超声波液位测量系统课程设计

基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计

河 南 工 业 职 业 技 术 学 院

Henan Polytechnic Institute

毕业设计（论文）

题 目 基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计

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目录

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基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计

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

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基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计

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。

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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

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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。

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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

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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。

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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。

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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 。

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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。

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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。

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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

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/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。

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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

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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

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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

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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。

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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

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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

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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

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附图 2：上位机系统电路图

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附录B：程序

（1）超声波发射、接收及数据处理程序 #include //定义头文件 #include #include #include sbit P10=P1^0; int j;

int cnt=2000;

void PCA_ISR(void) interrupt 6 {

CCAP0L+=0; CCAP0H+=0x1e; CCF0=0;

cnt=cnt--; }

void T0_ISR (void) interrupt 1 {

P10=0; //由 1.0 口输出 40Khz 高电平 for(j=0;j<=1000;j++); //yanshi

TR1=1; //启动定时器1 }

void INT0_ISR (void) interrupt 0{

unsigned char time[2]; unsigned int tim=0; time[0]=TH0; time[1]=TL0;

tim=(time[0]*256+time[1])*1.085; //单位 us ////读出 T1 时间值 for(j=0;j<=1000;j++); //yanshi 延时 TL0=0xe9;

TH0=0xe9; //重新装入初值

TH1=0x00; //计数器 1 初值为 0，重新装入初值 }

void main(void) {

P10=0;

TMOD=0x11; //定时器 T0、T1 工作于方式 1 TL0=0xe9;

TH0=0xe9; //装入初值，定时 23us///即频率为 40Khz 的脉冲

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（2）无线数据传输程序

unsigned char tmpdata; sbit P11=P1^1;

void Serial_ISR(void)interrupt 4 {

if(RI) { RI=0;

tmpdata=SBUF; SBUF=0x88; }

else

TI=0; }

void main(void) {

SCON=0x50; TMOD=0x20; TH1=0xfd; TL1=0xfd; TR1=1;

ES=1; EA=1;

//SBUF=0x88; while(1); }

void dsreset(void) // {

uint i; //DS18B20 P11=0;

i=103; //480us~960us while(i>0)i--; P11=1; i=4;

while(i>0)i--; //15~60us }

bit tmpreadbit(void) //read a bit {

uint i; bit dat;

发送初始化及复位信号 初始化 读一位 47

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P11=0;i++; //i++ for delay 小延时一下 P11=1;i++;i++;

dat=P11;

i=8;while(i>0)i--; return (dat); }

uchar tmpread(void) //read a byte date 读一个字节 {

uchar i,j,dat; dat=0;

for(i=1;i<=8;i++) {

j=tmpreadbit();

dat=(j<<7)|(dat>>1); //读出的数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在 dat 里 }

return(dat); //将一个字节数据返回 }

void tmpwritebyte(uchar dat) //write a byte to ds18b20 { //写一个字节到 DS18B20 里 uint i; uchar j;

bit testb; for(j=1;j<=8;j++) {

testb=dat&0x01; dat=dat>>1;

if(testb) //write 1 写 1 部分 {

P11=0; i++;i++; P11=1;

i=8;while(i>0)i--; } else {

P11=0; //write 0 写0部分 i=8;while(i>0)i--; P11=1; i++;i++; }

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}

}

void tmpchange(void) //DS18B20 begin change 发送温度转换命令 {

dsreset() //初始化 DS18B20;

delay(1) //延时;

tmpwritebyte(0xcc); // 跳过 64 位 ROM 编码 tmpwritebyte(0x44); //发送温度转换命令 }

uint tmp() //get the temperature 获得温度 {

float tt; uchar a,b; dsreset(); delay(1);

tmpwritebyte(0xcc);

tmpwritebyte(0xbe); //发送读取数据命令 a=tmpread(); //连续读两个字节数据 b=tmpread(); temp=b;

temp<<=8; //two byte compose a int variable

temp=temp|a; //两字节合成一个整型变量。

tt=temp*0.0625; //得到真实十进制温度值，因为 DS18B20 可以精确到 0.0625 度，所以读回数据的最低位代表的是0.0625度。 taemp=tt*10+0.5; //放大十倍，这样做的目的将小数点后第一位

