东北石油大学
课程设计
课程传感器课程设计
题目超声波测液位电路设计
院系
专业班级
学生姓名
学生学号
指导教师
2013年7 月 16日
任务书
课程传感器课程设计
题目超声波测液位电路设计
专业姓名学号
主要内容：
本文主要是针对类似油罐等封闭式液体的液位的测量，采用超声波作为主要手段。此次设计采用反射波方式,超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。显示电路采用简单实用的LED数码管。
基本要求：
1、通过传感器原理及相关电路知道设计超声波测液位电路。
2、设计电路，并用相关的软硬件测出液位。
3、掌握相关的传感器原理及应用。
主要参考资料：
[1]胡平．超声波测距仪的研制[J].计算机与现代化．2003，10．
[2]时德刚，刘哗．超声波测距的研制[J]．计算机测量与控制．2002，10．
[3]华兵．MCS-51单片机原理应用[M]．武汉：武汉华中科技大学出版社．2002，5．
[4]李华．MCU-51系列单片机实用接口技术[M]．北京：北京航天大学出版社．1993．
[5]郁有文．传感器原理及工程应用[M]．西安:西安电子科技大学出版社．2000．
完成期限 2013.7.13—2013.7.16
指导教师
专业负责人
2013年 7 月 16 日
摘要
超声波液位测量是一种非接触式的测量方式,它是利用超声波在同种介质中传播速度相对恒定以及碰到障碍物能反射的原理研制而成的。与其它方法相比(如电磁的或光学的方法),它不受光线、被测对象颜色的影响，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此，研究超声波在高精度测距系统中的应用具有重要的现实意义。
本设计基于单片机的超声波液位测量系统主要由硬件与软件两部分组成，硬件是基于AT89C51芯片为核心的超声波液位测量，采用AT89C51单片机进行控制及数据处理，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，设计出了能精确测量两点间距离的超声波液位检测系统。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。并有超声波处理模块CX20106A、CD4069组成的超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、LED显示电路、报警电路等。软件部分由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序组成。各探头的信号经单片机综合分析处理。
最后通过实物的调试，各项参数及功能符合设计要求，能达到预期的目的。
关键词：单片机；超声波；温度控制；高精度测距
目录
一、设计要求 (1)
1、超声波传感器的功能与用途 (1)
2、课题研究的背景及意义 (1)
3、国内外发展的现状 (1)
二、方案设计 (2)
1、方案说明 (2)
2、方案比较及论证 (3)
三、传感器工作原理 (4)
1、超声波传感器的性能指标 (4)
2、超声波传感器的结构 (4)
四、电路的工作原理 (6)
五、单元电路设计、参数计算和器件选择 (8)
1、单元电路设计 (8)
2、参数计算 (12)
3、器件选择 (12)
六、总结 (15)
参考文献 (16)
超声波测液位电路设计
一、设计要求
1、超声波传感器的功能与用途
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，I/O口输出控制信号从NE555振荡器输入到CD4069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。输出由LED 数码管显示，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AT89C51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。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。
2、课题研究的背景及意义
目前，液位测量技术已经广泛的运用在工业部门和日常检测部门中。例如：液位测量技术在石油、化工、气象等部门的应用。在测量条件和环境来说，有的测量系统被运用在十分复杂的条件与环境中。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。这些都大大的提高了对测量技术的要求。所以能实现测量的无接触与智能化是液位测量计现在的主要发展方向[1]。
近年来，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，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。
3、国内外发展的现状
随着电子技术的发展出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前2种方法由于技术难度大成本高一般仅用于军事工业而超声波测距则由于其技术难度相对较低且成本低廉适于民用推广。这项技术也可用于工业测量领域。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波常常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。随着自动
测量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光芒、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机单片机毕业论文械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特殊是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很轻易检测出来，具有很高的分辨力，因而其正确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。因此本设计也是利用超声波来测量距离[2]。
二、方案设计
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。
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、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。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89S51单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。
1、方案说明
本设计基于单片机的超声波液位测量系统主要由单片机、温度检测电路、超声波发射电路、超声波接收电路、LED显示电路、报警电路等组成。
本设计采用模块化设计思想，以单片机AT89C51为核心，将其他模块有机的整合在一起，形成一个统一的系统，硬件系统的框图如图1所示。
图2.1 超声波液位测量系统框图
方案一：
（发射部分）通过NE555振荡器设计出振荡电路，产生40KH 的脉冲在通过CD4069的驱动作用于超声波发射探头上。
（接收部分）将超声波接受探头接收到的信号通过CX20106整形和滤波以后再CX20106的7脚输出一个40KH 的脉冲，在单片机的P3.2处产生一个下降沿。 方案二：
（发射部分）通过单片机发射40KH 的脉冲，再经过4069非门，再经过4011与非门的驱动作用于超声波发射探头上。
（接收部分）将超声波探头接收到的正弦40KH 超声波信号（其VPP 为50mV ）通过LM324运放三级放大以及整形以后产生VPP 为3.5V 的梯形波信号，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序。
2、方案比较及论证
通过方案一和方案二的比较我们可以发现，在方案一中的发射电路中，我们可以用NE555振荡产生40KH 的方波信号，它是基于硬件的基础上，便于我们可以通过示波器观察到40KH 的方波，具有直观且易于观察的特点，有利于电路的检测。在方案二中，我们可以通过单片机产生40KH 的脉冲信号，在通过CD4069（或者74LS04）驱动，将40KH 的脉冲信号发射出去，由于是软件控制，准确度比较高。经过比较我们发现，在发射电路中方案一的设计比较经济实惠而且比较方便，所以我们选择方案一来产生超声波。
在接收电路中我们发现，在方案一中我们通过采用CX20106可以将信号进行放大和整形处理，在CX20106的5脚和7脚串联一个200K 的电阻可以将频率稳定在40KH 。在方案二中我们通过LM324三级放大，再通过LM567检波电路，此电路
