超声波液位测量系统课程设计

目录

前言................................ ................ . (1)

1 液位测量系统概述........................ ... . (2)

1.1 传感器与检测技术 (2)

1.2 液位测量系统的现状 (3)

1.3 液位传感器的发展方向 (7)

2 系统分析和总体设计 (8)

2.1 对液位测量系统的要求 (8)

2.2 系统组成及工作原理 (8)

2.2.1 系统组成 (8)

2.2.2 工作原理.................................................. .. (8)

3 系统硬件设计....................................................... ... .. (10)

3.1 主机系统....................................................... .. (10)

3.2 液位测量系统 (12)

3.2.1 超声波传感器 (12)

3.2.2 信号调理电路 (17)

3.2.3 温度补偿电路 (24)

3.3 键盘........................................................ ... . (26)

3.4 液位显示................................................. . (27)

3.5 通信系统..................................................... (29)

3.6 报警系统..................................................... (34)

3.7 电源......................................................... ... (36)

4 系统软件设计..................................................... (37)

4.1 编程思路及流程图 (37)

结论....................... ........................ (40)

致谢.................................................... ........... .. (41)

参考文献......................................................... ... ... ... .. (42)

附录 A 硬件电路图 (43)

附录 B 程序.......................................................... ... . (45)

附录 C 英文文献............................................................. (54)

前言

近年来，随着电子技术和信号处理技术的迅速发展，液位测量仪表中的测量技术也发展很快，经历了由机械式向机电一体化再到自动化的发展过程。结合这两大技术，尤其是将微处理器引进液位测量系统以后，使得液位计的精度越来越高，越来越向智能化、一体化、小型化的方向发展。从上世纪八十年代开始，一些发达国家就借助微电子、计算机、光纤、超声波、传感器等高科技的研究成果，将各种新技术、新方法应用到储罐液位测量领域。电子式测量方法便是其中的重要成果之一。在电子式液位测量方法中，有许多新的测量原理，包括压电式、应变式、雷达式、超声波式、浮球式、电容式、磁致伸缩式、伺服式、混合式等二十多种测量技术。由于该方法测量精度高，可靠性强，持续时间长，安装维护简单，因而正在逐步取代旧的机械式液位测量方法。用于储罐液位测量的众多电子式技术中，压电式、超声波式、应变式、浮球式、电容式五种测量技术应用最为广泛，约占总数的 60%以上。其中，超声波式测量技术的应用份额最大。

超声波液位测量有很多优点:它不仅能够定点和连续检测液位，而且能够方便地提供遥控或遥控所需的信号。与放射性技术相比，超声技术不需要防护。与目前的激光测量液位技术相比，超声方法比较简单而且价格较低。一般说来，超声波测位技术不需要有运动的部件，所以在安装和维护上有很大的优越性。特别是超声测位技术可以选用气体、液体或固体来作为传声媒质，因而有较大的适应性。所以在测量要求比较特殊，一般液位测量技术无法采用时，超声测位技术往往仍能适用。

1 液位测量系统概述

1.1 传感器与检测技术

液体液位的准确测量是实现生产过程检测和实时控制的重要保障，也是实现安全生

产的重要环节。液体罐内液位测量的方法有很多种，其中超声波传感器由于结构简单、

体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制，

所以超声波测量法得到了广泛的应用。

所谓超声波就是指频率高于 20kHz 的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；它沿直线传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；它还具有强度大、方向性

好等特点，为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。超声波传感器是利用

超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制而成的传感器。超声波传感器按其工作原

理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。压电式超声波传感

器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电

效应将高频电振动转换成高频机械震动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电

效应是将超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。

超声波液位测量的方法有多种，如超声脉冲回波法、共振法、频差法、超声衰减法

等[1]。超声脉冲回波法的基本原理是由超声波传感器的发射探头发射超声波，当超声波遇到障碍物时会被反射，利用单片机记录超声波发射的时间和接收到回波的时间，根据

当前环境下超声波的传播速度，即可通过公式 1.1 计算出超声波传播的距离，也就得到了障碍物离测试系统的距离。

S=C×[t／2] （1.1）

式中 S 为被测距离，C 为超声波传播速度，t 为回波时间。

共振法的基本原理是调节超声波的频率，使得探头和液面之间建立驻波共振状态，

这时探头与液面之间的距离就与超声在介质中的波长成一定的比例关系。当超声波速度

己知时，就可根据共振频率计算波长再换算出探头到液面的距离因。频差法就是让超声

探头发出调频的超声波，超声波的频率随传播距离的不同而不同，根据接收信号和发射

信号间的频差可得到从发射到接收的时间。超声衰减测量顾名思义就是超声波在被测介

质中的衰减量随距离变化，根据接收信号和发射信号间的衰减量变化测量液位。从以上

方法的对比中可以看出，用共振法检测液位受到一些具体条件的限制，需要与液面建立

驻波关系，并且它属于一种接触式测量方法。频差法需要调频器产生调制频率，衰减法

需测量超声波的衰减量。相比较而言，超声波脉冲回波法无需与液面之间建立驻波，并

且可以实现非接触检测。所以脉冲回波法是其中最适合的方法，本文将采用该方法实现

超声波外测液位检测。

1.2 液位测量系统的现状

液位测量广泛应用于石油、化工、气象等部门。实现无接触、智能化测量是液位计目前的发展方向。随着工业的发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，近年来液位仪表的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。

从测量范围来说，有的液位计只能测量几十厘米，有的却可达几十米。从测量条件

和环境来说，有的非常简单，有的却十分复杂。例如:有的是高温高压，有的是低温或

真空，有的需要防腐蚀、防辐射，有的从安装上提出苛刻的限制，有的从维护上提出严

格的要求等。

按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型

两人类。接触型液位测量主要有:人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式

液位计以及磁致伸缩液位计等。它们的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，即都

存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。因此存在一定的磨损且容易

被液体沾污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。

非接触型液位测量主要有超声波液位计、微波雷达液位计、射线液位计以及激光液位计

等。顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不接触。因此测

量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触

型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。

目前，市场上的液位仪表功能各异，价格差异也较大。从价格和功能上比较，国内

和国外产品存在较大的差异:国外的液位测量仪表，功能较全，精度较高，但价格比较

昂贵；而国内产品其功能和精度相对较低，但价格自然相对便宜。

国外液位计量仪表早期大多采用机械原理,但近年来随着电子技术的应用，逐步向

机电一体化发展，并且发展了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微

机技术，结构有了很大的改善、功能有了很大的提高。从国外液位仪表发展的技术动向

看，当前主要有三个热点：接触测量方式的液位仪，非接触测量方式的液位仪和新原理

的小型液位开关。

(1)接触型液位仪表

接触型液位仪表，主要有:人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液

位计以及磁致伸缩液位计。它们的共同特点是测量的感应元件与被测液体接触。

①人工检尺法:利用浸入式刻度钢尺测量液位，取样测量油温和密度，通过计算得

到液体的体积和重量，这是迄今为止依然在全世界广泛使用的液位测量方法，也可以把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。该方法分为实高测量和空高测量两种。人工检尺法测量的精度一般为±2mm，通常至少测量两次，两次结果相差不得超过±1mm。人工检尺法具有测量简单、直观、成本低等优点，但需要测试人员手动测量，不适合恶劣环境下的操作。另外，需要较长的测量时间，难以实现在线实时测量，即实时性较差且需手工处理数据，不利于数据的计算机管理。

②浮子测量装置:浮子式测量装置采用大而重的浮子作为液位测量元件，驱动编码

盘或编码带等显示装置，或连接电子变送器以便远距离传输测量信号。由于机械装置的使用，这类装置的测量误差一般约为 1mm，误差较大。浮子式液位装置具有结构简单、价格便宜等优点，但是浮子会随着液面的波动而波动，从而造成读数误差。该装置传动部件较多，容易造成系统的机械磨损，因而增加了系统维护的开销。浮子测量装置的适用范围为非腐蚀液体的测量。