//也转换为可显示数字，同时进行一个四舍五入操作。 return temp; //返回温度值 }

（3）显示程序

#include #include

#include #include

#define LCM_RW P2^1 //定义引脚 #define LCM_RS P2^0 #define LCM_E P2^2

#define LCM_Data P0 //数据线

#define Busy 0x80 //用于检测 LCM 状态字中的 Busy 标识 void WriteDataLCM(unsigned char WDLCM);

void WriteCommandLCM(unsigned char WCLCM,BuysC);

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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。

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由于方案一中电路需要+600V 的直流电给电容充电，所以需要单独设计一个+600V

的直流稳压电源，而且电路中所用电容都必须为高压电容，使得系统成本增加，所以未 采用方案一。 方案二：

图 3.8 由 NE555 构成的超声波发射电路

图 3.8 中 555 定时器、R1、RP、C1 组成多谐振荡器，通过调节电阻器 RP 的阻值，

可以改变振荡频率。当单片机的 P1.0 口发出一个高电平脉冲，使光耦 TP521 导通，NE555 得电开始工作，启动振荡器从 NE555 的 3 号管脚输出 40KHz 的频率信号。由于此信号功 率不足以驱动超声波探头发射足够强的超声波，所以通过变压器升压后加到超声波探头 两端[9]。

由于方案二中用到了 NE555 芯片，但其作用只是用来产生一个 40KHz 的方波信号，

此功能用单片机也可以实现并且能够达到系统的使用要求，所以考虑到成本和功耗的原 因，未采用方案二。 方案三：

如图 3.9 所示，由 W77E58 单片机产生 40KHz 的 TTL 脉冲信号通过 P1.0 口输出，再

经过三极管 Q1 和变压器 TR1 进行功率放大。为了产生的超声波信号强度能够满足测量 范围 0～5m 的要求，超声波探头上所加的电压应达到 100V 左右，变压器的变比大致为 N1：N2=1：10，在变压器副线圈上将电压 10 倍放大，超声波探头上的正弦电压约为 100V。 TR1 原线圈上，串联限流电阻 R2；TR1副线圈上，C1 应与变压器副边绕组谐振于发射频率。

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图 3.9 由三极管构成的超声波发射电路

方案三简单易行，所用元器件也比较少，便于安装调试，所用本系统采用此方案来 驱动超声波探头发射超声波。 （2）超声波接收电路

超声波接收电路所要完成的功能是当反射回波进入超声波探头时引起晶片震动，产

生电压信号，对该电压信号进行处理后送入 INT0 产生中断申请信号，定时器停止计时。 由于此电压信号非常微弱，因此首先要对其进行放大，然后通过比较电路检测到当放大 后的信号的幅值超过规定的阈值时产生中断申请信号，并将该信号作为停止计时信号。 方案一：

图 3.10 由三极管组成的超声波接收电路

如图 3.10 所示，方案一的接收电路由两个三极管构成，VT1、VT2 和若干电阻、电

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容组成两级阻容耦合交流放大电路，最后从 C3 输出。此电路的作用是对超声波接收探 头接收到的微弱回波信号进行放大，而不能将其处理为直接接到单片机引脚的 TTL 电平 信号。还需要将输出信号进行滤波、检波等处理之后才能得到所需信号，电路设计比较 复杂，所以不采用此方案。 方案二：

图 3.11 采用 NJM4580 的超声波接收电路

方案二如图 3.11，电路是采用 NJM4580 运算放大器对信号进行放大。超声波接收探

头将超声波转换为电信号，由运算放大器 A1 进行放大。A1 输出信号经 VD1 和 VD2、C1 检波与平滑，再通过 VT1 放大到 TTL 电平作为输出信号 Uo。若检测到超声波信号，则输 出 Uo 为低电平。A1 电压增益最大约为 91 倍，若增益不够时可再增加一级放大电路[8]。 由于此电路中用到的元器件较多，而且需要反复调试放大器的增益倍数以达到最佳放大 效果，电路调试工作比较复杂且工作量比较大，所以未采用此电路。 方案三：

方案三的电路由CX20106A组成，如图3.12所示。集成电路CX20106A是一款红外接收

的专用芯片，常用于电视红外遥控器。常用的载波频率38KHz与测距的40khz较为相近， 可以利用它来做接收电路。适当的改变C3的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰 能力[7]。

由于方案三电路结构比较简单，易于调试和使用，且芯片的灵敏度和抗干扰能力都 能满足系统的需求，所用采用方案三作为超声波接收电路。

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图 3.12 由 CX20106A 构成的超声波接收电路

