单片机原理及接口技术课程设计水库水位监测装置设计.docx
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单片机原理及接口技术课程设计水库水位监测装置设计
摘要
随着计算机技术和现代通信技术的徐苏法杖,水位报警计已经从普通型发展到智能化,而且水位报警计的功能日益趋向于完善。
本水位监测报警器使用5V低压直流电源就可以对0.1~4米的水位进行监测,用LED数码管设计显示器,可以对不在此范围内的水位发出报警。
主要采用单片机AT89S52芯片,将控制程序写进单片机中,使其发挥相应的功能,再加上蜂鸣器、发光二极管、电阻、电容这些器件组成一个简单而灵敏的监测报警电路,擦做简单,接通电源即可工作。
本水位监测报警器海具有电路简易、耗能低、准确性高的特点。
关键词:
报警电路;测温电路;超声波发射接收
目录
第1章绪论1
1.1课题设计的目的及其意义1
第2章课题的方案设计与论证2
2.1系统总体方案论证2
2.2系统总体设计方案2
第3章系统的硬件结构设计4
3.1单片机最小系统4
3.2超声波传感器测距电路4
3.3LED显示电路5
3.4电源电路6
3.5二极管报警电路7
3.6测温电路8
第4章系统软件的设计9
4.1超声波测距仪的算法设计9
4.2主程序流程图9
4.3超声波发生子程序和超声波接收中断程序12
4.4系统的软硬件的调试12
第五章实验数据及分析13
第六章课程设计总结14
参考文献15
附录I16
附录II17
第1章绪论
1.1课题设计的目的及其意义
随着科学技术的快速发展,超声波将在测距仪中的应用越来越广。
但就目前技术水平来说,人们可以具体利用的测距技术还十分有限,因此,这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。
展望未来,超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间,它将朝着更加高定位高精度的方向发展,以满足日益发展的社会需求,如声纳的发展趋势基本为:
研制具有更高定位精度的被动测距声纳,以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要;继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳,实现超远程的被动探测和识别;研制更适合于浅海工作的潜艇声纳,特别是解决浅海水中目标识别问题;大力降低潜艇自噪声,改善潜艇声纳的工作环境。
无庸置疑,未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨,与其他的测距仪集成和融合,形成多测距仪。
随着测距仪的技术进步,测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能,最终发展到具有创造力。
在新的世纪里,面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
随着科技的发展,人们生活水平的提高,城市发展建设加快,城市给排水系统也有较大发展,其状况不断改善。
但是,由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素,城市给排水系统,特别是排水系统往往落后于城市建设。
因此,经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。
城市污水给人们带来了困扰,因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理,人们生活舒适显得非常重要。
而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统,保证机器人在箱涵中自由排污疏通,是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。
控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。
因此,设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。
第2章课题的方案设计与论证
2.1系统总体方案论证
由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量。
利用超声波检测距离,设计比较方便,计算处理也较简单,并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。
超声波发生器可以分为两大类:
一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。
目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。
根据设计要求并综合各方面因素,本文采用AT89S51单片机作为控制器,用动态扫描法实现LED数字显示,超声波驱动信号用单片机的定时器。
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受,根据超声波传播的时间来计算出传播距离。
实用的测距方法有两种,一种是在被测距离的两端,一端发射,另一端接收的直接波方式,适用于身高计;一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式,适用于测距仪。
此次设计采用反射波方式。
测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。
超声波传感器是一种采用压电效应的传感器,常用的材料是压电陶瓷。
由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减,衰减的程度与频率的高低成正比;而频率高分辨率也高,故短距离测量时应选择频率高的传感器,而长距离的测量时应用低频率的传感器。
2.2系统总体设计方案
本系统由超声波发射、回波信号接收、温度测量、显示和报警、电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。
系统原理框图,如图2.1所示。
整个系统由单片机AT89S52控制,超声波传感器采用收发分体式,分别是一支超声波发射换能器TCT40-16T和一支超声波接收换能器TCT40-16R。
超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中,遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。
进行相关处理后,输入单片机的INT0脚产生中断,计算中间经历的时间,同时再根据具体的温度计算相应的声速,可得出相应的距离用来显示,当然在一些场合也可根据需要,设置距离报警值。
图2.1总体方案框图
第3章系统的硬件结构设计