③伺服式液位计:伺服式液位计与浮子式液位测量装置相比，提高了测量精度和可

靠性。它采用波动积分电路，消除了抖动，延长了使用寿命。现代伺服液位计的测量精度已达到 40m 范围内小于±1mm。但是，由于伺服式液位计仍属于机械测量装置，存在机械磨损，影响了测量的精度，因此需要定期维修和重新定标且安装困难。

④电容式液位计:电容式液位计的核心是电容液位传感器。该传感器一般由标准电容、测量电容和比较电容等组成。其中，比较电容用来测量液体的介电常数，测量电容用来检测液位的变化，由液体的介电常数和测量电容的容量计算出液位。电容式液位计的价格较低、安装容易且可以应用于高温、高压的测量场合。

⑤磁致伸缩液位计:磁致伸缩液位计采用磁致伸缩技术来测量大罐的油水界面和油

气界面。通常情况下，磁致伸缩液位计安装有两个浮子，其中一个浮子的密度小于油品的密度，另一个浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它们分别用来检测油气界面和油水界面。磁致伸缩液位计安装容易，不需要定期维修和重新定标，工作寿命较长。其测量精度较高，测量的重复精度也较高，是比较理想的接触型液位计。但是磁致伸缩液位计与被测液体接触，仪器容易受到腐蚀，且液体的密度变化会带来测量误差。此外，浮子装置沿着波导管的护导管上移动，容易被卡死，从而影响液位的正确测量。

(2)非接触型液位仪表

非接触型测量仪表主要包括超声波液位计、雷达液位计、射线液位计以及激光液位

计等。这类液位测量仪表的共同特点是测量的敏感元件与被测液体不接触，因此不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而适用范围较为广泛，可用于接触式测量仪表不能满足的特殊场合如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。

①超声波液位计:超声波液位计是非接触式液位计中发展最快的一种。超声波在同

一种介质中传播速度相对恒定，遇到被测物体表面时会产生反射，基于此原理研制出了超声波液位计。目前，智能化的超声波液位计能够对接收信号做精确的处理和分析:可

以将各种干扰信号过滤出来:识别多重回波;分析信号强度和环境温度等有关信息。这样即便在有外界干扰的情况下，也能够进行精确的测量。超声波液位计不仅能定点和连续测量，而且能方便地提供遥测和遥控所需的信号。同时，超声波液位计不存在可动部件，所以在安装和维护上相应比较方便。超声测位技术可适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性且价格较为便宜。新型气密结构、耐腐蚀的超声波传感器可测量高达几十米的液位。

②雷达液位计;雷达液位计发明于 60 年代，通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，将微波发射器和接收器安装在罐顶，向液面发射频率调制的微波信号。当接收到回波信号时，由于来回传播时间的延迟，发射频率发生了改变。将两种信号混合处理，所得信号的差频正比于罐顶到液面之间的距离。雷达液位计特别适用于高粘度或高污染的产品，如沥青等。雷达液位计的测量精度较高，而且无需定期维修和重新定标，但是安装比较复杂且价格不菲。

③射线液位计:核辐射放出的射线(如丫射线等)具有较强的穿透能力，且穿过不同

厚度的介质有不同的衰减特性，核辐射式液位计正是利用这一原理来测量液位的。核辐射式液位计的核辐射源用点式或狭长型结构安装在油罐的外面，狭长型核辐射源检测元件也安装在油罐外面，可实现对液位动态变化的检测。除利用核辐射射线来测量之外，还可采用中子射线来测量液位。射线液位计安装非常方便，测量精度较高。因为它没有任何部件与被测物体直接接触，特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问题。

④激光液位计:其测量原理类似于超声波液位计，只是采用光波代替了超声波。发

射传感器发射出激光，照射到被测液面，在液面处发生反射，接收传感器接收反射光，将从发射至接收的时间换算成液位。激光的光束很窄，在液位计中通过光学系统转换成约 20mm 宽的光束，这样即使被测物面很粗糙，漫反射光也能被传感器接收。激光液位计非常适用于开口很狭窄的容器以及高温、高粘度的测量对象。而缺点是对液面的波动很敏感，大罐内的油汽，水气等微粒对测量不利，且光学镜头必须定期保持清洁。

1.3 液位传感器的发展方向

现在很多液体都装在封闭式容器内，而且有很多是易挥发、易燃、易爆、强腐蚀性的，因此需要非接触式测量。研究无需对被测容器开孔的超声波液位仪，实现非接触测量，是检测封闭容器内易挥发、易燃、易爆等液体液位的发展方向。

超声波液位仪是非接触液位仪中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传

播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。智能化的超声波液位仪带有一个功能很强的智能回波分析软件包。它可以将各种干扰过滤出来，识别多重回波，分折信号强度和环境温度等有关信息，这样即便在有扰动条件下读数也是精确的。新型气密结构、耐腐蚀的超声换能器可测量高达 15m 的液位，E+H 公司研制的 Prosonic FMU860/861/862 超声液位仪精度可达±0.2%，输出信号符合 HART 协议或 profibus 总线标准或 FF 总线标准。

超声波液位计具有广泛的适用性，可以根据不同测量场合的需要，采用气体介质、

液体介质或固体介质导声。既可用来测量航道、水库的液位高度，也可以测量液化气罐、化工塔等密闭容器内的液位高度。由于超声波液位计没有可动部件，不存在机械磨损、机械故障，因而其可靠性和使用寿命比多数接触型液位计要高。该测量装置结构简单，不需要其它附加设施，且安装、使用和维护都较方便。随着电子技术的发展。单片机嵌入应用，超声波液位计的精度有了进一步的提高，功能更加齐全。但其主要缺点是:音

速随温度、储存物料的化学成分和罐内蒸汽的运动而变化，影响测量精度。根据测量精度的要求，可以采用多种方法校正。

2 系统分析和总体设计

2.1 对液位测量系统的要求

系统由超声波传感器、W77E58 单片机和无线数据传输模块 STR-15 组成。传感器将

接收到的信号经数据处理后由无线数据传输模块送入上位机进行显示、超限报警等操

作。通过对超声波接收信号进行的有效处理，基本上消除时间检测误差，并进行温度补

偿计算。

主要技术指标

（1）液位量程:0～5m；

（2）测量误差:0.1%；

（3）显示分辨率:lmm；

（4）环境温度:-10～60℃；

（5）通信方式:STR-15 无线数据传输

2.2 系统组成及工作原理

2.2.1 系统组成

系统由上位机系统和下位机系统组成。下位机包括超声波传感器、单片机、无线数

据传输模块，上位机由单片机、无线数据传输模块、键盘、显示和报警等部分组成。上

位机与下位机之间通过无线数据传输模块进行通信。

超声波传感器采用 T/R40-16 型超声波传感器。T/R40-16 为收发分体式压电陶瓷超

超声波传感器，T40-16 为发射探头，能发射中心频率为 40KHz 的超声波；R40-16 为接

收探头，可以接收中心频率为 40KHz 的超声波并转换为电信号。

单片机采用 W77E58。W77E58 单片机是 Winbond 公司生产的高速单片机，与传统 8052 系列单片机相比，其机器周期仅包含四个时钟周期，指令执行速度是 8052 的 1.5～ 3 倍，晶体频率可达 40 MHz，有三个 16 位的定时器／计数器。用作定时器时，可对四个