CX20106A集成芯片由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整

型电路组成。其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收 较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益。在近距离输入信号强时放大器不会 过载。其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节。其主要指标：单电源5V供 电，电压增益77—79dB，输入阻抗27K，常用的载波频率38KHz与测距的40KHz较为相近，可以利用它来做接收电路。适当的改变C3的大小，可以改变接受电路的灵敏度和抗干扰 能力。功能描述为：在接收到与滤波器中心频率相符的信号时，其输出脚7输出低电平。 芯片中的带通滤波器、积分器等使得它抗干扰能力很强。放大器输出脚7直接接单片机 INT0口以触发中断。用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很高的灵敏 度和较强的抗干扰能力。

图3.13 CX20106A外形引脚图

CX20106A外形为8脚单列直插塑料封装形式，其引脚排列见图3.13。引脚功能为：脚信号输入端；2脚与地之间串接RC，以决定前置放大器的增益；3脚检波电容连接端；

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1

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4脚电源地端；5脚带通中心频率调整端，调整此脚与电源之间所接的电阻，可改变中心 频率f0；6脚积分电容连接端，用于整形；7脚输出端，属集电极开路输出；8脚电源正端。 CX20106A内部原理框图如图3.14所示：

图 3.14 CX20106A 芯片内部原理框图

3.2.3 温度补偿电路

由于超声波是一种声波，它的传播速度受空气密度的影响，密度越大，传播速度越

快，而空气密度和温度有密切关系，所以温度变化时，声速也变化，导致测量不准确。 超声波传播速度 C 随环境温度变化如下：

C=331.45(1+T/273.16) （3.1）

其泰勒级数展开式（仅保留到一次项）为：

C=331.5+0.607T （3.2） 式中 T 的单位为℃。

当温度为 20℃时，C=344 m/s,当温度为 30℃时，C=350m/s，声速变化为 6 m/s。设

超声波传播距离 S=1m，若在 30℃以 20℃的声速进行测量时，误差达到 3.5 cm。可见要 实现高精度的液位测量，必须对声速进行温度补偿。

常用的测温补偿方法有：热敏电阻，铂电阻，热电偶以及 IC 温度传感器补偿。使

用传统的温度传感器，硬件电路复杂，而且输出为电压或是电流值，需要进行 A/D 转换。

DS18B20 是 DALLAS 公司推出的数字式单总线温度传感器，硬件接口电路简单，分辨

率可达到 0.0625℃，能很好地补偿超声波在不同温度时的传播速度，从而保证了液位测 量的精度。

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图 3.15 DS18B20 引脚排列图

引脚说明： GND 地

DQ 数据输入输出 VDD 可选的VDD NC 空引脚

DS18B20 具有如下特性：

（1）独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通信 （2）简单的多点分布应用 （3）无需外部器件 （4）可通过数据线供电 （5）零待机功耗

（6）测温范围-55～+125℃，以 0.5℃递增。华氏器件-67～+257℉，以（7）温度以 9 位数字量读出

（8）温度数字量转换时间 200ms（典型值）

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0.9℉递增 基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计

图 3.16 温度补偿电路图

3.3 键盘

图 3.17 键盘电路

本系统的键盘电路采用普通键盘，每个按健对应单片机 P1.0～P1.6 的一个管脚。

当按键没有按下时为高电平，有键按下时对应的端口变为低电平。K1 键用于选择液位报 警上限值的调整，当按下 K1 键时可以通过 K4～K7 键调整报警上限的值；K2 键用于选择 液位报警下限值的调整，当按下 K2 键时可以通过 K4～K7 键调整报警下限的值；K3 键用 于关闭报警信号，当测得的液位超过规定的限值时报警电路开始工作，此时按下 K3 键

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可以使报警电路停止工作；K4 键～K7 键分别用于调整液位上下限值的千、百、十、个 位数的值，这四位的值可以从 0 到 9 变化，每按一次键，数值加一。 3.4 液位显示

在很多单片机系统中，LED 数码管是常用的显示器件。数码管具备数字接口，可以

很方便的和单片机系统连接；数码管的体积小、重量轻、功耗低，是一种理想的显示单 片机数据输出的器件。但考虑到本系统的显示要求，为了使温度和液位高度同时显示， 需要使用较多的数码管，所以本系统的液位显示部分采用 SMC1602A 液晶显示模块，它 同样具有体积小，功耗低，使用方便的特点。其与单片机的连接方式如图 3.18 所示。 P0.0 到 P0.7 用来传送数据；P2.2 为使能信号端，高电平有效；其余端口功能见表 3.2.。

