毕业设计（论文）基于AT89C51单片机的水塔智能水位控制系统设计.doc

摘 要水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，水塔供水的主要问题是塔内水位应该始终保持在一定范围内，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，而自动控制原理，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，从而提高了供水系统的质最。而智能控制系统的成本低，安装方便，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。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，水位测量 ABSTRACTWater towers water level control system is widely used in residential area of water supply systems, water tower water's main problem is the tower water should remain within a certain range, avoid "air tower", "excessive tower" phenomenon. Traditional control mode existing control accuracy, low energy consumption big shortcoming, and automatic control principle, according to change of using water quantity automatic adjustment system operational parameters, maintain constant water pressure to meet the requests of water supply system, thus enhancing the qualitative most. And the intelligent control system, convenient installation, low cost is to save water, sensitivity, convenient family and the unit control towers water level of ideal device.This paper introduces a kind of master components for by AT89C51 level measurement system of ultrasonic. Ultrasonic liquid level measurement instrument technology application in ultrasonic echo hardware components, the principle, ultrasonic launching by AT89C51 control circuit will every fixed cycle of square wave pulse signal control, to meet the launch of ultrasound probe needs. Ultrasonic receiving circuit on the echo of receiving a great orthopedics, back to microcontroller. System for design with AT89C51 core, measured ultrasonic transmission time, calculate the distance, thus obtains spread to measure distance, the liquid level and displayed by LED out. Software parts, design the interrupt program, display procedures, main program, etc. Makes parts of the program for hardware part system function can be realized.Keywords ultrasonic, AT89C51, level measurement目 录摘 要IABSTRACTII目 录III1 绪 论11.1 引言11.2 综述22 水塔水位检测方案42.1 方案论证42.1.1 水塔水位自动控制系统42.1.2 水塔水位发展与应用42.2 水位测量的分类52.2.1 按照原理分类52.2.2 按照接触方式分类83 超声波水位检测原理113.1 超声波的水位检测介绍113.1.1 超声波基本性质113.1.2 超声波的特性113.1.3 超声波的衰减123.1.4 超声波的折射率123.1.5 水位介质中的声速与温度的关系133.2 超声波水位检测探头143.3 超声波探头的压电效应143.4 超声波水位检测的理论分析153.5 超声波水位计的优缺点与可行性163.6 超声波水位检测的主要任务174 超声波水位探测系统的硬件设计194.1 系统总体设计思想194.2 发射电路设计194.2.1 发射电路工作原理204.2.2 发射电路的组成204.3 接收电路的设计214.3.1 接收电路的工作原理224.3.2 接收电路的组成224.4 显示模块234.5 独立式按键255 超声波水位探测系统的软件设计265.1 软件设计思想265.2 中断程序265.3 显示程序275.4 主程序285.5 按键扫描31结 论33参考文献34附件35致 谢381 绪 论1.1 引言我国的供水自动化系统发展已初有成效。