超聲波液位儀的設(shè)計(jì)與制作

王娜麗　宋光坤

摘 要 本次設(shè)計(jì)的超聲波液位儀以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，重點(diǎn)對(duì)超聲波的發(fā)送電路、回波信號(hào)接收電路、按鍵及顯示電路等硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明；軟件程序的編寫主要使用的是C語(yǔ)言。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與計(jì)算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)濾波和系統(tǒng)抗干擾，及控制部分的邏輯判斷等功能。最后通過(guò)分別對(duì)各個(gè)硬件模塊和軟件模塊的調(diào)試，使設(shè)計(jì)的超聲波液位儀實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)功能。

【關(guān)鍵詞】超聲波 液位儀 MCU 微控制器 PCB

在通常的工業(yè)生產(chǎn)工程中，液位測(cè)量的目是通過(guò)液面高度的測(cè)量來(lái)確定容器里的原材料、半成品或者產(chǎn)品的，用以保證生產(chǎn)過(guò)長(zhǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)物料平衡以及給進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算提供可靠的依據(jù)。同時(shí)，在連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中，為了維持正常生產(chǎn)、保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，以及保證安全生產(chǎn)。所以，液位的監(jiān)測(cè)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中是相當(dāng)重要的。測(cè)量液位的儀表主要分為接觸式液位儀表與非接觸式液位儀表兩部分。而超聲波液位儀表，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)地低廉，在近些年里得到了廣泛的應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

所謂的超聲波是指人類聽(tīng)不到的聲波，一般人的聽(tīng)覺(jué)范圍是20Hz～20kHz，超出這個(gè)范圍的聲波正常人是聽(tīng)不到的。通過(guò)聲波在碰到液面后反彈回來(lái)的時(shí)間來(lái)計(jì)算當(dāng)時(shí)液面具超聲波傳感器的距離，則液位公式為：

L為液面距超聲波傳感器的距離，c為超聲波在空氣中傳播的速度，T為從聲波發(fā)出到接收到回波的時(shí)間。

1.1 超聲波液位儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1-1所示，該超聲波液位儀包括輸入部分、輸出部分以及控制部。

1.2 超聲波液位儀系統(tǒng)工作原理

將該超聲波傳感器安裝于待測(cè)容器的頂部，垂直于被測(cè)液面，當(dāng)發(fā)出的超聲波碰到被刺液體后回彈。這時(shí)一體化超聲波傳感器處于接受狀態(tài)，等待接受反彈回來(lái)的超聲波，通過(guò)超聲波的發(fā)送到接收的時(shí)間來(lái)計(jì)算液面距容器頂端的距離。

1.2.1 液位測(cè)量與計(jì)算

系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)的定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)的I/O口發(fā)送一串頻率為40kHz的信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)升壓中周發(fā)放大后通過(guò)一體化超聲波傳感器發(fā)送出去。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)的回波信號(hào)時(shí)，停止定時(shí)器，并將定時(shí)器中的數(shù)值讀出，根據(jù)系統(tǒng)的機(jī)器周期計(jì)算出超聲波傳播的時(shí)間T。

1.2.2 余波的處理

超聲波探頭將超聲波脈沖發(fā)送完畢后，并不是立即停止的，而是逐漸衰減，這一段衰減過(guò)程中所發(fā)送的波被稱作余波。

使用軟件手段屏蔽掉了余波的干擾。通常收發(fā)一體化超聲波傳感器的余波衰減時(shí)間為2ms，因此，在程序中發(fā)送完40kHz波后，我們利用循環(huán)延時(shí)2ms，之后再開(kāi)始讓微處理器等待接收回波信號(hào)。而在延時(shí)的2ms內(nèi)返回的超聲波將被忽略，這樣一來(lái)，我們將無(wú)法檢測(cè)較近的距離，而這段無(wú)法被檢測(cè)的距離就是本液位儀的工作盲區(qū)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制部分

控制部分利用STC89C52RC單片機(jī)作為主控制芯片，負(fù)責(zé)超聲波輸出控制、超聲波回波信號(hào)接收處理、計(jì)算液面距超聲波探頭的距離、設(shè)置閥值輸出報(bào)警以及控制顯示部分輸出相關(guān)信息。

