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摘 要

超声波液位测量系统是一种非接触式的测量方式，被广泛应用到各个领域。利用超声波传感器测量在很大程度上降低劳动强度，它结构简单、可靠性较高等，对电子测量技术的发展起到非常重要的作用。本文是基于AT89C51单片机的超声波液位测量系统的设计，AT89C51芯片是它的核心，利用AT89C51控制系统并处理数据，给出各模块工作电路。通过测量周围的环境温度变化,计算超声波传播速度，对温度进行一定的补偿, 从而提高了液位测量的精准度和灵活性。超声波液位测量系统应包括液位测量模块、温度模块、液晶显示模块、按键设置参数模块、超限报警模块等。经过数据采集，信息处理，最终实现液位测量系统的设计。测试结果显示系统功能符合设计要求，能够达到预期低功耗、微型化、低成本、美观化的设计目的。

关键词：单片机，超声波，液位测量，温度补偿

Abstract:Ultrasonic level measurement system is a non - contact measurement method, which is widely used in various fields. Using ultrasonic sensor to measure to a large extent reduces labor intensity, its structure is simple, the reliability is higher, it is very important to the development of electronic measurement technology. This paper is based on the design of ultrasonic level measurement system based on the AT89C51 single chip microcomputer. The AT89C51 chip is the core of it. It USES the AT89C51 control system to process the data and gives the working circuit of each module. By measuring the ambient temperature changes, the ultrasonic propagation speed is calculated, and the temperature is compensated for a certain amount, thus improving the accuracy and flexibility of the liquid level measurement. The ultrasonic level measurement system should include the liquid level measurement module, the temperature module, the liquid crystal display module, the key setting parameter module, the over-limit alarm module and so on. After data collection and information processing, the design of liquid level measurement system is realized. The test results show that the system function conforms to the design requirements, and can achieve the design goal of low power consumption, miniaturization, low cost and aesthetics.

Keywords: single chip, ultra sound Wave, liquid level measurement, temperature compensation

目录

1 前言 4

2 液位测量整体设计方案 4

2.1 方案设计 4

2.1 超声波测距原理 5

2.2 超声波测距系统原理 6

3 硬件的设计与实现 8

3.1 单片机模块 8

3.2 超声波模块HC-SR04 10

3.3 LCD1602液晶显示模块 12

3.4 报警模块 16

3.5 正常参数范围设置模块 17

4 系统的软件设计 17

5 实验结果及分析 19

结论 21

参考文献 22

致 谢 23

1 前言

由于现代经济社会的发展速度之快，在一些工业、社会等各个领域中通常会广泛应用到液位测量系统。在例如腐蚀性、有毒、有辐射性等液体的恶劣测量环境下，传统液位测量系统已经不能满足其要求，比如差位分布电极法或者是脉冲给电法，这些测量方法都需要长期把电极浸泡在液体环境之中，金属制成的电极在这些环境下极易被液体腐蚀、电解，失去它原本的灵敏度。经济的迅速发展促使这些问题迫切需要得到解决，解决这些问题需要利用方向性好并且强度大的物体来测量两点之间的距离。综合考虑之下，我们发现超声波满足此要求。超声波碰到障碍物立即反射和在同一种介质中声速不变，从而达到测量的目的。超声波液位测量系统是一种通过非接触式的方法进行测量，解决测量物体被被测物体损坏的问题。相比于利用其它方法测量，超声波能够适应十分恶劣的环境，即使被测对象在黑暗、电磁干扰、烟雾、灰尘、有毒物体等环境中，也能过正常工作。由此看来，研究超声波在测距方面的应用会产生很多现实意义。

2 液位测量整体设计方案

2.1 方案设计

该方案设计大致包括五个模块：液位测量模块、温度测量模块、液晶显示模块、正常范围设置模块、超限报警模块等。具体方案构架设计如图2.1.1所示。

液位范围设定

HC-SR04测距

水槽

单片机

DS1802测温

超限报警

液晶显示

图2.1.1 液位测量系统方案设计

在系统测量工作过程中，要让系统工作具有一定的目的性。通过系统的正常液位设置模块设定一个正常的液位范围，即通过系统的输入设备设置一个正常液位信息并传递给系统。超声波HC-SR04液位测量模块作为该液位测量系统的唯一数据采集来源，在测量系统中起到关键性的作用。超声波模块采集数据信息，单片机数据处理，LCD液晶显示，蜂鸣器报警。通过实时液位测量与设定的正常范围的比较，超限报警模块决定是否启动工作，提示工作人员被检测液体的液位高于或者低于设置值（即一种非正常工作状态），启动蜂鸣器报警，以便工作人员及时做出调整。LCD液晶显示模块是将单片机通过超声波测位测量模块、温度测量模块采集回来的数据处理后在LCD上把液位、温度显示出来，以便于工作人员了解具体情况。使用两个按键设置报警距离的加和减，一个按键来测，按下按键开始测存储前的距离值，按下按键第二次测存储后的距离值（可以多次测量），并自动计算高度差，通过LCD显示出来。

2.1 超声波测距原理

2.1.1 超声波的基本理论及特点

通常情况下，频率高于20000赫兹的声波，我们称之为超声波。超声波具有四个基本特性：声压、高功率、束射特性、吸收特性。它能够在各种媒介中进行传播；且方向性好，声束比较尖锐，具有较强的穿透能力，很容易获得更集中的声能，在液体环境中也可以传输到很远的距离；同时由于波长比较短，分辨率相对较高。一般的物理现象（如反射、折射、散射等）在不同的介质界面上都能够发生。声在介质中的声速、反射、共振、衰减等现象可以被用来测量物质的厚度、成分、比重等属性。超声波的频率较高，也能够用于速度测量、距离测量、清洗东西、对物体进行杀菌消毒、碎石、焊接物体等。被众多领域应用于各自的生产生活中，例如医学、生物学、化工学、工业、养殖业、农业、军事上等等。本文设计的超声波测距系统就是利用超声波的脉冲反射回波特性来实现的。

2.1.2 HC-SR04及其应用

在电压的刺激下，换能晶片振动产生产生超声波，属于一种机械波，声波振动频率低于超声波，它具有很高的振动频率，很短的波长，很小的绕射、很好的方向性，沿直线传播，依据这些特性研制而成的传感器，我们称之为超声波传感器。在不同的物体，超声波会产生不同的反应，例如在分界面上会发生明显的反射活动；而当它遇到会移动的物体则会发生多普勒效应。由于超声波传感器不仅能够产生超声波，而且能够接收反射回来的超声波，所以，在农业、工业、生物学、医学、国防等众多需要应用检测手段的领域中，超声波是广泛应用的检测手段之一，又习惯上称之为超声探头或者超声换能器。

超声波传感器在生活实践的各个方面都得到了广泛的应用，其中最重要的应用之一是在医学上。在医学方面，超声波传感器能够诊断疾病；在工业方面，超声波传感器也有很多典型应用，比如超声波的无损探伤。在不同系统中安装超声波传感器，获取各种信号，供人使用。科学技术日新月异，在未来的发展中，通过与各种新材料、新信息技术的结合，能够研制各种各样的智能化超声波传感器。

2.2 超声波测距系统原理

利用超声波进行检测的电路中，超声波发射端发射一定频率的脉冲，并且接收端能够接收到一系列的方波，发射超声波与接收到方波的时间间隔就是方波的宽度,即超声波接收端得到的脉冲宽度越大，则被测量的距离越长，输出的方波个数与需要测量的距离大小成正比^[4]。本设计利用超声波的此特性进行距离测量。

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