1、毕业论文设计基于at89c51单片机的水塔智能水位控制系统设计摘 要水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，水塔供水的主要问题是塔内水位应该始终保持在一定范围内，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，而自动控制原理，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，从而提高了供水系统的质最。而智能控制系统的成本低，安装方便，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。本论文介绍了一种由AT89C51单片机为主控元件的超声波水位测量系统。超声波水位测量仪应用超声回波原理技术，在硬件部分，超声波发射电路将由AT89C
2、51单片机控制的每隔固定周期的方波脉冲信号控制，以满足超声波发射探头的发射需要。超声波接收电路对接收的回波进行发大整形，送回单片机。系统以AT89C51单片机为设计核心，测量得到超声波的传播时间，计算出传播的距离，从而得到所要测量的水位距离,并通过LED显示出来。软件部分，设计了中断程序、显示程序、主程序等。使得程序部分适合硬件部分，使系统功能得以实现。关键词 超声波，AT89C51，水位测量 1水塔水位自动控制系统概述 综述近年来，随着自动控制技术和工业迅猛发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，水位仪表的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。现代控制理论本质上是时域法
3、，是建立在状态空间基础上的，它不用传递函数，而是用状态向量方程作基本工具，从而大大简化了数学表达方式，因此原则上可以分析多输入多输出、非线形以及时变系统。自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展，而自动控制理论的发展，又指导了控制技术的应用，使其进一步完善。1.1.1 水塔水位自动控制系统水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，而自动控制原理，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，从而提高了供水系统的质晕。该系统采用分立元件电路实现了水塔水位的自动控制，设计出一种低成木、高实用价值的水塔水位控制器。采用分立的电
4、路实现超高、低水位处理，自动控制电机电路。它能自动完成上水停水的全部工作循环，保证液面高度始终处于较理想的范围内，它结构简单，制造成木低，灵敏度高，节约能源显著，是用于各种高层水位储存的理想设备。 水位测量的分类1.2.1 按照原理分类根据工作原理的不同水位计可分为如下几种：1、直读水位计：是最原始但仍应用较多的一种水位测量仪表，其精度一般为2mm的人为误差。此种方法有测量简单、直观、成本低的优点，但测量量程有限，且不适于恶劣环境中的测量。2、静压水位计： 利用液柱对某定点产生压力，测量该定点压力或测量该点与另一参考点的 压差而间接测量水位的仪表，水位压力的大小取决于水位高度；这种方法主要应用
5、于测量精度要求不高的场合。3、电磁水位计：这种测量方式是将水位的变化转换为电量的变化，从而对水位进行间接测量，电磁水位计中电容由两块同心的圆柱面极板组成，电容式水位测量是根据电容量与被测水位和气相介质的相对介电常数、电容传感器浸入水位的深度、电容传感器垂直高度、内外极板圆柱底面半径之间的关系，由已知的其他数值得出所测水位高度值。 4、浮子水位计：利用浮子的比重比所测水位的比重稍小的特点，使浮子漂在液面上并随液面的升高或下降来反映水位，将浮子用一条多孔钢带连接至一个恒转矩装置或平衡锤上，由浮子的重量带动多于L钢带通过齿轮装置推动机械计数器作现场显示，还可连接电动变送器，获得远距离显示。由于滑轮机
6、械装置的摩擦力和铆带重量，测量误差一般约为士(4一10)mm。5、超声波水位计：超声波水位仪是非接触测量中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。可实现非接触测量、测量范围宽、并且测量不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，因此它的适用范围非常广泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蚀性及有毒水位等的水位测量中。超声水位测量技术在越来越多的领域发挥其重要作用。2 超声波水位检测原理2.1 超声波的水位检测介绍简单来说，超声波就是超过人耳能听到的物体振动的声音的频率范围的声波就叫超声波。一般来说是指声音超过了20000Hz以上的声波称之为超声波。与光波不同，声波