3.1单片机最小系统
AT89S52为ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
图3.1单片机最小系统
3.2超声波传感器测距电路
KS101B为国内独家采用12C标准接口的测距传感器,以更卓越的性能,更完备的功能,更强大的标准技术,加之最高的性价比,超越SRF08,使之成为SRF08的替代品。
应用范围作为侦测距离,探测温度和光强之工具;配合机器人,可达到避障的目的;可用于防盗,安防等领域。
产品主要特点;探测距离范围加大:
1CM-650CM;实时温度补偿功能,距离探测精度更高;83ms快速、高精度的温度探测,随时感知环境精确温度;1ms快速光强探测,即时探测实时光强;标准I2C接口与主机通信,自动响应主机的I2C控制指令;共20个可修改的I2C地址,范围为0xd0~0xfe(0xf0,0xf2,0xf4,0xf6除外)支持0x00广播地址;功耗最低:
使用纳瓦技术省电,5s未收到I2C控制指令自动进入A级休眠,并可随时被主机I2C控制指令唤醒。
性能更稳定,产品使用寿命更长:
不间断老化测试了7个月,每天24小时,每秒5次的频率,测完后性能仍然没有明显变化。
工作温度范围更宽:
工业级配置,工作温度(-30℃~+85℃)工作电压范围更宽:
3.0V-5.5V;接线超简单,只需要接电源VCC、地GND、数据SDA及时钟SCL共4根线。
控制超简便,带控制程序,只需发送指令,KS101B就会自动探测,自动返回探测值。
不需要占用单片机定时器不需要特殊单片机。
不可与任意具有I2C接口的器件共用总线。
探测频率可以达到500HZ,就是一秒钟可以探测500次。
图3.2超声波测距电路
3.3LED显示电路
单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器,简称LED。
液晶显示器简称LCE。
前者价廉,配置灵活,与单片机接口灵活;后者可进行图形显示但接口比较复杂,成本较高。
所以选LED显示。
在单片机中通常选用7段LED显示,一般来说,7段LED用7段LED发光二极管构成显示数字和符号。
另外还要用一段发光二极管来显示小数点。
LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展,是与它本身所具有的优点分不开的。
这些优点概括起来是:
亮度高、工作电压低、功耗小、大型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。
LED的发展前景极为广阔,目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性,可靠性、全色化方向发展。
超级灰度控制具有1024-4096级灰度控制,显示颜色16.7M以上,色彩清晰逼真,立体感强.
图3.3LED显示电路结构
3.4电源电路
本设计是要设计一个+5V直流电源供电,这里没有直接的+5V电压,而直流电源的输入电压为220V的电网电压,在正常情况下,这一电网电压是远远的高于本设计所需的电压值,因而需要先使用变压器,将220V的电网电压降低后,再进行下一阶段的处理。
变压器是这一电源电路起始部分,将220V的电网电压转变为本设计所需的较低的电压,就可以进行下一阶段的整流部分。
一般规定v1为变压器的高压侧,v2为变压器的低压侧,v1侧的线圈要比v2侧的线圈要多,这样就可以将220V的电网电压降低,如图1所示:
单相桥式整流电路,就是将交流电网电压转换为所需电压,整流电路由四只整流二极管组成。
下面简单介绍一下单相桥式整流电路的工作原理,为简便起见,这里所选的二极管都是理想的二极管,二极管正向导通时电阻为零,反向导通时电阻无穷大。
在v2的正半周,电流从变压器副边线圈的上端流出,经过二极管D1,再由二极管D4流回变压器,所以D1、D4正向导通,D2、D3反向截止,产生一个极性为上正下负的输出电压。
在v2的负半周,其极性正好相反,电流从变压器副边线圈的下端流出,经过二极管D2,再由二极管D3流回变压器,所以D1、D4反向截止,D2、D3正向导通。
桥式整流电路利用了二极管的单向导电性,利用四个二极管,是它们交替导通,从而负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。
单相桥式整流电路如图2所示:
总设计图:
图3.4电源电路
3.5发光报警电路
如上图所示为光报警电路采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况,当水位是低水位时,从单片机P2.1口输出一个低电平驱动红色的发光二极管。
其余颜色的二极管均不发光;当水位中等是,从P2.2口输出一个低电平,驱动绿色的发光二极管发光,其余都不发光;当水位高水位时,从P2.3口输出一个低电平,驱动黄色的发光二极管发光,其余都不发光。
二极管电路采用共阳极接法,低电平有效。
其中R13、R14、R15为上拉电阻起限压控流作用。
图3.5光报警电路
3.6测温电路
由于声音的速度在不同的温度下有所不同,为提高系统的精度,采用了温度补偿功能。
这里采用的主要元器件是是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20,其具有精度高、智能化、体积小、线路简单等特点。
将DS18B20数据线与单片机的P1.1口相连,就可以实现温度测量,如图3.6所示。
图3.6测温电路
第4章系统软件的设计
超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。
我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法,汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间,而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算(计算距离时),又要求精细计算程序运行时间(超声波测距时),所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。
4.1超声波测距仪的算法设计
超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号,当这个超声波遇到被测物体后反射回来,就被超声波接收器R所接收到。
这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间,就可算出超声波发生器与反射物体的距离。
距离的计算公式为:
(4-1)其中,d为被测物与测距仪的距离,s为声波的来回的路程,c为声速,t为声波来回所用的时间。
在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0,利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。
