单片机超声液位控制器
液位是工业生产中常见的测量参数, 石油、污水处理、化工等各类工厂企业都要进行液位的测量。鉴于超声波测量液位具有非接触测量、可测量低温介质并且可以定点、连续测量等优点，本论文设计了一套以STC89C52单片机为核心的超声波液位控制器系统。
该系统利用超声波作为检测手段对液位进行检测和数据处理，系统硬件电路包含了单片机最小系统、HC-SR04超声波发送接收模块电路、nokia5110液晶显示电路、温度补偿测量电路以及蜂鸣器报警电路。在软件设计中，系统使用模块化设计思想，分为超声波驱动模块、液晶驱动模块、温度传感器驱动模块、数据处理模块以及功能模块。
测距方面，使用40kHz的超声波作为测距载体的T/R40-16型压电陶瓷超声波传感器，激励发出超声波，通过外部中断定时器计算超声波发送到接收的时间。液晶显示方面，摒弃传统的数码管显示器，选择性价比高、接口简单、速度更快的nokia5110液晶显示屏幕。精度方面，首先考虑到超声波振幅在传播时呈指数衰减的特性，为最大限度地提高驱动能力，设计中对回波进行了多级放大；其次，温度对超声波传播速度有很大影响，故采用DS18B20温度传感器对系统进行了温度补偿设计，提高了系统的测量精度和量程。
结果表明，该设计大大提高了超声波液位控制器系统的测量精确度并且费用较低。 HM000077
关键词：液位；STC89C52单片机；超声波；温度补偿
1.1 问题的提出及研究意义
在各种化工、食品、石油、仓储等工业生产过程中，经常要对存储在储仓、罐和其它容器中的气液体的高度进行测量和控制，以确保生产的正常进行，而这些封闭容器内大部分是易燃、易挥发、易爆、强腐蚀性的气液体介质，现在社会上流行的激光式、微波式液位计都必须与介质上方的空气（或介质蒸汽）接触，并不能实现真正意义上的“非接触”，这使得测量仪表的使用寿命大大减短。γ射线液位计可以再罐外测量液位，虽然实现了“非接触”式测量，但一般只能用于液位定点测量，不能实现连续测量。红外线液位计也可以实现“非接触”测量的特点，但要求被测介质与环境有较明显的温度差异，因此，大多应用于钢水液位测量等高温场合。对于一般液位来讲，温度与罐壁几乎一致，故红外测量液位技术的可行性还有待研究。[1,2]
超声波液位测量具有广泛的适用性，它的非接触测量、可测低温介质、能够定点和连续测量等优点克服了上述液位测量中存在的问题，使它在竞争中凸显优势[3]，将会在检测封闭容器内易燃、易挥发、易爆等液体的发展方向。本论文主要研究超声波测量液位的具体方法。
1.2 超声波液位控制器的研究背景与内容 查看完整请+Q:351916072获取
1.2.1国外超声波液位测量器的现状[4]
当下，国外液位仪的生产不但方法多、品种全、技术先进而且具有性能优良的特性。他们在追求发展高精度、多功能测量仪表的同时，将重心放于实用性，以性能可靠、价格便宜、使用周期长为主导，重视尖端技术、先进技术和工艺的应用，研制推出各类新型液位仪。其中包括超声波液位测量仪。
关于超声波的研究，最早可以追溯到1876年F.Galton的气哨实验[5]。这是人类第一次有效产生高频超声波。作为研制超高声波液位测量仪的领先国---- 美国，KATRONIC的SONOMETER30算是其中的佼佼者，SONOMETER30是一种液位连续测量和控制的超声波液位仪，采用PPT技术，具有量程广、价格低、能耗少的优点。SONOMETER11采用HE02标准超声波探头，量程打15cm,使用RS232进行探头与示波进行串口通信。同时示波器内部电源供电，能耗少持续时间长，达8小时[6,7]。
Prosonic M FMU40/41/43超声波物位测量仪是德国恩德斯豪斯（E+H）公司生产的一种智能型一体化非接触式连续物位测量仪，主要应用在测量粗料、浆料和液体上。选用HART等标准的系统接口可进行远程操作和显示。其内部含有温度补偿器以确保测量的精准度。此外，ToF Tool操作软件可以方便用户使用过程中的操作与诊断。