2.2 I/O口分配

P3.0和P3.1可用于串口通信、程序燒寫；而P1口則可以擴(kuò)展外接其他拓展模塊。

P3.6和P3.7口分別接CSBIN（超聲波信號(hào)輸入），用來(lái)接收回波通過(guò)處理后的有效電平信號(hào)；CSBOUT（超聲波信號(hào)輸出），用來(lái)輸出脈沖信號(hào)，是超聲波傳感器發(fā)出40kHz波。

P0口連接LCD1602（液晶顯示器）的數(shù)據(jù)口，P2.0～P2.2接LCD1602的三個(gè)控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。

P2.4～P2.6口分別接三個(gè)按鍵輸入；P2.7口作為控制繼電器的信號(hào)輸出口，用于控制繼電器的開(kāi)、閉。

2.3 按鍵與繼電器控制電路

按鍵、繼電器控制電路，獨(dú)立按鍵的按下將低電平引入單片機(jī)I/O口。而當(dāng)KA為“0”時(shí)，PNP管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，觸點(diǎn)動(dòng)作。

這里選用PNP型三極管是因?yàn)閱纹瑱C(jī)復(fù)位后，I/O口為高電平，如果使用NPN型三極管則會(huì)照成系統(tǒng)上電后繼電器會(huì)閉合一下，這樣對(duì)設(shè)備有害同時(shí)可能照成安全事故。

在繼電器線圈的兩端并入二極管DK1（1N4007）起到了對(duì)繼電器的保護(hù)作用。

2.4 超聲波信號(hào)發(fā)送及接收部分

發(fā)送部分電路主要用到了超聲波專用中周變壓器將單片機(jī)I/O口發(fā)出的激勵(lì)脈沖升壓后供給超聲波探頭，使其發(fā)送出與激勵(lì)脈沖相同頻率的超聲波。接受部分的電路中用了NE5532高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器。由于NE5532的工作電壓至少為6V時(shí)，才能穩(wěn)定的工作，由于超聲波是一個(gè)交流信號(hào)，D5的作用就是將負(fù)半周期的信號(hào)通過(guò)GND消除，只保留正信號(hào)。信號(hào)通過(guò)BG2放大后進(jìn)入NE5532，又經(jīng)過(guò)濾波放大、比例微分后輸出。

3 軟件設(shè)計(jì)

首先由單片機(jī)發(fā)出 50KHz 的脈沖串，每八個(gè)脈沖為一組，脈沖串通過(guò)超聲波發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)出超聲波，單片機(jī)在發(fā)送脈沖的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)；超聲波遇到障礙物后的回波經(jīng)過(guò)放大、轉(zhuǎn)化等處理傳回單片機(jī)，這樣就得到了超聲波在空氣中的傳輸時(shí)間，然后在中斷程序中根據(jù)測(cè)出的時(shí)間計(jì)算出距離。完成后發(fā)出下一組脈沖。利用定時(shí)器計(jì)算出采樣時(shí)間，通過(guò)前后兩次液位差值與前后兩次檢測(cè)的時(shí)間，可以算出液位增長(zhǎng)的速度。

從實(shí)際產(chǎn)品的角度來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀還有需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)的地方，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）由于溫度對(duì)超聲波的傳播有一定的影響，所以如果加入溫度傳感器，測(cè)得儲(chǔ)蓄罐內(nèi)的溫度，在通過(guò)所得的溫度對(duì)超聲波進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這樣能提高儀表的精確度。

（2）為了使超聲波液位計(jì)能夠檢測(cè)到從較遠(yuǎn)處反射回來(lái)的超聲波，需要進(jìn)一步完善修改硬件電路，提高硬件電路的抗干擾能力和對(duì)微弱信號(hào)的放大倍數(shù)，提高超聲波液位計(jì)的測(cè)量范圍和測(cè)量的精度。

（3）如果將本設(shè)計(jì)中的儀表用于工業(yè)控制上，可能出現(xiàn)問(wèn)題，比如，現(xiàn)在的工業(yè)控制基本上是現(xiàn)場(chǎng)和人員分離的，為了方便使用，在本設(shè)計(jì)余留的I/O接口上可以接上無(wú)線模塊，和模塊間的通信盡量使用SPI，因?yàn)檫@樣不占用串口資源，而串口這可以用來(lái)和上位機(jī)通信。

