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1、1 引言在许多工业生产系统中，需要对系统的液位进行测量，因此需要研制一种使用简便，测量准确、价格低廉且具有智能管理的液位仪很有必要的，特别是对具有腐蚀性的液体液位的测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电脉冲来检测液面，电极长期浸泡在液体中，极易被腐蚀、电解、失去灵敏性，因而对测试设备的抗腐蚀性要求较高1。根据超声波传感器的特点，并采取一种非接触式的测量方法，能够实现对工业系统中液位或物料位的检测，能够设计出一套基于单片机的超声波液位仪的硬件系统和软件系统，并对硬件系统和部分软件分别进行相关的调试。硬件部分的总体目标是力求在结构上简单，尽量完善其功能。超声波液位仪具非接触，精度较高，实时
2、测量，可靠性强等优点。而且超声波具有很好的指向性和束射特性，人耳听不见，一般不会对人体造成伤害艟测工程方便、迅速、易做到实时控制。所以它具有明显的优势和广阔的发展前景，较为适合国内市场。1.1 超声波测液位的现状经过不断的努力和探索，科技工作者己开发出了种类繁多、各具特色的液位仪。尤其是近二十年来，随着微处理器的引入，测量仪表更是发生了革命性的变化。液位仪的量程从几米到十几米，测量精度亦大大提高。根据液位测量所涉及的液体存储容器、被测介质以及工艺过程的不同，选择不同类型的液位仪。在进行液位测量前，必须充分了解液位测量的工艺特点，以此作为液位仪设计过程中的参考因素。在国际上，把超声波技术用于液位
3、测量己有较长时间，我国从20世纪90年代开始发展，将超声测距技术应用到河流、湖泊、水、渠等水体的水位测量中，以及油、浆等液体的液位测量中。目前国内高精度超声液位测量仪表的发展主要采用引进加吸收等手段，还有许多合资企业代理国外相应产品。国内自主研发超声波液位计的公司极少，而且测量范围，死区范围和精度都低于国外超声仪表的平均水平。有的厂家只有生产设备，没有标定装置。由此可见，我国在该领域的发展相对国外还有较大差距，在产品性能指标、仪表可靠性、企业技术力量等方面都落后于西方发达国家2。1.2 超声波测液位的意义日常的测距工具在一些特殊的场合是很不方便的，甚至无法进行距离的测量，比如液位，井的深度等等
4、。近年来，随着工业自动化生产和装配过程中自动识别的需要，特别是工业机器人的自动测距的需要，出现了多种测距方法和原理。根据其信息载体的不同可归纳为光学方法和超声波方法。随着智能仪器概念的提出，在电子和微控制芯片发展的基础上，液位仪器也经历着日新月异的变化。目前液位仪的功能和价格，不同的厂家和不同的型号之间，相差较大。国内产品相对便宜，但功能简单，精度不高。国外进口产品功能相对完善，精度较高，但价格不菲。对于一些中小型用户来说，较难承受其价格，且维修不方便。因此，研制一种使用简便、测量准确、价格低廉且具有智能管理的液位仪很有必要。众多液位测量的仪器中，超声波液位仪应用前景较好，它属于非接触型液位仪
5、，具有价格较为适中、安装使用方便、精度较高等优点。在日常生产和生活中常遇到液位的检测问题时，一些发达国家就借助于微电子、计算机、光纤、超声波等高科技使液位自动计量呈现出集功能、精度和现场于一体的新水平。在工程技术领域中，由于超声检测灵敏度和精度较高，且费用低廉，被广泛应用。经过不断的努力和探索，科技工作者己开发出了种类繁多、各具特色的液位仪。尤其是近二十年来，随着微处理器的引入，测量仪表更是发生了革命性的变化。液位仪的量程从几米到十几米，测量精度亦大大提高。根据液位测量所涉及的液体存储容器、被测介质以及工艺过程的不同，选择不同类型的液位仪。在进行液位测量前，必须充分了解液位测量的工艺特点，以此
6、作为液位仪设计过程中的参考因素。 目前，进口的智能化超声波液位仪能够对接收信号做精确的处理和分析。随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。近些年来，随着超声技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声的应用变得越来越普及。目前已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。1.3 超声波测距的优点超声波方法在这些方面具有明显突出的优点2：(1)超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，因此可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高；(2)超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于
7、识别透明、半透明及漫反射性差的物体如玻璃、抛光体；(3) 对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；(4)超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化1.4 本设计的任务和要求任务：(1)了解超声波测距原理。(2)根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。要求：(1)设计出超声波测距仪的硬件结构电路。(2)对设计的电路进行分析能够产生超声波，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。(3)对设计的电路进行分析。(4)以数字的形式显示测量距离。2 超声波传感器2.1 超声波超声的定义：声音是与人