时钟周期计数，其定时时钟频率为 10 MHz，测量时间的分辨率为 0.1μ s。而 AT89C52

的晶振频率为 24 MHz，它的定时频率为 2 MHz，测量时间的分辨率为 0.5μ s。因此利用W77E58 可提高测量时间的精度。

无线数据传输模块采用上海桑博电子科技有限公司生产的 STR-15 微功率无线数据

传输模块，将传感器采集到的数据经过单片机处理后传送到上位机进行显示、超限报警

等，以实现远程控制。

图 2.1 无线液位测量系统组成框图

2.2.2 工作原理

本文采用超声脉冲回波法测液位[5]。超声脉冲回波法的基本原理是由超声波传感器

的发射探头发射超声波，当超声波遇到障碍物时会被反射，利用单片机记录超声波发射

的时间和接收到回波的时间，根据当前环境下超声波的传播速度，即可通过公式 2.1 计算出超声波传播的距离，也就得到了障碍物离测试系统的距离。测距原理如图 2.2 所示。 S=C×[t／2] （2.1）

式中 S 为被测距离，C 为超声波的传播速度，t 为回波时间，t=Tl+T2。

图 2.2 超声波测距原理图

利用超声波在液体中传播时，有较好的方向性，且传播过程中能量损失较少，遇到

分界面时能反射的特性，可用回波测距的原理，测定超声波发射后遇液面反射回来的时间，以确定液面的高度。超声波液位检测的原理图如图 2.3 所示。

图 2.3 超声波液位检测原理图

Fig.2.3 Schematic of ultrasonic liquid level measuremen

由图2.3可知

h=H-S （2.2）

式中S 为超声波探头到液面的距离，可由式2.1 求得，H 为超声波探头到容器底的距离，需要提前测定，h 为所要测的液位高度。

为了防止超声波发射探头发出的超声波直接传入接收探头引起误差，两个探头在安

装时应平行并且相距4～8cm。在软件设计时，为了消除这个误差，INT0 应当在超声波发射探头发射超声波后0.3ms 再开启，以防从发射探头发出的超声波直接进入接收探头触发中断。在20℃条件下超声波的传播速度为344m/s，超声波在0.3ms 时间内在空气中可以传播10.32cm，已经超出发射和接收探头之间的距离，此时超声波接收探头已经

接收不到从发射探头直接发射过来的超声波，此时再开启INT0 中断，就不会因为发射探头发出的超声波直接进入接收探头触发中断产生时间误差。

3 系统硬件设计

3.1 上位机系统

图 3.1 上位机系统框图

Fig.3.1 Block diagram of the host system

上位机采用 W77E58 单片机，在 W77E58 中，有 32KB 的可多次编程 flash ROM，256 字节的片内 RAM，1KB 的片内用 MOVX 指令访问的 SRAM，这在大多情况下，足以满足用户要求，不必外部扩展程序存储器和数据存储器。因此可以为使用者保留更多的引脚。

与 80C51 系列单片机比较，W77E58 主要有以下几个特点[3]:

（1）4 个时钟周期为 1 个指令周期，晶振最高可达 40MHz

（2）1 个额外的 4 位 I/ O 口

（3）3 个计数器/定时器

（4）12 个中断源

（5）32K 程序存储器

（6）256B 的 RAM

（7）1K 的片内 SRAM

（8）2 个全双工串口

（9）1 个程序看门狗定时器

W77E58 的管脚图（封装为双列直插式 DIP-40）如图 3.2 所示

与 80C51 单片机相比，除了其 P1 口增加了第二功能外，其它管脚的功能与其基本

相同。各管脚功能如下：

VDD : 电源

VSS : 地

/EA : I 当为高时，使用内部ROM，为低时，使用外部ROM

/PSEN：O 程序ROM 片选。当使用外部ROM 时，执行MOVC 指令或者读指令时，/PSEN 用来使能外部存储器。

图 3.2 W77E58 管脚图

Fig.3.2 The pin configuration of W77E58

如果使用内部ROM，/PSEN 无信号。

ALE O 数据锁存功能

RST O 高电位是CPU复位

P1：I/O P1 口有强上拉电阻

P1.0：计数器2 引脚

P1.1：计数器2 重装/捕获/计数方向控制脚

P1.2：串口1 收

P1.3：串口1 发

P1.4：扩展中断2

/P1.5：扩展中断3

P1.6：扩展中断4

/P1.7：扩展中断5

P4.0－P4.3 I/O 4 位I/O 口。P4.0 也作为等待信号脚。

注意：串口0 的波特率发生器可用计数器1 或2。但串口1 的波特率发生器只能用计数器1。

3.2 液位测量系统

3.2.1 超声波传感器

超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为

同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型[6]。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。压电传感器属于

超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。

所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。

图 3.3 双压电晶片示意图

传感器的主要组成部分是压电晶片[7]。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，

即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可

转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。

超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价

格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交

流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和

方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上

加有频率为 f0 交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒

介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械

变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。

双压电晶片如图3.3 所示，当在AB 间施加交流电压时，若 A 片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。

双压电晶片的等效电路如图 3.4 所示，C0 静电电容，R 为陶瓷材料介电损耗并联电阻，Cm 和 Lm 为机械共振回路的电容和电感，Rm 为损耗串联电阻。

压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。

压电材料是压电换能器的研制、应用和发展的关键。早期应用的压电材料是压电单

晶体，其中首先是石英晶体，其后是一系列的人造水溶性晶体，如磷酸二氢胺。在这些早期的压电材料中，除石英晶体现在仍得到广泛应用外，其他实际上已不常应用。

压电陶瓷的出现，开辟了压电材料的广阔前景，也使压电换能器的理论发展和实际

应用提高到一个新的高度。压电陶瓷比任何单晶材料更富多方面的适应性，从物理性质上看它是坚硬的，具有能够施加或承受很大应力的能力，而从化学性质来看它却是“惰性”的，并且不受潮湿和其他大气条件的影响，这比一般人造单晶要好的多。而且，压电陶瓷制作方便，几乎可以做成任何需要的形状和大小，并且可以自由选择其极化方向。当然，作为换能材料最主要的还是由于它具有优异的压电性能。压电陶瓷可以通过改变其化学成分及添加杂质来改变其各方面的性能，以适应各种不同的用途，因此其品种比较多，用作换能材料的主要有钛酸钡压电陶瓷、硞钛酸铅压电陶瓷、偏铌酸铅压电陶瓷、钛酸铅压电陶瓷等。

图 3.4 双压电晶片等效电路

在共振频率附近，超声换能器的阻抗持性和共振特性与 LC 电路的阻抗特性和共振

特性非常相似。因此，利用机电类比的方法，可以用一个由相应电子元件所构成的 LC 电路来表示超声换能器的等效参数和特性。这样的电路即为超声换能器的等效电路。对于一个通过逆压电效应激发的超声换能器来说，在任何共振频率附近，其电行为可以用图 3.5 所示的 LC 电路来描述。

图 3.5 超声换能器等效电路

在这种情况下，图中 Ll 称为超声换能器的动态(或等效)电感，C0 和 Cl 分别称为超声换能器的并联电容(或静电容)和动态(或等效)电容，R1 称为压电换能器的动态(或等效)电阻，或称机械损耗。在超声换能器的共振频率附近，如果只存在一种振动模式，