SMC1602A 可以显示 16×2 个字符，最佳工作电压为 5V。其详细技术参数见表 3.3。

图 3.18 显示电路

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3.5 通信系统

由于本系统由上位机与下位机两个系统组成，为了实现远程控制，两者之间通过无

线数据传输模块进行通信。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 大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、超限报警及数据存储。

STR-15 大功率无线数据传输模块的示意图如图 3.19：

STR-15 与用户单片机系统连接简单，只需两根线与单片机相连,如图 3.20 所示。

STR-15 可以单独供电，也可以与单片机系统公用一个 DC4.5~5.5V 电源，SLP，RST 可以 不接。

图 3.19 STR-15 示意图

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图 3.20 STR-15 与单片机连接示意图

STR-15 型大功率无线数传模块适用于远距离无线数据传输，无线数据采集，无线抄

表，工业遥控、遥测，自动化数据采集系统，楼宇自动化、安防、机房设备无线监控、 门禁系统， POS 系统，无线键盘、鼠标，真空数据交换，数字语音、数字图像等领域。 STR-15 型大功率无线数传模块具有如下特点： （1）发射功率:最大 500mW 的发射功率。

（2）ISM 频段工作频率，无需申请频点。载频频率 433MHz。

（3）高抗干扰能力和低误码率。基于 GFSK 的调制方式，采用高效前向纠错信道编 码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为 10-2 时，可得到实 际误码率 10-5～10-6

（4）完善的通讯协议，数据实时同步。32 字节的同步结构和完善的通讯协议使该 产品更加稳定可靠。

（5）传输距离远。在视距情况下，测试条件在天线高度>3 米时，可靠传输离

距>2000m。如果采用吸盘天线，在天线摆放合理的条件下，通信距离还可以达到更远。 （6）透明的数据传输。提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协 议。自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据（所发即所收）。

（7）多信道。STR-15 型模块标准配置提供 8 个信道满足用户多种通信组合方式的需求。 （8）双串口，3 种接口方式。STR-15 型模块提供 2 个串口 3 种接口方式，COM1 为 TTL 电平 UART 接口。COM2 由用户自定义为标准的 RS-232/RS-485 接口（用户只需要拔/ 插短路器再上电即可改变接口类型）。

（9）支持有无校验两种数据结构。通过跳线可选择用户数据是否带有校验位，即

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该模块支持 8、9 位两种数据结构。

（10）高速无线通讯和大的数据缓冲区。可 1 次传输无限长度的数据，用户编程更 加灵活。

（11）智能数据控制，用户无需编制多余的程序。即使是半双工通信，用户也无需 编制多余的程序，只要从接口收/发数据即可，其它如空中收/发转换，网络连接，控制 等操作，STR-15 型模块能够自动完成。

（12）低功耗及休眠功能。接收电流<50mA，发射电流<300mA,休眠时电流仅为 <200uA。

（13）高可靠性，体积小、重量轻。采用单片射频集成电路 CC1000 及高性能单片 处理器 ATMega8L,外围电路少，可靠性高，故障率低。

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STR-15 型无线数传模块提供标准 RS-232，RS-485 和 UART（TTL 电平）3 种接口方

式，可与计算机、用户的 RS-485 设备、单片机或其它 UART 器件直接连接使用，STR-15 使用直流电源，电压+5.0V±0.5V，根据用户的需要。可以与其它设备共用电源，但请 选择纹波系数较好的电源，如果有条件话，可采用 5V 稳压片单独供电。建议最好不要 使用开关电源，如果必须使用开关电源，请注意开关脉冲对无线模块的干扰。另外，系 统设备中若有其他设备，则需可靠接地。若没有条件可靠接入大地，则可自成一地，但 必须与市电完全隔离。

STR-15 提供 1 个 9 针的连接器（JP1）,一个天线接口（ANT），一组调线短路器(JP2)，

其定义基于终端的连接方法见表 3.5。

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使用 STR-15 模块之前，需要根据需求进行简单的配置，以确定信道、接口方式和

