船舶液位自动检测装置设计(附件)
本课题设计一种船舶液位自动检测装置，可以从四个方位实时、准确地监测船舶的吃水深度，为计算船舶的稳定性提供重要原始数据，从而保证船运过程中的安全。整个硬件装置包括单片机最小系统；电源供电模块；超声波液位监测模块；液晶显示模块；独立按键模块。该系统的工作原理是通过超声波模块发送和接收超声波信号，进行液位测量。然后将液位信息送入单片机最小系统，由单片机对接收到的信号进行处理。接下来就会产生具体的船舶吃水深度信息由液晶显示出来提示船上监测人员，最后通过语音模块每隔3S时间自动播报一次。关键词 超声波液位监测，液位计，单片机
目 录
1 绪论 1
2 超声波测距 4
2.1 超声波介绍及其原理 4
2.2 常用超声波信号处理方法 5
2.3 超声波测距方法分类 8
3 总体设计方案 9
3.1 本课题要完成的任务 9
3.2 本课题要解决的问题 10
3.3 采用的研究手段 10
3.4 课程总体设计思路 10
4 硬件实现 11
4.1 电路总设计 11
4.2 电源模块 12
4.3 液晶显示模块 13
4.4 语音播报模块 14
4.5 超声波模块 16
4.6 单片机最小系统 18
5 软件设计 19
5.1 主程序模块 19
5.2 按键控制模块 21
5.3 液晶显示模块 21
5.4 超声波模块 24
5.5 语音播报模块 26
6 调试过程 28
结论 30
致谢 31
参考文献 32
附录一：硬件总原理图 34
附录二：PCB板图 35
附录三：部分程序代码 35
1 绪论
1.1 课题来源与课题意义
船运，作为历史悠久且仍在持续发展的运输方式，因其运输成本低；运输货物多；能源消耗少；对环境伤害小等优点被广泛采用。如果要保证一 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
个船体能够正常航行，那么，在其中要有很多系统来分别完成各方面的任务。在航行过程中，为了保证安全性，要对船舶吃水深度有实时准确的把握。所以，在船舶众多系统中，必须要有一个起到保障作用的关键系统，那就是船舶液位监测系统。这个系统因为可以实时、准确的提醒船上人员船舶的吃水深度，所以决定了航行过程中船舶的稳定性和安全性，也保证了货物和人员的安全[1]。随着运输货物的多样化以及运输过程中货物保存技术的发展，石油液化气、化学产品等运输品越来越多，这对船舶运输过程中的安全性提出了更大的挑战 [2]。现在投入使用的货船自动化程度都不高，还处于人工检测的阶段，但是随着我国在自动化方面的投入不断加深，自动化设备和技术越来越完善，成本也在逐步降低。所以，现在的运输公司或管理机构对船舶自动化程度的要求也在急剧提升[3]。与自动化监测相比，人工检测的准确度不高，人为误差较大，而且成本也太高，还可能遗漏必要的数据。在船舶运输方面，为了提高船舶行驶效率，还有以下方面值得探讨：
1.1.1 船舶装载及稳定性问题
在设计一艘货船时，其中有一个很重要的方面是船舶装载及稳定性计算。在计算过程中，因为需要考虑到船舶的实际情况，不仅要按照既定的规则，还要对不同的船只，进行单独的量身定做。上面也已经提到，人为检测有很多主观性的弊端，甚至不能最大化的利用船只。所以，如何设计出符合规章、高效率低成本的自动检测设备，充分利用船舶的装载量，成为值得思考的问题。
1.1.2 远程数据传递问题
我们知道，自动化设备都存在一个信息的传输问题。如果监测人员因某些原因没有跟船航行，那么可以通过无线传输技术进行数据上传。然而，无线传输技术的成本较高，那些小型货船对这套设备的承受能力较低。所以，仍然存在由船上人员上报液位信息给监测人员的情况。那么装载自动化监测设备的意义也就微乎其微，对船舶安全性的保障力度仍然不够。因此，实现无线传输技术的普及尤为重要。
