超聲波液位探測儀

摘要：超聲波液位探測儀是超聲波測距的一種應用。測距裝置是由超聲波傳感器，單片機，發射電路，接收電路，數字顯示器組成。其中超聲波傳感器是本系統的核心部分，單片機是本系統的的控制部分。本系統充分利用傳感器技術和自動控制技術相結合的測距方案。本系統指向性強，靈敏度高，工作穩定，性能穩定，控制方便，主要應用在汽車的倒車雷達，液位、井深、管道長度的測量等。下面將詳細介紹具體內容。

關鍵詞：超聲波單片機測距AT89C51

1 超聲波測距系統設計

1.1 原理 超聲波測距的原理是由單片機發出超聲波，通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物后所反射的回波，從而測出發射和接收回波的時間差，然后求出距離。

系統原理框圖如圖1所示：

1.2 總體設計方案 由單片機AT89C51編程產生40kHz的方波，發出后經放大后輸出，發出的超聲波觸及到障礙物后反射回來，由超聲波接頭接收，再經過處理后送至單片機，單片機通過計算處理后將結果送至LED數碼管進行顯示。

1.3 發射電路、接收電路和顯示模板的設計 發射電路是由74HC04集成芯片構成，其內部有六個反向器構成，具有放大信號的功能。

接收電路采用了由LM741進行放大，再輸出到單片機斷口；

顯示器為八段LED數碼顯示管，結構如圖2：

1.4 軟件設計流程圖 超聲波測距系統的軟件設計程序流程圖如下：

程序流程圖(a)為主程序流程圖，(b)為定時中斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。

2 超聲波傳感器

2.1 超聲波傳感器系統介紹 超聲波傳感器系統由發送器、接收器、控制部分及電源部分構成，構成如圖4。

超聲波發送電路和接收電路是超聲波傳感器系統中的關鍵電路，發送器和接收器為15mm左右的陶瓷振子，這一送一接是將電振動轉換為超聲波能，將機械能轉換為電能。

控制部分控制著超聲波傳感器的輸出和判斷接收器接收信號的大小和有無。

電源由外部供電，常為直流電壓。

2.2 原理 超聲波傳感器有發送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可以具有發送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理，壓電效應有逆效應和順效應，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發送器就是利用壓電逆效應的原理。

簡單介紹一下這個原理。所謂壓電逆效應如圖5所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應變。若在圖a所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖b所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時，外部負電荷與極化負電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，如圖c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。

超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過振動板接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點就成為振子振動的節點。金屬板的中心有圓錐形振子。發送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效率地發送超聲波；接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，所以，能產生高效率的高頻電壓。

2.3 超聲波傳感器的特性 現以MA40S2R接收器和MA40S2S發送器為例。

3 AT89C51單片機

AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。

3.1 原理 單片機是通過執行程序來工作的，機器執行不同程序就能完成不同的運算任務。所謂程序就是采用指令系統中的指令根據題目要求排列起來的有序指令的集合。通常，設計人員采用指令的匯編符(即助記符)形式編程。

3.2 單片機內部結構 單片微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。單片機由單塊集成電路芯片構成，內部包含有計算機的基本功能部件：CPU(Central Processing Unit，中央處理器)、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要與適當的軟件及外部設備相結合，便可成為一個單片機控制系統。

3.3 特性

AT89C系列單片機主要特性：

4K字節可編程閃爍存儲器

壽命：100寫/擦循環

數據保留時間：10年

三級程序存儲器鎖定

低功耗的閑置和掉電模式

128×8位內部RAM

全靜態工作：0Hz-24Hz

32可編程I/O線

兩個16位定時器/計數器

與MCS-51 兼容

可編程串行通道

片內振蕩器和時鐘電路

5個中斷源

管腳說明：

GND：接地。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

VCC：供電電壓。

RST：復位輸入。

ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。

/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。

4 誤差分析和調試

4.1 誤差來源 聲波傳輸速度與媒介的彈性模量和密度相關，利用聲速測量距離，要考慮這些因素對聲速影響。氣體中聲速主要受密度影響，液體的深度、溫度等因素會引起密度變化，固體中彈性模量對聲速影響較密度影響更大，氣體中聲速受溫度的影響最大。

另外，對于傳感器，一般來說溫度越高，中心頻率越低，為此，在寬范圍環境溫度下使用時，不僅在外部進行溫度補償，在傳感器內部也要進行溫度補償。

4.2 調試 首先測試發射電路對信號放大的倍數，先用信號源給發射電路輸入端一個40kHz的方波信號，峰——峰值為3.8V。經過發射電路后，其信號峰——峰值放大到10V左右。

40kHz的方波驅動超聲波發射頭發射超聲波，經反射后由超聲波接收頭接收到40kHz的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時衰減，所以接收到的波形幅值較低，經接收電路放大，整形，最后輸出一負跳變，在單片機的外部中斷源輸入端產生一個中斷請求信號。

基金項目：河北科技大學2011年度大學生科技創新基金項目。項目編號：201167。