超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而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。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场。例如：液位、井深、管道长度等场合。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，因此在测控系统的研制上也得到了广泛的应用。本文介绍一种以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。

    超声波是一种频率超过20kHz的机械波。为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，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、磁致伸缩型和电动型等；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。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

    压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示。它有两个压电晶片和一个共振板。发射超声波时，压电中的压电晶片受发射电脉冲激励后产生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。接收超声波时，两电极间未外加电，共振波接收到超声波，将压迫压电晶片作振动将机械能转换为电信号。

    　　超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于共振法的应用要求复杂。在这里使用脉冲反射式。

　　超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时。超声波在空气中传播。途中碰到障碍物就立即返回来。超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为C，而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差t。就可以计算出发射点距障碍物的距离s.即：S：Ct／2。这就是所谓的时间差测距法。由于超声波也是一种声波。其声速c与温度有关。表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大。则可认为声速是基本不变的。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。

    　　声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距系统的机理。

    　　位数据总线。它有一个可编程的全双工串行通信接El，能同时进行串行发送和接收0通过RXD引脚（串行数据接收端）和TXD引脚（串行数据发送端）与外界进行通信。本超声波测距系统以的AT89C51为中央处理器，其系统原理框图如图2所示。

　　系统上电工作后，由脉冲发生器发出以脉冲信号，该脉冲信号一方面通过驱动的电路推动脉冲发生器发出超声波脉冲，另一方面，触发AT89C51内部定时器T1（由外部中断INT0实现）开始定时；同时由AT89C51控制按时间自动改变放大其增益，即按发射波未到达接收器的传播时问逐渐增大放大器增益。接收到的超身回波经过发大、后，一是直接送给鉴幅器，二是经峰值保持电路提取回波峰值作为阈值的基准信息。AT89C51通过ADC0809采样回波峰值，经过软件加权处理后作为鉴别阈值，再经过DAC0832送给鉴幅器。当回波包络中某个波被鉴别出来时，则立即触发外部中断INT1关闭定时器T1，同时，P1.1设置检测窗口；由TO计数器窗口内鉴别回波个数12，根据n确定下次鉴别给定值的大小，闭环控制至n≤5为止。然后从补偿值表中取出与rl对应的补偿值，对T1的计时时问（实际上这是从发射超身波到接收到第一个鉴别回波之问的计数值，计数周期为lUS，12M品振）进行修正，获得超声波实际的往复传播时问，再通过3字节浮点运算求出距离，由AT89C51串行通信口送LED显示。本系统每隔5s采样一次环境温度，以修正声速，所以在系统还可以加入温度传感器来监测环境温度，把表l所列的数据做到程序中可进行温度补偿。

    不同形状和位置的对象物，其回波波形大致，只是波幅不通。于是，该系统采用了变阈值鉴幅固定补偿法：

    （1）采用微处理器闭环控制自动改变阈值；

    （2）在超声回波中鉴别其包络峰附近少于6个波的第一个波，形成关闭定时器的触发信号，并同时设置检测窗口；

    （3）计数检测窗口内的鉴别回波格式n（鉴别回波=窗口内鉴别回波数+1）个；

    （4）判断n的大小，若n>5，则减小鉴别规定阈值，转到（2）重新检测。 若≤5，则从先验的固定补偿值表中取出与n相对应的补偿值进行修正一其鉴别回波提取及补偿时间表示如图3所示。

    可见，不同的At对应不同，作为先验数据先通过实际测试、观察得到，建立补偿值表存在存储器中。

    本超声波测距系统的误差主要由系统误差、环境误差、检测误差、定时时间误差、补偿时间误差等组成。该系统采用变闭值固定补偿法后，可以补偿时间误差较小。

    提高了检测信号的S／N比，从而提高了超身波测距的精度和范围。

    AT89C51单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。超声波测距仪就是用A F89C51单片机开发设计的。它采用模块化设计，由主程序、定时干程序、显示子程序等模块组成。在此给出主程序框框图。如图4所示。 

对固定材料、结构的超声波，其检测波特性不变，即再发射传感在同一激励源作用下发射超身波，其反射波的波形变化规律，不会因为对象物类型，距离的改变而变化，只是波幅不同而已。故该系统采用了变阈值鉴幅固定补偿法，减小了误差，从而提高了测距精度。该系统发射脉冲电压为20V，对平面物体做了多次测量发现，测距范围为10m，测距精度为0.2％。可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。

    因此，它不仅可用于移动机器人，还可用在其它检测系统中。

• 基于STC89C51单片机的水位传感器控制系统设计.doc

  基于STC89C51单片机的水位传感器控制系统设计

  本设计简单、方便、成本低，采用的是比较优化的电路设计方案；以单片机STC89C51为核心控制水塔水位, 利用简易的水位传感器进行水位信号采集，通过单片机对采集来的信号进行处理后，以便控制水泵工作。该系统操作方便、性能良好，比较符合电厂生产用水系统控制的需要。本文还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了该汇编语言程序。

