基于单片机的超声波液位测量系统的设计论文

基于单片机的超声波液位测量系统的设计论文内容摘要：

能器 电声换能器 驱动电路 8 3 超声波硬件 设计方案 按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共 四个模块组成。 单片机使用 51系列 的 C8051F410 单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。 发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。 接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。 图 系统设计框图 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路 、 超声波发射电路和超声波接收电路三 部分。 单片机 的晶振 采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。 通过 单片机 的 40kHz 的方波信号， 监测 超声波接收电路输出的返回信号。 显示电路采用 当下最流行 的 汉显 LCD 液晶显示屏 ， 显示控制线 接入单片机的 、 、 、 、 ，显示控制总线接入单片机的 、 、 、 、 、 超声 波测距信号的显示。 超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机 输入一个低电平脉冲。 单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器 T0计时，当检测到 由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。 单片机 将测得的时间与声速相乘再除以 2即可得到测量值，最后经液晶显示屏将测得的结果显示出来。 C8051F410 单片机 系统概述 C8051F 系列器件是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片，有真正的 12 位多通道 ADC(F206),8 位多通道 ADC(F220/1/6)或没有 ADC，每种器件都有与 8051 兼容的超声波接收模块 超声波发射模块 单片机控制系统 （C8051F410） 显示模块 按键 供电单元 9 CIP51微控制器内核和 8K字节的 FLASH 存储器，还有硬件实现的 UART 和 SPI串行接口，该系列器件 22 或 32 个通用 I/O 引脚，其中一些引脚用于数字外设接口，任何一个端口引脚都可以配置为 ADC 的模拟输入。 采用流水线结构，单周期指令运行速度是 8051 的 12 倍，全指令集成运行速度是原来的 倍。 片内还集成了 VDD监视器， WDI,和时钟振荡器，片内 FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，并可用于非易失性数据存储，可以关闭任何一个或全部外设以节省功耗。 所有器件都有 256 字节的 SRAM， F206/226/236 还另有 1024 字节的 RAM. 片内 JTAG 调试支技功能允许使用安装在最终应用系统上的产品 MCU 进行非侵入式（不占用片内资源）全速 系统调试。 该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点，观 察点，单步及运行和停机命令。 在使用 JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 每个 MCU都可以在工业温度范围内用 的电压工作，有 48 脚 TQFP 和32 脚 LQFP 封装端口 I/O 容许 5V 的输入信号。 C8051F 的特点 (1)高速流水线结构的 8051 与 MCS51 指令集完全兼容 (2)4 个 8 位宽的 I/O 端口 (3)峰值速度达 25MIPS（时钟为 25MHZ 时） (4)全速非侵入式的在系统调试接口片内，真正 12 位（ 8051F020） ,或 10 位C8051F02213 100KSPS 的 8 位通道 ADC 带 PGA 和模拟多路开关。 (5)0~25MHZ 的时钟频率 (6)电源管理方式 (7)可选的 1024 字节 XRAM (8)8K 字节 FLASH 程序存储器 (9)片内看门狗定时器， VDD 监视器和温度传感器。 C8051F 单片机增加的功能 在 CIP51 内核的内部和外部有几项关键性的改进，提高了整体性能更易于在最终应用中使用。 扩展的中断系统向 CIP51 提供 22 个中断源，标准（ 8051 只有 7个中断源）允许大量的模拟和数字外设中断微控制器，一个中断驱动的系统需要较少的 MCU干预， 10 却有更高的 执行效率，在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 MCU 可有多达 6 个复位源。 一个片内 VDD 监视器，一个看门狗定时器，一个时钟丢失检测器，一个由比较器 0提供的电压检测器，一个软件强制复位以及外部复位引脚， /RST引脚是双向的可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到 /RST 引脚，通过将MONE 引脚拉为高电平来使能片内 VDD 监视器除了 VDD 监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户软件禁止。 在一次上电复位之后的 MCU 初始化期间， WDT 可以一直被允许。 C8051F020 内部电路包括 CIP51 微控制器内核及 RAM, RO, I/O 口，定时 /计数器。 ADC, DAC, PCA, SPI 和 SMBVS 等部件。 即把计算机的基本组成单元以及模拟和数字外设集成在一个芯片上，构成一个完整的片上系统（ SOS） . C8051F 单片机的引脚图 图 C8051F 单片机的引脚图 超声波测距系统构成 设计的思路 本系统的设计思想是采用以 C8051F 单片机为核心，来设计一种低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪。 