超声波的液位测量系统设计(附件)
超声波液位测量具有不与被测介质接触、无可动部件、寿命长等优点，在工业部门，特别是一些具有腐蚀介质的场合获得广泛运用。本课题在分析超声波测距原理的基础上，以 STC89C52单片机作为主控器件，选择HC-SR04超声波传感器作为超声波检测元件，采用单片机来控制超声波的发射和接收，并计算出液位。为提高测量精度，引入温度传感器，设计了温度补偿电路，以减小温度引起的误差。软件设计采用模块化设计方法，给出了设计流程并在keil环境下进行调试仿真。在仿真的基础进行了系统的制作，经过测试，该系统能够通过液晶实时显示液位，并设有报警功能，能在液位超出某个范围内发出警报，在各方面都达到了设计要求。关键词液位测量，单片机，液晶显示，报警，测距
目 录
1 引言 1
1.1 研究的背景 1
1.2 研究的主要内容 1
1.3 应解决的关键问题 2
2 硬件设计 2
2.1 系统总体 2
2.2 单片机最小系统 3
2.3 超声波发射接收模块 4
2.4 1602液晶显示模块 7
2.5 蜂鸣器报警模块 10
2.6 温度补偿模块 11
3 系统程序设计 12
3.1 主程序 12
3.2 显示子程序 13
3.3 报警子程序 14
3.4 超声波测距子程序 15
4 系统调试与实物制作 15
4.1 仿真软件介绍 15
4.2 编程软件介绍 16
4.3 仿真及调试 16
4.4 实物制作及测试 23
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
1 引言
1.1 研究的背景
单片机其实已经渗透到我们生活的方方面面，生活中常用的手机、自动洗衣机、空调、电饭锅及其他的各种电子设备，其实都用到了单片机技术[1]。单片机技术之所以迅速兴起并得到蓬勃的发展，被广泛运用各种设备制造，是因为单片机的稳定性、安全性、高效性非常突出[2][3]。单片机的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
集成性很高，所以体积较小，使用起来很方便，不会占用很大的空间，其内部结构相当于计算机系统的简化版，使它可以通过一些科学的算法进行复杂的数据处理。借助单片机强大的数据处理能力能让设备的智能化、数据处理效率得到很大的提高，所以单片机深受广大电子设计者的喜爱[4][5]。
同时，随着社会的发展和进步，液位测量系统在很多地方变得不可或缺，如绘制地形图、开挖矿山、油井、建筑施工工地甚至平常人家建造房屋等场合[6]。有时候，测量系统需要在十分复杂的环境下进行工作，例如：高温高压、低温低压、有腐蚀性甚至有辐射的环境，传统的液位测量手段已经无法满足需求，为保障安全性，便于维护，对测距技术提出了更高的要求，实现不需要进行接触而且智能化的液位测量系统是现在的主要发展方向[7]。超声波测距可以满足无接触条件，而且不会被光线或者测量对象颜色的影响，并且在恶劣的环境下都有很强的适应能力，能够满足很多对液位测量系统的要求[8][9]。利用超声波进行液位测量，获取数据快、可以做到实时控制，虽然计算简单，但是能达到很高的精准度，是很实用的液位测量手段[10]。
1.2 研究的主要内容
课题《基于超声波的液位测量系统》的研究内容是：
（1）超声波发射和接收；
（2）温度的测量；
（3）数据的显示；
（4）及时报警。
当各个模块构建完成后，以STC89C51单片机为系统的控制中枢，各个模块采集到的数据经过数据传输口汇集到单片机，由单片机进行分析和处理，然后发出相应的下一步指令[11][12]。实现各个模块的相互协调，共同完成整个液位测量过程，还需要进行严谨的软件编程，确保每个指令的正确[14]。
1.3 应解决的关键问题
为了保证课题的完成，有四个主要的问题需要解决，分别是系统设计、测量误差规避、程序代码以及设计制作实物[15][16]。这不仅仅需要我们努力查阅相关资料，正所谓实践是检验真理的唯一标准，只有在不断的实践中总结经验，提升自己，和同学互相讨论，集思广益，与老师交流经验，开拓视野，才能正确高效地解决这些难题。
2 硬件设计
2.1 系统总体
超声波测距相比于其他的测距方法，它的电路比较简单，软件实现起来也比较容易，被广泛应用。超声波液位测量的原理是根据已知的超声波在空气中的传播速度，通过测试从超声波发射到遇到障碍物被反射回来被接收到的时间距离，计算出超声波的发射位置与障碍物之间的实际距离，其实与很多的测距原理都类似。超声波发射器发射声波的同时开始计时，超声波沿着一个方向进行传播，遇到障碍物时就会有声波被反射回来，接收器收到被发射的声波时立即停止计时，就可以获得声波的传播时间。
系统的主要组成有51单片机最小系统，1602液晶显示模块，HCSR04超声波发射接收模块，蜂鸣器报警模块，按键设置模块和以DS18B20温度传感器为主的温度补偿模块。基本框图如图2.1所示 ：
图2.1 电路基本框图
2.2 单片机最小系统
单片机最小系统，或者称为最小应用系统，除了电源和单片机本身，还应该具备可以支撑单片机工作所需的基本原件，这些元件构成单片机的晶振电路和复位电路。单片机STC89C52 是STC公司推出的一款功能强大的单片机，虽然体积不大，但是在它那小小的半导体芯片上却集成了中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（I/O）、定时器/计数器、中断系统等微型的基本功能部件，造就了其强大而有效的处理控制能力。不过，就像一位优秀的将军没有士兵也毫无用武之地一样，单片机强大的处理控制能力需要结合所需外部设备才能构成一个功能强大的单片机应用系统。STC89C52单片机的框图如图2.2所示，各功能部件由内部总线连接在一起。