通讯波特率等参数。STR-15 的右下角有一组 5 位的短路跳线（J1）,分别定义为 ABCDE, 假设跳线开路（不插短路器）为状态 0，跳线短路（插入短路器）为状态 1，则配置方 法如下：

a. 信道配置：

J1 的 ABC 三位跳线提供 8 种选择，用户可以通过 ABC 确定使用的 0～7 号信道，跳

线 ABC 的设置状态对应的频点如表 3.6。在一个通信小网中，只要 ABC 的跳线方式相同， 就可相互通信。

注：1）1 表示插上短路器，0 表示不插上短路器。

2）各信道所对应的频点，可根据用户的需要进行调整。 b. 接口方式选择：

STR-15 提供两个串口，COM1（JP1 的 Pin3、Pin4）固定为 TLL 电平的 UART 串行口；

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COM2(JP1 的 Pin6,Pin7)可通过 J1 的 D 位来选择接口方式：

D=0(不插短路器) COM2=RS-485，RS-485 的 A/B 口 D=1(插短路器) COM2=RS-232，RS-232 的 TXD/RXD J1 的 E 位是用来选择校验方式的：即 8E1/8O1 和 8N1 的选择

E=0(不插短路器) 8E1/8O1 8 位数据位，带一位校验位，或 8 位数据位，1 位 mark位。 E=1(插短路器) 8N1 8 位数据位，不带校验位。

c.STR-15 提供的两个串口，在使用时注意以下事项：

i. 对于空中接收的数据，STR-15 通过串口转送给终端设备时，COM1 和 COM2 同时

输出，即用户如果在 COM1 和 COM2 各连接了 1 个设备，他们都可同时收到数据。

ii. 对于由终端设备送来，准备向空中发射的数据，STR-15 只能正确接收 COM1

或 COM2 其中 1 个串口送来的数据，否则将造成数据通讯混乱。如终端设备在向 COM1 发 送 1 个 0x12（数据正在传送）时，再向 COM2 发送 1 个 0x34,模块将收到一个数据串 0x12,0x34。

建议：用户只连接使用 COM1 或 COM2 中的 1 个串口。

d.支持的协议和传输容量：

STR-15 标准产品提供透明协议，可支持用户的各种应用和协议。如果用户需要降

低成本或减轻终端设备 CPU 的工作量，可在透明协议的基础上，根据需要增加一些特定 功能，如寻址，数据采集，命令解释等功能。 3.6 报警系统

本系统采用声光信号进行报警。由单片机经三极管电路进行驱动。当单片机 P1.7 端口送出高电平时，三极管导通，报警电路开始工作。

图 3.21 声光报警电路

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P1.7 口平时为低电平，当测得的液位高于或低于设定值时，单片机给 P1.7 口发送

一个高电平，使报警电路接通，蜂鸣器发出报警声，红色 LED 发光报警，直到 K3 键按 下使 P1.7 口变为低电平为止。

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3.7 电源

本设计中要用到+5V 和+15V 两种电源，虽然本设计中的器件耗电量比较低，可以采

用蓄电池供电，但考虑到工业现场的实际应用，采用了由 220V 交流电经过变压、整流、 滤波后给系统供电的方案。电源电路如图 3.22 所示，先把 220V、50Hz 的交流电通过变 比为 11：1 的降压变压器降为 20V 交流电，再通过桥式整流电路和电容 C1 滤波后得到 电压约为+24V 的直流电，其通过由 W7815 组成的三端集成稳压电路后输出+15V 直流电， 再通过由 W7805 组成的三端集成稳压电路后可输出+5V 的直流电。用 78 系列三端稳压集 成芯片组成的稳压电源所需的外围元件极少，芯片内部还有过流、过热及调整管的保护 电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

图 3.22 电源电路

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4 系统软件设计

4.1 编程思路及流程图

本系统设计思路是：对本设计系统的设计方案确定之后，首先完成硬件的电路设计，

画出电路原理图，然后根据电路原理图，根据它要实现的功能和要求完成软件部分的程 序设计。采用模块化的程序设计方法是比较容易掌握和实现的。将程序化分为几大模块， 主要包括超声波发射、接收及数据处理程序，通信程序，显示程序和键盘程序等模块。