超声波接收
超声波发送
AT89C51
单片机
LED 显示
温度检测
555 电路
报警系统
图1 超声波液位测量系统框图
调试比较复杂，在做三级放大时，放大倍数不容易控制，在输出波形上会发生小幅度的偏移。
因此在本次设计中，我们选用的是方案一，以提高测量结果的准确度，并且在整个系统中我们都会采用单片机做计算和显示。
三、传感器工作原理
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
1、超声波传感器的性能指标
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：
（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不会失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
2、超声波传感器的结构
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头等。
当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶
瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一
个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超
声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波
传感器[5]。
如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动
器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器
的一个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，
并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。
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340m/s，根据计时器记录
的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：
s=340t/2
(1)
这就是所谓的时间差测距法。
图2 超声波液位测量示意图
图3.1 超声波液位测量示意图
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波
在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射
点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
测距的公式表示为：L=C×T (2)
式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传
播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。
四、电路的工作原理
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，I/O口输出控制信号从NE555振荡器输入到CD4069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。输出由LED 数码管显示，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AT89C51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。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。
AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有4K在系统可编程Flash存储器。使用某公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89C51具有以下标准功能：4k字节Flash，128字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止[4]。
EA/VP
31
X119X2
18
RESET
9RD 17WR 16
INT0
12
INT113T014
T115P10/T 1P11/T 2P123P134P145P156P167P17
8P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P07
32
P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P27
28PSEN
29ALE/P 30TXD 11RXD 10U1
AT89C51C130pF C2
30pF Y112M Hz a b f c g d e dp a 1b 2dp
3
c 4V
5
d 6
e 7g 8
f 9V
10J1
R12680
+5V A B C D E F G dp
a b f c g d e dp a
1b 2dp
3
c 4V
5
d 6
e 7g 8
f 9V
10
J2
R13680A B C D E F G dp a b f c g d e dp a 1b 2dp 3
c 4V
5
d 6
e 7g 8
f 9V
10
J3
R14680A B C D E F G dp
a b f c g d e dp a 1b 2dp
3
c 4V 5
d 6
e 7g 8
f 9V
10
J4
R15
680
A B C D E F G dp IN 1
C12C23GN D
4fo 5C36OU T
7VC C
8
U3
CX20106
INT0+
C51uF
+
C53.3uF
R22
10K
R21200K R2010K
+5V
INT0
TRIG
2Q 3
R
4CVolt 5THR 6
DIS
7
VC C
8
GN D
1
U2
NE555
C4
0.1uF
R17
5.1k +12V P10
P10
VC C
1D02GN D 3
J5
DS18B20
P13+5V +5V R36K P13+
C320uF R210K P14
R11K 蜂鸣器
BUZZER +5V
P141
23
41N4007
BRIDGE1
Vin
1GN D
2
+5V 3U4LM7805CT Vin
1
GN D
2
+12V 3
U5LM7812CT 12
Jout1DC5V
12Jout2
DC12V 1
2Jin
AC220V C71000uF 50V
C8100uF 25V
C10100uF 25V C9
1000uF 50V
+
C6
330pF
超声波接收
R-40超声波发射
T-40T115v 12
U1A
406934
U1B
4069
5
6
U1C
4069
98
U1D
40691110
U1E
4069
R1620k
R19
1k
R18
1k
+5v
+5v +5v a b c d
a
b
c d
Q5
S8050Q4
S8050Q3S8050Q2S8050R4680R5680R6680R7680R8680R9680R11
680
R10680A B C D E G F dp
A B C D E G F dp
S2SW-PB
S2SW-PB Q1S8050
图3 系统硬件设计电路图
五、单元电路设计、参数计算和器件选择
1、单元电路设计
(1)电源电路设计
本系统采用市电220V ，50Hz 供电，而单片机以及其它芯片均采用直流5V 和
12V 电压供电。故需要设计降压电路。本电路使用了由LM7805和LM7812构成的桥式稳压整流电路。电路如图4所示。
1
2
3
4
1N 4007B RID GE 1
V in
1
G N D
2
+5V
3
U 4LM7805CT V in
1
G N D
2
+12V
3
U 5
LM7812CT 12Jo u t1
D C5V
12Jo u t2D C12V
12Jin A C220V
C 7
1000u F 50V
C 8
100u F 25V
C 10100u F 25V
C 9
1000u F 50V
T1
15v
a a
a
a
图4 电源电路
