AT89C51单片机为主控元件的超声波水位测量系统设计

[摘 要]本论文介绍了一种由AT89C51单片机为主控元件的超声波水位测量系统。超声波水位测量仪应用超声回波原理技术，在硬件部分，超声波发射电路将由AT89C51单片机控制的每隔固定周期的方波脉冲信号控制，以满足超声波发射探头的发射需要。超声波接收电路对接收的回波进行发大整形，送回单片机。系统以AT89C51单片机为设计核心，测量得到超声波的传播时间，计算出传播的距离，从而得到所要测量的水位距离，并通过LED显示出来。软件部分，设计了中断程序、显示程序、主程序等。使得程序部分适合硬件部分，使系统功能得以实现。

[关键词]超声波；AT89C51；系统

中图分类号：TG101 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0044-01

一、系统总体设计思想

超声波水位探测系统是根据“回波测距”的原理设计的。由超声波的发射器发射超声波，当超声波遇到障碍物时反射回来，再由超声波接收系统接收。测出从超声波发射该脉冲束至接收到回波信号的传输时间，即渡越时间，由于超声波在同一种介质中的传输速度是不变的（设所处的介质的密度和温度等相关因素不变的情况下）。那么由渡越时间和声速，就可算出要测的距离。要实现对所测水位的自动探测，和对探测数据的具体显示功能。主要的设计部分的总体框架图如图1所示，超声波仪水位探测系统是由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括AT89C51单片机系统，超声波发射电路、超声波接收电路、水位显示电路等主要部分；软件部分主要包括显示程序、中断程序、主程序等。

二、发射电路设计

发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。

发射电路工作原理当单片机AT89C51的P2.0口输出一低电平时，使能控制NE555集成电路产生40KHz的方波。由NE555构成的谐振电路可以稳定的输出40KHz的调制解调信号。超声波发射电路再由CD4069集成电路构成解调电路，对由NE555构成的谐振电路进行调制，进而驱动超声波发射器，使超声波发射电路发射出超声波。超声波发射电路通过调制，又由电压驱动压电晶体上产生电能-机械能-声能转换，使探头输出超声波信号。

NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳定度控制器，其输出驱动电流可达200mA。在多谐振荡工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，可延时数微妙到数小时。

三、接收电路的设计

接收电路主要是将超声波检测信号进行放大，超声波接收处理部分电路前级采用LM324构成10000倍放大器，对接收信号进行放大；后级采用LM311比较器对接收信号进行调整，比较电压为LM311的3管脚处，可由J1跳线选择不同的比较电压以选择不同的测距模式。

在放大器与比较器之间用PNP 三极管（8550）作为通路选择，使用时，把

J2 短接上，固定使三极管导通即可。 如图3所示，接收电路的工作原理该超声波在水位与空气、水位与参比面产生二次反射回波，两次回波分别在压电晶体上产生声能-机械能-电能转换，使探头输出电信号，此电信号为50mv，因此，接收电路的主要功能是信号的放大。在超声波接收电路中放大器选用LM324，前两极之间外接RC电路组成高通滤波器，后两极之间外接选频电路，有效的抑制噪声。反射的电信号（50mv）经接收板接收放大、滤波及检波后，可以放大10000倍。再经过LM311电路进行比较，实现对超声波接收信号的处理。

四、显示模块

数码管结构与原理：由于数码管显示最便宜、配置灵活、与单片机的接口简单，已被广泛应用于单片机系统中。目前市场上的LED中大多为七段数码显示器，其外形如图4（a）所示。其内部有八个发光二极管，其中a到g这七个发光二极管组成了数字“8”，剩下一个发光二极管dp就是这位数字所带的小数点。

一般数码管内部有两种连接方式，它分为共阴和共阳两种。共阴就是将所有的发光二极管的阴极共地，如图4（b）所示。图中一个发光二极管就相当于一个数码段。若给某段加上高电平，那么相对应的段就会亮。根据想要显示的数值给各段数码管加上相应的高电平就可以显示不同数值了。共阳就是将所有发光二极管的阳极一起接高电平上，如图4（c）所示。若对应的段赋予低电平，则点亮数码管。

在众多水位检测系统中，超声波水位检测具有良好的前景，它属于非接触型的水位检测系统，具有在精度与使用环境上的优势。本次设计中，硬件部分，超声波发射电路将AT89C51单片机送来的20ms的方波脉冲信号，以满足超声波发射探头的发射需要。超声波接收电路对接收的回波进行发大整形，送回单片机。系统以AT89C51单片机为设计核心，测量得到超声波的传播时间，计算出传播的距离，从而得到所要测量的水位距离。软件部分，设计了中断程序、显示程序、按键扫描、主程序等。使得程序部分适合硬件部分，使系统功能得以实现。

参考文献

[1] 秦永烈.《物位测量仪表》.第三版.北京机械工业出版社.1978年1月

[2] 王化祥.《自动检测技术》.第一版.北京化学工业出版社.2004年

[3] 谢建.《超声水位测量仪的研究》.《动化仪表》.2002年

[4] 中国机程学会.《超声波检测》.第二版.北京机械工业出版社.2000年

[5] 李茂山.《超声波测距原理及实践技术》.《实用测试技术》.1994年