超声波水位检测仪的设计

第 I 页 摘 要 液位测量在石油、化工、气象等领域均可寻得其踪迹。众多液位测量方案中，超声波液位计是发展较快、应用较为广泛的一种液位测量仪表。它属于非接触式的测量方式，其原理基于两点，其一超声波在同种介质中传播速度相对恒定，其二它碰到障碍物能反射。与其他方法相比，它不受被测对象的某些特性的影响，如光线，对象颜色等。它还具有非接触、高精度、价格低廉等优点， 是作为水位测量的理想手段 。近年来，数字信号处理技术与微处理器技术的进步使得超声波液位计得到完善。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及 司的 在深入理解超声波测距原理的基础上，指出了水位测量系统设计思路和所需注意的问题，设计出了以 片机为控制中心的超声波水位检测仪的硬件及软件实施方案。该系统可实时控制，还具有工作稳定、性能良好、测量精度高等优势。通过盲区消除、温度补偿以及软件上的中值滤波，提高了系统的测量精度，该系统的测量精度已经达到工业使用指标。本课题的研究内容主要有以下几个方面： 介绍与超声波测距相关的技术，分析超声波测距的可行性以及用超声波测量的重难点；阐述超声波水位测量系统的设计方案；说明了环境 温度对测量精度产生的影响并设计补偿校正方案。 关键词 ： 单片机；超声波；温度补偿；高精度测距 第 s be in is It is a of is on is is in of is it is by to as of it a of it is an of In of in of CU of on to of it a as of of be in so of we of it of of of of of of of an of of to a 目 录 目 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 题背景，目的和意义 . 1 位测量国内外发展的现状 . 1 位测量系统的发展前景 . 1 章小结 . 2 第 2 章 超声波测液位系统总体设计方案 . 3 统设计内容和功能 . 3 题设计的任务和要求 . 3 声波与超声波发生器 . 3 声波 . 3 声波传感器基本结构及工作原理 . 3 电式超声波发生器原理 . 4 统测量方案的选择 . 4 介式超声波水位测量 . 4 介式超声波水位测量 . 5 介式超声波测定水位原理 . 5 介式超声波检测采用温度检测的必要性 . 6 统总体方案设计 . 7 声波传感器的测距原理 . 8 声波发生器的选择 . 9 区测量误差 . 9 章小结 . 9 第 3 章 各单元硬件电路设计 . 10 片机 . 10 片机系统概述 . 10 片机 . 10 片机最小系统 . 11 声波传感器的选取 . 12 声波发射电路与接收电路 . 13 声波超声波发射电路 . 13 声波接收电路 . 14 度补偿模块的电路设计 . 16 示电路设计 . 18 目 录 电电路设计 . 18 警电路设计 . 19 控系统 . 20 章小结 . 21 第 4 章 系统软件设计 . 22 声波液位检测仪的算法设计 . 22 声波水位测量与测距子程序 . 22 声波水位测量主程序框图 . 23 于 测温子程序 . 24 章小结 . 25 第 5 章 系统仿真与样机调试 . 26 统仿真 . 26 件调试与硬件测量实验 . 27 件调试 . 27 件测量实验 . 29 差分析 . 29 序指令执行延时 . 30 达波的影响 . 30 量的人为操作误差 . 30 播介质对超声波的影响 . 30 本章小结 . 31 第 6 章 结论 . 32 致 谢 . 33 参考文献 . 34 附录一 超声波水位检测仪系统的电 路原理图接线图 . 35 附录二 超声波水位检测仪系统的 . 36 附录三 超声波水位检测仪系统的软件设计程序 . 37 附录四 元件清单 . 43 第 1 页 共 42 页 第 1 章 绪论 题背景，目的和意义 工业生产中，需要不间断地对系统液位或物料高度进行检测，尤其对某些具有腐蚀性液体的液位测量，对测量系统的要求更高。如传统电极法采，它是由电极通过电脉冲来完成监测液面，电极长期浸泡在腐蚀性液体中，极易因电解被腐蚀，导致其灵敏性大大降低。因此对于此种液位测量环境，测试设备要具备抗腐蚀性。而对于超声波液位检测系统来说，这种方案是非接触性测量的，因此进行高度检测时其本身不会受到腐蚀性物质的损害。超声波 液位检测系统能满足工业上测量精度的要求，因此它的应用前景相当可观。 实现生产过程的检测和实时控制的基本要求是必须保证液位测量的准确性，故选择适宜要求的液位检测方案至关重要。某些具有高温、辐射、毒性、易挥发易爆等特性的液体，如果采用传统测量方法测量，会因测量过程中出现电脉冲极易引发事故，所以在这种情况下应采用超声波的检测方案进行液位检测，此种非接触式液位测量方案能保证较高的生产安全系数。 