目 录
1 引言 1
1.1 研究的背景 1
1.2 研究的主要内容 1
1.3 应解决的关键问题 2
2 硬件设计 2
2.1 系统总体 2
2.2 单片机最小系统 3
2.3 超声波发射接收模块 4
2.4 1602液晶显示模块 7
2.5 蜂鸣器报警模块 10
2.6 温度补偿模块 11
3 系统程序设计 12
3.1 主程序 12
3.2 显示子程序 13
3.3 报警子程序 14
3.4 超声波测距子程序 15
4 系统调试与实物制作 15
4.1 仿真软件介绍 15
4.2 编程软件介绍 16
4.3 仿真及调试 16
4.4 实物制作及测试 23
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
1 引言
1.1 研究的背景
单片机其实已经渗透到我们生活的方方面面，生活中常用的手机、自动洗衣机、空调、电饭锅及其他的各种电子设备，其实都用到了单片机技术[1]。单片机技术之所以迅速兴起并得到蓬勃的发展，被广泛运用各种设备制造，是因为单片机的稳定性、安全性、高效性非常突出[2][3]。单片机的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
集成性很高，所以体积较小，使用起来很方便，不会占用很大的空间，其内部结构相当于计算机系统的简化版，使它可以通过一些科学的算法进行复杂的数据处理。借助单片机强大的数据处理能力能让设备的智能化、数据处理效率得到很大的提高，所以单片机深受广大电子设计者的喜爱[4][5]。
同时，随着社会的发展和进步，液位测量系统在很多地方变得不可或缺，如绘制地形图、开挖矿山、油井、建筑施工工地甚至平常人家建造房屋等场合[6]。有时候，测量系统需要在十分复杂的环境下进行工作，例如：高温高压、低温低压、有腐蚀性甚至有辐射的环境，传统的液位测量手段已经无法满足需求，为保障安全性，便于维护，对测距技术提出了更高的要求，实现不需要进行接触而且智能化的液位测量系统是现在的主要发展方向[7]。超声波测距可以满足无接触条件，而且不会被光线或者测量对象颜色的影响，并且在恶劣的环境下都有很强的适应能力，能够满足很多对液位测量系统的要求[8][9]。利用超声波进行液位测量，获取数据快、可以做到实时控制，虽然计算简单，但是能达到很高的精准度，是很实用的液位测量手段[10]。
1.2 研究的主要内容
课题《基于超声波的液位测量系统》的研究内容是：
（1）超声波发射和接收；
（2）温度的测量；
（3）数据的显示；
（4）及时报警。
当各个模块构建完成后，以STC89C51单片机为系统的控制中枢，各个模块采集到的数据经过数据传输口汇集到单片机，由单片机进行分析和处理，然后发出相应的下一步指令[11][12]。实现各个模块的相互协调，共同完成整个液位测量过程，还需要进行严谨的软件编程，确保每个指令的正确[14]。
1.3 应解决的关键问题
为了保证课题的完成，有四个主要的问题需要解决，分别是系统设计、测量误差规避、程序代码以及设计制作实物[15][16]。这不仅仅需要我们努力查阅相关资料，正所谓实践是检验真理的唯一标准，只有在不断的实践中总结经验，提升自己，和同学互相讨论，集思广益，与老师交流经验，开拓视野，才能正确高效地解决这些难题。
2 硬件设计
2.1 系统总体
超声波测距相比于其他的测距方法，它的电路比较简单，软件实现起来也比较容易，被广泛应用。超声波液位测量的原理是根据已知的超声波在空气中的传播速度，通过测试从超声波发射到遇到障碍物被反射回来被接收到的时间距离，计算出超声波的发射位置与障碍物之间的实际距离，其实与很多的测距原理都类似。超声波发射器发射声波的同时开始计时，超声波沿着一个方向进行传播，遇到障碍物时就会有声波被反射回来，接收器收到被发射的声波时立即停止计时，就可以获得声波的传播时间。
系统的主要组成有51单片机最小系统，1602液晶显示模块，HCSR04超声波发射接收模块，蜂鸣器报警模块，按键设置模块和以DS18B20温度传感器为主的温度补偿模块。基本框图如图2.1所示 ：
图2.1 电路基本框图
2.2 单片机最小系统
单片机最小系统，或者称为最小应用系统，除了电源和单片机本身，还应该具备可以支撑单片机工作所需的基本原件，这些元件构成单片机的晶振电路和复位电路。单片机STC89C52 是STC公司推出的一款功能强大的单片机，虽然体积不大，但是在它那小小的半导体芯片上却集成了中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口（I/O）、定时器/计数器、中断系统等微型的基本功能部件，造就了其强大而有效的处理控制能力。不过，就像一位优秀的将军没有士兵也毫无用武之地一样，单片机强大的处理控制能力需要结合所需外部设备才能构成一个功能强大的单片机应用系统。STC89C52单片机的框图如图2.2所示，各功能部件由内部总线连接在一起。
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