7ML1201 The Probe是集传感器和电子单元于一体的超声波液位计，加拿大Sicmcns+Milltronic公司生产的。特有精度为0.25%,分辨率大3mm的“声智能”回波处理技术。采用HART通讯协议来进行数据的采集和传输。此外，AiRanger SPL/DPL/XPLPlus物位计在线路板上的通讯口自动设置成RS-232、RS-485接口或双极性电流环。同时在出厂时安装或以后需要时加装西门子-妙声力公司的SmartLinx通讯模块连接到DSC或PLC以实现远距两线制通讯及全部参数输入，用于通用工业现场总线的模块。因为不需要外接网关，故减少了硬件和电缆的开销[8,9]。
国外生产的超声波液位控制仪，满足了市场需求，与时俱进，科技技术领先。它们广泛应用于工业、建筑、水利等行业，可靠性强、精确度高。并随着技术的不断进步，体现了良好的环境适应力。其体积方面，现在国外生产的超声波液位仪已全面趋于小型化、智能化、通用化。在通讯协议方面，大多按照Modbus通讯协议生产，便于组成发布控制系统。在网络化销售盛行的当下，国外的超声波液位测量器占据了市场优势地位。
1.2.2国内超声波液位测量器的现状 查看完整请+Q:351916072获取
目前，经过不断的努力和探索，科技工作者己开发出了种类繁多、各具特色的液位仪。尤其是近二十年来，随着微处理器的引入，测量仪表更是发生了革命性的变化。液位仪的量程从几米到十几米，测量精度亦大大提高。但是国内超声波液位仪的发展主要采用引入国外技术和利用仿制等手段，同时也包括研究所及各大院校与企业单位合作研发产品，合资企业代理国外相应产品等。
最新一代科研成果是由中国科学院声学研究所研制的KS系列超声波物位计，它的研发综合了国内外同列产品，该物位计具有安装方便、量程广（0.5~ 30.0m）、选择性宽，外部场所也同样适用的特点。使用485数据总线计算机联网管理，图形、数据显而易见，由于传感器用防腐的不锈钢制作，所以具有防腐蚀、寿命长的特点。西安华舜测量设备有限公司与高校、研究所合作研制出了与国际同等水平的HS-2000外置式超声波液位计，误差仅为1‰。可用于食品、机械、石油、电力、医药等行业。沈阳沈拓仪表仪器有限公司引进美国EDP公司传感器组件和组装技术，自发研制了USS超声波液位计。国内超声波液位测量计虽然正在蓬勃发展，但是普遍存在技术含量低、性能差等问题，与国外还有很大的差距。但是，还是有部分超声波液位测量计已经达到了国际一流水平。为此，国内的生产商在引进国外技术和设备的同时，应该注重对技术知识的消化吸收，以备开发高技术含量的产品，逐步向国外先进技术靠拢，与国际市场接轨。
1.2.3超声波液位器的发展趋势
超声波液位仪作为一种典型的非接触测量仪器，在很多场合有广泛的应用，诸如工业自动控制，建筑工程测量和水面高度测量等方面。.早期,由于工业领域生产规模不大,液位测量主要采用机械测量方法.但随着生产规模的扩大,所需的储罐数量变多，液位仪表已成为其中的重要组成部分，需求量也蒸蒸日上。2002年,储罐液位测量设备在美国的消费额为8.71亿美元，冒险投资公司预测这种销量将会以3.3%的年增长率继续上升。不断发展的超声波储罐液位测量技术，使得仪表的功能和结构有了很大改善。超声波液位测量技术的优势使它在工业储罐中占有一席之地。预计储罐液位定位系统的消费比例会继续增加。并且越来越呈现出集功能、精度、现场、网络、宽领域一体化的新局面[10,11]。
摘 要 I 查看完整请+Q:351916072获取
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出及研究意义 1
1.2 超声波液位控制器的研究背景与内容 1
1.2.1国外超声波液位测量器的现状[4] 1
1.2.2国内超声波液位测量器的现状 2
1.2.3超声波液位器的发展趋势 3
1.3 本论文研究内容 3
1.3.1研究内容 3
1.3.2论文章节安排 4
1.4本章小结 4
第2章 超声波液位测量器的测量原理 6
