摘 要

目前液位检测技术广泛应用于各个领域，在工业生产和人类生活方面体现了巨大的潜在价值。过去传统的油罐液位检测装置容易受恶劣的环境影响，测量误差大，维护费用高，没有得到大范围的推广。于是研究超声波测距系统具有重要的现实意义。用超声波来测量油罐液位是一种非接触式的测量方式，它利用了超声波遇到液面能够反射的原理，安全性强，测量精度高且操作方便，易于控制。

本文设计的系统由AT89C51单片机模块，超声波发射与接收模块，LCD显示模块，蜂鸣器报警模块，液位控制模块，液位范围设置模块等组成。利用HC-SR04超声波传感器的Trig端口发射超声波，经液面反射后被超声波接收端口Echo接收。单片机收到电平信号后，内部的定时器计数，然后软件计算并通过单片机控制LCD1602显示出距离，实现了油罐液位的实时控制。最后，通过仿真和制作出的实物测试，达到了设计要求。

关键词：超声波；单片机；液位测量

Abstract

At present, liquid level detection technology is widely used in various fields, which has great potential value in industrial production and human life. In the past, the traditional oil tank liquid level detection device is easy to be affected by bad environment, with large measurement error and high maintenance cost, which has not been widely promoted. So it is very important to study the ultrasonic ranging system. It is a non-contact way to measure the liquid level of oil tank by ultrasonic. It uses the principle that ultrasonic can reflect when it meets the liquid level. It has strong security, high measurement accuracy, convenient operation and easy control.

The system designed in this paper consists of AT89C51 single chip microcomputer module, ultrasonic transmitting and receiving module, LCD display module, buzzer alarm module, liquid level control module, liquid level range setting module, etc. The trig port of HC-SR04 ultrasonic sensor is used to transmit ultrasonic wave, which is reflected by liquid surface and received by echo. After the MCU receives the level signal, the internal timer counts, and then the software calculates and displays the distance through the MCU control LCD1602, realizing the real-time control of the tank level. Finally, through the simulation and physical test, the design requirements are achieved.

Key Words：ultrasonic; single chip microcomputer; liquid level measurement

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本文的主要工作 2

第2章 系统总体方案设计 4

2.1系统功能需求分析 4

2.2系统模块 4

第3章 油罐液位测量系统硬件电路设计 5

3.1超声波测量模块 5

3.1.1超声波测量的原理 5

3.1.2超声波测量模块简介 6

3.2单片机最小系统 7

3.3显示模块 9

3.4液位范围设置模块 11

3.5报警模块 11

第4章 油罐液位测量系统软件设计 13

4.1编程语言 13

4.2软件总体设计 13

4.3计算并显示距离函数 14

4.4超声波测距部分 15

第5章 系统仿真与实物调试 16

5.1系统仿真 16

5.2实物调试 18

结论 21

致谢 22

参考文献 23

第1章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

伴随着人类生产生活的不断发展，石油燃料对人类的影响力也在不断增强。被称为“工业的血液”的石油是世界三大能源之一，是有机化工的重要原料，在国民经济中占有重要地位。在石油化工行业，油罐是现在使用最频繁的一种储油方法。然而，近年来，一再发生的溢油事故受到了社会的广泛关注。这些事故无疑正严重影响着着我们的生产活动，对人类的生命安全也造成了一定威胁。为了改善工人的工作环境，节约财力、物力等资源，必须将油箱的储油量限制在一定范围内，尤其是一些具有腐蚀性、辐射性，易燃易爆炸的液体，以保证生产环境的安全。此外，储油罐中油位的测量在过程控制、库存处理和结算中也起着重要作用。因此，研究储油罐油位的测量和控制对油品的安全储存和处理具有重要意义^[1]。

目前，液位检测技术不仅仅应用在油罐油位测量方面，在工业生产的方方面面都体现了它巨大的潜在价值，不仅应用在江河、水库等水位的测量，在了解水情和预防自然灾害等方面也起到了很好的预防作用^[2]。本设计通过AT89C51控制HC-SR04超声波传感器的Trig端口向外发射超声波，经油罐液面反射后被超声波接收端口Echo接收。单片机收到Echo发出的高电平后，内部的定时器计数，然后软件计算并通过单片机控制LCD1602显示出距离，实现了液位的实时控制，操作方便，具有实际意义。

1.2国内外研究现状

根据世界各地的学者的研究成果可以发现国内外已经在液位测量技术方面有了许多突破。目前已经研究出的液位测量仪表根据感应元件是否与罐内存储介质相接触分为接触式和非接触式两种。

在上个世纪中期以后到80年代初，国外研究机构推出了钢带浮子液位计。这类液位计独立安装在每一个油罐内，可以在工作现场直观地显示出检测结果。但是这类仪表因浮子在滑动杆上的机械摩擦的影响大大降低了测量精度，浮子也容易被束缚在滑动杆上。于是出现了伺服式液位计以满足对测量精度的高要求。这类伺服式液位计使用的是伺服马达，避免了浮子在滑动杆上滑动时产生的机械摩擦而造成的误差，之前钢带浮子液位计灵敏度的问题得到改善进而使其液位测量精度得到较好的提升。在这段时间内，美国VAREC公司生产的2500型钢带浮子液位计^[3], 6500伺服式液位计 ^[4],荷兰NRAF公司的811型伺服动力液位计等都是比较经典的伺服式液位计产品^[5]。然而，伺服式液位计的马达很难维护，价格也极其昂贵，并没有得到大范围的推广。80年代末，德国的ENRAF-NONIUS 公司推出了电容串式物位测量系统，该系统采用多级电容串式液位传感器^[6]。电容式传感器将液位的变化量转化成电容的变化量，进而变换成电信号使得仪器达到显示液位或者报警的功能。这类传感器结构简单，应用范围较广。临近二十世纪，曼彻斯特理工大学电子工程系研制的分段电容阵列法,但是这种方法的电容传感器制作传感器的工艺要求很高，而且安装维护要求很高^[7]。近年来，美国的研究机构推出了磁致伸缩液位计^[8]，内部设有温度传感器，避免温度影响声速进而影响测量结果，实现温度补偿，故具有较高的测量精度，其唯一可动部分为浮子，维护量极低且易于安装。但是由于该液位计需与被测液体接触的特性，它不能应用在对粘稠的原油的液位测量上^[8-9]。由于接触式液位计在液位测量上的局限性，非接触式液位计应运而生。德国的ENRAF-NONTUS公司就经过大量的测试研究，推出了微波液位计^[10]。非接触式液位计的特点是舍弃接触式液位计采用浮子等固体的一贯套路，用声波，激光或者射线的能量代替浮子来达到传感的效果，但目前这类产品还处在研究室实验阶段，即便有产品推出，也仅用于油罐上液位的测量^[10]。