位测量国内外发展的现状 最近几年，由于电子与信号处理技术研究取得重大成就，液位测量技术也得到了迅猛发展，短阶段期 间里就历经了机械式向机电一体化发展趋势，再到自动化的发展历程。有了这两大技术的有力推动液位测量技术得到了更好的完善，如微处理器的引进，使得液位计的精度得到了很大的提高，更使得液位测量仪表趋向智能化、一体化、小型化等跨越式功能的方向发展。 自上世纪八十年代开始，发达国家将诸如计算机、超声波、传感器等高科技的研究成果整合应用到液位测量领域，测量方法因此得到更新。而电子式测量方法是其已经更新的方法之一。机械式液位测量逐渐被电子式测量方法取代，电子式测量具有高精度，可靠性强，维护安装便捷简单的优点。在各类型储罐液位 测量的电子式技术中，应用最为广泛的五种测量技术有压电式、超声波式、应变式、浮球式以及电容式，它们的应用范围约占总体的 60%以上。其中，超声波式测量技术在这几种技术中的市场应用率最大。 位测量系统的发展前景 随着工业的发展和研发技术的进步，测量技术涉及越来越多的学科，诸如材料、工程科学、能源科学、电子技术等。目前发展趋势有以下几点： 第 2 页 共 42 页 （ 1）高精度，低功耗。能源问题素来为各个国家所关心的，怎样在降低功耗的条件下，改善液位检测仪的性能是当前研究所专注的核心要点。 （ 2）产品数字化。 当前液位测量技 术的一个重要发展趋势是 纳取高端的信息化数字测量技术为己用，以此来提升测量的性能。 （ 3）运行过程运用监控和在线监测技术。综合运用图像、光纤、数字技术等来实现实时探测、智能化观察被测介质的功能。 （ 4）液位测量系统也将由于新材料、新器件的开发变得更加优质。随着太空科技，纳米技术以及生物工程技术的飞跃性发展，未来液位测量将会频繁出现 纳米技术和生物技术的身影 ，更具精密性的生物芯片会应运而生，使测量系统更趋便捷化和微型化。 章小结 本章是全文的开篇概述，主要阐述了本设计研究的背景和意义，介绍了液位测量 系统的现状以及液位检测技术的发展方向。分析说明了利用超声波作为液位检测手段的优越性。为下文的深入研究做了充分地铺垫。 第 3 页 共 42 页 第 2 章 超声波测液位系统总体设计方案 统设计内容和功能 本设计是基于单片机超声波液位测量系统，其组成部分主要有：单片机最小控制系统、超声波发射和接收电路、温度补偿电路、 示电路和报警电路 6。本本课题运用的是模块化思想进行设计，最终形成了一个以单片机 控制核心将其他模块 有机联系在一起的统一整体，共同完成液位测量这项功能。 题设计的任务和要求 1、查找资料找出多个可行的超声波液位测量方案并进行方案比较，以期待能设计出最为合理可行的超声波测距方案。要完成在进行相关软硬件仿真成功后制作出硬件实物，以及在板子完成后要进行调试等工作； 2、该设计要求的主要技术参数：主要技术参数：供电 220距距离 5m，精度 10%； 3、用 行软硬件系统的仿真； 4、用计算机绘制相关硬件的原理图、制版图、电气安装接线图各一份； 5、制作出的超声波液位检测系统应方 便设备的调试与使用。 声波与超声波发生器 声波 物体振动产生声能，每秒钟振动的次数成为声音的频率，它的单位是赫兹（ 我们人类耳朵能辨别出的声音频率范围在 20 20000，这种波称为声波。声波的分类与振动频率有关，如果振动频率小于 20就是次声波，而高于 20000 声波传感器基本结构及工作原理 由于超声波的各项特性，故在其在作为检测物体的媒介有几个特点：无破坏性、遥控性、实时性、可穿透等。本设计使用的压电式超声波传感器的组成并不复杂，也就是 两块压电晶片和一块共振板。它产生超声波的过程也是相当简单的，当它的两个电极加上与晶体的固有频率相同的脉冲信号的时候，压电晶片就会发生共振现象同时带动那块共振板振动。若是我们从能量转换的角度看，这个类型的传感器在作为超声波发生器是个将电能转换成机械能的过程。类似的，传感器作为超声波接 第 4 页 共 42 页 收器时，将机械能转换为电信号。当电极未加电压，回波信号会使共振板振动压迫两压电晶片振动，从而发出电信号。 电式超声波发生器原理 压电型超声波传感器的之所以能将能量进行某种程度上地转换是由于它是基于压电效应 .。什么叫做压 电效应？通常来讲它分为逆效应和顺效应两种现象，下面我们来分别介绍这两种现象。以最典型的例子来讲，超声波传感器的发送器便是基于压电逆效应原理。首先要明白的是如果在压电元件的两端加上一定频率的电压它就会发生变形，这种情况也叫作应变。压电效应的原理图（图 2果在图 a 所示 的已经极化了的压电陶瓷两端上加上图 b 中极性的电压 ，这个时候就会产生这样的现象：电压产生的正电荷会跟压电陶瓷本已经极化的正电荷相排斥，同样的道理，电压的负电荷与已经极化的负电荷相排斥。这样一来，双重的相斥作用力度极强，导致压电陶瓷的厚度变薄，长 度变长。