山东交通学院毕业设计（论文）
摘 要
介绍了超声波测距的基本原理和系统框图，给出了超声波发射和接收电路，通过盲区的消除以及环境温度的采样，提高了测距的精确度。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。系统主要由超声波发射器电路、超声波接收器电路、单片机控制电路、环境温度检测电路及显示电路构成。利用所设计出的超声波液位检测系统，对液面进行了测试，采集当时的环境温度获得精确的速度，计算出液面距离。此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时检测液位。
关键词： 超声波，液位测量，温度传感器
1
李文婷：基于超声波的液位测量系统
Abstract
Introduces the basic principles of ultrasonic rangefinder and system diagrams, gives
ultrasonic transmitter and receiver circuit, Through the elimination of dead zone and the sample of ambient temperature, which improves the accuracy of the measuring distance. Use the relation between Ultrasonic transmission distance and time, take the 8051 microcontroller to control and data processing, devised to accurately measure the distance between two points of ultrasonic level detection system. The system is primarily consist of the ultrasonic transmitter, ultrasonic receiver circuit, microcontroller circuit, the ambient temperature detection circuit and show circuit. Use the ultrasonic level detection system, on the surface of a test, collecting at ambient temperature and getting an accurate speed, calculate the surface distance. This system is easy to control, reliable, high precision, real-time detection level.
Key words：Ultrasonic ,level measurement, temperature sensors
2
山东交通学院毕业设计（论文）
目 录
前言??????????????????????????????1 1 总体概述???????????????????????????2 2 超声波和超声波传感器?????????????????????3
2.1 超声波?????????????????????????3 2.1.1 定义???????????????????????3 2.1.2 超声波的主要参数?????????????????3 2.1.3 超声波的特性???????????????????3 2.1.4 超声波的特点???????????????????3 2.1.5 超声波传感器的主要应用??????????????3 2.2 超声波传感器测距原理??????????????????4 2.2.1 超声波传感器???????????????????4 2.2.2 超声波传感器的性能指标??????????????4 2.2.3 超声波传感器的结构????????????????5 2.2.4 超声波测距原理??????????????????5 3 MCS-51系列单片机???????????????????????7
3.1 8051单片机的总体结构??????????????????7 3.1.1 8051单片机的总体框图和功能????????????7 3.1.2 8051的引脚功能??????????????????8 3.2 8051单片机的定时器/计数器 ???????????????10 3.2.1 8051的定时器/计数器功能 ?????????????10 3.2.2 定时器控制寄存器?????????????????10 3.2.3 工作方式控制寄存器????????????????11 3.2.4 中断允许控制寄存器（IE）?????????????11 3.2.5 定时器/计数器的工作方式??????????????11 3.3 8051单片机的中断????????????????????12 3.3.1 中断的定义????????????????????12 3.3.2 8051单片机的中断源????????????????12 3.3.3 中断控制的专用寄存器???????????????13 4 硬件设计???????????????????????????16
4.1 8051 单片机的最小系统组成 ???????????????16 4.2 超声波发射电路设计???????????????????17 4.2.1 超声波频率及探头的选择??????????????17
3
李文婷：基于超声波的液位测量系统
4.2.2 超声波发射电路??????????????????17 4.3 超声波接收电路设计???????????????????18 4.3.1 超声波接收器???????????????????18 4.3.2 超声波接收电路图?????????????????19 4.4 温度检测电路??????????????????????20 4.4.1 温度检测方案的分析????????????????20
4.4.2数字温度传感器DS18B20简介????????????20 4.4.3 DS18B20的结构及电路???????????????20 4.5 显示方案的论证与选择??????????????????21
4.5.1 LED显示电路图??????????????????21 4.6 稳压电源????????????????????????22 4.6.1 稳压电源构成???????????????????22 4.6.2 +5V电源电路???????????????????23 4.6.3 +12V电源电路???????????????????23 5 软件设计???????????????????????????25
5.1 主程序设计???????????????????????26
5.1.1 主程序流程图???????????????????26 5.1.2 主程序??????????????????????27 5.2 中断服务子程序?????????????????????27
5.2.1 中断初始化????????????????????27 5.2.2 中断子程序流程图?????????????????29 5.3 温度检测子程序?????????????????????29 5.4 距离的计算???????????????????????30 结论??????????????????????????????31 致谢??????????????????????????????32 参考文献????????????????????????????33 附录 A?????????????????????????????34 附录 B?????????????????????????????35
4
山东交通学院毕业设计（论文）
前 言
随着科学的发展液位的检测方法也在变化，精度也有了更佳的提高。单片机技术和传感器技术的发展使液位测量方法得到了更进一步的发展。超声波在液位测量中的应用也越来越广，但是就目前的发展水平来说，超声波在测距系统中的应用还有一定的限度，因此研究超声波的液位检测是很有发展前景的。它在技术和产业领域具有广阔的发展空间。本次设计中，通过外界环境温度的检测提高了超声波测距的精度。通过延时避免了接收未经液面反射的超声波，其次利用温度传感器检测外界温度，采用当前温度下的超声波速度去计算，从而提高了距离计算的精度。
在未来，超声波的液位测量将有更大的用途，更大的应用范围。它不但可以帮助人们解决很多生活中的困难，还可以作为科学探测和研究的手段。特别是水位的测量，可以帮助确定水位的高度，以便于其他工作的顺利进行。
本设计中采用反射式的方式，超声波传感器发射超声波，遇到液面后超声波被反射回来，超声波接收探头接收超声波。其间通过单片机的控制，P1.0口输出控制信号从555振荡器输入到驱动电路驱动超声波发射电路，超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。经过液面反射后超声波接收探头将接收到的超声波送到单片机进行处理。单片机通过各个引脚来实现和各电路模块的接口连接。并通过软件的设计来控制整个检测过程。一步一步，从发射到接收超声波，定时器的初始化，中断程序的编写，温度的采样，距离的计算，单片机都发挥了重要的最用。它是整个检测系统的内部核心。
这次对超声波液位检测的设计获得了具有很大的成果和意义，在这个科学技术是第一生产力的时代，应用科学技术去解决生活中和工作的困难变得具有更高的价值。在设计中，我加深了对超声波的认识，对它的原理掌握的更好了。目前超声波已广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。此外我认识到单片机在各方面都有很大的应用潜能，在自动控制领域它更是发挥了不可替代的作用。本设计利用超声波实现液位的测量，检测方便，易于实时控制，达到了工业的要求，因此具有实际的意义和广泛的应用前景。
5