当收到超声波反射波时,接收电路输出端产生一个负跳变,在INT0或INT1端产生一个中断请求信号,单片机响应外部中断请求,执行外部中断服务子程序,读取时间差,计算距离。
4.2主程序流程图
软件分为两部分,主程序和中断服务程序,如图4.1所示。
主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。
定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射,外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。
主程序首先对系统环境初始化,设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式,置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。
然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲,为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发,需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后,才打开外中断0接收返回的超声波信号。
由于采用12MHz的晶振,机器周期为1us,当主程序检测到接收成功的标志位后,将计数
N
Y
(a)主程序流程图
N
Y
(b)定时中断子程序
(c)外部中断子程序
图4.1超声波测距系统的软件框图
主程序首先是对系统环境初始化,设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。
置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P1清0。
然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲,为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发,需要延时约0.1ms(这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因)后,才打开外中断0接收返回的超声波信号。
由于采用的是12MHz的晶振,计数器每计一个数就是1μs,当主程序检测到接收成功的标志位后,将计数器T0中的数(即超声波来回所用的时间)按式(4-2)计算,即可得被测物体与测距仪之间的距离,设计时取20℃时的声速为344m/s则有:
(4-2)
其中,T0为计数器T0的计算值。
测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s,然后再发超声
波脉冲重复测量过程。
为了有利于程序结构化和容易计算出距离,主程序采用C语言编写。
4.3超声波发射子程序和超声波接收中断程序
超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号(频率约40kHz的方波),脉冲宽度为12μs左右,同时把计数器T0打开进行计时。
超声波发生子程序较简单,但要求程序运行准确,所以采用汇编语言编程。
超声波测距仪主程序利用外中断0检测返回超声波信号,一旦接收到返回超声波信号(即INT0引脚出现低电平),立即进入中断程序。
进入中断后就立即关闭计时器T0停止计时,并将测距成功标志字赋值1。
如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号,则定时器T0溢出中断将外中断0关闭,并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。
前方测距电路的输出端接单片机INT0端口,中断优先级最高,左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口,同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端,中断源的识别由程序查询来处理,中断优先级为先右后左。
4.4系统的软硬件的调试
超声波测距仪的制作和调试都比较简单,其中超声波发射和接收采用Φ15的超声波换能器TCT40-10F1(T发射)和TCT40-10S1(R接收),中心频率为40kHz,安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4~8cm,其余元件无特殊要求。
若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来,则可提高抗干扰能力。
根据测量范围要求不同,可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C0的大小,以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
硬件电路制作完成并调试好后,便可将程序编译好下载到单片机试运行。
根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间,以适应不同距离的测量需要。
根据所设计的电路参数和程序,测距仪能测的范围为0.07~5.5m,测距仪最大误差不超过1cm。
系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析,不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。
第五章实验数据及分析
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
由此可见,超声波测距原理与雷达原理是一样的。
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点,是作为液体高度测量的理想手段。
在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度,但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。
通过分析超声波测距误差产生的原因,提高测量时间差到微秒级,以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后,我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。
超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。
反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波本时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,就成为超声波接收器。