作者單位

天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 天津市 300350endprint

摘 要 本次設(shè)計(jì)的超聲波液位儀以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，重點(diǎn)對(duì)超聲波的發(fā)送電路、回波信號(hào)接收電路、按鍵及顯示電路等硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明；軟件程序的編寫主要使用的是C語(yǔ)言。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與計(jì)算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)濾波和系統(tǒng)抗干擾，及控制部分的邏輯判斷等功能。最后通過(guò)分別對(duì)各個(gè)硬件模塊和軟件模塊的調(diào)試，使設(shè)計(jì)的超聲波液位儀實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)功能。

【關(guān)鍵詞】超聲波 液位儀 MCU 微控制器 PCB

在通常的工業(yè)生產(chǎn)工程中，液位測(cè)量的目是通過(guò)液面高度的測(cè)量來(lái)確定容器里的原材料、半成品或者產(chǎn)品的，用以保證生產(chǎn)過(guò)長(zhǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)物料平衡以及給進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算提供可靠的依據(jù)。同時(shí)，在連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中，為了維持正常生產(chǎn)、保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，以及保證安全生產(chǎn)。所以，液位的監(jiān)測(cè)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中是相當(dāng)重要的。測(cè)量液位的儀表主要分為接觸式液位儀表與非接觸式液位儀表兩部分。而超聲波液位儀表，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)地低廉，在近些年里得到了廣泛的應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

所謂的超聲波是指人類聽(tīng)不到的聲波，一般人的聽(tīng)覺(jué)范圍是20Hz～20kHz，超出這個(gè)范圍的聲波正常人是聽(tīng)不到的。通過(guò)聲波在碰到液面后反彈回來(lái)的時(shí)間來(lái)計(jì)算當(dāng)時(shí)液面具超聲波傳感器的距離，則液位公式為：

L為液面距超聲波傳感器的距離，c為超聲波在空氣中傳播的速度，T為從聲波發(fā)出到接收到回波的時(shí)間。

1.1 超聲波液位儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1-1所示，該超聲波液位儀包括輸入部分、輸出部分以及控制部。

1.2 超聲波液位儀系統(tǒng)工作原理

將該超聲波傳感器安裝于待測(cè)容器的頂部，垂直于被測(cè)液面，當(dāng)發(fā)出的超聲波碰到被刺液體后回彈。這時(shí)一體化超聲波傳感器處于接受狀態(tài)，等待接受反彈回來(lái)的超聲波，通過(guò)超聲波的發(fā)送到接收的時(shí)間來(lái)計(jì)算液面距容器頂端的距離。

1.2.1 液位測(cè)量與計(jì)算

系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)的定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)的I/O口發(fā)送一串頻率為40kHz的信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)升壓中周發(fā)放大后通過(guò)一體化超聲波傳感器發(fā)送出去。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)的回波信號(hào)時(shí)，停止定時(shí)器，并將定時(shí)器中的數(shù)值讀出，根據(jù)系統(tǒng)的機(jī)器周期計(jì)算出超聲波傳播的時(shí)間T。

1.2.2 余波的處理

超聲波探頭將超聲波脈沖發(fā)送完畢后，并不是立即停止的，而是逐漸衰減，這一段衰減過(guò)程中所發(fā)送的波被稱作余波。

使用軟件手段屏蔽掉了余波的干擾。通常收發(fā)一體化超聲波傳感器的余波衰減時(shí)間為2ms，因此，在程序中發(fā)送完40kHz波后，我們利用循環(huán)延時(shí)2ms，之后再開(kāi)始讓微處理器等待接收回波信號(hào)。而在延時(shí)的2ms內(nèi)返回的超聲波將被忽略，這樣一來(lái)，我們將無(wú)法檢測(cè)較近的距離，而這段無(wú)法被檢測(cè)的距離就是本液位儀的工作盲區(qū)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制部分

控制部分利用STC89C52RC單片機(jī)作為主控制芯片，負(fù)責(zé)超聲波輸出控制、超聲波回波信號(hào)接收處理、計(jì)算液面距超聲波探頭的距離、設(shè)置閥值輸出報(bào)警以及控制顯示部分輸出相關(guān)信息。