2.1超声波液位器理论基础 6
2.1.1超声波介绍 6
2.1.2超声波探头的基本结构和原理 7
2.1.3 T/R40-16超声波探头超声波探头的基本结构和原理 8
2.1.4 传感器指向角 9
2.2 超声波液位器工作原理 10
2.2.1 超声波液位器工作原理 10
2.2.2 测量盲区 11
2.3 本章小结 12
第3章 基于52单片机的超声波液位控制器的总体设计 13
3.1设计思想 13
3.2 处理器的选择 13
3.2.1 STC89C52单片机的选择 13
3.2.2 STC89C52单片机引脚功能 14
3.3 本章小结 15
第4章 系统硬件设计 15
4.1 系统硬件框图 15
4.2 单片机最小系统模块 16
4.2.1 硬件结构 16
4.3 HC-SR04超声波发射、接收模块 18
4.4 温度补偿电路 19
4.4.1 数字温度传感器DS18B20简介 19
4.4.2 DS18B20的工作过程及时序 20
4.5 NOKIA5110液晶显示电路 21
4.6 蜂鸣器报警电路 22
4.7 本章小结 23
第5章 系统软件设计 23
5.1 软件总体设计流程图 23
5.2 主程序结构流程图 25
5.3 中断程序结构流程图 26
5.3.1 中断程序设计流程图 26
5.3.2部分重要中断子程序 27
5.4 串行口通信流程图 28
5.5 本章小结 29
第6章 液位测量结果及精度的提高和误差分析 30
6.1 液位测量结果 30
6.2 提高液位测量精度的主要方法 30
6.2.1温度测量 30
6.2.2 双探头超声波测量 30
6.2.3 回波放大电路 30
6.3 误差分析 31
6.4 本章小结 32
第7章 总结与展望 32
7.1总结 32
7.2 展望 32
参考文献 34
致 谢 37
附图、附录 38
一、源程序： 38
一、英文原文： 47
Ultrasonic distance meter 47
二、英文翻译： 53 查看完整请+Q:351916072获取
该系统利用超声波作为检测手段对液位进行检测和数据处理，系统硬件电路包含了单片机最小系统、HC-SR04超声波发送接收模块电路、nokia5110液晶显示电路、温度补偿测量电路以及蜂鸣器报警电路。在软件设计中，系统使用模块化设计思想，分为超声波驱动模块、液晶驱动模块、温度传感器驱动模块、数据处理模块以及功能模块。
测距方面，使用40kHz的超声波作为测距载体的T/R40-16型压电陶瓷超声波传感器，激励发出超声波，通过外部中断定时器计算超声波发送到接收的时间。液晶显示方面，摒弃传统的数码管显示器，选择性价比高、接口简单、速度更快的nokia5110液晶显示屏幕。精度方面，首先考虑到超声波振幅在传播时呈指数衰减的特性，为最大限度地提高驱动能力，设计中对回波进行了多级放大；其次，温度对超声波传播速度有很大影响，故采用DS18B20温度传感器对系统进行了温度补偿设计，提高了系统的测量精度和量程。
结果表明，该设计大大提高了超声波液位控制器系统的测量精确度并且费用较低。 HM000077
关键词：液位；STC89C52单片机；超声波；温度补偿
1.1 问题的提出及研究意义
在各种化工、食品、石油、仓储等工业生产过程中，经常要对存储在储仓、罐和其它容器中的气液体的高度进行测量和控制，以确保生产的正常进行，而这些封闭容器内大部分是易燃、易挥发、易爆、强腐蚀性的气液体介质，现在社会上流行的激光式、微波式液位计都必须与介质上方的空气（或介质蒸汽）接触，并不能实现真正意义上的“非接触”，这使得测量仪表的使用寿命大大减短。γ射线液位计可以再罐外测量液位，虽然实现了“非接触”式测量，但一般只能用于液位定点测量，不能实现连续测量。红外线液位计也可以实现“非接触”测量的特点，但要求被测介质与环境有较明显的温度差异，因此，大多应用于钢水液位测量等高温场合。对于一般液位来讲，温度与罐壁几乎一致，故红外测量液位技术的可行性还有待研究。[1,2]