7、是一种弹性机械波，即机械振动在弹性媒质中的传播。超声波有以下几个特点：1.频率高波长短定向好；2.振幅小加速度大能量集中功率高强度大；3.在不同介质界面上大部分能量反射，因而，超声波特别适合于距离测量。2.1.1 超声波基本性质和其他声波一样，超声波可以在气体、水位及固体中传播，并有各自的传播速度。其在空气中的传播速度主要与空气的压力和温度有关正常条件下由于大气压力变化很小因此其传播速度主要考虑温度的影响在空气中传播速度为 C=331.5+1.67t(m/s) （2.1）其中C为超声波声速，t为传播介质的温度。在温度已知时超声波速度就能通过公式计算出来，在这个时候只要记录从发射到接收超声波的时
8、间即可求出被测距离。超声波的另一个特性是超声波频率越高，超声波与光波的某些特性（如反射、折射定律）相似。 （2.2）其中为超声波波长，为超声波频率与，C为超声波速度。2.1.2 超声波的特性1、超声波的束射特性由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，遵守几何光学上的定律。2、超声波的吸收特性声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因为物质要吸收掉它的能量。对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收最历害，在水位中传播时吸收比较弱，在固体中传播时吸收最小。3、超声波的能量传递特性当声波到达某一物质中时，由于声波的作用使物质中的
9、分子也跟着振动，振动的频率和声波频率样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。物质分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外，还是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，物质分子愈能得到更高的能量，超声波的频率比声波高很多，所以它可以使物资分子获得很大的能量；换句话说，超声波本身可以供给物质足够大的功率。4、超声波的声压特性当声波通入某物体时,由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。2.1.3 超声波的衰减在传播的过程中，衰减系数与声波介质以及频率的关系为衰减系数与声波所在介质及频率的关系为: （2.3）其
10、中，为衰减系数，为介质常数，为振动频率。在空气中， 声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，水位其次，固体吸收最小而衰减最小。因此，对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在水位和固体中传播的距离短。另外，声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此，超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。因此考虑到实际工程的需要，在设计超声波水位计时，选用频率等于40kHz的超声波，波长为0.85cm。2.1.4 超声波的折射率当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质密度不同及声波在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射，其反射
11、系数R为 （2.5）其中，、分别是反射和入射声波的声强；、分别是声波的入射角和反射角；、分别是两种介质的声阻抗；其中、；、分别是两种介质的密度，、分别是在两种介质里的速度。声波垂直入射时，=0，=0;则反射系数R为 （2.6）由上式可以看出，与相差越小，R值也越小，说明反射越弱，当=时，R=0，说明这时没有反射，声波全部透射。当反射介质声阻抗远远大于入射介质声阻抗时，即所谓的硬边界。这时，入射波的介质速度在碰到分界面时好像弹性碰撞一样，变成一个反向速度，反射波质点速度与入射波质点速度相位改变180，反射声压与入射声压同相位。比如，当声波从水传播到空气，在常温下，它们的声阻抗约为、，代入公式可得
12、，R=0.999。这说明声波从水位传播到气体或相反的情况下，由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。表2.1给出了几种常见介质的反射系数。第一介质第二介质声阻抗铝钢铜水银玻璃水空气铝01钢01铜01水银01玻璃01水01空气02.1.5 水位介质中的声速与温度的关系几乎除水以外的所有液位，当温度升高时，容变弹性模量减小，声速降低。惟有水例外，温度在74 左右时声速达最大值，当温度低于74时，声速随温度高而增加，当温度高于74时，声速随温度升高而降低。水中声速与温度的关系公式如下，不同温度下水中的声速如表2.2所示。 C =1557-0.0245(74-t)2 （2.7）其中，c为超声