即没有其他寄生响应，则在串联共振频率附近很窄的频率范围内，可以认为超声换能器

的等效参数 Ll、C0、Cl 和 Rl 与频率无关。为了保证满足这一条件，对超声换能器必须选择合适的尺寸，以便将其主振动模式与其它振动模式充分区分开来。

超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及

金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波

能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形

辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。

超声探头按其结构和使用的波型等分类有：直探头、斜探头、可变角探头；直接接

触式探头、水浸探头、轮式探头；纵波探头、横波探头、表面波探头等[7][8]。

直探头主要用来发射和接收纵波，因此也称纵波探头；直接发射横波的称为横波直

探头。直探头的结构主要由压电晶片（振子），阻尼块（也称吸收块或背衬）及保护膜

组成。直探头被广泛用于锻件、铸件、板材等的探伤。

斜探头主要用来发射和接收横波，所以也称横波探头。它主要由压电晶片、阻尼块

和斜楔组成。晶片产生的纵波通过斜楔斜入射于工件表面，在工件内产生横波，为了排

除纵波的影响，入射角要求在第一临界角和第二临界角之间。斜楔的材料一般为有机玻璃，其形状应使超声波在斜楔内传播后不返回晶片，以免产生杂波，同时在斜楔灌有吸

声材料，以便吸收斜楔内的多次反射波。当纵波入射角增加到横波临界角（横波折射角

为 90 度时），在工件中将产生表面波，用来接收和反射表面波的探头称为表面波探头，它是斜探头的一个特例。斜探头主要用于焊缝、棺材等的探伤。

可以改变入射角的探头称为可变角探头，它可以在工件内产生纵波、横波。两块晶

片装在同一探头里，一个晶片用于发射而另一个晶片用来接收的探头称为双晶探头。其

又称分割式探头或组合式探头，主要由发射晶片、接收晶片、隔声层和延迟块等组成。两晶片相互有一夹角，是为了发射和接收声束有一个交点。能将超声波会聚成细束状（线状或点状）的探头称为聚焦探头，聚焦探头主要有三种：晶片做成凹面状、通过反射聚焦、采用声透聚焦。

在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传

播的过程中衰减较大，检测距离变短，分辨力也变高。由于本系统所要测量的范围为 0～5m，对检测精度的要求也不是非常高，考虑到工业现场环境和成本等原因，本系统采用直射式探头 T/R40-16，此探头是 40KHZ 的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器

T40-16 和一支接收传感器 R40-16 组成。

表3.1 传感器特性参数表

3.2.2 信号调理电路

图 3.6 下位机系统框图

信号调理电路包括超声波发射电路和超声波接收电路两部分。其系统框图如图 3.6

所示。超声波发射电路用来在单片机给其信号要求发射超声波时驱动超声波发射探头

T40-16 发射频率为 40KHz 的超声波；超声波接收电路用来处理超声波接收探头 R40-16 接收到的由超声波转换而来的电信号，并将其传送给单片机的 INT0 口。

（1）超声波发射电路

超声波发射电路所要完成的功能是接收单片机的控制信号，根据该控制信号产生频

率为 40KHz 的方波信号，经过放大后传送给超声波发射探头发射超声波。

方案一：

图 3.7 由双向可控硅组成的超声波发射电路

如图 3.7 所示，单片机的 P1.0 输出 lus 的单脉冲信号，该信号用于控制双向可控

硅 2N6349A 的导通/关闭。可控硅通常处于关闭状态，在单片机未发射触发脉冲之前，

电容 C7 的两端充有 600V 的高压直流电。当触发脉冲到来的瞬间，SCR1 首先导通，脉

冲信号经过 C4 触发 SCR2，使得 SCR2 导通。导通的一瞬间使得电容 C7 的一端被拉为低电平，由于电容两端的电压不能突变，所以电容 C7 两端有了 600V 的电压差，电容 C7 通过二极管 Dl、D2，R13、R12 和超声波探头开始放电，由于超声波探头的阻抗远远大

于电阻 R12、R13，所以电阻 R12、R13 两端的电压就加到超声波探头的两端，加到超声

波探头两端的电压波形是电压为 600V 的一个负脉冲，从而激励压电晶片振动，使之发

射超声波。发射触发脉冲结束后，SCRI 的 G、K 接地，不满足导通条件，最先关闭。SCR2

的电路中，C6 通过 R10、R11 放电，由于 C6 是耐高压低电容，所以在瞬间放电完成后 SCR2 关闭。可控硅又处于关闭状态，等待下一次的触发脉冲到来。

嵌入式课程设计温度传感器-课程设计(1)

@ 嵌入式系统原理与应用 课程设计 —基于ARM9的温度传感器· 学号：01** 班级：**************1班 姓名：李* 指导教师：邱* 、

课程设计任务书 班级: ************* 姓名： ***** 设计周数: 1 学分: 2 指导教师: 邱选兵 $ 设计题目: 基于ARM9的温度传感器 设计目的及要求: 目的： 1.熟悉手工焊锡的常用工具的使用及其维护与修理。 2.基本掌握手工电烙铁的焊接技术，能够独立的完成简单电子产品的安装与焊 接。熟悉电子产品的安装工艺的生产流程。 3.熟悉印制电路板设计的步骤和方法，熟悉手工制作印制电板的工艺流程，能 够根据电路原理图，元器件实物设计并制作印制电路板。 4.* 5.熟悉常用电子器件的类别、型号、规格、性能及其使用范围，能查阅有关的 电子器件图书。 6.能够正确识别和选用常用的电子器件，并且能够熟练使用普通万用表和数字 万用表。 7.掌握和运用单片机的基本内部结构、功能部件、接口技术以及应用技术。 8.各种外围器件和传感器的应用； 9.了解电子产品的焊接、调试与维修方法。 要求： 1.学生都掌握、单片机的内部结构、功能部件，接口技术等技能； 2.根据题目进行调研，确定实施方案，购买元件，并绘制原理图，焊接电路板， 调试程序； 3.} 4.焊接和写汇编程序及调试，提交课程设计系统（包括硬件和软件）；. 5.完成课程设计报告 设计内容和方法:使用温度传感器PT1000，直接感应外部的温度变化。使用恒流源电路，保证通过PT1000的电流相等，根据PT1000的工作原理与对应关系，得到温度与电阻的关系，将得到的电压放大20倍。结合ARM9与LCD，将得到的

超声波测距课程设计样本

目录 前言 1课题设计目及意义----------------------------------------------- 1 1.1设计目----------------------------------------------------- 1 1.2设计意义----------------------------------------------------- 1 1.3课题设计任务和规定------------------------------------------- 1 正文 1 课程方案设计------------------------------------------------- 2 1.1系统整体方案--------------------------------------------------- 2 1.2系统整体方案论证-------------------------------------------- 2 2系统硬件构造设计------------------------------------- 2 2.1 51系列单片机功能特点及测距原理------------------------------ 3 2.1.1 51系列单片机功能特点------------------------------------- 3 2.1.2 单片机实现测距原理 ----------------------------------------- 3 2.2 超声波电路构造------------------------------------------------ 4 2.3 超声波测距系统硬件电路设计---------------------------------- 4 2.4 PCB版图设计---------------------------------------------------- 5 3 系统软件设计----------------------------------------- 6 3.1 超声波测距仪算法设计---------------------------------------- 7 3.2 主程序流程图--------------------------------------------------- 7 3.3单片机某些C语言程序-------------------------------------------- 8 3.4超声波测距某些C语言程序-------------------------------------- 11

基于单片机的超声波测距系统设计实验报告 - 重

指导教师评定成绩： 审定成绩： 自动化学院 计算机控制技术课程设计报告设计题目：基于单片机的超声波测距系统设计 单位（二级学院）： 学生姓名： 专业： 班级： 学号： 指导教师： 负责项目： 设计时间：二〇一四年五月 自动化学院制

目录 一、设计题目 (1) 基于51单片机的超声波测距系统设计 (1) 设计要求 (1) 摘要 (2) 二、设计报告正文 (3) 2.1 超声波测距原理 (3) 2.2系统总体方案设计 (4) 2.3主要元件选型及其结构 (5) 2.4硬件实现及单元电路设计 (9) 2.5系统的软件设计 (13) 三、设计总结 (17) 四、参考文献 (17) 五、附录 (18) 附录一：总体电路图 (18) 附录二：系统源代码 (18)