供水自动化系统主要包括水厂自动化和供水管网调度自动化两个方面。由水工业的社会性所决定，水工业的学科体系由多个相互关联的学科组成，包括：水质与水处理枝术、水工业工程技术、水处理基础科学、水社会科学，水工业设备制造枝术等，它们共同支撑着水工业的工业体系。而在这些学科中水质与水处理技木和水工业工程技术是水工业学科体系中的主导学科。近几十年来，自动控制技术迅猛发展，在工农业生产，交通运输，国防建设和航空，航天事业等领域中获得广泛的应用。随着生产和科学技术的发展，自动控制技术至今己渗透到各种科学领域，成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素。比如在生活方面的温度调节、湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自动电梯、空气调节器、电冰箱、自动路灯、自动门、保安系统等。在工业方面主要分为两大类：一类是气体、水位、粉体、石油化工制药、轻工食品、建材等行业。需要对温度、压力、物位、流量、成分等参数进行控制。另一类是对己成型材料的进一步加工或者对多种己成型材料的装配，主要控制位移、速度、角度等参数这些都需要应用自动控制学科的知识。控制理论一般分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。经典控制理论最初称为自动调节原理，适用于较简单系统特定变景的调节。随着后期现代控制理论的出现，故改称为经典控制理论。经典控制理论以传递函数为数学工具研究单输入、单输出的自动控制系统的分析和设计方法。主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。现代控制理论的产生，随着科学技术的突飞猛进，特别是空问技术和各类高速飞行器的发展，使各受控对象要求高速度、高精度，而系统的结构更加复杂，要求控制理论解决动态耦合的多输入多输出、非线形以及时变系统的设计问题。此外，对控制性能的要求也在逐步提高，很多情况下要求系统的某种性能是最优的，而且对环境的变化要有一定适应能力等。这些新的要求用经典理论是无法解决的，这同时也为现代控制理论的形成创造了条件，具有结构简单，使用寿命长，可靠性高，操作维修方便，经济实用的优点是用于各种高层水位储存的理想设备。1、意义水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，水塔供水的主要问题是塔内水位应该始终保持在一定范围内，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，而自动控制原理，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，从而提高了供水系统的质最。而智能控制系统的成本低，安装方便，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。2、国内外研究现状、水平和发展趋势在日常生产和生活中常遇到水位的检测问题。从20世纪80年代开始 ,一些发达国家就借助于微电子、计算机、光纤、超声波等高科技使水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。笔者使用单片机为核心控制部分,通过测量超声波在媒质中的传播时间和温度测定实现对波速的补偿,从而计算出水位高度,实验证明该超声波水位测量仪具有显示直观、操作方便,同时可实现与上位机的数据通信等优点。采用超声波传感器测量位差，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境具有一定的适应能力。利用超声波的非接触测量性和准确性进行水位测量，使结果更加准确。利用相应的超声波发射电路和接收电路来达到测量目的。超声波水位传感器要利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量。1.2 综述近年来，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，水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。目前，水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：水位测量技术在石油、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水位测量计现在的主要发展方向。在现代工业生产中，常常需要测量容器中水位的水位。在一般的生产过程中，水位测量的目的主要是通过水位测量来确定容器里的原料、半成品或产品的数量，以保证生产过程各环节物料平衡以及为进行经济核算提供可靠的依据;另外还为了在连续生产的情况下，通过水位测量，了解水位是否在规定的范围内，从而维持正常生产、保证产品的产量和质量以及保证安全生产。水位的测量在工业生产过程中的作用已经相当重要。在目前市场上，按测量水位的感应元件与被测水位是否接触，水位仪表可以分为接触型和非接触型两大类。接触型水位测量主要有：人工检尺法、浮子测量装置、伺服式水位计、电容式水位计以及磁致伸缩水位计等。它们的共同点是测量的感应元件与被测水位接触，即都存在着与被测水位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水位沾污或粘住，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。