13、波在水中的传播速度、t为水的温度。表2.2 不同温度下的水中声速温度（摄氏度）102025304050607080声速（米/秒）1448148314971510153015441552155515542.2 超声波水位检测探头超声波探头，也就是超声波换能器，是超声波测距系统中的重要组成部分。通常所说的超声波换能器一般是指电声换能器，它是一种能完成电能与声能的相互转换的装置。换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。超声波传感器产生振荡的方法很多，主要有以下
14、几种：1.由外部电路产生振荡，如 NE555 低频振荡器调制 40KHz 的高频信号，高频信号通过超声波传感器以声能形式辐射出去；2.采用单片机内部的定时器或直接使用程序产生固定的脉冲，通过CD4069驱动发送超声波传感器振荡；3.使用工业用小功率超声波收发控制集成电路 LM1812 驱动发送超声波传感器振荡。2.3 超声波探头的压电效应超声波探头使用最多的是由压电晶片或压电陶瓷制成的换能器。超声波的接收和反射是基于压电晶片的压电效应和逆压电效应。其工作原理是当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此即逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，此
15、为正压电效应。前者是超声波的发射，后者为超声波的接收。压电晶片的振动频率即探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度，为得到较高的频率，要使晶片在共振状态下工作，此时晶片厚度为1/2波长。 通常我们一般使用PVDF压电薄膜材料，此材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面积上有很大的选择余地，易于加工且频率范围宽，常用来制成 40KHz 300KHz 的超声换能器。常见的压电晶片的材料参数见表2.3。材料居里点介电常数声阻抗特性压电应变常数压电电压常数石英57050钛酸钡系11517003016013锆钛酸铅190-300150028320偏铌酸铅4003008532锆钛
16、铅1201000270125-19014-21其中，压电材料的居里点是指压电材料完全丧失压电效应的温度、介电常数反映了材料的介电性质，在制造探头考虑阻抗匹配时起作用、压电应变常数是指当压电体处于应力恒定的状态时，由于电场强度变化所产生的应变变化与电场强度变化之比，它关系着晶片发射性能的好坏、压电电压常数是指压电体在电位移恒定时，由于应力变化所产生的电场强度变化与应力变化之比，它关系着晶片接收性能的好坏。2.4 超声波水位检测的理论分析超声波是机械波的一种，其最明显的一个特征是方向性好，能够定向传播，当碰到障碍物时能够反射回来。超声波测量方法有很多，如脉冲回波法、共振法、频差法以及声衰减法等，其
17、中应用最广泛的是超声波脉冲回波法。超声波的测距原理是通过发射声波传感器由脉冲信号激励发出超声波，通过传声媒介传到被测液面，形成反射波，反射波再通过传声介质返回到接收传感器，传感器把声信号转换成电信号，由仪表计算出超声波从发射到接收所传播的时间，再根据超声波在介质中传播的速度计算出来回的直线路径的长度，从而得到所测距离的长度。如图2.1超声波夜位检测仪示意图所示。图2.1 超声波夜位检测仪示意图该系统中是通过超声波脉冲传播的时间来确定水位，所以必须己知超声波在传声媒质中声速。然而，对于气体介质式和水位介质式超声波水位计，声速会随媒质的组成、温度、压强的变化而变化。因此，只有当测试条件比较理想，媒
18、质的成分、温度、压强等没有很大变化，才可把传声媒质的声速近似看成不变，直接由测量的声波传播时间来确定水位，否则就应该对传声媒质的声速进行校正。在这个系统中，运用的是超声波往返时间检测法进行距离的测量的。即，检测从超声波发射器发出超声波的时候算起，通过介质的传播在反射回来的到接收器的时间，叫往返时间。用往返时间与介质中超声波的速度相乘，就可以得到超声波运动的距离，然而实际的距离为所得到距离的一半，如果测量高度为h、超声波在介质里的传播速度为v，传播时间为t，可以得到： （2.8）这个公式使用于自发自收单感应器方式。探头采用垂直的方式发射超声波，然后再让超声波原路返回到探头。如果采用一发一收双感应