2.2 I/O口分配

P3.0和P3.1可用于串口通信、程序燒寫；而P1口則可以擴(kuò)展外接其他拓展模塊。

P3.6和P3.7口分別接CSBIN（超聲波信號(hào)輸入），用來(lái)接收回波通過(guò)處理后的有效電平信號(hào)；CSBOUT（超聲波信號(hào)輸出），用來(lái)輸出脈沖信號(hào)，是超聲波傳感器發(fā)出40kHz波。

P0口連接LCD1602（液晶顯示器）的數(shù)據(jù)口，P2.0～P2.2接LCD1602的三個(gè)控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。

P2.4～P2.6口分別接三個(gè)按鍵輸入；P2.7口作為控制繼電器的信號(hào)輸出口，用于控制繼電器的開(kāi)、閉。

2.3 按鍵與繼電器控制電路

按鍵、繼電器控制電路，獨(dú)立按鍵的按下將低電平引入單片機(jī)I/O口。而當(dāng)KA為“0”時(shí)，PNP管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，觸點(diǎn)動(dòng)作。

這里選用PNP型三極管是因?yàn)閱纹瑱C(jī)復(fù)位后，I/O口為高電平，如果使用NPN型三極管則會(huì)照成系統(tǒng)上電后繼電器會(huì)閉合一下，這樣對(duì)設(shè)備有害同時(shí)可能照成安全事故。

在繼電器線圈的兩端并入二極管DK1（1N4007）起到了對(duì)繼電器的保護(hù)作用。

2.4 超聲波信號(hào)發(fā)送及接收部分

發(fā)送部分電路主要用到了超聲波專用中周變壓器將單片機(jī)I/O口發(fā)出的激勵(lì)脈沖升壓后供給超聲波探頭，使其發(fā)送出與激勵(lì)脈沖相同頻率的超聲波。接受部分的電路中用了NE5532高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器。由于NE5532的工作電壓至少為6V時(shí)，才能穩(wěn)定的工作，由于超聲波是一個(gè)交流信號(hào)，D5的作用就是將負(fù)半周期的信號(hào)通過(guò)GND消除，只保留正信號(hào)。信號(hào)通過(guò)BG2放大后進(jìn)入NE5532，又經(jīng)過(guò)濾波放大、比例微分后輸出。

3 軟件設(shè)計(jì)

首先由單片機(jī)發(fā)出 50KHz 的脈沖串，每八個(gè)脈沖為一組，脈沖串通過(guò)超聲波發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)出超聲波，單片機(jī)在發(fā)送脈沖的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)；超聲波遇到障礙物后的回波經(jīng)過(guò)放大、轉(zhuǎn)化等處理傳回單片機(jī)，這樣就得到了超聲波在空氣中的傳輸時(shí)間，然后在中斷程序中根據(jù)測(cè)出的時(shí)間計(jì)算出距離。完成后發(fā)出下一組脈沖。利用定時(shí)器計(jì)算出采樣時(shí)間，通過(guò)前后兩次液位差值與前后兩次檢測(cè)的時(shí)間，可以算出液位增長(zhǎng)的速度。

從實(shí)際產(chǎn)品的角度來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀還有需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)的地方，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）由于溫度對(duì)超聲波的傳播有一定的影響，所以如果加入溫度傳感器，測(cè)得儲(chǔ)蓄罐內(nèi)的溫度，在通過(guò)所得的溫度對(duì)超聲波進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這樣能提高儀表的精確度。

（2）為了使超聲波液位計(jì)能夠檢測(cè)到從較遠(yuǎn)處反射回來(lái)的超聲波，需要進(jìn)一步完善修改硬件電路，提高硬件電路的抗干擾能力和對(duì)微弱信號(hào)的放大倍數(shù)，提高超聲波液位計(jì)的測(cè)量范圍和測(cè)量的精度。

（3）如果將本設(shè)計(jì)中的儀表用于工業(yè)控制上，可能出現(xiàn)問(wèn)題，比如，現(xiàn)在的工業(yè)控制基本上是現(xiàn)場(chǎng)和人員分離的，為了方便使用，在本設(shè)計(jì)余留的I/O接口上可以接上無(wú)線模塊，和模塊間的通信盡量使用SPI，因?yàn)檫@樣不占用串口資源，而串口這可以用來(lái)和上位機(jī)通信。