8、类生活紧密相联的一种自然现象。是一种人耳无法听到的、频率一般超过20kHz 的声音。当声音的频率高到超过人耳听觉的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。超声波通常指1秒内振动20000次以上的高频声波。它具有以下特性3： （1）辐射传播速度是用频率乘以波长来表示的。电磁波的传播速度是 3108m/s，而声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s。在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。 （2） 反射 要探测某个物体是否存在，超声波应能够在该物体上得到反
9、射，由于金属、木材、混凝土、橡胶和纸等可以反射近乎100的超声波，因此我们可以很容易地探测到这些物体。由于布、棉花等可以吸收超声波，探测到他们将十分困难。另外，由于不规则反射，通常可能很难探测到表面震动幅度很大的物体。 （3） 温度 声波传播的速度“V”可以用公式（2.1）表示： V=331.5+0.607T(m/s) （2.1 ）式中，T为温度，单位（C），也就是说，声音传播速度随周围温度的变化而有所不同。因此，要精确的测量与某个物体之间的距离时，检查周围温度是十分必要的。 （4）衰减 传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是由于衍射现象上的扩散损失，和介质吸收能量产生的吸收损
10、失。即为以下四个基本特性：束射特性，吸收特性，高功率，声压作用。上述四个基本特性使超声波在媒体中导致如下五种效应：力学效应、热学效应、光学效应、电学效应和化学效应。总而言之，超声波的特点是它能在各种媒质中传播，波长短，因而分辨率很好；声束尖锐，声能集中；在不同物质界面上会有反射、折射、散射等现象；可获得较高声强。利用声在媒质中的声速、衰减、共振、反射等现象可测量物质的成分、比重、厚度等。超声波测距就是利用超声波脉冲反射回波法实现的。2.2 超声波传感器超声波传感器是超声波测距系统中的重要器件3。利用压电效应和逆压电效应原理，将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射；也可以将作用在它上面的超声
11、机械波转换为相应的电信号，起着能量转换的作用。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，当频率越高，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，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。在超声波测距系统中利用超声波传感器产生和接收超声波，利用超声波的特性进行数据测量。利用超声波来感知或检测物体，有非破坏性、遥控性、实时性、可穿透性等优点，在许多方面体现了独到之处。现在很多的检测装置我们都采用超声波传感器，主要是因为：（1）超声检测属于非接触无损检测技术，传
12、感器无疲劳与磨损部分，使用寿命较长，可靠性高。同时，无须破坏路而。（2）由于指向性宽广，不需象红外探头那样，进行光轴的精确调整，因此安装方便，即使安装在机械振动较强的场合，也能稳定地工作。（3）超声探头利用的是声束，因此完全不受太阳光线、环境照明光的于扰，这一点对于交通流特征参数检测十分有利。（4）超声波使用的温度范围广，在高温场合下工作，也不需要冷却。（5）超声波对人体没有影响，对操作人员也无害。（6）价格适中。2.3 超声波传感器的分类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
13、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。2.4 超声波液位测量方法选择超声波测液位的方法有多种，如超声脉冲回波法、共振法、频差法、超声衰减法等。其中应用最广泛的是脉冲回波法。超声脉冲回波法的基本原理是超声波探头(又称超声波换能器)发射超声脉冲，在介质中传播，经反射后再通过介质回到接收探头，测出超声脉冲从发射到接收所需要的时间，根据介质中超声的传播速度，就能算得被测液体的液位。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
14、一定的比例关系。当超声波速度已知时，就可根据共振频率计算波长再换算出探头到液面的距离。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，并且可以实现非接触检测。所以脉冲回波法是其中最
15、适合的方法，本文将采用该方法实现超声波液位检测装置的实现。2.5 超声波换能器的结构和原理 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能芯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、能够定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其是在不透明的固体中，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，从而形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此这项技术广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以这种检测手段，必须发射超声波和接收超声波。能同时完成这种功能的装置就是超声波探头，也称为超声换能器。超声波换能器是利用超声波的特性研制而成的传感
