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基于单片机的超声波液位测量系统设计与实现

内容摘要

目前，很多领域需要对液位进行监控，但由于各种原因，我国大多数企业仍处于手动操作阶段，工作量大，在一些工作环境中，人们无法接近或不需要人力对现场进行监控。本设计采用51单片机作为控制芯片，获取超声波的传输时间并进行计算，从而对液位自动测量系统中的液位进行测量。本设计主要包括几个模块：1）超声波发射，2）超声波接收，3）温度检测和4）报警系统。以上模块均由单片机控制，相互间进行信号传输。单片机编程采用汇编语言，可以更好地控制系统的时序问题。采用超声波液位测量系统测量物体液位，不仅实现了自动化，而且比传统方法精度更高，测量更可靠，控制简单，解决了上述问题。超声波测量系统也可以应用于许多其他工业领域。

关键词：液位测量；超声波；AT89C51；温度测量

1绪论

1.1研究背景及意义

近年来，由于微电子技术的发展，液位检测技术发生了根本性的变化。新的检测原理和电子元器件的应用使液位测量仪器越来越小型化[1]。特别是一些小型现场液位开关发展迅速，如超声波液位计、振动液位开关等。由于没有可移动部件，可靠性很高[2]。它不仅可以在现场显示，还可以发送控制信号。同时，液位检测也在向智能化方向发展。为了提高液位测量的准确性、可靠性、安全性和通用性，在液位测量领域广泛应用微处理器技术，实现故障诊断和报警。对于传感器，在应用和设计中应尽可能实现非接触或不渗透测量，以提高探头对苛刻测量工艺条件的耐受性[3]。

由于超声波测距系统不受光、电磁波和灰尘的影响，其精度可以达到厘米级的工程测距精度。在桥梁、隧道和涵洞的距离检测中具有一定的优势[4]。

目前超声波检测技术已得到广泛应用，国内一般使用专用集成电路根据超声波测距原理设计各种测距仪器，但是专用集成电路的成本较高、功能单一[5]。而以单片机为核心的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能，并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定可靠、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用[6]。随着自动测量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。

1.2单片机在超声波液位计设计中的应用

一般意义的“声波”是指可以被我们的听觉器官所感受到的频率，“超声波”是指超过我们听觉极限的，高于20kHz的频率。实际“超声波”在工业应用中的频率是5kHz～5MHz，在物位测量技术方面为5kHz～40kHz[7]。声波产生于振动物体并由空气分子的正常不规则运动传播，声波的传播需要媒介，最常见媒介是空气，但水、金属、木质和橡胶等等多种物质都可作为声波的传播媒介[8]。

在设计的选用中，超声波发射模块中通常采用555定时器构成时基电路[9]，但由于用到了AT89C51单片机，我们利用单片机就可以直接通过编写软件和简单的外围电路，就可实现超声波发射所需的40kHz的方波，这比用555振荡电路产生的信号更精确。

在产生发射所需的40kH的方波后，由于信号微弱，需要对其进行放大，整形。我们平时利用的是放很多复杂的电路来实现其放大、整形[10]。在本次设计中，经查阅大量的文献资料，我们选用索尼公司生产的CX20106A，它是红外检测专用芯片，该芯片常用于38kHz的检波电路，文中通过对芯片内部电路的仔细分析，设计出能够成功对40kHz超声波检波的硬件电路，并且增益可调[11]，与传统超声波检波电路相比，电路变得精简，调试变得相对容易。

毫无疑问，未来的超声波液位测量技术将与自动化、智能化相结合，与其他测距仪集成，形成多个测距仪。随着测距仪技术的进步，测距仪将从简单的判断功能发展到学习功能，最后发展到创造性。在新的世纪，新的测距系统将发挥更大的作用。

1.3国内外研究现状

20世纪60年代，超声波液位计/超声波料位计首次用于料位测量。首先，它只能测量3~4m的短程液位，然后发展到固体物料液位。如今，随着电子技术的发展，超声波液位计/超声波料位计测量仪器可以测量从几厘米到几十米的料位范围，在许多恶劣条件下表现出非凡的能力。

随着科学技术的飞速发展，超声波在测距中的应用越来越广泛。遥测技术在实际应用中仍然非常有限，这是一个非常有前途的技术和工业领域。各方面都有更大的发展空间，定位更高，精度更高，以满足日益增长的社会需求，如：声纳的发展趋势基本上是发展定位精度更高的被动测距声纳，以满足所有水下武器隐形攻击的需要。低频线性频谱检测，实现超长距离被动检测与识别；发展更适合浅水环境的水下声纳，特别是解决浅水目标识别问题；大大降低了潜艇噪声，改善了水下声纳的工作环境。毫无疑问，未来的超声波测距仪将结合自动化和智能化，并与其他测距仪集成，形成多个测距仪。测距技术将从