超声波液位测量具有广泛的适用性，它的非接触测量、可测低温介质、能够定点和连续测量等优点克服了上述液位测量中存在的问题，使它在竞争中凸显优势[3]，将会在检测封闭容器内易燃、易挥发、易爆等液体的发展方向。本论文主要研究超声波测量液位的具体方法。
1.2 超声波液位控制器的研究背景与内容 查看完整请+Q:351916072获取
1.2.1国外超声波液位测量器的现状[4]
当下，国外液位仪的生产不但方法多、品种全、技术先进而且具有性能优良的特性。他们在追求发展高精度、多功能测量仪表的同时，将重心放于实用性，以性能可靠、价格便宜、使用周期长为主导，重视尖端技术、先进技术和工艺的应用，研制推出各类新型液位仪。其中包括超声波液位测量仪。
关于超声波的研究，最早可以追溯到1876年F.Galton的气哨实验[5]。这是人类第一次有效产生高频超声波。作为研制超高声波液位测量仪的领先国---- 美国，KATRONIC的SONOMETER30算是其中的佼佼者，SONOMETER30是一种液位连续测量和控制的超声波液位仪，采用PPT技术，具有量程广、价格低、能耗少的优点。SONOMETER11采用HE02标准超声波探头，量程打15cm,使用RS232进行探头与示波进行串口通信。同时示波器内部电源供电，能耗少持续时间长，达8小时[6,7]。
Prosonic M FMU40/41/43超声波物位测量仪是德国恩德斯豪斯（E+H）公司生产的一种智能型一体化非接触式连续物位测量仪，主要应用在测量粗料、浆料和液体上。选用HART等标准的系统接口可进行远程操作和显示。其内部含有温度补偿器以确保测量的精准度。此外，ToF Tool操作软件可以方便用户使用过程中的操作与诊断。
7ML1201 The Probe是集传感器和电子单元于一体的超声波液位计，加拿大Sicmcns+Milltronic公司生产的。特有精度为0.25%,分辨率大3mm的“声智能”回波处理技术。采用HART通讯协议来进行数据的采集和传输。此外，AiRanger SPL/DPL/XPLPlus物位计在线路板上的通讯口自动设置成RS-232、RS-485接口或双极性电流环。同时在出厂时安装或以后需要时加装西门子-妙声力公司的SmartLinx通讯模块连接到DSC或PLC以实现远距两线制通讯及全部参数输入，用于通用工业现场总线的模块。因为不需要外接网关，故减少了硬件和电缆的开销[8,9]。
国外生产的超声波液位控制仪，满足了市场需求，与时俱进，科技技术领先。它们广泛应用于工业、建筑、水利等行业，可靠性强、精确度高。并随着技术的不断进步，体现了良好的环境适应力。其体积方面，现在国外生产的超声波液位仪已全面趋于小型化、智能化、通用化。在通讯协议方面，大多按照Modbus通讯协议生产，便于组成发布控制系统。在网络化销售盛行的当下，国外的超声波液位测量器占据了市场优势地位。
1.2.2国内超声波液位测量器的现状 查看完整请+Q:351916072获取
目前，经过不断的努力和探索，科技工作者己开发出了种类繁多、各具特色的液位仪。尤其是近二十年来，随着微处理器的引入，测量仪表更是发生了革命性的变化。液位仪的量程从几米到十几米，测量精度亦大大提高。但是国内超声波液位仪的发展主要采用引入国外技术和利用仿制等手段，同时也包括研究所及各大院校与企业单位合作研发产品，合资企业代理国外相应产品等。
最新一代科研成果是由中国科学院声学研究所研制的KS系列超声波物位计，它的研发综合了国内外同列产品，该物位计具有安装方便、量程广（0.5~ 30.0m）、选择性宽，外部场所也同样适用的特点。使用485数据总线计算机联网管理，图形、数据显而易见，由于传感器用防腐的不锈钢制作，所以具有防腐蚀、寿命长的特点。西安华舜测量设备有限公司与高校、研究所合作研制出了与国际同等水平的HS-2000外置式超声波液位计，误差仅为1‰。可用于食品、机械、石油、电力、医药等行业。沈阳沈拓仪表仪器有限公司引进美国EDP公司传感器组件和组装技术，自发研制了USS超声波液位计。国内超声波液位测量计虽然正在蓬勃发展，但是普遍存在技术含量低、性能差等问题，与国外还有很大的差距。但是，还是有部分超声波液位测量计已经达到了国际一流水平。为此，国内的生产商在引进国外技术和设备的同时，应该注重对技术知识的消化吸收，以备开发高技术含量的产品，逐步向国外先进技术靠拢，与国际市场接轨。