16、器。其实质上是一种可逆的换能器，将电振荡的能量转变为机械振荡，形成超声波：或者由超声波能量转变为电振荡。一般压电式超声波换能器有两个共振频率：低频共振频率叫串联共振频率(ft)，此时阻耗(R)最小，用于发送超声波；商频的共振频率称为逆共振频率(fa)，主要是产生共振，用于接收超声波。而在串联共振频率(ft)处发送灵敏度最高，在逆共振频率(fa)处接收灵敏度最高。所以选用一对超声波换能器，使其效率最高。对应用于工业的超声波探头而言，要求其精确度要达到1mm，并且具有较强的超声波辐射。利用常规双压电芯片组件振动器的弯曲振动，在频率高于70kHz的情况下，是不可能达到此目的。所以，在高频率探测中，必
17、须使用垂直振动模式的压电陶瓷。压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就显得十分重要，负载压电陶瓷，它可以使超声波探头在高达数百kHz频率的情况下，仍能够正常工作。压电型超声波探头的工作原理：它是借助于压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。超声波探头有两块压电晶片和一块共振板，给它的两级加上脉冲信号，当其频率等于晶片固有频率的时候，压电晶片就会产生共振，并带动共振板一起振动，从而产生超声波。反之，如果电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时。将压迫两片电晶片振动，从而将机械能转换为电能，此时的探头就成了超声波接收器。3 超声波测液位原理3.1 超声波测距的方法本设计采用的是超声波往返时间检测法。其原
18、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。距离计算公式为：d=s/2=ct/2其中d为被测物与测距器的距离，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。3.2 超声波液位仪工作原理超声波液位仪的基本工作原理是超声波换能器由脉冲信号激励发出超声波，声波在介质中传播到达液面时，经液面反射形成反射波，反射波再经介质传播返回到换能器，换能器把声信号转换成电信号。由二次仪表测出超声波传播速度和换能器的安装高度，就可计算液位高度
19、。利用超声波传播时间和传播速度来确定液面距离。如图3.1所示，可以测出探头距液面垂直高度L，S为探头到地面的距离，所以液位高度计算公式：H=SL。其中L=1/2VT 同时S为已知，所以就可以计算出液位高度。 图3.1 超声波液位仪原理图4 超声波测液位系统硬件设计4.1 整体系统方案为了设计出价格便宜，可靠性较高，方便实用的超声波液位仪，本设计采用 AT89C51为核心的单片机电路，同时使用双探头的方式发射和接收超声波，基于超声波测距的原理，算出液位的高度，选用数码管显示液位的高度，以及具有键盘输入设置功能的检测装置，设计结构框图如图4.1所示。图4.1超声波测液位的系统设计框图本系统由超声波
20、发射电路、超声波接受电路、显示电路、单片机AT89C51、电源及相应软件构成。单片机是整个系统的核心，协调各部分的工作。采用AT89C51作为主控制器，检测距离的原理是通过单片机发出40kHz的方波串启动超声波发射管，延时一段时间后再启动超声波接受管，检测接收端是否接收遇障碍物反射的回波，同时利用单片机计算出收到回波所用的时间最后算出距离。4.2 核心单片机AT89C51本次设计采用的是AT89C51为核心处理器。作为超声波液位仪系统的核心部件，单片机的选择对整个系统功能的优化起着至关重要的作用5。面向工控领域的单片处理器，目前广泛应用的有 51 系列的8 位单片机及面向大量数字信号处理领域的
21、数字信号处理器(DSP)。 DSP 器件在工控领域的应用，从长远看是一个必然的趋势，但目前 DSP 器件的使用偏重于高端应用领域，对于智能仪表所开发的功能得不到充分利用，不能很好的体现器件优势。51 单片机具有开发技术成熟、应用广泛等优点，尤其是在ATMEL公司将Flash存储技术应用到单片机产品中，将Flash存储技术与Intel公司的 MCS-51 核心技术相结合，形成了 AT89 系列单片机。AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能，CMOS 8 位单片机，片内含 4K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器和128 位的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 AT
22、MEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51指令系统，内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大。AT89C51单片机的高性价比，可灵活应用于各种控制领域。双列直插(DIP)式封装的51单片机芯片一般为40条一脚，其引脚示意及功能分类如图4.2所示。图4.2 AT89C51知道单片机是由以下3部分组成：(1) CPU系统 8位中央处理器单元CPU；内部时钟产生电路，但石英晶体振荡器和电容需要外接，允许最高振荡频率为12MHz；总线控制逻辑(2) 存储器系统4/8KB ROM或EPROM；128/256字节的数据存储器RAM；21/26个特殊功能