非接触型水位测量主要有微波雷达水位计、射线水位计以及激光水位计等。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水位不接触。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。超声波水位测量计就属于非接触型水位测量的一种，所以它也有不受被测介质影响，不影响被测介质，能适应粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶、高温、高压、低温、低压、有辐射性、毒性、易挥发易爆等特殊介质的测量的特点，能适应的范围比其它的测量手段更广泛。2 水塔水位检测方案2.1 方案论证现代控制理论本质上是时域法，是建立在状态空间基础上的，它不用传递函数，而是用状态向量方程作基本工具，从而大大简化了数学表达方式，因此原则上可以分析多输入多输出、非线形以及时变系统。自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展，而自动控制理论的发展，又指导了控制技术的应用，使其进一步完善，随着科学技术的发展，自动控制技术和理论已经广泛的应用于科技、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应堆等各个学科领域。近年来，控制科学的范围还扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会领域，并为各个学科之间的相互渗透起了促进作用，可以毫不夸张的讲，白动控制技术和理论已经成为现代化社会的不可缺少的组成部分。自动控制技术的应用不仅使生产过程自动化，从而提高生产率和产品质量，降低成本，提高经济效益，改善劳动条件，而且在探索新能源，发展空间技术和创造社会文明等方面都具有十分重要的意义。2.1.1 水塔水位自动控制系统水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，而自动控制原理，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，从而提高了供水系统的质晕。而且成本低，安装方便，经过多次实验证明，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。该系统采用分立元件电路实现了水塔水位的自动控制，设计出一种低成木、高实用价值的水塔水位控制器。采用分立的电路实现超高、低水位处理，自动控制电机电路。它能自动完成上水停水的全部工作循环，保证液面高度始终处于较理想的范围内，它结构简单，制造成木低，灵敏度高，节约能源显著，是用于各种高层水位储存的理想设备。2.1.2 水塔水位发展与应用我国的水工业科技发展较快，与国际先进水平的差距正在不断缩小，水工业科技体系己初步形成，拥有一支从事水工业基础科学研究、应用研究、产品研制和工程化产业化开发的科技队伍。但是，在水工业科技领域普遍存在着实用性差、转化率低的情况。这已成为制约我国水工业产业化发展的关键。在水工业科技产业化大潮到来之际，认真分析我国水工业科技发展历程，总结我国水工业科技的特点和特长是寻找水工业产业化突破口的关键。日前，我国的供水自动化系统发展己初有成效。供水自动化系统主要包括水厂自动化和供水管网调度自动化两个方面。我国供水行业是推动水科技产业化的龙头。给水行业是城市基础设施投资的主要方向之一。在体制上，供水企业体制的变革己成为市场化发展的必然；在技术上，供水行业则面临着关键给水装条国产化、工艺技术成套设备化、自动控制现代化的迫切的技术要求。优质供水是水工业市场化发展的新增长点，同时要倡一导节约用水，提高水的重复利用率，并逐步建立完善的水工业学科体系。完善的水工业学科体系是水工业产业发展的必要保证。传统的给水排水工程学科体系已难以包还水工业的丰富内涵，已不能很好地适应水工业发展的需要，而水工业学科体系止是在给水排水工程学科体系发展而来。由水工业的社会性所决定，水工业的学科体系由多个相互关联的学科组成，包括：水质与水处理技术、水工业工程技术、水处理基础科学、水社会科学、水工业设备制造技术等，它们共同支撑着水工业的工业体系。而在这些学科中水质与水处理技术和水工业工程技术是水工业学科体系中的主导学科。2.2 水位测量的分类水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。根据水位位测量所涉及的水位存储容器、被测介质以及工艺过程的不同，水位计类型的选用也不同。在进行水位测量前，必须充分了解水位测量的工艺特点，以此作为水位计设计过程中的参考因素。2.2.1 按照原理分类随着工业自动化的发展，发展了许多新的测量原理，一批具有智能控制功能、可实现非接触测量、精度高、稳定性好的水位计相继问世，并应用到越来越多的工业测量领域，如基于超声波、雷达、光纤等技术的水位测量仪。根据工作原理的不同水位计可分为如下几种：1、 直读水位计：如图1.1所示。图1.1 直读式水位测量方法直读式水位测量方法：是一种直接用与被测容器连通的玻璃管或玻璃板来显示容器中的水位高度，它是最原始但仍应用较多的一种水位测量仪表;另外，利用浸入式刻度钢皮尺直接测量水位高度的人工检尺法也是应用较广泛的水位计量方法，尤其是在大型油罐储油量的测量中，也可把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。其精度一般为2mm的人为误差。此种方法有测量简单、直观、成本低的优点，但测量量程有限，且不适于恶劣环境中的测量。2、 静压水位计：如图1.2所示。