19、器方式，那么探头就不在采用垂直于介质面发射的方式，因此用上面的公式计算的出来就不在是真实高度，而是超声波经过的路程。这就需要加入角，角为竖直方向与超声波方向的夹角。如图2.2 角示意图，角示意图因此，系统要把测得超声波经过的距离换算成真实的高度。如果超声波经过的距离为L，要测量的真实高度为h，那么超声波经过的距离与真实高度之间有这样的关系： （2.9）这时h为要测量的真实高度。在公式中，为超声波的入射角。如果实际情况无法测得角时，还可以通过测得两个探头之间的距离m来得到需要测量的高度，用(2.10)式来计算。 （2.10）一般说来，单探头的自发自收工作方式是优先考虑采用的。这是因为单探头方式中
20、水位计算公式比较简单，同时检测系统也简单，安装、维修比较方便。但是，单发单收的探头检测死区较大。为避免这一点，有时还需要采用双探头的设计。2.5 超声波水位计的优缺点与可行性与其它种类的水位计相比，超声波水位计具有以下优点:1、非接触式测量，超声波换能器安装在液面上方，不与被测介质接触，可方便的测量腐蚀性、粘稠或有毒水位，避免被被测水位腐蚀或污损，免于维护。2、通用性好，水位计即可测量开渠水位，也可测量大型储罐等的水位水位。安装拆卸方便。3、适应性强，使用范围广，不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，对被测水位的物理化学性质的适应性极强。适用于有毒、有腐蚀、高粘度的水位水位测量，弥补了其他水
21、位计在此类恶劣测量环境中的不足。几乎没有机械可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。换能器内的压电元件以声频振动，振幅小，寿命长。4、稳定性好，但是超声波水位计也有其自身的局限性，主要表现在被测水位易挥发时，液面上方的空气密度不均匀，会导致测量误差较大:当被测水位水位有较大波浪时，易引起声波反射混乱，产生误差;另外，超声波水位计测量水位时有无法避免的盲区，因此小距离测量比较困难2.6 超声波水位检测的主要任务在实现工业现代化、自动化的过程中，许多行业迫切地需要解决水位测量和控制的问题。水位测量和控制的好坏，直接影响到生产的安全、产品的产量和质量，以及能源消耗和成本，同时也影响到其它工艺参数的稳定
22、和控制。但在很多行业的工艺过程中却是很难解决的问题。尤其在涉及高温、高压以及强放射性辅照的场合，以及要求远距离传送等的情况下，要准确、可靠地测量水位，更是一项困难的任务。超声波水位探测系统的具有方向性好、穿透本领大，且在波阻抗比相差很大的界面反射时，反射能量很强等特性，而且用超声波测量水位具有下述优点：检测元件可测范围广、换能器无可动部件、寿命长。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波水位计，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作很不方便。1、主要内容：（1）超声波测量水位的物理基础（2）超声波水位探测硬件系统方案设计； 发射电路设计； 接收电路设计；（3）超声波水位探测软件系统方案设
23、计；2、技术路线：（1）超声波水位探测硬件系统方案的设计；（2）设计主电路、各种辅助电路和相关的接口电路元件；（3）通过计算，选择控制系统主要元器；（4）超声波水位探测软件系统方案的设计。根据其功能要求进行程序的编写。3 超声波水位探测系统的硬件设计3.1 系统总体设计思想超声波水位探测系统是根据“回波测距”的原理设计的。由超声波的发射器发射超声波，当超声波遇到障碍物时反射回来，再由超声波接收系统接收。测出从超声波发射该脉冲束至接收到回波信号的传输时间，即渡越时间，由于超声波在同一种介质中的传输速度是不变的（设所处的介质的密度和温度等相关因素不变的情况下）。那么由渡越时间和声速，就可算出要测的
24、距离。根据本次毕业设计的设计要求，不光需要检测部分，还需要加入运算部分。要实现对所测水位的自动探测，和对探测数据的具体显示功能。主要的设计部分的总体框架图如图3.1所示，图3.1 超声波水位探测系统总体框架图超声波仪水位探测系统是由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括AT89C51单片机系统，超声波发射电路、超声波接收电路、水位显示电路等主要部分；软件部分主要包括显示程序、中断程序、主程序等。3.2 发射电路设计发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。驱动超声发射探头工作的方式很多，只要在探头上施加