经过降压、桥式整流、滤波后通过LM7805稳压并直接为单片机和其它器件供电，作为齐纳二极管/电阻组合的替换方案时，LM7805和LM7812通常可以改善有效输出阻抗达两个数量级，并降低静态电流。LM7805和LM7812可提供本地卡上稳压，结合单点调节，解决分配问题。由于足够的散热设置，LM7805和LM7812稳压器可提供100mA 的输出电流，同时还包含限流功能，以限制峰值输出在安全值的范围内。LM7805和LM7812为输出晶体管提供了安全区域保护，限制内部功耗。假如内部功耗超出了散热范围，热关断电路将会启动，防止芯片过热。 (2) 显示电路设计
在单片机应用系统中，LED 数码管的显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O 接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时,再发送新的字形码，因此，使用这种方法较为简单与便利。在显示电路的设计上，利用单片机的P0～P2口来控制数码管显示，这种接法虽然比较浪费管脚资源，但是对单片机的理论知识要求相对比较低，而且超声波发射和接收电路并不需要很多的管脚来支持，所以我选择这种方案。数码管的选择上，为了使数码管亮度大，本人选择了共阴极的数码管，数码管管
脚接到高电平发亮。显示及其驱动电路的原理图见图5。
(3)温度补偿电路设计
DS18B20温度传感器是美国DALLAS 半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，测温范围为-55～125℃，最大分辨率可达0.0625℃。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用了一线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。测温电路图6所示。
(4)超声波发射电路设计
压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有
V C C
1
D 02
G N D
3
J 5
D S18B20
+5V
R 36K
P13
a a a
a
图6 DS18B20
EA/VP 31X119X218R ESET 9R D 17WR 16
INT012INT113T014T115P10/T 1P11/T 2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P27
28
PSEN
29ALE/P 30TXD 11R XD 10U1AT89C51
a b f c g d e dp a
1b
2dp
3
c 4V
5
d
6e 7g
8f 9V
10
J1
R 12680
A B C D E F G dp a b f c g d e dp a
1b
2dp
3c 4V
5
d
6e 7g
8f 9V
10
J2
R 13680A B C D E F G dp
a b f c g d e dp a
1b
2dp
3
c 4V
5
d
6e 7g
8f 9V
10
J3
R 14680A B C D E F G dp a b f c g d e dp a
1b
2dp
3
c 4V
5
d
6e 7g
8f 9V
10
J4
R 15680A B C D E F G dp +5v
a b c d
a
b
c
d
Q5
S8050Q4
S8050Q3S8050Q2S8050
R 4680R 5680R 6680R 7680R 8680R 9680R 11
680
R 10680A B C D E G F dp A B C D E G F dp
a
a
a
a
图5 单元显示电路
两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志[6]。
图7 超声波发射电路
电路的设计思想
超声波发射电路由超声波换能器（或称超声波振头）和超声波发生器两部分组成， 40KHz 的超声波信号是利用NE555时基电路振荡产生的，振荡频率，通过调节信号频率，使之与换能器的40KHz 固有频率一致，为保证555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12V 电源。工作时，单片机通过P1.0口向超声波发生电路发出控制信号从555振荡电路的3脚输入到CD4069驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波，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。
(5)超声波接收电路设计
超声波接收电路CX20106A 是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz 与测距的超声波频率40kHz 较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A 接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更
TR IG 2Q
3
R 4
C Vo lt 5
THR
6
DIS
7
V C C
8
G N D
1
U2
NE555
C 4
0.1u F
R 175.1k
+12V
P10
超声波发射
T-40
1
2
U1A 4069
34
U1B 406956
U1C 4069
9
8
U1D 4069
11
10
U1E 4069
R 1620k
R 191k
R 181k
+5v
+5v
S2SW -P B
a
a
a
a
改电容的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。其电路由图8所示。
图8 超声波接收电路
CX20106A的引脚注释：
1脚IN：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。
2脚C1：该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7Ω，C=3.3μF。
3脚C2：该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μF。
4脚GND：接地端。
5脚f0：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，
阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。
6脚C3：该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得
太大，会使探测距离变短。
7脚OUT：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上
一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kΩ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。
8脚VCC：电源正极，4.5V～5V。
2、参数计算
超声波测距的原理为超声波发生器T 在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R 所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为：
()2
2t c s d ?==
(3) 其中，d 为被测物与测距仪的距离，s 为声波的来回的路程，c 为声速，t 为声波来回所用的时间。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离[6]。
3、器件选择
超声波发生器选择
超声波发生器可以分为两类：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。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。
测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用材料是压电式陶瓷。由于超声波在空气传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择高频率的传感器，而长距离测量时应用低频率的传感器。
一 、超声波接收传感器及处理芯片CX20106A
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：
工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
因此超声波接受传感器应该应用集成电路CX20106A，CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的