23、寄存器SFR；(3) I/O口和其他功能单元4个8位并行I/O口；2/3个16位可编程的定时/计数器，T0、T1用来对外部脉冲进行计数，也可设置成定时器；有5/6个中断源，其中3个是内部中断源，2个外部中断源，通过软件可编程为两个中断优先级；1个全双工的通过编程工作在异步方式的串行接口，使数据可在微机之间一位一位地串行传送；64KB外部程序存储器寻址空间；64KB外部数据存储器寻址空间；具有位寻址功能，位寻址空间为00HFFH，具有较强的位处理能力。下面就其引脚做一些具体的功能说明：（1） 电源及时钟引脚(4个)Vcc电源电压GND：接地引脚XTAL 1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入
24、端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。（2）控制线引脚(4个)ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，囚此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部
25、程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH)，EA端必须保持低电平(接地)。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平(接Vcc端)，CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12 V的编程电压Vpp。RST/VPD：:复位信号输入引脚/备用电
26、源输入引脚；该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续二个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机恢复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚是上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。当VCC发生故障，降低高低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD(+5V)为内部RAM供电，以保证RAM中的数据部丢失。特殊功能寄存器专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。其输入/输出引脚有：P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，
27、每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写1可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流) 4个TTL逻辑门电路。对端口写1，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(In)。Flash编程和程序校验期间 P 1接收低8位地址。P2口：P2
28、与P1口一样一般作为I/O口引脚，它还可以作为高位地址总线引脚。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX DPTR指令)时，P2口送出高 8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX Ri指令)时，P2口里的内容在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口5。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。P3口的第二功能见表
29、4.1所示。表4.1 P3口引脚第二功能引脚第二功能P3.0RXD 串行口输入端P3.1TXD 串行口输出端P3.2/INT0 外部中断0请求输入端，低电平有效P3.3/INT1 外部中断1请求输入端，低电平有效P3.4T0 定时/计数器0计数脉冲输入端P3.5T1 定时/计数器1计数脉冲输入端P3.6/WR 外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效P3.7/RD 外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效 P3 口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。多数单片机系统的存储器组织方式与通用单片机系统的不同，其程序存储器地址空间和数据存储器地址空间是相互独立的。程序存储器
30、如果EA引脚接地(GND)，全部程序均执行外部存储器。在AT89S51，假如EA接至Vcc(电源+)，程序首先执行地址从0000H-OFFFH （4KB）内部程序存储器，而执行地址为1000H-FFFFH (60KB)的外部程序存储器。程序的入口地址和中断源的优先级各中断允许控制位于IE寄存器，5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器。其中断优先级和入口地址如表4.2所示。表4.2 中断源及其中断优先级和入口地址中断源入口地址同级的中断源优先级外部中断0定时器/计数器0中断外部中断1定时器/计数器1中断串行口中断定时器/计数器2中断0003H000BH0013H001BH0023H002BH最