一、设计题目 基于51单片机的超声波测距系统设计 设计要求 1、以51系列单片机为核心，控制超声波测距系统； 2、测量范围为：2cm~4m，测量精度：1cm； 3、通过键盘电路设置报警距离，测出的距离通过显示电路显示出来； 4、当所测距离小于报警距离时，声光报警装置报警加以提示； 5、设计出相应的电子电路和控制软件流程及源代码，并制作实物。

摘要 超声波具有传播距离远、能量耗散少、指向性强等特点，在实际应用中常利用这些特点进行距离测量。超声波测距具有非接触式、测量快速、计算简单、应用性强的特点，在汽车倒车雷达系统、液位测量等方面应用广泛。本次课设利用超声波传播中距离与时间的关系为基本原理，以STC89C52单片机为核心进行控制及数据处理，通过外围电源、显示、键盘、声光报警等电路实现系统供电、测距显示、报警值设置及报警提示的功能。软件部分采用了模块化的设计，由系统主程序及各功能部分的子程序组成。超声波回波信号输入单片机，经单片机综合分析处理后实现其预定功能。 关键词：STC89C52单片机； HC-SR04；超声波测距

超声波液位计的设计

基于参考声速法超声波 液位的测量 专业：电机与电器班级：06班姓名：陈志伟学号：2012230 基于参考声速法超声波液位的测量

摘要 目前市场上的超声波液位计品种多样，大多采用温度补偿方法对超声波传播速度进行校正，以提高仪表测量精度。此方法需在系统外加一个温度测量单元，通过测量环境温度，获得实际声速；由此也引进了温度测量误差，从而限制了系统精度的进一步提高。 本文是利用参考声速法实现声速校正的超声液位测量系统。设计中采用气介式测量方式，将一个反射性能良好的挡板固定在超声波探头和液面之间，通过测量挡板回波的时间，实现精确的声速校正，从而大大提高液位测量精度。此系统不但继承了传统超声波液位计的优点，而且无需采集环境温度，避免了由于测温误差引起的系统误差。 文中以超声波原理为理论依据, 以超声波传感器为接口部件, 利用超声波在空气中传播的时间差来测量距离, 从而设计了一套超声波测距系统。这种新型声速校正方法相对于传统补偿方法，性能更加优越，是今后超声波液位测量的发展方向，具有广阔的发展前景。 关键词：超声波液位计，探头，声速校正，挡板 第一章绪论

1.1液位测量的意义 近年来，随着电子技术的迅速发展，液位测量仪表中的测量技术经历了有机械向机电一体化再到自动化的发展过程。结合这两大技术，尤其是将微处理器引进液位测量系统，使得液位计的精度越来越来高，越来越来向智能化、一体化、小型化发展。在实际应用中，可根据需要选择合适的液位计，满足测量精度、测量环境等多方面的要求。 1.2液位计的种类 根据工作原理的不同，液位计可分为以下几种：直读液位计，浮子液位计，静压液位计，电磁液位计，超声波液位计，光纤液位计等等。传统的液位计逐渐被这些新型液位计所取代。新型液位计无论是在精度稳定性，还是在智能测量方面都比传统液位计有着明显的优势，是今后液位计发展方向。其中超声波液位计以其低成本高精度非接触式稳定性好等优势受到广泛青睐，发展出了适应不同场合的超声波液位计，广泛应用于石油化工，航空航天，水利，气象，环保医疗卫生，食品饮料等多个领域。 超声波液位计是非接触测量中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气传播速度及遇到被测液体产生反射的原理。可实现非接触测量、测量范围宽、并且测量不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，因此它的使用范围非常广泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蚀性及有毒液体等的液位测量。我国从就是年代开始将超声波测距技术应用到河流、湖泊等水体的水位测量中，以及油、浆等液体的液位测量中，超声波液位测量技术在越来越来多领域发挥极其重要的作用。 1.3超声波液位计概况 1.3.1国内外的超声波液位计发展 在国际上，把超声波技术用于液位测量己有较长时间，我国从20 世纪90 年代开始发展，将超声测距技术应用到河流、湖泊、水、渠等水体的水位测量中，以及油、浆等液体的液位测量中。目前国内高精度超声液位测量仪表的发展主要采用引进加吸收等手段，还有许多合资企业代理国外相应产品。国内自主研发超声波液位计的公司极少，不足十家，而且在测量范围，死区范围和精度都低于国外超声仪表的平均水平。有的厂家只有生产设备，没有标定装置。由此可见，我国在该领域的发展相对国外还有较大差距，在产品性能指标、仪表可靠性、企业

温度传感器课程设计

: 温度传感器课程设计报告 专业：电气化 年级： 13-2 学院：机电院 { 姓名：崔海艳 学号：35 … ^ -- 目录

1 引言 (3) 2 设计要求 (3) 3 工作原理 (3) 4 方案设计 (4) … 5 单元电路的设计和元器件的选择 (6) 微控制器模块 (6) 温度采集模块 (7) 报警模块 (9) 温度显示模块 (9) 其它外围电路 (10) 6 电源模块 (12) 7 程序设计 (13) — 流程图 (13) 程序分析 (16) 8. 实例测试 (18) 总结 (18) 参考文献 (19) \

。 1 引言 传感器是一种有趣的且值得研究的装置，它能通过测量外界的物理量，化学量或生物量来捕捉知识和信息，并能将被测量的非电学量转换成电学量。在生活中它为我们提供了很多方便，在传感器产品中，温度传感器是最主要的需求产品，它被应用在多个方面。总而言之，传感器的出现改变了我们的生活，生活因使用传感器也变得多姿多彩。 温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同，在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大，滞后现象严重，存在很多不确定的因素，难以建立精确的数学模型，从而导致控制系统性能不佳，甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用，但由于继电器动作频繁，可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的PID控制方式，但PID控制对象的模型难以建立，并且当扰动因素不明确时，参数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测 2 设计要求

超声波测距器课程设计

《微机原理及应用》课程设计 超声波测距器的设计 学生姓名郝强 学号20110611113 学院名称机电工程学院 专业名称机械电子工程 指导教师王前 2013年12月27日

摘要 随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。 关键词：超声波；传感器；测量距离；控制

目录 摘要 (2) 目录 (3) 1.设计目的 (4) 2.总体方案 (4) 3.硬件设计 (5) 3.1 超声波测距器硬件电路设计 (5) 3.2.1单片机芯片的选择 (6) 3.2.2AT89C51定时计数应用电路 (6) 3.3超声波发射电路设计 (6) 3.3.1选择超声波发生器类型 (6) 3.3.2 超声波发射电路设计 (7) 3.4超声波接收电路设计 (8) 3.5超声波显示电路设计 (9) 4.软件设计 (9) 4.1波测距器的算法设计 (10) 4.2系统的主控制程序设计 (11) 4.3发生子程序设计 (12) 4.4接收中断程序设计 (13) 4.5显示程序设计 (14) 4.6距离计算程序 (15) 5.结论 (17) 参考文献 (18)

单片机应用_超声波测距器

单片机课程设计 一、需求分析： 超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量围在１m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。 本文旨在设计一种能对中近距离障碍物进行实时测量的测距装置，它能对障碍物进行适时、适量的测量，起到智能操作，实时监控的作用。 关键词单片机AT82S51 超声波传感器测量距离 二、硬件设计方案 设计思路 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。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具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离 测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，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340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。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。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要求。 超声波发生器可以分为两类：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。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51单片机作为主控制器，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完成，超声波测距器的系统框图如下图所示： 超声波测距器系统设计框图 主要由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组成。采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