1.2.3超声波液位器的发展趋势
超声波液位仪作为一种典型的非接触测量仪器，在很多场合有广泛的应用，诸如工业自动控制，建筑工程测量和水面高度测量等方面。.早期,由于工业领域生产规模不大,液位测量主要采用机械测量方法.但随着生产规模的扩大,所需的储罐数量变多，液位仪表已成为其中的重要组成部分，需求量也蒸蒸日上。2002年,储罐液位测量设备在美国的消费额为8.71亿美元，冒险投资公司预测这种销量将会以3.3%的年增长率继续上升。不断发展的超声波储罐液位测量技术，使得仪表的功能和结构有了很大改善。超声波液位测量技术的优势使它在工业储罐中占有一席之地。预计储罐液位定位系统的消费比例会继续增加。并且越来越呈现出集功能、精度、现场、网络、宽领域一体化的新局面[10,11]。
摘 要 I 查看完整请+Q:351916072获取
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出及研究意义 1
1.2 超声波液位控制器的研究背景与内容 1
1.2.1国外超声波液位测量器的现状[4] 1
1.2.2国内超声波液位测量器的现状 2
1.2.3超声波液位器的发展趋势 3
1.3 本论文研究内容 3
1.3.1研究内容 3
1.3.2论文章节安排 4
1.4本章小结 4
第2章 超声波液位测量器的测量原理 6
2.1超声波液位器理论基础 6
2.1.1超声波介绍 6
2.1.2超声波探头的基本结构和原理 7
2.1.3 T/R40-16超声波探头超声波探头的基本结构和原理 8
2.1.4 传感器指向角 9
2.2 超声波液位器工作原理 10
2.2.1 超声波液位器工作原理 10
2.2.2 测量盲区 11
2.3 本章小结 12
第3章 基于52单片机的超声波液位控制器的总体设计 13
3.1设计思想 13
3.2 处理器的选择 13
3.2.1 STC89C52单片机的选择 13
3.2.2 STC89C52单片机引脚功能 14
3.3 本章小结 15
第4章 系统硬件设计 15
4.1 系统硬件框图 15
4.2 单片机最小系统模块 16
4.2.1 硬件结构 16
4.3 HC-SR04超声波发射、接收模块 18
4.4 温度补偿电路 19
4.4.1 数字温度传感器DS18B20简介 19
4.4.2 DS18B20的工作过程及时序 20
4.5 NOKIA5110液晶显示电路 21
4.6 蜂鸣器报警电路 22
4.7 本章小结 23
第5章 系统软件设计 23
5.1 软件总体设计流程图 23
5.2 主程序结构流程图 25
5.3 中断程序结构流程图 26
5.3.1 中断程序设计流程图 26
5.3.2部分重要中断子程序 27
5.4 串行口通信流程图 28
5.5 本章小结 29
第6章 液位测量结果及精度的提高和误差分析 30
6.1 液位测量结果 30
6.2 提高液位测量精度的主要方法 30
6.2.1温度测量 30
6.2.2 双探头超声波测量 30
6.2.3 回波放大电路 30
6.3 误差分析 31
6.4 本章小结 32
第7章 总结与展望 32
7.1总结 32
7.2 展望 32
参考文献 34
致 谢 37
附图、附录 38
一、源程序： 38
一、英文原文： 47
Ultrasonic distance meter 47
二、英文翻译： 53 查看完整请+Q:351916072获取
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