作者單位

天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 天津市 300350endprint

摘 要 本次設(shè)計(jì)的超聲波液位儀以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，重點(diǎn)對(duì)超聲波的發(fā)送電路、回波信號(hào)接收電路、按鍵及顯示電路等硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明；軟件程序的編寫主要使用的是C語(yǔ)言。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與計(jì)算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)濾波和系統(tǒng)抗干擾，及控制部分的邏輯判斷等功能。最后通過(guò)分別對(duì)各個(gè)硬件模塊和軟件模塊的調(diào)試，使設(shè)計(jì)的超聲波液位儀實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)功能。

【關(guān)鍵詞】超聲波 液位儀 MCU 微控制器 PCB

在通常的工業(yè)生產(chǎn)工程中，液位測(cè)量的目是通過(guò)液面高度的測(cè)量來(lái)確定容器里的原材料、半成品或者產(chǎn)品的，用以保證生產(chǎn)過(guò)長(zhǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)物料平衡以及給進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算提供可靠的依據(jù)。同時(shí)，在連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中，為了維持正常生產(chǎn)、保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，以及保證安全生產(chǎn)。所以，液位的監(jiān)測(cè)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中是相當(dāng)重要的。測(cè)量液位的儀表主要分為接觸式液位儀表與非接觸式液位儀表兩部分。而超聲波液位儀表，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)地低廉，在近些年里得到了廣泛的應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

所謂的超聲波是指人類聽(tīng)不到的聲波，一般人的聽(tīng)覺(jué)范圍是20Hz～20kHz，超出這個(gè)范圍的聲波正常人是聽(tīng)不到的。通過(guò)聲波在碰到液面后反彈回來(lái)的時(shí)間來(lái)計(jì)算當(dāng)時(shí)液面具超聲波傳感器的距離，則液位公式為：

L為液面距超聲波傳感器的距離，c為超聲波在空氣中傳播的速度，T為從聲波發(fā)出到接收到回波的時(shí)間。

1.1 超聲波液位儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1-1所示，該超聲波液位儀包括輸入部分、輸出部分以及控制部。

1.2 超聲波液位儀系統(tǒng)工作原理

將該超聲波傳感器安裝于待測(cè)容器的頂部，垂直于被測(cè)液面，當(dāng)發(fā)出的超聲波碰到被刺液體后回彈。這時(shí)一體化超聲波傳感器處于接受狀態(tài)，等待接受反彈回來(lái)的超聲波，通過(guò)超聲波的發(fā)送到接收的時(shí)間來(lái)計(jì)算液面距容器頂端的距離。

1.2.1 液位測(cè)量與計(jì)算

系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)的定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)的I/O口發(fā)送一串頻率為40kHz的信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)升壓中周發(fā)放大后通過(guò)一體化超聲波傳感器發(fā)送出去。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)的回波信號(hào)時(shí)，停止定時(shí)器，并將定時(shí)器中的數(shù)值讀出，根據(jù)系統(tǒng)的機(jī)器周期計(jì)算出超聲波傳播的時(shí)間T。

1.2.2 余波的處理

超聲波探頭將超聲波脈沖發(fā)送完畢后，并不是立即停止的，而是逐漸衰減，這一段衰減過(guò)程中所發(fā)送的波被稱作余波。

使用軟件手段屏蔽掉了余波的干擾。通常收發(fā)一體化超聲波傳感器的余波衰減時(shí)間為2ms，因此，在程序中發(fā)送完40kHz波后，我們利用循環(huán)延時(shí)2ms，之后再開(kāi)始讓微處理器等待接收回波信號(hào)。而在延時(shí)的2ms內(nèi)返回的超聲波將被忽略，這樣一來(lái)，我們將無(wú)法檢測(cè)較近的距離，而這段無(wú)法被檢測(cè)的距離就是本液位儀的工作盲區(qū)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制部分

控制部分利用STC89C52RC單片機(jī)作為主控制芯片，負(fù)責(zé)超聲波輸出控制、超聲波回波信號(hào)接收處理、計(jì)算液面距超聲波探頭的距離、設(shè)置閥值輸出報(bào)警以及控制顯示部分輸出相關(guān)信息。