超声波液位测量系统设计

超声波液位测量系统设计阳华忠孙传友长４女学电，；学Ｍ４¨０２５ 鞭蛹隧鞠獬黼黜裂簿螽缓灏醺戳黼｛ｔ＊ｔ☆ｓＰｃＥｏＢｌ＾女ｍ●＾‰，ＬＭｌ８１２≈，《｛目＾《ｔＥ“＆”＾＃＆＊雎＊ｔ｛《．＊＃自＆ｍ￡ｉ”１“女Ｔ一＊＊¨ｔ《，”‘ｆ＃十∞｝ｍ＊．ｍｔＴ≈，《ｔｔｔ湿度．＊＾．Ｂ§ｆ＃境目ｔ＊Ⅻｔ十￥∞＃自．ｔｍ７｝＃《＊目＾＃＾＊＆镕■ｔ十来目ｆ＆．＃＾ｉ＆＆■ｔ¨＃＊ｔ．豳■蕾鞠积整黼燃霸麟醐黼｝Ｅ＃．｝ｍ＊，《’女；ＬＭｌＢ１２ １引言 ｎ【】＿＿超市披挂求班｝Ｋ迅速．４、Ｍ渗墟刮＊个镯域．¨仃军￥Ⅸ玎驯缭婶冉ＩＩｉｉ＃８有ｒＬ￡的“川．漓ｆ±☆１删＊和托Ｍ也址日常ｔ僻巾十最盛的邻ｊ域＋披ｆｔ的删＊片证卉他毒。恻如羞Ⅲ往洲ｎ液俺Ｕ锌“，删屉池位，赳胜补偿趟自浊扯删量池似等等ｍ采邢ｔ些方法会Ｊ、腰劣∞环境和抽悼峦‘￡的坐化给删＊带ｍ＃ｋ的瞄莘…毕“；ｆｍ悼具有蝇蚀什…嘲蚀删抽越＾¨埘Ｉ№－陋，奉＆计性出ｒ坫ｆ浮ｒｎ０磐【匕浊ｍｓ｝，ｃｌ，∞ｌ＾．１…单Ｊｔ扎ＬＭｌ８ｌ二越ｒ々渡々ｍ推成，０片＃【ｆ占，ｌ的古洼自ｇ｛ｋＩ。硅Ｕ越。水《统可蒜性－≈．近Ｈ１ｆｊ：％精度高。 ２参比法液位测量原理 警比洼Ｈ娘理是利用超｝＂往换能８发一¨１１０趟－；浊忸冲］Ⅲ过’Ｌｎ《传播０ｇ鹰崔ｆｔ转＾的并【日处掰成ｆｉ针日睦ｆ々到搀能＊片搏Ｍ接收。精Ⅲ忧５超声被¨垃日十纠挡牧自坩＿｛，Ｊ就“Ｊ眦牯确地计算Ⅲ随Ⅻ４披体的触协。其原Ｈ圳Ⅵｌ，ｊ超声藏＃射Ｊｉ掳４￡趟十波∞传感＊就鼻ｍ趺控憧剑州柬ｍ泄ｆ：号求…濉足“枉准环处ｒ“生的删∞帅时问为【ｏ。Ｂ求Ｈ“＃是Ｉ＿Ｉ＿泞ｒ灶产’ｐ的，删址的时问山ｒ６掉Ｆ陆触洲浦傩的披１Ⅳ峦ｆＬｍ坐化超Ｊ：一被“行早以ｊ，的７Ｌ秆ｍ。…々播。山十越钠【ｄ的ｊ｛罐中１怍，超Ｆ＊纠Ｋ，＊ｑ■ｆＪ｝”｝千肌蛳的琏鹰＋Ｈ‘÷，山ｆｔ可得 咖｝ Ｐ止巾ｖｆ）是超，ｒ漓到拉准环∞迹Ⅱ。Ｖ是超声涟刊ｉＴｒ顺＿ｆｉｉ自０Ｊｌ嚏．“ｒ“推１１１： ⅢＪ＋ Ｈ一＝＿』 胜艟Ⅻ目演津的液化－ ¨】｜０＿ｈｄ ｝ｒ＝Ｈ卜坐１一ｄ ｌ＾?ｈＨ是储删砝液体的涟ｎ ｈ－挂地奇被传晦％爿存＊睡带的ｍ离；ｈ 是超■被心堪＊Ⅻ＂，琐部的Ｈ捕．酒过 删％的时州“弹其值?ｈｏ是超声被ｆ々盛＊ 判｝ｔｔ＊Ｍ一的啦离．一ｑ椒擗址日】肫ｍ】稠整棱 挂环的ｒ＊度；ｄ是泞ｒ项而刊油自帕＊ 离。ｍ此”ｒⅢ删址日ｆ々出＃艘∞谴虚￡ 芏＊仃枉州温睦ｍ鹿，≮Ｈ描｛啊超 Ｊｈ挫∞速疃拚呆统带沫舶ｍ菇。 法ｉ坑錾盛观Ｊ＃功矩｛【ｌ减少ｉ统琨 蕈麓世ｇｍ满Ｍｍｒ要求苴Ｍ ｔ管的底口?‘ｏ№删ｆ＆体连通恒ｆ＊删陂 似进＾【Ｉ｜ＩＩ最昔：¨’，浮于的密度９０川、 Ｔ触目哺体的密嘘．ＪＬ汗子具备托惭蚀 忡；其。，抟ｃ＊环＿胛丁＾选有利于起｝ ＊ｉ川ｎⅡ“抖；】ｌＨ，Ⅲｌ量管录Ｉ¨抗腐蚀 忡蝗的十诱钢村料． 囤１臆理犀 ３硬件原理电路 牟系统纳简嘤碰什｝ｂ路¨ＲＩ！．性自ｆ 和拄牧Ⅻ什电路目ⅢＩＭ１ｓ１１趟■胜々… 鞋成ｏＩ＿ｌ。Ｍ１ｓｌ二硅种既能Ｋ进《能 接性超声波的０Ｈ呆¨』适块鞋戍，，ｌ以简 ｆｔ№ｍ“牿提高｛统的一，Ｊ稚性。０ｌ－内 郫乜拈：胩ｆ－ｐ州制ｃ生妊落＃，，＊增＆ 接收∞，脉冲啁，¨拴删＃啭自抑制≈， ‘ｊ８％【☆ｊ自电。Ｆｎ、ｆ．１ＭＩ８１２处于发时 模式．箱】符嘟外拄ｃ１ｌｉｋ亡ｍ瞎的世蚶 矗摊投的［怍撷牛ＬｌＣＩ扳蒿增蚰被憾为 振荡醺走，振荡信≈！｛驱ｒ女坡★后，Ｍ１３管 ｗⅡ６管脚输ｍ。 ’＿８管Ⅷ为Ⅱｌ“平时．ｉＭｌ８ｌ！处于 拉收懊文，趣声踺１々媾ｇ摇收“连日的衄 市披１ｊ号％电彝耦仟…４符脚输＾再经 内郫哺级般＾艘凡岳的ｆ；｝轴Ｕ】管删 的喈扳日路取出的竹母起送剑幢删￡． 目时竹檗Ｆ一也披捡删，－４“通过ｌ７管Ｗ外 接的电料进行滤眭。’１管Ｍ【Ｌ的电Ⅲ盘 拜小州＊能触牲怪Ⅻ蝌祝ｊ，器＆蜒蚓簋 Ｔ转￥”ＩⅢ” 圉３主程序流程圈 图２简要磋件电路目

超声波液位传感器结构及工作原理

超声波液位传感器是一种常用的测量仪器，被广泛的应用于多个行业当中。超声波传感器是一种利用超声波的特性研制而成的传感器，具有测量精准、检测范围广、使用灵活、维护简便等优点。接下来艾驰商城小编主要来为大家介绍一下超声波液位传感器的结构及工作原理，希望可以帮助到大家。 超声波液位传感器的结构 超声波传感器主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声传感器的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个传感器的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。 超声波液位传感器的工作原理 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.wendangku.net/doc/d14585903.html,/