25、一串其频率与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲即可。发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。而要获得足够大的能量，则可用三极管、场效应管等来实现。本系统的发射电路的主要作用是产生40KHz的方波信号，以触发探头发射超声波信号。如图3.2所示，为超声波发射电路图。图3.2 超声波发射电路图3.2.1 发射电路工作原理当单片机AT89C51的P2.0口输出一低电平时，使能控制NE555集成电路产生40KHz的方波。由NE555构成的谐振电路可以稳定的输出40KHz的调制解调信号。超声波发射电路再由CD4069集成电路构成解调电路，对由NE555构成的谐振电路进行调制，进而驱动超声波发射器，使超声波发射
26、电路发射出超声波。超声波发射电路通过调制，又由电压驱动压电晶体上产生电能-机械能-声能转换，使探头输出超声波信号。3.2.2 发射电路的组成1、NE555NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳定度控制器，其输出驱动电流可达200mA。在多谐振荡工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，可延时数微妙到数小时。工作电压范围：4.5V16V。引脚功能表3.1 NE555引脚功能脚号脚名功能脚号脚名功能1GND地5Control Voltage控制电压2Trigger触发6Thresholed阀值3Output输出
27、7Discharge放电端4Reset复位8VCC电源内部结构图图3.3 NE555内部结构图2、CD4069图3.4 CD4069的结构图3.3 接收电路的设计接收电路主要是将超声波检测信号进行放大，超声波接收处理部分电路前级采用LM324 构成10000 倍放大器，对接收信号进行放大；后级采用LM311 比较器对接收信号进行调整，比较电压为LM311 的3 管脚处，可由J1 跳线选择不同的比较电压以选择不同的测距模式。 3.3.1 接收电路的工作原理该超声波在水位与空气、水位与参比面产生二次反射回波，两次回波分别在压电晶体上产生声能-机械能-电能转换，使探头输出电信号，此电信号为50mv，
28、因此，接收电路的主要功能是信号的放大。在超声波接收电路中放大器选用LM324,前两极之间外接RC电路组成高通滤波器，后两极之间外接选频电路，有效的抑制噪声。反射的电信号（50mv）经接收板接收放大、滤波及检波后，可以放大10000倍。再经过LM311电路进行比较，实现对超声波接收信号的处理。当P2.0由低变高时，开始发射，并立即启动定时器T1计时，接收到的两次电信号经接收电路进行二极放大、比较器比较，光耦和开关电路产生中断信号，送回单片机作为外中断INT0的触发信号，引起CPU的两次中断。在中断程序里，分别读取定时器的计数值，即为探头从发射到接收标准杆和水面的反射回波的传播时间。3.3.2 接
29、收电路的组成1、LM311的特点15伏分离电源，如通常的运算放大器运用一样，使LM311成为一种真正通用的比较器。该设备的输入可以是与系统地隔离的；而输出则可以驱动以地为参考或以VCC为参考，或以VEE电源为参考的负载。此灵活性使之可以驱动DTL、RTL、TTL或MOS逻辑，在电流达到50毫伏时，该输出还可以把电压切换到50伏。因此该LM311可用于驱动继电器、灯、螺线管。图3.6为LM311的内部结构图，图3.6 LM311的内部结构图2、LM324工作特性是四低功率运算放大器，LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器、与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优
30、点。该四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的电源下，静态电流大致为MC1741的静态电流的五分之一；共模输入范围包括负电源；因此消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性，输出电压范围也包含伏电源电压。图3.7为LM324的结构图，图3.7 LM324结构图3.4 显示模块1、数码管结构与原理由于数码管显示最便宜、配置灵活、与单片机的接口简单，已被广泛应用于单片机系统中。目前市场上的LED中大多为七段数码显示器，其外形如图3.8（a）所示。其内部有八个发光二极管，其中这七个发光二极管组成了数字“8”，剩下一个发光二极管dp就是这位数字所带的小数点。一般数码管内部有两种连接方式，它分为共阴和共阳两种。共阴就是将所有的发光二极管的阴极共地，如图3.8（b）所示。图中一个发光二极管就相当于一个数码段。若给某段加上高电平，那么相对应的段就会亮。根据想要显示的数值给各段数码管加上相应的高电平就可以显示不同数值了。共阳就是将所有发光二极管的阳极一起接高电平