  关键词　STC89C51；水位传感器；水位控制

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  第2章 51单片机基础4

  第3章 硬件电路设计11

  3.1 硬件电路总体设计11

  3.2 水位测量电路设计12

  3.2.1 水位传感器的设计与原理12

  3.2.2 水位传感器工作原理15

  3.4 水泵电机控制电路设计17

  4.2 水位测量部分软件设计22

  4.2.1 水位测量部分软件设计说明22

  4.2.2 水位测量部分软件设计23

  4.3 显示与水泵控制部分软件设计25

  目前，水位控制在日常生活及工业领域(工厂、农场、学校等用水量大的场所)中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而以往水位的检测和控制一般是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室，然后主控室再开动电机进行相应的水位控制。很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。并且经常会出现在蓄水时，由于工人的疏忽大意，忘记关闭蓄水阀门，大量的水从水塔顶部外流。造成了“水漫金山”，这样不仅浪费了水力资源，同时也浪费了大量的电能；甚者会造成重大损失。

  另外在我国，节电节水的潜力非常大。据有关国际组织发表的资料显示:中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等国的4倍左右，消耗的水是他们的2倍左右。我国的大量用电设备中，风机和泵类电机的耗电量占全国发电量的50%左右,若适当地节约水电,可节电40%左右,即可以节约全国发电量的1/5.由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多,因此,在我国一方面水电供应紧张,而另一方面,水电的浪费又十分惊人.节电节水,不仅潜力巨大,而且意义深远。

  因此，研制出一种能自动检测、控制水位的装置有很重大的意义，我所研究的就是这方面的课题。

  随着科学技术不断的发展，人们的生产水平也随之提高。智能化产品的出现，解决了人们生产、生活当中的许多实际问题。从而减轻了人们的劳动强度和资源浪费。

  (1)通过这次课程设计，加深对单片机理论方面的理解。

  (2)掌握单片机的内部模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存储器、I/O口

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  系统由AT89C52单片机+HC-SR04超声波测距模块+LCD1602液晶屏+继电器+LED灯指示及蜂鸣器报警模块+按键模块+电源构成。

  1、由HC-SR04超声波测距模块测量并用LCD1602显示液位；

  2、可以通过按键设置液位范围；

  3、当水位高于水位上限的时候，水位高报警，继电器控制水泵停止加水；

  4、当水位低于水位下限的时候，水位低报警，单片机控制水泵开始加水。

  H------容器的最高水位设定值

  L------容器的最低水位设定值

  D-----容器实际高度（可以设置）

  C-----容器内液体的高度

  按键：设置键、增加键、减小键、复位键

  指示灯：红色----超过设定的最高水位H  

  黄色-----低于设定的最低水位L

  绿色----最高H和最低L中间

  大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监测器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。所以，对水箱控制，如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。

  从水资源节约方面考虑，以往的人工控制在很多情况下，造成资源不必要的浪费，大部分原因是水箱内部水位没有及时的反馈信息到操作员，从而使控制上有一定的延迟，从而造成了水量过多或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常。而对水箱水位的监控以及自动化的引入可以很好的改善补水过多和及时补水的情况，可以很好的节约资源有效的降低成本。

  单片机，一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使众多自动化控制系统得以实现。80C51以它功能强大，设计简单，制造廉价，支持指令集较多。所以应用到众多嵌入式系统开发中。

  综上所述，可以看出对本课题水箱液位检测系统设计的研究有着重要的意义。

  超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485数据输出。

  主程序主要完成初始化和协调子程序调用的工作。首先要完成单片机存储系统的初始化，然后开始发射超声波并启动计时器，等接收电路接收到超声波信号后，引发单片机内部中断。计时完毕后主程序开始处理数据，最后做出相应的动作。

  本设计利用KEIL5软件实现程序设计，具体如图。

  本设计利用protues8.7软件实现仿真设计，具体如图。

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  利用超声波传输中距离与时间的关系，采用8051单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波液位检测系统。并通过液位的高低开，通过控制继电器，选择注水或者放水。
  主要由51单片机+HC-SR04超声波传感器+LCD1602液晶+水泵+按键+蜂鸣器+继电器设计而成；如图：
  

  （1）本设计中液晶显示有4个字母，分别为
  H------容器的最高水位设定值（不能高于实际高度）
  L------容器的最低水位设定值
  D-----容器实际高度（可以设置）
  C-----容器内液体的高度（在实际演示中，障碍物离探头越近，液晶C显示越大，因为障碍物好比液面，离探头近了说明水位高了）
  （2）如果容器实际高度D你设置为1米，那么C液体的高度最高能测到98cm,因为探头的盲区在2cm左右。如果D设为2米，那么最高能测到1.98m。
  （3）按键功能分别为：设置键 增加键 减小键 复位键。
  （4）三个指示灯的分别功能为：红色----超过设定的最高水位H；黄色-----低于设定的最低水位L；绿色----最高H和最低L中间。
  （5）当液位高于或者低于设置值，蜂鸣器报警；
  （6）当液位高于最高水位设定值，排水继电器打开；当液位低于最低水位设定值，注水继电器打开；

  (1)原理图主要采用AD软件进行设计,如图：
  

  
   delay500ms(); //启动延时，给器件进入正常工作状态留够时间 
   
   
   //阀门动作：初始先排水
   
   
   
   
   
   //清零定时器和计数变量以及标志
   
   while(g_flag05s == isNo) //延时0.52秒，以防止此期间返回的超声波产生错误信息，并使显示变化放慢，保证视觉效果
   //清零定时器和复位标志
   
   
   //用减小按键取消报警标志
   
   
  

  如需资料请关注公众号“单片机实例设计”，首页回复“超声波液位”获取资料；
  

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