图 1.2 静压式水位测量方法利用液柱对某定点产生压力，测量该定点压力或测量该点与另一参考点的压差而间接测量水位的仪表，水位压力的大小取决于水位高度；这种方法主要应用于测量精度要求不高的场合。3、 电磁水位计：如图1.3所示。这种测量方式是将水位的变化转换为电量的变化，从而对水位进行间接测量，如电容式、电感式和电阻式水位计等。 图1-3a非导电水位电容式测量原理 图1-3b导电水位电容式测量原理电磁水位计中电容由两块同心的圆柱面极板组成，电容式水位测量是根据电容量与被测水位和气相介质的相对介电常数、电容传感器浸入水位的深度、电容传感器垂直高度、内外极板圆柱底面半径之间的关系，由已知的其他数值得出所测水位高度值。电容式水位计价格低，安装容易，且可以应用于高温、高压的场合。但电容水位计测量重复精度较低，需定期维修和重新标定，工作寿命也不长。电阻式水位测量方法特别适用于导电水位。敏感器件具有电阻特性，其电阻值随水位的变化而变化，因此将电阻变化值传送给二次电路即得到水位高度值。电感式水位测量方法同样适用于导电水位的水位测量，特别是液态金属。其原理是:水位变化使得电感元件的自感、互感或导磁率发生变化，故将该变化量送往二次相应的水位数值。电感式测量应用最广泛的是高频水位计。该水位计的测量原理是，频率调制信号通过射频电缆祸合到传输线传感器谐振回路，谐振回路的输出电压经过检波电路和射频电缆传送给低通滤波器，然后根据低通滤波器的输出电压控制调谐电路，产生新的振荡频率，直到传感器谐振电路处于完全谐振状态为止，则此时的振荡频率即与传感器的电感量相对应，从而与水位相对应。4、浮子水位计：图 1.4 浮子式水位测量方法利用浮子的比重比所测水位的比重稍小的特点，使浮子漂在液面上并随液面的升高或下降来反映水位，它也是一种应用最早并且应用范围很广的水位测量仪表;将浮子用一条多孔钢带连接至一个恒转矩装置或平衡锤上，由浮子的重量带动多于L钢带通过齿轮装置推动机械计数器作现场显示，还可连接电动变送器，获得远距离显示。由于滑轮机械装置的摩擦力和铆带重量，测量误差一般约为士(4一10)mm。以上3种方法都是利用水位传感器的电参数产生变化的方法来测量水位的。这种测量方法原理简单、易于操作、成本低廉，但精度较低、可靠性差，已不能满足现代工业测量中对测量精度和仪器可靠性的要求。随着科学技术的发展，基于新技术的水位计发展越来越快。5、超声波水位计：超声波水位仪是非接触测量中发展最快的一种。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。可实现非接触测量、测量范围宽、并且测量不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，因此它的适用范围非常广泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蚀性及有毒水位等的水位测量中。我国从九十年代初开始，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、浆等水位的水位测量中。超声水位测量技术在越来越多的领域发挥其重要作用。传统水位计逐渐被这些新型水位计所取代。新型水位计无论是在精度、稳定性，还是在智能测量方面都比传统水位计有着明显的优势，是今后水位计的发展方向。其中，超声波水位计以其低成本、高精度、非接触测量、稳定性好等优势受到广泛青睐，发展出了适应于不同场合的超声波水位计，广泛应用于石油化工、航天航空、水利、气象、环保、医药卫生、食品饮料等多个领域。本课题中正是以超声波水位计为研究对象。2.2.2 按照接触方式分类如果按照接触方式来划分可以分为，第一种是非接触测量方式的水位仪；第二种是接触测量方式的水位仪。1、非接触型水位仪表非接触型测量仪表主要包括超声波水位计、雷达水位计、射线水位计以及激光水位计等。这类水位测量仪表的共同特点是测量的敏感元件与被测水位不接触，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)超声波水位计：超声波水位计是非接触式水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水位计。目前，智能化的超声波水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。超声波水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，超声波水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、水位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水位。(2)雷达水位计：雷达水位计发明于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，所得信号频正比于罐顶到液面之间的距离。雷达水位计特别适用于高粘度或高污染的产品，如沥青等。雷达水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)射线水位计：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，核辐射式水位计正是利用这一原理来测量水位的。核辐射式水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，可实现对水位动态变化的检测。除利用核辐射射线来测量之外，还可采用中子射线来测量水位。