正是因为有着多种弊端存在，所以国内外的学者们也都在研究液位检测技术。而在众多可用方案中，超声波液位监测技术的发展尤为迅猛。超声波主要有以下优点：
a）方向性很强，常常用于检测纵向的物体信息，适用范围广；
b）与其他声波相比，它的稳定性更高，受光线、烟雾、电磁的干扰小；
c）监测范围广，发射后可以覆盖很大范围；
d）研究和开发程度深，使用成本低；
e）使用方法简单，适用人群和场合众多；
f）可靠性高，人为误差小。
正是因为有这么多的优点，越来越多的船舶液位监测技术使用超声波作为主要手段。
1.2 国内外研究现状
最近几年，对于液位监测方面的技术和设备的研究越来越完善。传统液位传感器的发展非常齐备，开发出的液位传感器多达十几种，主要有：超声波式；电容式；压电式；浮标式；激光式等[4]。随着对其研究的不断深入，一些新型设备也在开发之中。以下为主要的几种液位监测的方式：
1.2.1 超声波液位测量
在日常使用中，我们多用回波检测法来进行液位的测量。在检测过程中，检测设备不直接接触待测液体，通过对超声波从发射出去到接收到回波所需要的时间进行检测，利用已知声速，间接的计算出液位信息。因为其没有直接的与待测液体接触，所以在测量海水、化学液体等腐蚀性较强的液体时，可以大大的延长设备的使用年限，降低了使用成本。同时，由于其发射和接收的同时进行，完成一次检测所需的工作时间较短，可以很好地满足实时监测的要求。另外，由于其结构不复杂，所以在设备的安装维护方面也很便捷。
当然，这种方法也有一些不足之处。由于测量介质是超声波，所以对于待测物体要求是不能吸收超声波，而且介质密度以及压力、温度、浓度等对超声波的速度都有影响。
1.2.2 激光液位测量
激光液位检测装置的原理与超声波液位检测类似，只是测量介质的不同。激光的特点是：它是一种颜色单一的光；具有良好的方向性；亮度高，易于观测；使用这种检测方法时，对于监测人员的安全性保障较好；设备为模块化制作，安装维护都很方便；对测量环境的适应性强；使用成本较其他方法来说，算是低廉的一种。但是由于其使用激光光束来进行测量，当发射激光的光学镜头出现故障或受到污染时，对检测结果的准确性有很大影响。
目 录
1 绪论 1
2 超声波测距 4
2.1 超声波介绍及其原理 4
2.2 常用超声波信号处理方法 5
2.3 超声波测距方法分类 8
3 总体设计方案 9
3.1 本课题要完成的任务 9
3.2 本课题要解决的问题 10
3.3 采用的研究手段 10
3.4 课程总体设计思路 10
4 硬件实现 11
4.1 电路总设计 11
4.2 电源模块 12
4.3 液晶显示模块 13
4.4 语音播报模块 14
4.5 超声波模块 16
4.6 单片机最小系统 18
5 软件设计 19
5.1 主程序模块 19
5.2 按键控制模块 21
5.3 液晶显示模块 21
5.4 超声波模块 24
5.5 语音播报模块 26
6 调试过程 28
结论 30
致谢 31
参考文献 32
附录一：硬件总原理图 34
附录二：PCB板图 35
附录三：部分程序代码 35
1 绪论
1.1 课题来源与课题意义
船运，作为历史悠久且仍在持续发展的运输方式，因其运输成本低；运输货物多；能源消耗少；对环境伤害小等优点被广泛采用。如果要保证一 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