C的大小，可以改变接收电路的灵敏灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容
6
度和抗干扰能力。此部分电路在集成芯片上
二、温度传感器的选择
大家知道，声音在不同温度的空气中传播速度是不同的，所以这里要考虑到温度补偿的问题。
温度传感器有很多种，例如温度传感器AD590。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。AD590的测温范围为-55℃～+150℃。AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V-6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。输出电阻为710WM。它的精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。
但是考虑到成本问题我选用TS-18B20数字温度传感器。该产品采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量。温度范围为-55°C至+125℃。-10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C
温度传感器可编程的分辨率为9~12位温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒用户可定义的非易失性温度报警设置应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统[7]。
系统需要的元器件清单
表1 元器件清单
序号编号名称型号数量
1 R10 电阻100Ω 1
2 R14 电阻1kΩ20
电阻10kΩ8
3 R2/R3/R4/R7/R8/
R12/R13
4 R1 电阻33kΩ 1
5 R5 电阻 4.7kΩ 1
6 R6 电阻 1.2kΩ 1
7 R9 电阻 1.5Ω 1
8 R11 电阻50kΩ 1
10 R15/R18 电阻300kΩ 2
11 R16 电阻 2.2kΩ 1
12 R17 可变电阻 100kΩ 1
13 DS1/DS2/DS3/DS4 LED 4
15 C3/C8/C9/C10/C11/C13/
电容0.1uF 10 C14/C16/C17
16 C4/C5 电容20pF 2
17 C6 电容330Pf 2
18 C7 电解电容47uF 5
19 C1 电解电容1uF 5
21 C18/C20 电容1000uF 2
22 C19/C21 电容0.33uF 2
23 C2 电解电容 3.3uF160V 2
24 T/R 超声波TCT-40 2
25 D1 二极管1N4001 6
26 U3 变压器 1
27 U4 反相器CD4069 1
28 U5 蜂鸣器 1
31 Q1 三极管S8050 6
34 X1 晶振12MHz 1
六、总结
由于时间和其它客观上的原因，此次设计没有成功做出实物。但是对设计有一个很好的理论基础。设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。以数字的形式显示测量距离。
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。
超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的LED数码管。
超声波测距的算法设计原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。
在元件及调制方面，由于采用的电路使用了很多集成电路。外围元件不是很多，所以调试不会太难。一般只要电路焊接无误，稍加调试应该会正常工作。电路中除集成电路外，对各电子元件也无特别要求。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C16的大小，以获得合适的接受灵敏度和抗干扰能力。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。
参考文献
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[7]郁有文．传感器原理及工程应用[M]．西安:西安电子科技大学出版社．2000．
@ 嵌入式系统原理与应用 课程设计 —基于ARM9的温度传感器· 学号：01** 班级：**************1班 姓名：李* 指导教师：邱* 、
课程设计任务书 班级: ************* 姓名： ***** 设计周数: 1 学分: 2 指导教师: 邱选兵 $ 设计题目: 基于ARM9的温度传感器 设计目的及要求: 目的： 1.熟悉手工焊锡的常用工具的使用及其维护与修理。 2.基本掌握手工电烙铁的焊接技术，能够独立的完成简单电子产品的安装与焊 接。熟悉电子产品的安装工艺的生产流程。 3.熟悉印制电路板设计的步骤和方法，熟悉手工制作印制电板的工艺流程，能 够根据电路原理图，元器件实物设计并制作印制电路板。 4.* 5.熟悉常用电子器件的类别、型号、规格、性能及其使用范围，能查阅有关的 电子器件图书。 6.能够正确识别和选用常用的电子器件，并且能够熟练使用普通万用表和数字 万用表。 7.掌握和运用单片机的基本内部结构、功能部件、接口技术以及应用技术。 8.各种外围器件和传感器的应用； 9.了解电子产品的焊接、调试与维修方法。 要求： 1.学生都掌握、单片机的内部结构、功能部件，接口技术等技能； 2.根据题目进行调研，确定实施方案，购买元件，并绘制原理图，焊接电路板， 调试程序； 3.} 4.焊接和写汇编程序及调试，提交课程设计系统（包括硬件和软件）；. 5.完成课程设计报告 设计内容和方法:使用温度传感器PT1000，直接感应外部的温度变化。使用恒流源电路，保证通过PT1000的电流相等，根据PT1000的工作原理与对应关系，得到温度与电阻的关系，将得到的电压放大20倍。结合ARM9与LCD，将得到的
目录 前言 1课题设计目及意义----------------------------------------------- 1 1.1设计目----------------------------------------------------- 1 1.2设计意义----------------------------------------------------- 1 1.3课题设计任务和规定------------------------------------------- 1 正文 1 课程方案设计------------------------------------------------- 2 1.1系统整体方案--------------------------------------------------- 2 1.2系统整体方案论证-------------------------------------------- 2 2系统硬件构造设计------------------------------------- 2 2.1 51系列单片机功能特点及测距原理------------------------------ 3 2.1.1 51系列单片机功能特点------------------------------------- 3 2.1.2 单片机实现测距原理 ----------------------------------------- 3 2.2 超声波电路构造------------------------------------------------ 4 2.3 超声波测距系统硬件电路设计---------------------------------- 4 2.4 PCB版图设计---------------------------------------------------- 5 3 系统软件设计----------------------------------------- 6 3.1 超声波测距仪算法设计---------------------------------------- 7 3.2 主程序流程图--------------------------------------------------- 7 3.3单片机某些C语言程序-------------------------------------------- 8 3.4超声波测距某些C语言程序-------------------------------------- 11