2.2 I/O口分配

P3.0和P3.1可用于串口通信、程序燒寫；而P1口則可以擴(kuò)展外接其他拓展模塊。

P3.6和P3.7口分別接CSBIN（超聲波信號(hào)輸入），用來(lái)接收回波通過(guò)處理后的有效電平信號(hào)；CSBOUT（超聲波信號(hào)輸出），用來(lái)輸出脈沖信號(hào)，是超聲波傳感器發(fā)出40kHz波。

P0口連接LCD1602（液晶顯示器）的數(shù)據(jù)口，P2.0～P2.2接LCD1602的三個(gè)控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。

P2.4～P2.6口分別接三個(gè)按鍵輸入；P2.7口作為控制繼電器的信號(hào)輸出口，用于控制繼電器的開(kāi)、閉。

2.3 按鍵與繼電器控制電路

按鍵、繼電器控制電路，獨(dú)立按鍵的按下將低電平引入單片機(jī)I/O口。而當(dāng)KA為“0”時(shí)，PNP管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，觸點(diǎn)動(dòng)作。

這里選用PNP型三極管是因?yàn)閱纹瑱C(jī)復(fù)位后，I/O口為高電平，如果使用NPN型三極管則會(huì)照成系統(tǒng)上電后繼電器會(huì)閉合一下，這樣對(duì)設(shè)備有害同時(shí)可能照成安全事故。

在繼電器線圈的兩端并入二極管DK1（1N4007）起到了對(duì)繼電器的保護(hù)作用。

2.4 超聲波信號(hào)發(fā)送及接收部分

發(fā)送部分電路主要用到了超聲波專用中周變壓器將單片機(jī)I/O口發(fā)出的激勵(lì)脈沖升壓后供給超聲波探頭，使其發(fā)送出與激勵(lì)脈沖相同頻率的超聲波。接受部分的電路中用了NE5532高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器。由于NE5532的工作電壓至少為6V時(shí)，才能穩(wěn)定的工作，由于超聲波是一個(gè)交流信號(hào)，D5的作用就是將負(fù)半周期的信號(hào)通過(guò)GND消除，只保留正信號(hào)。信號(hào)通過(guò)BG2放大后進(jìn)入NE5532，又經(jīng)過(guò)濾波放大、比例微分后輸出。

3 軟件設(shè)計(jì)

首先由單片機(jī)發(fā)出 50KHz 的脈沖串，每八個(gè)脈沖為一組，脈沖串通過(guò)超聲波發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)出超聲波，單片機(jī)在發(fā)送脈沖的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)；超聲波遇到障礙物后的回波經(jīng)過(guò)放大、轉(zhuǎn)化等處理傳回單片機(jī)，這樣就得到了超聲波在空氣中的傳輸時(shí)間，然后在中斷程序中根據(jù)測(cè)出的時(shí)間計(jì)算出距離。完成后發(fā)出下一組脈沖。利用定時(shí)器計(jì)算出采樣時(shí)間，通過(guò)前后兩次液位差值與前后兩次檢測(cè)的時(shí)間，可以算出液位增長(zhǎng)的速度。

從實(shí)際產(chǎn)品的角度來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀還有需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)的地方，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）由于溫度對(duì)超聲波的傳播有一定的影響，所以如果加入溫度傳感器，測(cè)得儲(chǔ)蓄罐內(nèi)的溫度，在通過(guò)所得的溫度對(duì)超聲波進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這樣能提高儀表的精確度。

（2）為了使超聲波液位計(jì)能夠檢測(cè)到從較遠(yuǎn)處反射回來(lái)的超聲波，需要進(jìn)一步完善修改硬件電路，提高硬件電路的抗干擾能力和對(duì)微弱信號(hào)的放大倍數(shù)，提高超聲波液位計(jì)的測(cè)量范圍和測(cè)量的精度。

（3）如果將本設(shè)計(jì)中的儀表用于工業(yè)控制上，可能出現(xiàn)問(wèn)題，比如，現(xiàn)在的工業(yè)控制基本上是現(xiàn)場(chǎng)和人員分離的，為了方便使用，在本設(shè)計(jì)余留的I/O接口上可以接上無(wú)線模塊，和模塊間的通信盡量使用SPI，因?yàn)檫@樣不占用串口資源，而串口這可以用來(lái)和上位機(jī)通信。

作者單位

天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 天津市 300350endprint