高性能液位探测器SI-AG，全智能

超声波液位探测仪是超声波测距的一种应用。测距装置是由超声波传感器，单片机，发射电路，接收电路，数字显示器组成。其中超声波传感器是本系统的核心部分，单片机是本系统的的控制部分。本系统充分利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案。本系统指向性强，灵敏度高，工作稳定，性能稳定，控制方便，主要应用在汽车的倒车雷达，液位、井深、管道长度的测量等。下面将详细介绍具体内容。%A 　　关键词：超声波单片机测距AT89C51%A 　　1 超声波测距系统设计%A 　　1.1 原理 超声波测距的原理是由单片机发出超声波，通过不断检测超声波发射后遇到障碍物后所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差，然后求出距离。%A 　　系统原理框图如图1所示：%A 　　1.2 总体设计方案 由单片机AT89C51编程产生40kHz的方波，发出后经放大后输出，发出的超声波触及到障碍物后反射回来，由超声波接头接收，再经过处理后送至单片机，单片机通过计算处理后将结果送至LED数码管进行显示。%A 　　1.3 发射电路、接收电路和显示模板的设计 发射电路是由74HC04集成芯片构成，其内部有六个反向器构成，具有放大信号的功能。%A 　　接收电路采用了由LM741进行放大，再输出到单片机断口；%A 　　显示器为八段LED数码显示管，结构如图2：%A 　　1.4 软件设计流程图 超声波测距系统的软件设计程序流程图如下：%A 　　程序流程图(a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图，(c)为外部中断子程序流程图。%A 　　2 超声波传感器%A 　　2.1 超声波传感器系统介绍 超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分及电源部分构成，构成如图4。%A 　　超声波发送电路和接收电路是超声波传感器系统中的关键电路，发送器和接收器为15mm左右的陶瓷振子，这一送一接是将电振动转换为超声波能，将机械能转换为电能。%A 　　控制部分控制着超声波传感器的输出和判断接收器接收信号的大小和有无。%A 　　电源由外部供电，常为直流电压。%A 　　2.2 原理 超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。%A 　　简单介绍一下这个原理。所谓压电逆效应如图5所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。%A 　　超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过振动板接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子。发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生率的高频电压。%A 　　2.3 超声波传感器的特性 现以MA40S2R接收器和MA40S2S发送器为例。%A高性能液位探测器SI-AG，全智能　　3 AT89C51单片机%A 　　AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。%A 　　3.1 原理 单片机是通过执行程序来工作的，机器执行不同程序就能完成不同的运算任务。所谓程序就是采用指令系统中的指令根据题目要求排列起来的有序指令的集合。通常，设计人员采用指令的汇编符(即助记符)形式编程。%A 　　3.2 单片机内部结构 单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。%A 　　3.3 特性%A 　　AT89C系列单片机主要特性：%A 　　4K字节可编程闪烁存储器 %A 　　寿命：100写/擦循环%A 　　数据保留时间：10年%A 　　三级程序存储器锁定%A 　　低功耗的闲置和掉电模式%A 　　128×8位内部RAM%A 　　全静态工作：0Hz-24Hz%A 　　32可编程I/O线%A 　　两个16位定时器/计数器%A 　　与MCS-51 兼容 %A 　　可编程串行通道%A 　　片内振荡器和时钟电路%A 　　5个中断源%A 　　管脚说明：%A 　　GND：接地。%A 　　XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。%A 　　XTAL2：来自反向振荡器的输出。%A 　　VCC：供电电压。%A 　　RST：复位输入。%A高性能液位探测器SI-AG，全智能 　　ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。%A 　　/PSEN：外部程序存储器的选通信号。%A 　　4 误差分析和调试%A 　　4.1 误差来源 声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，利用声速测量距离，要考虑这些因素对声速影响。气体中声速主要受密度影响，液体的深度、温度等因素会引起密度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大，气体中声速受温度的影响。%A 　　另外，对于传感器，一般来说温度越高，中心频率越低，为此，在宽范围环境温度下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿。%A 　　4.2 调试 首先测试发射电路对信号放大的倍数，先用信号源给发射电路输入端一个40kHz的方波信号，峰——峰值为3.8V。经过发射电路后，其信号峰——峰值放大到10V左右。%A高性能液位探测器SI-AG，全智能 　　40kHz的方波驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超声波接收头接收到40kHz的正弦波，由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，输出一负跳变，在单片机的外部中断源输入端产生一个中断请求信号