探测范围和大小 要探测的物体大小直接影响超声波传感器的检测范围。传感器必须探测到一定声级的声音才可以进行输出。大部件能将大部分声音反射给超声波传感器，这样传感器即可在其最远传感距离检测到此部件。小部件仅能反射较少的一部分声音，从而导致传感范围大大缩小。 探测物体的特点 使用超声波传感器探测的理想物体应体积大、平整且密度高，并与变换器正面垂直。最难探测的物体是体积小且由吸音材料制成的物体，或者与变换器呈一定角度的物体。 如果液面静止且与传感器表面垂直，探测液体就很容易。如果液面波动大，可延长传感器的响应时间，从而取波动变化的平均值以获得更一致的读数。但是，超声波传感器还不能精确探测表面为泡沫状的液体，因为泡沫会使声音的传播方向发生偏离。这时可以使用超声波传感器的反向超声模式，探测形状不规则的物体。在反向超声模式下，超声波传感器会探测一个平整背景，如墙壁。任何穿过传感器和墙壁之间的物体都会阻断声波。传感器即可通过探测该干扰来识别物体的存在。 温度导致的衰减 传感器还设计了温度补偿功能，以调节环境温度的缓慢改变。但是，它不能调节温度梯度或环境温度的快速变化。 周围是否有振动 无论是传感器本身的振动还是附近机器的振动，都可能会影响测量距离时的精确度。可在安装传感器时用橡胶防振装置来减少这类问题。有时也可使用导轨来消除或降低部件振动。 环境导致的误测 附近的物体可能会反射声波。要准确探测目标物体，必须降低或消除附近声音反射表面的影响。为了避免误测附近物体，许多超声波传感器都装有LED指示灯，用于在安装时指示操作人员，以确保正确安装传感器并降低误测风险。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有 10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路
目录 一、前言 (4) （一）概述 (4) （二）发展前景 (4) （三）设计思想 (4) 二、液位控制系统分析 (5) （一）液位控制系统的工作原理 (5) （二）液位控制的实现方式 (5) 1、简单的机械式控制方式 (5) 2、复杂控制系统控制方式 (5) 3、方案选择 (6) 三、液位控制系统的设计 (6) （一）硬件设计 (6) 1、传感器的选用 (6) 2、放大器的选用 (7) 3、比较器的选用 (8) 4、三极管电子开关 (9) 5、继电器的选择 (10) 6、输出显示部分 (10) （二）调试过程 (10) 1、液位控制系统模型框图 (11) 2、调试 (11) 五、遇到的问题分析 (11) 六、总结 (12) 参考文献 (12)
液位控制系统设计 一、前言 传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器。液位控制在多个领域都有使用，所以实现其自动化检测具有非常重要的意义。通过压力传感器实现液位控制系统，具有体积小，实际应用系统简单实用，成本低，效益好；具有较高的性能价格比；系统不易受到干扰，可靠性高等优势。 （一）概述 在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。除此以外，还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。在该液位控制系统的设计方案中，所使用的传感器为六角测压测重传感器，将水重量产生的压强转化为电压值输出，通过对电压大小的控制，从而实现传感器在液位控制中的功能。（二）发展前景 由于该技术是平面工艺与立体加工相结合,又便于集成化,所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。 国外液位控制系统的发展已相当成熟，我们国内也在朝着这方面努力，而且好多企业与国际接轨，有了不菲的成绩。比如单片机控制的智能型液位控制系统的运用等等。总的来说，发展方向有： (1)高速化，高效化，低能耗。提高液位控制系统的工作效率，降低生产成本。 (2)机电液一体化。充分合理利用机械和电子方面的先进技术促进整个控制系统的完善。 (3)自动化、智能化。微电子技术的高速发展为液位控制系统的自动化和智能化提供了充分的条件。智能化不仅仅体现的在液位控制，应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有与液面不接触的特点。 （三）设计思想 该课程设计是通过相关硬件组合调试实现对液位高度的控制，通过一系列的放大比较将模拟信号转化为数字化的信号，然后通过对数字信号的各种处理实现类比，将液位高度的变化通过数字信号的不同反映出来，显示结果，实现对液位高度的实时监控。 通过在水箱底部安装压电传感器，水箱水位高度发生变化时，引起水压强产生波动，然后传感器把水压转换成电压信号，经放大器放大后输送到电压比较器。经比较后的输出电压有高低两种电平，若为低电平则表明水位正常，高电平时启动接在后面的三极管电子开关，集电极继电器导通，电流流经发光二极管，从而实现水位的显示控制。
: 温度传感器课程设计报告 专业：电气化 年级： 13-2 学院：机电院 { 姓名：崔海艳 学号：35 … ^ -- 目录
1 引言 (3) 2 设计要求 (3) 3 工作原理 (3) 4 方案设计 (4) … 5 单元电路的设计和元器件的选择 (6) 微控制器模块 (6) 温度采集模块 (7) 报警模块 (9) 温度显示模块 (9) 其它外围电路 (10) 6 电源模块 (12) 7 程序设计 (13) — 流程图 (13) 程序分析 (16) 8. 实例测试 (18) 总结 (18) 参考文献 (19) \
。 1 引言 传感器是一种有趣的且值得研究的装置，它能通过测量外界的物理量，化学量或生物量来捕捉知识和信息，并能将被测量的非电学量转换成电学量。在生活中它为我们提供了很多方便，在传感器产品中，温度传感器是最主要的需求产品，它被应用在多个方面。总而言之，传感器的出现改变了我们的生活，生活因使用传感器也变得多姿多彩。 温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同，在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大，滞后现象严重，存在很多不确定的因素，难以建立精确的数学模型，从而导致控制系统性能不佳，甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用，但由于继电器动作频繁，可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的PID控制方式，但PID控制对象的模型难以建立，并且当扰动因素不明确时，参数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测 2 设计要求
《微机原理及应用》课程设计 超声波测距器的设计 学生姓名郝强 学号20110611113 学院名称机电工程学院 专业名称机械电子工程 指导教师王前 2013年12月27日
摘要 随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以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在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。 关键词：超声波；传感器；测量距离；控制
目录 摘要 (2) 目录 (3) 1.设计目的 (4) 2.总体方案 (4) 3.硬件设计 (5) 3.1 超声波测距器硬件电路设计 (5) 3.2.1单片机芯片的选择 (6) 3.2.2AT89C51定时计数应用电路 (6) 3.3超声波发射电路设计 (6) 3.3.1选择超声波发生器类型 (6) 3.3.2 超声波发射电路设计 (7) 3.4超声波接收电路设计 (8) 3.5超声波显示电路设计 (9) 4.软件设计 (9) 4.1波测距器的算法设计 (10) 4.2系统的主控制程序设计 (11) 4.3发生子程序设计 (12) 4.4接收中断程序设计 (13) 4.5显示程序设计 (14) 4.6距离计算程序 (15) 5.结论 (17) 参考文献 (18)
目录 摘要 (2) 1绪论 (3) 引言 (3) 电容式液位测量技术的发展 (4) 电容式液位测量现状 (4) 电容式液位测量存在的问题 (5) 电容式液位传感器的发展趋势 (5) 2本设计的电容式液位测量方法 (6) 测量原理及实现思路 (6) 液体的物理参数对液位测量的影响 (8) 极板设计 (9) 液位测量系统的基本构成 (11) 3硬件设计 (12) 电源电路设计 (12) 电容测量电路设计 (13)