超声波测距可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用 S=Ct/2 就可以算出距离 , 再在 LCD 上显示出来。 当然还可以设置若干个键，以用来控制电路的工作状态。 限制的最 11 引脚名称 F226,F230,48 F221,F231,32 类型 说明 VDD 11,31 8 数字电源 GND 5,6,8,13 9 地 XTAL1 9 6 模拟输入 为晶体或陶瓷谐振器的内部振荡电路 XTAL2 10 7 模拟输出 为晶体或陶瓷谐振器的激励驱动器 数字 I/O口模拟输入 端口 0位 0 数字 I/O口模拟输入 端口 0位 1 数字 I/O口模拟输入 端口 0位 2 数字 I/O口模拟输入 端口 0位 3 数字 I/O口模拟输入 端口 0位 4 数字 I/O口模拟输入 端口 0位 5 数字 I/O口模拟输入 端口 0位 6 数字 I/O口模拟输入 端口 0位 7 数字 I/O口模拟输入 端口 2位 0 数字 I/O口模拟输入 端口 2位 1 P2,2/MOSI 22 14 数字 I/O口模拟输入 端口 2位 2 数字 I/O口模拟输入 端口 2位 3 15 11 数字 I/O口模拟输入 端口 2位 4 16 12 数字 I/O口模拟输入 端口 2位 5 17 数字 I/O口模拟输入 端口 2位 6 18 数字 I/O口模拟输入 端口 2位 7 44 数字 I/O口模拟输入 端口 3位 0 表 C8051F 单片机引脚和封装定义 12 大 可测距离存有四个因素 :超 声波的幅度，反射面的质地，反射面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的可测距离。 根据设计要求并综合各方面因素，采用 C8051F 单片机作为主控制器，用动态扫描法实现 LCD 液晶屏 数字显示，超声波驱动信号可以用单片机的定时器和计数器来完成。 设计的重点与难点 本设计的任务是设计一个超声波测距仪 ，可以应用于汽 车倒车位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。 测量范围在 01m，测量精度 12cm，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 硬件设计的原理图 MCU 及其超声波驱动电 路 图 MCU及其超声波驱动电路 图 电路如图 所示。 图为超声波测距仪 的 MCU 及其超声波驱动电路 原理图，图中采用 13 C8051F 单片机作为主控制器 ， 通过 单片机 的 端口输出超声波换能器所需的 的 方波信号 ， 信号又经过两极 74LS04 反相器 后驱动超声波探头发射超声波。 口控制 两个反相器。 输出高电平时， 两个反相器 通路 ，发射 40KHZ 超声波； 输出低电平时，停止发射。 反相器的作用是防止单片机初始化时超声波探头瞬间动作。 蜂鸣器电路 电路如图 所示。 通过供电电路给蜂鸣器电路供 +5V 电源，接入蜂鸣器 BEER 的第一引脚作为供电电源。 蜂鸣器的第二引脚接入三极管 S8050 的集电极同时将 S8050 的发射极接地，然后有单片机的 控制 S8050 做蜂鸣器的开关使用。 当单片机发出高电平是三极管导通，蜂鸣器发出声音；当单片机 口发出低电平时蜂鸣器不发声。 图 40KHZ 超声波接收 处理 电路 电路图如图。 超声波探头接收由障碍物反射回来的超声波。 其中， AD620 作为第一级 放大电路 对接收回来的超声波信号进行 一千倍 的 信号 放大，然后将信号送入TL084 进行信号的第二级放大 ， 放大 20 倍。 信号再进入由 TL084 组成的一阶滤波电路同时进行两倍信号放大。 然后信号进入由两个 TL084 组成的带通滤波电路 进行滤波同时将信号放大两倍。 然后信号进入由 TL084 和两个超级二极管组成的整形电路同时将电信号由交流转换成直流。 信号在进入由 TL084 和 C2 C24 组成的电路 对直流信号进行放大。 信号进入由 TL084 组成的电压跟随器增加抗干扰能力并且加大驱动能力。 信号在进入单片机前流经由 LM358 组成的钳 位电路，此电路将电流信号降压到 用于保护单片机 防止单片机被烧毁。 超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机 输入一个低电平脉冲。 单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器 T0计时，当检测到 由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。 单片机将测得 14 图 40KHZ超声波 接收处理 电路 的时间 与声速相乘再除以 2即可得到测量值，最后经液晶显示屏将测得的结果显示出来。 显示电路 图 15 本系统采用液晶显示屏显示所测距离值，如图。 显示电路采用 当下最流行 的 汉显LCD 液晶显示屏 ， 显示控制线接入单片机的 、 、 、 、 端口，显示控制总线接入单片机的 、 、 、 、 、 端口以实现超声波测距信号的显示。 16 4 系统软件设计 主程序编制及流程图 图。 开机后先显示“ 宁夏理工学院 ”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. 中断服务程序的流程图 CPU 接收回波信号后，立即产生 INT0 中断同时 T0 立即停止计数 取计数值置有回波标开始 初始化 发射超声波，开始计时，停止发射超声波 等待回波中断 有回波否。 、。 处理信号，计算距离 图 主程序流程图 N Y 17 志。 定时器 T0 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。 图 主程序流程图 信号处理程序 信号处理首先判断有无回波信号。 若 无回波信号，则说明 距离没有超过警戒距离 ，或所测 距离较远已超出最大探测距离，此时置闪烁显示“ ”并发出长嘟声。 空中有各种干扰信号，如 工业粉尘，机器运转 时发出的噪声。 这些噪声中含有 40KHZ的谐波成分，被放大后可能引起显示干扰。 另外。