个船体能够正常航行，那么，在其中要有很多系统来分别完成各方面的任务。在航行过程中，为了保证安全性，要对船舶吃水深度有实时准确的把握。所以，在船舶众多系统中，必须要有一个起到保障作用的关键系统，那就是船舶液位监测系统。这个系统因为可以实时、准确的提醒船上人员船舶的吃水深度，所以决定了航行过程中船舶的稳定性和安全性，也保证了货物和人员的安全[1]。随着运输货物的多样化以及运输过程中货物保存技术的发展，石油液化气、化学产品等运输品越来越多，这对船舶运输过程中的安全性提出了更大的挑战 [2]。现在投入使用的货船自动化程度都不高，还处于人工检测的阶段，但是随着我国在自动化方面的投入不断加深，自动化设备和技术越来越完善，成本也在逐步降低。所以，现在的运输公司或管理机构对船舶自动化程度的要求也在急剧提升[3]。与自动化监测相比，人工检测的准确度不高，人为误差较大，而且成本也太高，还可能遗漏必要的数据。在船舶运输方面，为了提高船舶行驶效率，还有以下方面值得探讨：
1.1.1 船舶装载及稳定性问题
在设计一艘货船时，其中有一个很重要的方面是船舶装载及稳定性计算。在计算过程中，因为需要考虑到船舶的实际情况，不仅要按照既定的规则，还要对不同的船只，进行单独的量身定做。上面也已经提到，人为检测有很多主观性的弊端，甚至不能最大化的利用船只。所以，如何设计出符合规章、高效率低成本的自动检测设备，充分利用船舶的装载量，成为值得思考的问题。
1.1.2 远程数据传递问题
我们知道，自动化设备都存在一个信息的传输问题。如果监测人员因某些原因没有跟船航行，那么可以通过无线传输技术进行数据上传。然而，无线传输技术的成本较高，那些小型货船对这套设备的承受能力较低。所以，仍然存在由船上人员上报液位信息给监测人员的情况。那么装载自动化监测设备的意义也就微乎其微，对船舶安全性的保障力度仍然不够。因此，实现无线传输技术的普及尤为重要。
正是因为有着多种弊端存在，所以国内外的学者们也都在研究液位检测技术。而在众多可用方案中，超声波液位监测技术的发展尤为迅猛。超声波主要有以下优点：
a）方向性很强，常常用于检测纵向的物体信息，适用范围广；
b）与其他声波相比，它的稳定性更高，受光线、烟雾、电磁的干扰小；
c）监测范围广，发射后可以覆盖很大范围；
d）研究和开发程度深，使用成本低；
e）使用方法简单，适用人群和场合众多；
f）可靠性高，人为误差小。
正是因为有这么多的优点，越来越多的船舶液位监测技术使用超声波作为主要手段。
1.2 国内外研究现状
最近几年，对于液位监测方面的技术和设备的研究越来越完善。传统液位传感器的发展非常齐备，开发出的液位传感器多达十几种，主要有：超声波式；电容式；压电式；浮标式；激光式等[4]。随着对其研究的不断深入，一些新型设备也在开发之中。以下为主要的几种液位监测的方式：
1.2.1 超声波液位测量
在日常使用中，我们多用回波检测法来进行液位的测量。在检测过程中，检测设备不直接接触待测液体，通过对超声波从发射出去到接收到回波所需要的时间进行检测，利用已知声速，间接的计算出液位信息。因为其没有直接的与待测液体接触，所以在测量海水、化学液体等腐蚀性较强的液体时，可以大大的延长设备的使用年限，降低了使用成本。同时，由于其发射和接收的同时进行，完成一次检测所需的工作时间较短，可以很好地满足实时监测的要求。另外，由于其结构不复杂，所以在设备的安装维护方面也很便捷。
当然，这种方法也有一些不足之处。由于测量介质是超声波，所以对于待测物体要求是不能吸收超声波，而且介质密度以及压力、温度、浓度等对超声波的速度都有影响。
1.2.2 激光液位测量
激光液位检测装置的原理与超声波液位检测类似，只是测量介质的不同。激光的特点是：它是一种颜色单一的光；具有良好的方向性；亮度高，易于观测；使用这种检测方法时，对于监测人员的安全性保障较好；设备为模块化制作，安装维护都很方便；对测量环境的适应性强；使用成本较其他方法来说，算是低廉的一种。但是由于其使用激光光束来进行测量，当发射激光的光学镜头出现故障或受到污染时，对检测结果的准确性有很大影响。
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