放大调零电路设计 (14) A/D转换电路设计 (16) 4误差分析 (17) 电容测量误差对精度的影响 (17) 影响液位测量的主要因素 (18) 5总结 (19) 参考文献 (20) 摘要 在工业自动化生产过程中，为了实现安全快速有效优质的生产，经常需要对液位进行精确测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。 通常进行液位测量的方法有二十多种，分为直接法和间接法。直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。目前国内外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。其中电容式液位测量价格低廉、结构简单，是间接测量方法中最常用的方法之一。
本设计采用一种与介质无关的电容式液位测量方法，解决了传统电容测量与被测介质有关的技术难题。它可以应用于动态液位测量，尤其是在被测液体本身介质常数和液位，随时间和环境等因素容易发生变化的场合，如车用燃油油位的计量，从而向当今高精度、数字化、集成化、智能化的科学技术全面发展更迈进了一步，对满足石油化工等液位检测领域的迫切需求具有重大的理论和应用价值，前景十分广阔。 消除电容式液位测量方法中介质介电常数的因素是关键，设计符合测量方法的电容极板，通过电容电压转换电路处理为直流电压信号，由数据采集卡采集后送入单片机或计算机，最终实现算法的设计。其中电容极板设计时需注意消除和减小边缘效应和寄生电容的影响，同时要保证平板电容良好的绝缘性能和抗外界干扰性。 最后在整体设计和理论分析的基础之上，从硬件各部分进行具体的设计，包括硬件电路和各环节的信号量匹配等。通过理论计算和数据分析，验证了此液位仪具有良好的性能，达到了要求的技术指标，同时指出了需要改进和完善的地方。 1绪论
《智能仪器仪表设计基础》 课程设计报告 单位： 学生姓名： 专业： 班级： 学号： 指导老师： 成绩： 设计时间：2013 年5月
指导老师提供的设计题目和要求 1、设计题目：基于超声波传感器的障碍物检测电路仿真设计 2、指导老师： 3、设计条件： [1]仿真软件可用Multisim10软件或者saber软件。 [2]超声波传感器详细参数： 工作频率：40KHz±1.0KHz 声压值：≥94dB(30cm/10Vrms sine wave) 灵敏度：≥-82dB/v/u bar(0dB=v/pa)； 余振：：≤1.2ms； -6dB方向性(度)：60°±10° 电容：2000pf±10%； 最大输入电压(Vp-p)：150(40KHz) 使用温度范围：-35℃—+80℃ 储藏温度范围：-40℃—+85℃ 4、设计要求： [1]设计电路包括超声波发射电路、超声波回波接收电路两部分。超声波发射电 路包括升压激励模块。超声波回波接收电路包括一级带通滤波电路、二级带 通电路、回波二值化电路组成。 [2]当在超声波发射电路输入端输入VPP=5V，Vmin=0V的方波信号时，超声 波发射电路输出端能输出VPP=100V~150V，f=40KHZ的一个激励信号。 [3]当在超声波回波接收电路输入端输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的正弦 波信号时，超声波回波接收电路输出端能输出电平信号。当在超声波回波接 收电路输入端输入低电平信号时，超声波回波接收电路输出端能输出高电平 信号。 [4]附加要求：请用虚拟仪器显示各个电路模块输入端信号及输出端信号 5、参考书目 [1]胡向东，刘京诚，余成波等编著，传感器与检测技术机械工业出版社，2009 [2] 张国雄主编测控电路机械工业出版社，第4版
超声波传感器及其应用 摘要 本文主要介绍了超声波的特点,超声波传感器的原理与应用等多个方面。文中阐述了超声波与可听声波的区别,超声波传感器在医疗,工业生产,液位测量,测距系统等多个领域中得到了广泛的应用。因超声波具有的独特的特性,使得超声波传感器越来越在生产生活中体现了其重要性,具有一定的研究价值。 关键词:超声波传感器疾病诊断测距系统液位测量
Ultrasonic sensors and its application Abstract This paper mainly introduces the characteristics of ultrasonic, principle and application of ultrasonic sensors, etc. In this paper, the ultrasound and sound waves, ultrasonic sensors in medical treatment, industrial production, level measurement, ranging in many fields such as system has been widely used. Due to the unique characteristics of ultrasonic has, ultrasonic sensors in production and life embodies its importance, has certain value. key words: ultrasonic sensors Disease diagnosis Distance measuring system level
泡沫液位传感器课程设计 摘要：泡沫是一种特殊的两相流形态，其力学、热学、光学等多种性能均与单相气体或液体有很大区别，由于泡沫的形成机理多样、性质变化复杂，至今尚无完善的研究理论体系，泡沫的液位测量在国内外也是一个空白，本文主要设计了一种液位控制器，它以8051作为控制器，通过8051单片机和模数转换器等硬件系统和软件设计方法，实现具有液位检测报警和控制双重功能，并对液位值进行显示，一种基于传热原理的测量泡沫液位的传感器，介绍了传感器的构造和原理，以及测量误差和动态响应的计算分析。 关键词：泡沫；液位检测；传感器；两相流； Abstract：The foam is a special phase com pared w ith liqu id and gas．It ha s m any dif f erent cha r acters in m ech anics，therm oties，photology and soon，For different methods to generate fo amsand its special mechanism，even today there have not created a perfect theory system to deal with foam mediums．Foam level meas urement is also nearly to be all unreachable field by now．A kind of foam level sensor based on thermoties theory has be endeveloped，Introduces its structure 、principle 、analyses error and dynam icresponse of sensor． Key Words ： Foam ；Level Detecting ；Sensor；8051Single chip microcomputer；
温度传感器课程设计报告 专业：电气化___________________ 年级：13-2 学院：机电院 姓名：崔海艳 ______________ 学号：8021209235 目录 1弓I言................................................................... ..3
2设计要求................................................................. ..3 3工作原理................................................................. ..3 4 方案设计 ................................................................ ..4 5单元电路的设计和元器件的选择.............................................. ..6 5.1微控制器模块........................................................... .6 5.2温度采集模块...................................................... .. (7) 5.3报警模块.......................................................... .. (9) 5.4 温度显示模块..................................................... .. (9) 5.5其它外围电路........................................................ (10) 6 电源模块 (12) 7程序设计 (13) 7.1流程图............................................................... (13) 7.2程序分析............................................................. ..16 8.实例测试 (18) 总结.................................................................... ..18 参考文献................................................................ ..19