射线水位计安装非常方便，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)激光水位计：其测量原理类似于超声波水位计，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水位。激光的光束很窄，在水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。激光水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，大罐内的油苏汽，水气等微粒对测量不利，且光学镜头必须定期保持清洁。2、接触型水位仪表接触型水位仪表，主要有：人工检尺法、浮子测量装置、伺服式水位计、电容式水位计以及磁致伸缩水位计。它们的共同特点是测量的感应元件与被测水位接触。(1)人工检尺法：利用浸入式刻度钢尺测量水位，取样测量油温和密度，通过计算得到水位的体积和重量，这是迄今为止依然在全世界广泛使用的水位测量方法，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厂处理数据，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水位测量元件，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。浮子式水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水位的测量。(3)伺服式水位计：伺服式水位计与浮子式水位测量装置相比，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。现代伺服水位计的测量精度已达到40m范围内小于±1mm。但是，由于伺服式水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)电容式水位计：电容式水位计的核心是电容水位传感器。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，比较电容用来测量水位的介电常数，测量电容用来检测水位的变化，由水位的介电常数和测量电容的容量计算出水位。电容式水位计的价格较低、安装容易且可以应用于高温、高压的测量场合。(5)磁致伸缩水位计：磁致伸缩水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，磁致伸缩水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。磁致伸缩水位计安装容易，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水位计。但是磁致伸缩水位计与被测水位接触，仪器容易受到腐蚀，且水位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，从而影响水位的正确测量。3 超声波水位检测原理3.1 超声波的水位检测介绍简单来说，超声波就是超过人耳能听到的物体振动的声音的频率范围的声波就叫超声波。一般来说是指声音超过了20000Hz以上的声波称之为超声波。与光波不同，声波是一种弹性机械波，即机械振动在弹性媒质中的传播。超声波有以下几个特点：1. 频率高波长短定向好；2.振幅小加速度大能量集中功率高强度大；3.在不同介质界面上大部分能量反射，因而，超声波特别适合于距离测量。3.1.1 超声波基本性质和其他声波一样，超声波可以在气体、水位及固体中传播，并有各自的传播速度。例如，在常温下空气中的声速约为334m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000m/s。其在空气中的传播速度主要与空气的压力和温度有关正常条件下由于大气压力变化很小因此其传播速度主要考虑温度的影响在空气中传播速度为 C=331.5+1.67t(m/s) （3.1）其中C为超声波声速，t为传播介质的温度。在温度已知时超声波速度就能通过公式计算出来，在这个时候只要记录从发射到接收超声波的时间即可求出被测距离。超声波的另一个特性是超声波频率越高，超声波与光波的某些特性（如反射、折射定律）相似。= C/f （3.2）其中为超声波波长、f为超声波频率与、C为超声波速度。3.1.2 超声波的特性1、超声波的束射特性由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且，遵守几何光学上的定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，也就是要改变它的传插方向，两种物质的密度差别愈大，则折射也愈大。2、超声波的吸收特性声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因为物质要吸收掉它的能量。对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收最历害，在水位中传播时吸收比较弱，在固体中传播时吸收最小。3、超声波的能量传递特性超声波所以往各个工业部门中有广泛的应用，主要还在于比声波具有强大得多的功率。当声波到达某一物质中时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物质分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量、超声波的频率比声波可以高很多，所以它可以使物资分子获得很大的能量；换句话说，超声波本身可以供给物质足够大的功率。4、超声波的声压特性当声波通入某物体时,由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。