在超声探测电路中,发射端得到输出脉冲为一系列方波,其宽度为发射超声的时间间隔,被测物距离越大,脉冲宽度越大,输出脉冲个数与被测距离成正比。
超声测距大致有以下方法:
取输出脉冲的平均值电压,该电压(其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔t,故被测距离为S=1/2vt。
本测量电路采用第二种方案。
由于超声波的声速与温度有关,如果温度变化不大,则可认为声速基本不变。
如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。
超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒,由单片机负责计时,单片机使用12.0M晶振,所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
采用AT89S52单片机,晶振:
12M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40K方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的3位共阳LED数码管。
超声波测距的算法设计:
超声波在空气中传播速度为每秒钟340米(15℃时)。
X2是声波返回的时刻,X1是声波发声的时刻,X2-X1得出的是一个时间差的绝对值,假定X2-X1=0.03S,则有340m×0.03S=10.2m。
由于在这10.2m的时间里,超声波发出到遇到返射物返回的距离。
第六章课程设计总结
由于时间和其它客观上的原因,此次设计没有做出实物。
但是对设计有一个很好的理论基础。
设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波,实现超声波的发送与接收,从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。
以数字的形式显示测量距离。
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受,根据超声波传播的时间来计算出传播距离。
实用的测距方法有两种,一种是在被测距离的两端,一端发射,另一端接收的直接波方式,适用于身高计;一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式,适用于测距仪。
此次设计采用反射波方式。
超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。
单片机采用AT89C51或其兼容系列。
采用12MHz高精度的晶振,以获得较稳定时钟频率,减小测量误差。
单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管,段码用74LS244驱动,位码用PNP三极管8550驱动。
超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成,它是一款红外线检波接收的专用芯片,常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近,可以利用它制作超声波检测接收电路。
实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平),具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。
适当更改电容C4的大小,可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
超声波测距的算法设计原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号,当这个超声波遇到被测物体后反射回来,就被超声波接收器R所接收到。
这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间,就可算出超声波发生器与反射物体的距离。
在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0,利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。
当收到超声波反射波时,接收电路输出端产生一个负跳变,在INT0或INT1端产生一个中断请求信号,单片机响应外部中断请求,执行外部中断服务子程序,读取时间差,计算距离。
在元件及调制方面,由于采用的电路使用了很多集成电路。
外围元件不是很多,所以调试应该不会太难。
一般只要电路焊接无误,稍加调试应该会正常工作。
电路中除集成电路外,对各电子元件也无特别要求。
根据测量范围要求不
同,可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C0的大小,以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来,则可提高抗干扰能力。
参考文献
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中国科技大学出版社,1993.10
[9]樊昌元丁义元.高精度测距雷达研究.电子测量与仪器学报,2000.10
附录I
总电路图
附录II
RECEIVE0:
PUSHPSW
PUSHACC
CLREX0;关外部中断0
MOVR7,TH0;读取时间值
MOVR6,TL0?
CLRC
MOVA,R6
SUBBA,#0BBH;计算时间差
MOV31H,A;存储结果
MOVA,R7
SUBBA,#3CH
MOV30H,A
SETBEX0;开外部中断0
POPACC?
POPPSW
RETI
#include
#definek1P3_4
#definecsbout P3_5 //超声波发送
#definecsbint P3_7 //超声波接收
#definecsbc=0.034
#definebg P3_3
voidconversion()//显示数据转换程序
{
ucharge_data,shi_data,bai_data;
bai_data=temp_data/100;
temp_data=temp_data%100;//取余运算
shi_data=temp_data/10;
temp_data=temp_data%10;//取余运算
ge_data=temp_data;
bai_data=SEG7[bai_data];
shi_data=SEG7[shi_data]&0x7f;
ge_data=SEG7[ge_data];
EA=0;
bai=bai_data;
shi=shi_data;
ge=ge_data
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