基于超声波传感器的障碍物检测课程设计

《智能仪器仪表设计基础》 课程设计报告 单位： 学生姓名： 专业： 班级： 学号： 指导老师： 成绩： 设计时间：2013 年5月

指导老师提供的设计题目和要求 1、设计题目：基于超声波传感器的障碍物检测电路仿真设计 2、指导老师： 3、设计条件： [1]仿真软件可用Multisim10软件或者saber软件。 [2]超声波传感器详细参数： 工作频率：40KHz±1.0KHz 声压值：≥94dB(30cm/10Vrms sine wave) 灵敏度：≥-82dB/v/u bar(0dB=v/pa)； 余振：：≤1.2ms； -6dB方向性(度)：60°±10° 电容：2000pf±10%； 最大输入电压(Vp-p)：150(40KHz) 使用温度范围：-35℃—+80℃ 储藏温度范围：-40℃—+85℃ 4、设计要求： [1]设计电路包括超声波发射电路、超声波回波接收电路两部分。超声波发射电 路包括升压激励模块。超声波回波接收电路包括一级带通滤波电路、二级带 通电路、回波二值化电路组成。 [2]当在超声波发射电路输入端输入VPP=5V，Vmin=0V的方波信号时，超声 波发射电路输出端能输出VPP=100V~150V，f=40KHZ的一个激励信号。 [3]当在超声波回波接收电路输入端输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的正弦 波信号时，超声波回波接收电路输出端能输出电平信号。当在超声波回波接 收电路输入端输入低电平信号时，超声波回波接收电路输出端能输出高电平 信号。 [4]附加要求：请用虚拟仪器显示各个电路模块输入端信号及输出端信号 5、参考书目 [1]胡向东，刘京诚，余成波等编著，传感器与检测技术机械工业出版社，2009 [2] 张国雄主编测控电路机械工业出版社，第4版

温度传感器课程设计

温度传感器课程设计报告 专业：电气化___________________ 年级：13-2 学院：机电院 姓名：崔海艳 ______________ 学号：8021209235 目录 1弓I言................................................................... ..3

2设计要求................................................................. ..3 3工作原理................................................................. ..3 4 方案设计 ................................................................ ..4 5单元电路的设计和元器件的选择.............................................. ..6 5.1微控制器模块........................................................... .6 5.2温度采集模块...................................................... .. (7) 5.3报警模块.......................................................... .. (9) 5.4 温度显示模块..................................................... .. (9) 5.5其它外围电路........................................................ (10) 6 电源模块 (12) 7程序设计 (13) 7.1流程图............................................................... (13) 7.2程序分析............................................................. ..16 8.实例测试 (18) 总结.................................................................... ..18 参考文献................................................................ ..19

超声波传感器的设计与应用演示教学

超声波传感器的设计 与应用

传感器课程设计 （2010级） 题目：超声波传感器的设计与应用 学员姓 名：xxx 学 号：201003011020 学员姓 名：xxx 学 号：201003011027 学员姓 名：xxx 学 号：201003011003 xxx

二〇一三年九月

目录 ...............................................................................................................................................第一章超声波传感器简介........................................................................................ 1.1超声波传感器是什么 (2) 1.2超声波传感器应用前景 (2) 第二章超声波传感器设计 (3) 2.1设计目标描述 (3) 2.2 设计指标 (3) 2.3 传感器结构概述 (4) 2.4 传感器设计原理 (4) 2.4.1 物理部分设计 (4) 2.4.2 电路部分设计 (7) 第三章硬件设计 (8) 3.1 单片机设计 (8) 3.2 传感器设计 (11) 3.3 单片机与传感器连接 (12) 第四章软件设计 (13) 4.1 总体设计思路 (13) 4.2 软件程序 (13) 第五章测试结果与分析 (21) 第六章结论 (22) 参考文献 (24)

第一章超声波传感器的设计 1.1超声波传感器是什么 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 1.2超声波传感器应用前景 随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有 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，超声波传感器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

基于超声波传感器的液位测量

基于超声波传感器的液位测量 1.摘要 超声波传感器应用广泛，其中液体液位的准确测量是实现生产过程检测和实时控制的重要保障，也是实现安全生产的重要环节。本文主要介绍液位的测量。液体罐内液位测量的方法有很多种，其中超声波传感器由于结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制，所以超声波测量法得到了广泛的应用。2.超声波概要 超声波是指频率高于20kHz的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；它沿直线传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；它还具有强度大、方向性好等特点，为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。超声波传感器是利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制而成的传感器。超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械震动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。 3.检测方法选择 从测量范围来说，有的液位计只能测量几十厘米，有的却可达几十米。从测量条件和环境来说，有的非常简单，有的却十分复杂。例如:有的是高温高压，有的是低温或真空，有的需要防腐蚀、防辐射，有的从安装上提出苛刻的限制，有的从维护上提出严格的要求等。 按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型两大类。接触型液位测量主要有:人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计等。它们的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，即都存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。因此存在一定的磨损且容易被液体沾污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。非接触型液位测量主要有超声波液位计、微波雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等。顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不接触。因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。 根据以上几种因素得知，超声波液位计是非接触式液位计中发展最快的一种。超声波在同一种介质中传播速度相对恒定，遇到被测物体表面时会产生反射，基于此原理研制出

温度传感器课程设计报告1

温度传感器的特性及应用设计 集成温度传感器是将作为感温器件的晶体管及其外围电路集成在同一芯片上的集成化温度传感器。这类传感器已在科研，工业和家用电器等方面、广泛用于温度的精确测量和控制。 1、目的要求 1．测量温度传感器的伏安特性及温度特性，了解其应用。 2．利用AD590集成温度传感器，设计制作测量范围20℃～100℃的数字显示测温装置。 3．对设计的测温装置进行定标和标定实验，并测定其温度特性。 4．写出完整的设计实验报告。 2、仪器装置 AD590集成温度传感器、变阻器、导线、数字电压表、数显温度加热设备等。 3、实验原理 AD590 R=1KΩ E=（0-30V） 四、实验内容与步骤 ㈠测量伏安特性――确定其工作电压范围 ⒈按图摆好仪器，并用回路法连接好线路。 ⒉注意，温度传感器内阻比较大，大约为20MΩ左右，电源电 压E基本上都加在了温度传感器两端，即U＝E。选择R4＝1KΩ，温度传感器的输出电流I＝V/R4＝V（mV）/1KΩ＝│V│（μA）。

⒊在0～100℃的范围内加温，选择0.0 、10.0、20.0……90.0、100.0℃，分别测量在0.0、1.0、2.0……25.0、30.0V时的输出电流大小。填入数据表格。 ⒋根据数据，描绘V～I特性曲线。可以看到从3V到30V，基本是一条水平线，说明在此范围内，温度传感器都能够正常工作。 ⒌根据V～I特性曲线，确定工作电压范围。一般确定在5V～25V为额定工作电压范围。 ㈡测量温度特性――确定其工作温度范围 ⒈按图连接好线路。选择工作电压为10V，输出电流为I＝V/R4＝V（mV）/1KΩ＝│V│（μA）。 ⒉升温测量：在0～100℃的范围内加热，选择0.0 、10.0、 20.0……90.0、100.0℃时，分别同时测量输出电流大小。将数据填入数据表格。 注意：一定要温度稳定时再读输出电流值大小。由于温度传感器的灵敏度很高，大约为k=1μA／℃，所以，温度的改变量基本等于输出电流的改变量。因此，其温度特性曲线是一条斜率为k=1的直线。 ⒊根据数据，描绘I～T温度特性曲线。 ⒋根据I～T温度特性曲线，求出曲线斜率及灵敏度。 ⒌根据I～T温度特性曲线，在线性区域内确定其工作温度范围。 ㈢实验数据: ⒈温度特性