31、高 最低数据存储器AT89S51的具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。定时器/计数器0和定时器/计数器1定时器0和1都是一个16位定时/计数器。它们的核心是16位加法计数器又特殊功能寄存器TH0、TL0及TH1、TL1表示。TH0、TL0是定时器/计数器0加法计数器的高8位和低8位，TH1、TL1是定时器/计数器1加法计数器的高8位和低8位。51单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。4.3 单片机的外围电路设
32、计单片机系统拓展一般是以基本的最小系统为基础的。最小系统是指一个真正可用的单片机最小配置系统。对于8051单片机，由于片内带有程序存储器，只在芯片上外接时钟电路和复位电路就组成了最小系统。单片机的最小系统如图4.3所示。图4.3 单片机最小系统4.3.1 复位操作复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态7。单片机的工作就是从复位开始的。复位也是单片机的初始化操作。其功能主要是将程序计数器（PC）初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序，并将特殊功能寄存器赋予一些特定的值。复位是上电的第一个操作，然后程序从0000H开始执行。在运行中，外界干扰等因素可能使单片机的程
33、序陷入死循环状态或跑飞。要使其进入正常的状态，唯一的办法就是将单片机复位，以重新启动。复位也是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态的一种操作。复位后，程序计数器（PC）及各特殊功能寄存器（SFR）的值如表4.3所示。表4.3 PC及各SFR的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTH100HACC00HP0-P3FFHPSW00HIPXX000000BSP07HIE0XX00000BDPTR0000HTMOD00HTCON00HSCON00HTL000HSBUF不定TH000HPCON0XXX0000BTL100H4.3.2 复位电路当 80S51单片机的RST引脚是复位端，高
34、电平有效。在该引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。使用时一般在此引脚与VSS引脚之间接一个约8.2K的下拉电阻，与VCC引脚之间接一个约20uF的电解电容，即可保证上电自动复位。电路如图4.4所示。图4.4 复位电路4.3.3 电源电路设计 电源是整个系统的能源中心，系统中所有器件的运作都需要电源来提供能量，因此系统电源的质量在很大程度上影响到单片机系统的稳定性8。交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压，如图4.5所示。变压器整流电路滤波电路稳压电路图4.5 电源电路设计框图直流电源的
35、输入为 220V 的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边与原边的功率比为 P2/P1=，是变压器的效率。滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分减少，输出恒稳的直流电。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。各滤波电容 C 满足公式（3.1）： RC=（35）T/2 (3.1)式中 T 为输入交流信号周期，RC 为整流滤波电路的等效负载电阻。电源电路设计，如图4.6所示。图4.6 电源电路4.3.4 时钟电路单片机的时钟一般需要多相时钟，所以时钟电路有振荡器和分频器组成。MCS-51内部有
36、一个用于构成振荡器的可控搞增益反向放大器。二个引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。在片外跨接一晶振和二个匹配的电容C1，C2，就构成了一个自激振荡器。如图4.7所示。图4.7时钟振荡电路当晶振频率为12MHZ时，C1，C2一般选30PF左右。晶体振荡器，以下简称晶振，是基于晶体的压电效应原理制造而成的9。当在晶片的两面上加交变电压时，晶片因反复的机械变形产生振动，而这种机械振动又会反过来产生交变电压。当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其它频率下的振幅大得多，并且产生共振，这种现象称为压电谐振。晶振发生振荡必须附加外部时钟电路，一般是一个放大反馈电路，只有
37、一片晶振是不能实现震荡的，于是就有了时钟振荡器。将外部时钟电路跟晶振放在同一个封装里面，一般都有 4 个引脚，两条电源线为里面的时钟电路提供电源，又叫做有源晶振，时钟振荡器，或简称钟振。好多钟振一般还要做一些温度补偿电路在里面，让振荡频率能更准确。设计中使用 12MHz 的晶振，通过单片机内部 6分频，发生 2MHz 的ALE 信号，经过超声波发射电路，获得探头所需的 40kHz 的频率。4.3.5 键盘在单片机应用系统中，除了复位键有专门的复位电路以及专一的复位功能外，其他的按键或键盘都是以开关状态来控制功能或输入数据的。键盘是人机交互的一个重要工具。键盘有二种基本类型：编码键盘和非编码键盘
38、10。编码键盘本身除了按键以外，还包括产生键码的硬件电路。这种键盘使用非常的方便，但价格较高。非编码键盘是靠软件来识别键盘的闭合键，由此计算出编码。非编码键盘几乎不需要附加硬件逻辑，在单片机应用系统中被普遍使用。下面介绍非编码按键的工作原理，非编码按键有独立式按键与矩阵式按键两种。若应用系统仅仅需要几个按键，则可以采用独立式键盘，它是直接用I/O口线构成的单个按键输入电路，如图4.8所示。其特点是每个按键单独占有一根I/O口线，而且每个I/O口线的工作状态不影响其他I/O口线的工作状态，是最简单的一种按键结构。图4.8 简单键盘接口电路由于这次所需按键不多。仅需要二个，分别为开始键，结束键，与
