超声波液位监测与调控系统分析与设计
摘要
课题针对液位检测的实际问题,开发了一种基于单片机的超声波液位检测仪.深入讨论了用超声波作为信号源进行液位检测的可行性及优越性，产生误差的各
种原因，提出了相应的解决办法。
超声波液位检测仪以单片机 AT89C51 单片机最小系统为核心，利用超声波作为检测信号的手段，对液位进行检测和数据处理，减少了测量过程中的人工干预，方便了工作人员对液位检测的实时监控。
该系统硬件电路设计包含了超声波发射电路、接收电路、温度测量电路和液
晶显示电路。软件设计中，采用模块化程序设计思想，将软件主要分为超声波驱
动与数据处理模块、功能模块两大模块。对软件的这种“自顶向下”的模块化软
件编程方法能使软件的结构清晰，有利于软件的调试和修改。
在设计中，由于需要测量的距离范围从几米到十几米，针对超声波振幅在传
播时呈指数衰减的特性，最大限度地提高驱动能力，对回波进行多级放大，达到
了设计要求。由于测量精度要求很高，系统进行了温度补偿设计。实验结果表明
该设计方法可以提高超声波液位检测仪的测量精度并且硬件开销不大。
目 录
第一章 绪论 .............................................1
1.1 课题背景......................................................1
1.1.1 超声波液位仪的研究背景与内容 ............................... 1
1.1.2 超声波液位仪的现状 ......................................... 1
1.2 论文研究内容 ................................................. 2
1.2.1 研究内容 ................................................... 2
1.2.2 论文的章节安排 ............................................. 3
第二章 超声波的液位测量原理 ............................. 5
2.1 超声液位仪理论基础 ........................................... 5
2.1.1 超声波介绍 ................................................. 5
2.1.2 超声波探头的结构和原理 ..................................... 5
2.1.3 T/R40-16 超声波探头 ........................................ 7
2.1.4 传感器的指向角Θ ........................................... 8
2.2 超声波液位仪工作原理 ......................................... 9
2.2.1 超声波液位仪工作原理 ....................................... 9
2.2.2 测量盲区 .................................................. 10
2.3 本章小结 ................................................... 11第三章 硬件总体设计 .................................... 12
3.1 超声液位仪总体设计 .......................................... 12
3.2 单片机电路 .................................................. 14
3.2.1 复位电路设计 .............................................. 15
3.2.2 电源电路设计 .............................................. 16
3.2.3 时钟振荡器 ................................................ 17
3.3 发射电路 .................................................... 18
3.4 接收电路 .................................................... 19
3.5 液晶显示电路 ................................................ 20
3.6 温度测量电路 ................................................ 21
3.7 串行通信口电路 .............................................. 23
3.8 本章小结 ................................................... 25
第四章 系统软件设计 .................................... 26
4.1 软件总体设计 .............................................. 26
4.1.1 软件设计流程图 ........................................... 26
4.1.2 主程序结构流程图 ......................................... 27
4.1.3 回波接收流程图 ........................................... 29
4.1.4 中断程序流程图 ........................................... 29
4.1.5 串行口通信流程图 ......................................... 30
4.1.6 DS18B20 流程图 ........................................... 31
4.2 软件程序调试 .............................................. 33
4.2.1 复位电路程序调试 ......................................... 33
4.2.2 发送和接收超声波程序调试 ................................. 34
4.2.3 显示程序调试 ............................................. 35
4.2.4 温度传感器程序调试 ....................................... 36
4.2.5 通讯子程序调试 ........................................... 38
4.3 本章小结 ................................................... 39 第五章 液位测量精度的提高和误差分析 .................... 40
5.1 提高液位测量精度的主要方法 ................................. 40
5.1.1 温度测量 ................................................. 40
5.1.2 算术平均滤波 ............................................. 45
5.2 误差分析 ................................................... 47
5.3 本章小结 ................................................... 48
总结.................................................... 49
参考文献
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