3.1.3 超声波的衰减在传播的过程中，衰减系数与声波介质以及频率的关系为衰减系数与声波所在介质及频率的关系为: （3.3）其中，为衰减系数，b为介质常数，f为振动频率。在空气中， 声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，水位其次，固体吸收最小而衰减最小。因此，对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在水位和固体中传播的距离短。另外，声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此，超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。因此考虑到实际工程的需要，在设计超声波水位计时，选用频率等于40kHz的超声波，波长为0.85cm。3.1.4 超声波的折射率当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质密度不同及声波在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射，其反射系数R为（3.5）其中，、分别是反射和入射声波的声强；、分别是声波的入射角和反射角；、分别是两种介质的声阻抗；其中、；、分别是两种介质的密度，、分别是在两种介质里的速度。声波垂直入射时，=0，=0;则反射系数R为 （3.6）由上式可以看出，与相差越小，R值也越小，说明反射越弱，当=时，R=0，说明这时没有反射，声波全部透射。当反射介质声阻抗远远大于入射介质声阻抗时，即所谓的硬边界。这时，入射波的介质速度在碰到分界面时好像弹性碰撞一样，变成一个反向速度，反射波质点速度与入射波质点速度相位改变，反射声压与入射声压同相位。比如，当声波从水传播到空气，在常温下，它们的声阻抗约为、，代入公式可得，R=0.999。这说明声波从水位传播到气体或相反的情况下，由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。表3.2给出了几种常见介质的反射系数。表3.2几种常见介质的反射系数第一介质第二介质声阻抗铝钢铜水银玻璃水空气铝1.7000.210.140.010.020.721钢4.5600.010.160.310.881铜3.9200.130.230.861水银1.9300.040.751玻璃1.8000.651水0.1301空气0.00004103.1.5 水位介质中的声速与温度的关系几乎除水以外的所有水位，当温度升高时，容变弹性模量减小，声速降低。惟有水例外，温度在74 左右时声速达最大值，当温度低于74时，声速随温度高而增加，当温度高于74时，声速随温度升高而降低。水中声速与温度的关系公式如下，不同温度下水中的声速如表3.1所示。c =1557-0.0245(74-t)2 （3.4）其中，c为超声波在水中的传播速度、t为水的温度。表3.1 不同温度下的水中声速温度（摄氏度）102025304050607080声速（米/秒）1448148314971510153015441552155515543.2 超声波水位检测探头超声波探头，也就是超声波换能器，是超声波测距系统中的重要组成部分。通常所说的超声波换能器一般是指电声换能器，它是一种能完成电能与声能的相互转换的装置。换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。超声波传感器产生振荡的方法很多，主要有以下几种：1.由外部电路产生振荡，如 NE555 低频振荡器调制 40KHz 的高频信号，高频信号通过超声波传感器以声能形式辐射出去；2.采用单片机内部的定时器或直接使用程序产生固定的脉冲，通过CD4069驱动发送超声波传感器振荡；3.使用工业用小功率超声波收发控制集成电路 LM1812 驱动发送超声波传感器振荡。3.3 超声波探头的压电效应超声波探头使用最多的是由压电晶片或压电陶瓷制成的换能器。超声波的接收和反射是基于压电晶片的压电效应和逆压电效应。其工作原理是当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此即逆压电效应。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，此为正压电效应。前者是超声波的发射，后者为超声波的接收。压电晶片的振动频率即探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度，为得到较高的频率，要使晶片在共振状态下工作，此时晶片厚度为1/2波长。通常我们一般使用PVDF压电薄膜材料，此材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面积上有很大的选择余地，易于加工且频率范围宽，常用来制成的超声换能器。常见的压电晶片的材料参数见表3.3。表3.3几种常用压电晶片材料的主要参数材料居里点介电常数声阻抗特性压电应变常数压电电压常数石英5704.515.22.050钛酸钡系11517003016013锆钛酸铅190-300150028320-24.4偏铌酸铅>40030020.58532锆钛铅1201000270125-19014-21其中，压电材料的居里点是指压电材料完全丧失压电效应的温度、介电常数反映了材料的介电性质，在制造探头考虑阻抗匹配时起作用、压电应变常数是指当压电体处于应力恒定的状态时，由于电场强度变化所产生的应变变化与电场强度变化之比，它关系着晶片发射性能的好坏、压电电压常数是指压电体在电位移恒定时，由于应力变化所产生的电场强度变化与应力变化之比，它关系着晶片接收性能的好坏。压电片的振动方式有很