿之间的距离t,由此时间可换算出障碍物的距离，并决定嘟声间隙。

可设定T1的定时值，用来控制嘟声间隙时间和闪烁显示时间。

综合考虑各类因素及实际情况，为了使计算简化，取空气中声速为340m/s,或34cm/ms,则障碍物距离d的计算公式如下d=(t*34cm/ms)/2=t*17cm/ms.
1.5基于单片机的超声波测距系统构成
开初发射超声 等待回有回
处理信号，
N
Y
图2.1 超声波测距系统框图
单片机发出短暂的40kHz 信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t ，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LCD 液晶屏进行显示[5][6]。

限制超声波系统的最大可测高度存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。

接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测高度。

开始超声关定显示器
接收检测
电声换能器
电声换能器 驱动电路
参考文献：
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[13] 殷淑英主编. 传感器应用技术. 北京市：冶金工业出版社, 2008.07.
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[16] omas puter Architecture and Logic Design[J].McGraw-Hill Inc. 1999.9
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本设计的任务是设计一个超声波液位测量仪，可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合，也可以应用于汽车倒车位置监控，。

测量范围在0-1m，测量精度1-2cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。

系统组成的设计：各部分硬件的选取很有讲究，要十分合理。

设计的难点是：
(1)超声波信号的接收、发射的设计
(2)显示电路设计
(3)流程图及程序的设计
毕业设计的任务和要求：
(1)设计一款基于单片机的超声液位测量仪；
(2)完成protel原理图和pcb图
指导教师意见：
指导教师：
年月日所在系审查意见：
系主任：
年月日。