超声波传感器的设计 与应用
传感器课程设计 （2010级） 题目：超声波传感器的设计与应用 学员姓 名：xxx 学 号：201003011020 学员姓 名：xxx 学 号：201003011027 学员姓 名：xxx 学 号：201003011003 xxx
二〇一三年九月
目录 ...............................................................................................................................................第一章超声波传感器简介........................................................................................ 1.1超声波传感器是什么 (2) 1.2超声波传感器应用前景 (2) 第二章超声波传感器设计 (3) 2.1设计目标描述 (3) 2.2 设计指标 (3) 2.3 传感器结构概述 (4) 2.4 传感器设计原理 (4) 2.4.1 物理部分设计 (4) 2.4.2 电路部分设计 (7) 第三章硬件设计 (8) 3.1 单片机设计 (8) 3.2 传感器设计 (11) 3.3 单片机与传感器连接 (12) 第四章软件设计 (13) 4.1 总体设计思路 (13) 4.2 软件程序 (13) 第五章测试结果与分析 (21) 第六章结论 (22) 参考文献 (24)
第一章超声波传感器的设计 1.1超声波传感器是什么 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 1.2超声波传感器应用前景 随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有 限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以
电容式智能液位仪
目录 目录 摘要 (2) 1.导言 (3) 2.传感器 (4) 2.1理想的电容式传感器 (4) 2.2电路模型 (5) 2.3传感器特性 (6) 2.4传感器结构 (7) 3.硬件电路设计 (11) 3.1硬件电路划分 (11) 3.2单片机的选用 (11) 3.3直流充放电式电容测量电路设计 (13) 3.4信号调理电路设计 (14) 3.5单片机电路及模数转化电路设计 (15) 3.6通信电路设计 (16) 4.系统软件设计 (18) 4.1编程环境与编程语言 (18) 4.2软件总体设计 (18) 5.电容测量电路的实验结果和分析 (19) 5.1实验过程及结果 (19) 5.2实验分析 (21) 参考文献 (22) 摘要
设计一种多功能智能化液位检测装置，采用A Tmega8作为硬件电路核心，以圆柱形电容探头为液位检测传感器，利用电容频率转换原理将电容变化为频率变化，利用单片机检测频率，软件计算液位高度。本装置具有机械去液面波动，用软件进行温度修正、线性校正、用户自校正，通信和多液体选择等功能。 本文主要创新之处是提出一种适合于波动液面液位检测的智能液位仪，具有温度补偿、用户自校正和通信等功能。本文设计了高度为100cm的柱形电容液位检测传感器，电容器具有结构简单，电路实现容易，利用555振荡电路实现了电容到频率的转换，利用程序实现频率到高度转换，理论正确可靠，推算过程合理，利用软件分段修正减小了线性误差。在电容的两端装有液位缓冲器，采用机械的方式减小液面波动。由实验测试可知，本液位检测装置性能稳定，检测可靠，测量精度达到1cm, 分辨率可0.1cm，达到车载式喷雾机液位检测的要求。利用此方案可根据需要设计各种量程的液位检测装置，适用性较广。 ·2· 1.导言
温度传感器的特性及应用设计 集成温度传感器是将作为感温器件的晶体管及其外围电路集成在同一芯片上的集成化温度传感器。这类传感器已在科研，工业和家用电器等方面、广泛用于温度的精确测量和控制。 1、目的要求 1．测量温度传感器的伏安特性及温度特性，了解其应用。 2．利用AD590集成温度传感器，设计制作测量范围20℃～100℃的数字显示测温装置。 3．对设计的测温装置进行定标和标定实验，并测定其温度特性。 4．写出完整的设计实验报告。 2、仪器装置 AD590集成温度传感器、变阻器、导线、数字电压表、数显温度加热设备等。 3、实验原理 AD590 R=1KΩ E=（0-30V） 四、实验内容与步骤 ㈠测量伏安特性――确定其工作电压范围 ⒈按图摆好仪器，并用回路法连接好线路。 ⒉注意，温度传感器内阻比较大，大约为20MΩ左右，电源电 压E基本上都加在了温度传感器两端，即U＝E。选择R4＝1KΩ，温度传感器的输出电流I＝V/R4＝V（mV）/1KΩ＝│V│（μA）。
⒊在0～100℃的范围内加温，选择0.0 、10.0、20.0……90.0、100.0℃，分别测量在0.0、1.0、2.0……25.0、30.0V时的输出电流大小。填入数据表格。 ⒋根据数据，描绘V～I特性曲线。可以看到从3V到30V，基本是一条水平线，说明在此范围内，温度传感器都能够正常工作。 ⒌根据V～I特性曲线，确定工作电压范围。一般确定在5V～25V为额定工作电压范围。 ㈡测量温度特性――确定其工作温度范围 ⒈按图连接好线路。选择工作电压为10V，输出电流为I＝V/R4＝V（mV）/1KΩ＝│V│（μA）。 ⒉升温测量：在0～100℃的范围内加热，选择0.0 、10.0、 20.0……90.0、100.0℃时，分别同时测量输出电流大小。将数据填入数据表格。 注意：一定要温度稳定时再读输出电流值大小。由于温度传感器的灵敏度很高，大约为k=1μA／℃，所以，温度的改变量基本等于输出电流的改变量。因此，其温度特性曲线是一条斜率为k=1的直线。 ⒊根据数据，描绘I～T温度特性曲线。 ⒋根据I～T温度特性曲线，求出曲线斜率及灵敏度。 ⒌根据I～T温度特性曲线，在线性区域内确定其工作温度范围。 ㈢实验数据: ⒈温度特性
附录 20 目录 .、八 、- 刖言 1课题设计目的及意义 ---------------------------- 1 1.1设计的目的 ------------------------------------- 1 1.2设计的意义 ------------------------------------- 1 1.3课题设计的任务和要求 正文 1课程的方案设计 ------------------------------- 2 1.1系统整体方案 ----------------------------------- 2 1.2系统整体方案的论证 ------------------------------- 2 2 系统的硬件结构设计 ----------------------------- 2 2.1 51系列单片机的功能特点及测距原理 ----------------------- 3 2.1.1 51 系列单片机的功能特点 -------------------------- 3 2.1.2单片机实现测距原理 ----------------------------- 3 2.2超声波电路结构 ---------------------------------- 4 2.3超声波测距系统的硬件电路设计 ------------------------- 4 2.4 PCB 版图设计 ---------------------------------- 5 3系统软件的设计 ---------- 3.1超声波测距仪的算法设计- 3.2主程序流程图 -------------- 3.3单片机部分C 语言程序 ----- 3.4超声波测距部分C 语言程序 4实物制作 ---------------------------------- 17 4.1电路板焊接及连线图 ------------------------------- 17 4.2实物调试效果图 ---------------------------------- 18 4.3焊接电路板时所遇问题 ------------------------------ 19 --- 6 -——7 7 -----8 ——11