超声波测距课程设计.docx

附录 20 目录 .、八 、- 刖言 1课题设计目的及意义 ---------------------------- 1 1.1设计的目的 ------------------------------------- 1 1.2设计的意义 ------------------------------------- 1 1.3课题设计的任务和要求 正文 1课程的方案设计 ------------------------------- 2 1.1系统整体方案 ----------------------------------- 2 1.2系统整体方案的论证 ------------------------------- 2 2 系统的硬件结构设计 ----------------------------- 2 2.1 51系列单片机的功能特点及测距原理 ----------------------- 3 2.1.1 51 系列单片机的功能特点 -------------------------- 3 2.1.2单片机实现测距原理 ----------------------------- 3 2.2超声波电路结构 ---------------------------------- 4 2.3超声波测距系统的硬件电路设计 ------------------------- 4 2.4 PCB 版图设计 ---------------------------------- 5 3系统软件的设计 ---------- 3.1超声波测距仪的算法设计- 3.2主程序流程图 -------------- 3.3单片机部分C 语言程序 ----- 3.4超声波测距部分C 语言程序 4实物制作 ---------------------------------- 17 4.1电路板焊接及连线图 ------------------------------- 17 4.2实物调试效果图 ---------------------------------- 18 4.3焊接电路板时所遇问题 ------------------------------ 19 --- 6 -——7 7 -----8 ——11

超声波避障小车设计

超声波避障小车设 计

Harbin Institute of Technology 课程设计说明书（论文） 设计题目：超声波避障小车 院系：电气工程及自动化 班级： 1 21 设计者：张佳炜 学号： 11 0316 指导教师：周庆东 设计时间： .09.14- .09.25 哈尔滨工业大学

课程设计考核表 题目：超声波避障小车 学生姓名：张佳炜班级： 1 21 学号： 11 0316 实验部分考核 总结报告评分 总成绩：指导教师签字：

哈尔滨工业大学课程设计任务书

开题报告 1立项依据 1.1立项目的 （1）设计一辆利用超声波传感器来实现避障功能的小车，使小车对其运动方向受到的阻碍作出各种躲避障碍的动作。 （2）深入学习单片机原理及其应用，提高程序的编写能力。 （3）掌握单片机系统外围电路的设计，了解超声波传感器的工作原理。（4）掌握软件和硬件调试的基本技巧与方法。 1.2立项意义 汽车作为人们不可缺少的交通工具，给人类带来了极大的便利，但随着汽车的量越来越多，交通事故也越来越多。交通事故成为了现在越来越严重的安全隐患。我们必须加强对汽车安全性能的考虑。随着电子技术、信息技术、网络技术的发展，智能汽车概念应运而生，将电子信息网络和汽车接合起来实现汽车的智能化，是传统汽车产业的机遇也是的挑战。汽车的智能化必将是未来汽车产业发展的趋势，在这样的背景下，我们开展了基于超声波的智能小车的避障研究。 超声波具有穿透力强、方向性好、操作简单、方便、快速和安全等的特点，在很多 领域有着广泛的应用前景。超声波作为智能车避障的传感信号，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。作为一个发展大

基于单片机的超声波测距报警系统设计

综合性课程设计报告基于proteus仿真软件的超声波测距报警控制器设计 院系：计算机与通信工程学院 专业：电子信息工程 学号： 姓名： 指导教师： 设计时间：2012/6/27 综合课程设计任务书

专业：电子信息工程班级：4091603： 设计题目：基于proteus仿真软件的超声波测距报警控制器设计 一、设计实验条件 keil C和proteus仿真软件 二、设计任务 1)总体功能设计 2)硬件电路设计 3)软件设计 4)工作总结 三、设计说明书的容 1．设计题目与设计任务（设计任务书） 2．前言（绪论）(设计的目的、意义等) 3．主体设计部分（各部分设计容、总结分析、结论等） 4．结束语 5．参考文献 （答辩时间18周星期日晚7：30，地点：综合楼1313室） 四、设计时间与设计时间安排 1、设计时间：2周 2、设计时间安排： 熟悉实验设备、实验、收集资料：2 天 设计计算、绘制技术图纸：5 天 编写课程设计说明书：2 天 答辩：1 天 目录

一、设计题目 (2) 二、设计任务及要求 (3) 三、设计容 (3) 1.绪论 (3) 2.总体方案 (4) 2.1 总体设计方案 (4) 2.2超声波测距框图 (4) 3.系统硬件设计 (5) 3.1 硬件设计方案 (5) 3.2 各主要模块的硬件设计 (6) 4.系统软件设计 (10) 4.1 程序设计 (10) 4.2 程序流程图 (10) 四、结束语 (13) 五、参考文献 (13) 附录A 系统仿真图 (14) 附录B程序代码 (15) 一、设计题目 基于proteus仿真软件的超声波测距报警控制器设计

超声波液位测量系统的设计

黄河科技学院本科毕业设计任务书 信息工程学院电子与通信工程系电子信息工程专业级班学号学生指导教师王二萍 毕业设计题目超声波液位测量系统的设计 毕业设计工作内容与基本要求 一、背景和意义 液位控制问题是工业过程中的一类常见问题，目前国内在液位自动控制方面缺少长期可靠的使用范例，还没有适用于液位测量和自动控制的定型产品。因此研究出一种超声波液位传感器很有必要。传统的液位测量绝大多数都是人工控制，造成了人力资源的浪费，同时安全性可靠性都不高，采用单片机实现液位测量即可避免这种情况的发生。 二、目标和任务 本设计目标是针对现有液位传感器的不足，开发一种大量程、精度高、带有标准工业控制输出接口的超声波液位传感器，建议采用单片机作为超声液位传感器的控制核心，能够简化控制电路设计；采用单一换能器进行超声波的发射和接收以降低装置成本；采用多级二阶有源滤波器以提高信噪比，进而能较大限度地提高对微弱回波信号的放大倍数。最后根据设计原理图焊接、调试。 三、途径和方法 1.从网络上查阅此领域最新研究成果，并查阅相关理论知识，利用单片机控制技术的相关知识整理出硬件设计方案； 2.在已搭建的硬件的基础上构思软件流程，给出程序； 3.软硬件联调。 四、主要参考资料 [1] 白宗文，刘生春，白洁.基于单片机的超声波测控液位系统的设计[J].电子设计工程,2011（18）:33～36． [2] 么启等. 基于DSP的超声波明渠液位测量系统[J].电子设计工程,2011（21）:142～145． [3]房小翠、熊光洁、聂学俊等，单片微型计算机与机电接口技术[M]．北京；

国防工业出版社，2002． [4]王质朴，吕运朋，MCS-51单片机原理、接口及应用[M]．北京：北京理工大学出版社,2009. [5] 杨素行等.模拟电子技术基础简明教程[M].北京：高等教育出版社,2001. [6] 闫石.数字电子技术基础[M].第三版.北京: 高等教育出版社,1989. 毕业设计时间：2013 年 2 月10 日至2013 年 5 月25 日 计划答辩时间：2013 年 5 月22 日 工作任务与工作量要求：原则上查阅文献资料不少于12篇，其中外文资料不少于2篇；文献综述不少于3000字；文献翻译不少于3000字，理工科类论文或设计说明书不少于8000字（同时提交有关图纸和附件），提交相关图纸、实验报告、调研报告、译文等其它形式的成果。毕业设计说明书撰写规范及有关要求，请查阅《黄河科技学院本科毕业设计（论文）指导手册》。 专业（教研室）审批意见 审批人签名：