39、单片机接口连接图如图4.8所示。4.3.6 显示电路显示器是计算机的主要输出设备，它把运算结果，程序清单等以字符的形式显示出来。目前常用的显示器有数码管显示器(LED显示器)，液晶显示器（LCD显示器）以及CRT显示器等。下面介绍LED显示器的结构和工作原理。LED（Light Emitting Diode）的结构如图4.9(a)所示。由8个发光二极管按“日”字形排列，其中7个发光二极管组成“日”字形的笔画段，另外一个发光二极管为圆点形状，安装在显示器的右下角作为小数点用。分别控制各笔画的LED，使轻重的某些发亮，从而可以显示出09的阿拉伯数字符号及其他能由这些笔画段构成的各种字符。LED显示
40、器根据内部结构的不同可以分为二种，一种把所有发光二极管的阳极连在一起称作共阳极数码管，如图3.9（b）所示，另外一种是8个发光二极管的阴极连在一起称为共阴极数码管，如图所示3.9（C）所示。LED显示器是当外加电压超过额定电压时发生击穿而发出可见光，LED的工作电压通常为220mA。工作压降为2V左右，使用时需加限流电阻。 (a) (b) (C) 图4.9 LED结构图当某一个二极管导通时，相应的字段就发亮。这样，若干个二极管导通，就构成了一个字符。在共阴极数码管中，导通的二极管用“1”表示，其余的用“0”表示。这些“1”“0”数符按一定的顺序排列，就组成了所要显示字符的显示代码。例如，对于共
41、阴极数码管来说，阳极排列顺序为h，g，f，e，d，c，b，a。这样，字符1的显示代码为00000110，字符F的显示代码为01110001，用十六进制表示分别为06H和71H。若要显示一个字符，就在二极管的阳极按显示代码加以高电平，阴极加以低电平即可。显示代码如表4.4所示。表4.4 显示七段码表D7hD6gD5fD4eD3dD2cD1bD0a共阴七段码共阳七段码显示字符001111113FHC0H00010011006HF9H1011110115BHA4H2010011114FHB0H30110011066H99H4011011016DH92H5011111017DH82H600000101
42、07HF8H7011111117FH80H8011011116FH90H90111011177H88HA011111007CH83HB0011100139HC6HC010001115EHA1HD0111100179H86HE0111001171H8EHF0111001173H8CHP0111011076H89HH在单片机系统中，LED显示器的显示方法有二种：静态显示法和动态扫描法。显示电路采用LED数码管显示，数码管具有：低能耗、低损耗、低压，对外界环境要求低，易维护的优点，虽只能显示非常有限的符号和数码字，但可完全满足本设计。在显示部分采用LED动态显示技术，节省单片机空间，而且动态显示电流
43、很小，单片机可以提供。4.4 超声波发射电路超声波发射电路原理图如图4.10所示。图4.10 超声波发射电路发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器构成。单片机端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R22、R21一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。4.5 超声波接收电路超声波接收电路原理图如图4.1
44、1示。图4.11 超声波接收电路采用红外线检波接收专用芯片CX20106A制作超声波检测接收电路，该芯片常用于电视机红外遥控接收器。因红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，所以可利用该芯片作为接收电路使用。接收换能器收到的回波信号相对较弱，一般只有几毫伏，通过CX20106A进行放大，选频和整形后送于单片机的口一个低电平信号产生中断。实验证明用CX201O6A接收超声波具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。集成电路CX20106A原为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
45、控常用的频率38kHz与测液位的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波液位检测接收电路。CX20106A时红外线遥控接收前置放大双极型集成电路，内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路（ABLC）、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。(1)CX20106A技术特点l 低电压供电，典型值为5V。l 低功耗。Vcc=5V时，其典型功耗为9mW。l 带通滤波器的中心频率可以改变5脚和电源之间的电阻进行调节，其调节的范围为3060kHz。由于未使用电感，不受磁场干扰，所以抗干扰能力强。l 能与PIN光电二极管直接连接。l 集电极开路输出，能够直接驱动TTL或CMOS电路l 8脚单列直插式塑料封装(2)CX20106A引脚排列图及功能引脚排列及功能如图4.12所示和表4.5所列。图4.12 CX20106A引脚图表4.5 CX20106A 引脚符号及功能引脚号 符号功 能1 IN遥控信号输入端（此脚与地之间接红外线接收二极管02