单片机、传感器、印制电路板 课程整合实训 电子产品设计与制作 技术报告 （2013——2014 学年第二学期） 项目名称：超声波测距仪设计 指导教师：卢建声,曾庆波,代瑶 专业：微电子技术 班级：12微电子 组长：张哲铭 组员：高金阁,李雨泽,苏程龙黑龙江信息技术职业学院·电子工程系
目录 任务书...................................................................... 错误！未定义书签。 一、工作任务 ................................................................. 错误！未定义书签。 二、工作目标 (3) 三、主要设计内容 (3) 1.原理设计 (3) 2.原理框图 (3) 3原理图 (4) 4元件清单 (4) 五、提交成果 ................................................................. 错误！未定义书签。 一、原理设计与技术路线 .............................................. 错误！未定义书签。 1、原理图绘制......................................................... 错误！未定义书签。 2、PCB图绘制.......................................................... 错误！未定义书签。 3、单元电路设计..................................................... 错误！未定义书签。 4、整机设计 ............................................................ 错误！未定义书签。 (5) (6) 六、总结报告 (10) 附录 (13) 超声波测距仪设计
超声波避障小车设 计
Harbin Institute of Technology 课程设计说明书（论文） 设计题目：超声波避障小车 院系：电气工程及自动化 班级： 1 21 设计者：张佳炜 学号： 11 0316 指导教师：周庆东 设计时间： .09.14- .09.25 哈尔滨工业大学
课程设计考核表 题目：超声波避障小车 学生姓名：张佳炜班级： 1 21 学号： 11 0316 实验部分考核 总结报告评分 总成绩：指导教师签字：
哈尔滨工业大学课程设计任务书
开题报告 1立项依据 1.1立项目的 （1）设计一辆利用超声波传感器来实现避障功能的小车，使小车对其运动方向受到的阻碍作出各种躲避障碍的动作。 （2）深入学习单片机原理及其应用，提高程序的编写能力。 （3）掌握单片机系统外围电路的设计，了解超声波传感器的工作原理。（4）掌握软件和硬件调试的基本技巧与方法。 1.2立项意义 汽车作为人们不可缺少的交通工具，给人类带来了极大的便利，但随着汽车的量越来越多，交通事故也越来越多。交通事故成为了现在越来越严重的安全隐患。我们必须加强对汽车安全性能的考虑。随着电子技术、信息技术、网络技术的发展，智能汽车概念应运而生，将电子信息网络和汽车接合起来实现汽车的智能化，是传统汽车产业的机遇也是的挑战。汽车的智能化必将是未来汽车产业发展的趋势，在这样的背景下，我们开展了基于超声波的智能小车的避障研究。 超声波具有穿透力强、方向性好、操作简单、方便、快速和安全等的特点，在很多 领域有着广泛的应用前景。超声波作为智能车避障的传感信号，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。作为一个发展大
毕业设计(论文)开题报告 学生姓名：学号： 专业：电气工程及其自动化 设计(论文)题目：超声测距系统设计 指导教师: 2011 年 2 月24 日
毕业设计（论文）开题报告 1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述 文献综述 1 研究背景 测距的原理和方法有很多，根据信息载体的不同可分为光学方法、无线电方法和超声波方法[1]。随着电子技术的发展，先后出现了激光、超声波及红外线等非接触式测距方法。激光测距虽然测距精度高，操作简单，但是受环境的影响比较大，且系统检测维护不便，价格相对昂贵，一般多在军事领域应用。红外测距属于电磁波的一种，超声波是声波测距，实现起来更容易且不受电磁干扰影响。红外传播速度为3x108m/s，超声波在空气中的传播速度为340m/s，其速度相对电磁波是非常慢的，因此在同等距离的情况下，超声波的传播时间远大于红外，往返时间更易测量[1]。 由于超声波方向性好、超声测量无接触，超声波测距系统价格低廉、易实现、信息处理简单可靠，所以利用超声波进行距离和长度的测量越来越受到人们的重视。超声波技术的发展经历了从理论技术的研究到大范围的工业应用。在这期间，雷达技术、激光技术、电子技术等技术的发展对超声波技术不断更新和发展起到了很大的促进作用[2]。 2 国外研究现状 一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验，这是人类首次有效产生的高频声波。在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响[3]。 1917年，法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信联络。在这之后对超声的研究主要体现在电子领域[4]。 1925年，Pierce使用石英传感器和镍传感器来产生和探测超声波，而且频率扩展到兆赫级。至此；Debye,Sears,Lcas分别发现了超声波的衍射光栅，用超声波来研究液体和气体的声学特性方法得到稳定发展。 1927年Hantalnnn和Tro11e解决了超声汽笛的许多细节问题，这些汽笛被证明在流
温度传感器课程设计报告 专业：电气化 年级： 13-2 学院：机电院 姓名：崔海艳 学号：8021209235 -- 目录 1引言 (3) 2 设计要求 (3)
3 工作原理 (3) 4 方案设计 (4) 5 单元电路的设计和元器件的选择 (6) 5.1微控制器模块 (6) 5.2温度采集模块 (7) 5.3报警模块 (9) 5.4温度显示模块 (9) 5.5其它外围电路 (10) 6 电源模块 (12) 7 程序设计 (13) 7.1流程图 (13) 7.2程序分析 (16) 8. 实例测试 (18) 总结 (18) 参考文献 (19) 1 引言 传感器是一种有趣的且值得研究的装置，它能通过测量外界的物理量，化学量或生物量来捕捉知识和信息，并能将被测量的非电学量转换成电学量。在
生活中它为我们提供了很多方便，在传感器产品中，温度传感器是最主要的需求产品，它被应用在多个方面。总而言之，传感器的出现改变了我们的生活，生活因使用传感器也变得多姿多彩。 温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同，在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大，滞后现象严重，存在很多不确定的因素，难以建立精确的数学模型，从而导致控制系统性能不佳，甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用，但由于继电器动作频繁，可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的PID控制方式，但PID控制对象的模型难以建立，并且当扰动因素不明确时，参数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测 2 设计要求 本设计主要是介绍了单片机控制下的温度检测系统，详细介绍了其硬件和软件设计，并对其各功能模块做了详细介绍，其主要功能和指标如下： ●利用温度传感器（DS18B20）测量某一点环境温度 ●测量范围为-55℃～＋99℃，精度为±0.5℃ ●用液晶进行实际温度值显示 ●能够根据需要方便设定上下限报警温度 3 工作原理 温度传感器 DS18B20 从设备环境的不同位置采集温度，单片机 AT89S51 获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。当采集的温度经处