系统主程序的流程图分为下位机系统流程图和上位机系统流程图，分别如图 4.1 和

图 4.2 所示。

图 4.3 数据处理程序流程图 图 4.4 通信子程序流程图

之所以要在计数器 1 开始计时后 0.3ms 才开启 INT0 中断，是为了防止超声波发射

探头所发出的超声波信号直接进入接收探头产生中断信号触发中断，引起误差。在超声波信号开始发送 0.3ms 以后，接收探头已经接收不到发射探头直接发射过来的超声波，

此时开启中断，得到的中断触发信号才是由液面反射回来的超声波进入接收探头经过处

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理后得到的信号，在软件设计中经过这样的处理之后，减小了系统误差，提高了系统测 量的精度。但是经过这种处理之后，对于较高的液面，由于超声波的回波时间减少，可 能会在中断尚未开启之前就已经产生了中断触发信号，此时便不能准确的测量液位高 度，因此系统会产生一定的盲区。经计算，在 20℃时超声波在 0.3ms 时间内可以传播 10.32cm，因此只有当超声波探头距离最高液面的距离大于 5.17cm 时，系统才能检测到 液面反射回来的超声波信号，才不会产生此种误差；又由于超声波在不同温度下的传播 速度不同，因此在系统安装时，超声波探头与液体液面之间的距离应当大于 6cm。

（2）通信程序

通信部分采用 STR-15 型无线数据传输模块进行数据传输。W77E58 串口 1 与无线收

发模块连接，控制无线收发模块发送命令、接收数据并暂存于 SRAM。

图 4.5 显示子程序流程图 图 4.6 键盘子程序流程图

（3）显示程序

本系统采用 SMC1602A 液晶显示模块来实现显示功能。此液晶模块采用并行发送数

据的方式，占用少量的 I/O 口，同时在程序上占用空间很小。主要用来显示液体的液位 高度和当前环境下的温度。在模块接收到要显示的内容后开始显示，直到接收到下一组 数据为止，具体程序流程图如图 4.5 所示。 （4）键盘程序

首先要使单片机确认按下的按键是哪一个键，然后再设计相应的键盘子程序，当按

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下相应的键时调用对应的键盘子程序。其流程图如图 4.6 所示。

在软件设计中，为了避免干扰信号使其产生误动作，在键盘扫描之后要加入一段延 时去抖动的程序，以避免误动作的产生。

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结论

本文介绍的基于单片机的液位测量系统，论文首先分析了利用超声波检测液位的可

行性，然后设计了系统的硬件电路。硬件电路以 W77E58 单片机系统为控制核心，设计 了超声波发射、接收电路，温度测量电路，显示电路，无线数据传输电路和电源电路。 利用了超声波测距原理实现了非接触测量，温度测量电路的设计，有效的减小了超声波 速度随温度变化引起的液位测量误差。系统采用无线方式传输数据，克服了连接通信电 缆带来的麻烦，降低了成本，使测量工作变得十分方便。在软件设计中，采用了模块化 程序设计思想，软件包括超声波发射、接收及数据处理模块，无线数据传输模块和显示、 报警模块。

本文所设计的液位测量系统性能稳定、精度高、体积小、能耗低。应用范围广，安 装简单方便，可维护性好,能很好的适应工业现场的复杂环境。

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致谢

在王海英老师的悉心指导下，我顺利完成了本课程设计，在毕业设计的过程中，王

老师的认真指导使我少走了很多弯路，解决了我在课程设计当中遇到的很多困难和问 题，对我的报告提出了很多的改进意见。在此，我首先向王老师致以深深的敬意和衷心 的感谢！

同时也要感谢在做这次课设过程中帮助过的我同学们，很多电路图的设计和单片机的编 程都是在他们的悉心指导下完成的，在这里表示我真心的感谢。

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课程设计参考资料

[1] 李冬梅.国内外液位计量仪表技术发展动向[J].仪器仪表用户，2002，9(3):5-7 [2] Endress+Hauser.Nivosonic/Prosonic.http://www.endless.com. [3] 华邦 W77E58 的单片机资料[EB/OL].http://www.dz51.cn,2006

[4] 曹建海,路长厚，韩旭东.基于单片机的超声波液位测量系统[J].仪表技术与传感

器,2004,(1):39-40.

[5] 超声波探伤编写组编著.超声波探伤.北京：电力工业出版社，1980 年 [6] 贾伯年，俞朴.传感器技术.南京：东南大学出版社，2000. [7] 陈桂生.超声换能器设计.北京:海洋出版社.1984

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附录A 硬件电路图

附图1：下位机系统电路图

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