反之，施加电压极性变反的时候，就会出现如图 c 所示那样的现象，压电陶瓷的厚度变厚，而长度却相应的缩短。 图 2压电逆效应图 统测量方案的选择 此小节我们分析比较气介式、液介式测量方案的优缺点，以及就传感器的收发方式的优劣进行比较，选择出最适合本设计的测量方案。另外还给出了采用气介式超声波检测采用温度检测的必要性分析与计算。 介式超声波水位测量 液介式超声波水位测量方式，顾名思义可推知它的传播媒介是液体。此种测量方式，超声波传感器安装在水底，超声波的传播路径是从下至上向水面 发射，波束遇到分界面时发生反射，传播过程耗时为 t。超声波在水中的传播速度 v 已知 ，有了这些已知量就可根据公式求出水位高度。液介式水位测量具有一定的局限性，其超声波传感器需具有高防水性和防腐蚀性，而且测量精度会因水中泥沙及悬浮物等 第 5 页 共 42 页 杂质而大大降低。此外，超声波在水中传播能量损耗大，要想测量更深地水位超声波传感器需更大功率来驱动。夜介式顾名思义，该方案中的传感器是需要安装在水下，可想而知测量系统的安装和维护将会非常地不方便，而这些因素显然限制着液介超声波式水位测量的发展。 介式超声波水位测量 由液介式可 推知气介式传播媒介是空气，这种方式需测量超声波在空气中往返的时间。气介式超声波水位测量的局限性在于系统需要知道容器的高度才能确定水位。但是鉴于工业用途的容器高度都是已知的，因而气介式超声波水位测量适用范围还是较为广泛的。气介式超声波水位测量系统的安装和维护都很便捷，其还可用于距离测量，本设计应用的就是气介式。 介式超声波测定水位原理 气介式超声波测定水位的基本原理如图 2示，采用的是回波测距原理，只需测定超声波在空气中传播往返时间，即液位高度。 由图可知，所要测量的液位高度为： h H S （ 2 式中， S 可由 超声波系统测量得到； H 一般为容器的高度，需要提前测定。由此可知测量液位的关键在于测出 S。 图 2超声波水位检测原理图 采用较为广泛的是回波检测法。回波检测所应用的测量原理需要计算超声波发待测液体 超声波测距模块 H 第 6 页 共 42 页 射波遇到障碍物反射后的回波之间间隔的时间，先是由超声波传感器发出超声波脉冲，为了准确计算间隔时间，在超声波发射之时就开始计时，只要收到遇 到障碍物反射而来的回波时马上停止计时，这段时间 t 称为渡越时间。根据当前环境条件下超声波传播速度，即可通过式（ 2计算被测物与传感器的距离。原理如图 2示，其中 t = 超声波传播距离公式： 2S v t （ 2 式中 S 是测得的距离值， v 是超声波在空气中的 传播速度， t 为渡越时间。 图 2超声波水位检测原理图 介式超 声波检测采用温度检测的必要性 超声波是由机械振动产生的，它在空气中传播是以纵波的方式传播的，质点的振动方向与传播方向一致。因此超声波的传播速度不可避免得会受到与空气相关的某些特定因素的影响，比如温度、湿度、气压、分子成分等因素。 在这些环境中的空气因素里，超声波传播速度 C 受到温度的影响最严重 。超声波在空气中的传播速度跟当前环境温度的关系式如式 （ 2所示。 y R （ 2 超声波在不同介质的传播速度是不同的，在 固体，液体，气体中的传播速度依次减小。其中在空气中传播受温度的影响最大，温度与声速的关系表达式如式 （ 2示。 0 1 ( m / s )273 （ 2 气温为 0时的超声波波速可以由上面的公式计算出来 : 33l m/s （ 2 2 第 7 页 共 42 页 工业测量中计算超声波在空气中的传播速度所用的公式 （ 2所示 : 331 + （ 2 由此式可绘出超声波传播速度随温度变化的关系曲线图如下图 3示：由图可知超声波在空气中传播时，即使在通常环境温度变化（ 040 ）的条件下，传播速度也会出现高达 8%的误差。因此，必须根据当前环境温度进行声速修正以保障测量精度。这就是在系统中增添温度校正环节的原因。 图 2空气中声速随温度变化曲线图 以上就采用气介式还是液介式的测量方式进行了分析，还需解决的就是探头工作方式的选择：虽然单探头方式的液位计算公式和检测系统都简单，但是问题在于我们用的是压电陶瓷式传感器，它的余 震是比较严重的，这就导致了单探头测量出现比较大的检测死区大。因此本系统采用双探头的设计，传播介质为气体。综上所述，本设计应采用气介式双探头设计。 统总体方案设计 基于单片机的超声波液位测量仪系统主要由单片机核心控制电路，超声波发射与接收电路， 示电路，温度检测以及报警电路模块组成。本液位测量系统的软件设计运用的是层次清晰，条理清楚的模块化设计思想，硬件系统是以 它们成为一个有机的整体。硬件电路的系统框图如下所示： 第 8 页 共 42 页 单片机主控芯片是 52 系列中的 发射电路通过单片机输出 40波信号 经由 收电路使用 其工作过程如下：系统发出超声波并同时开始计，避过盲区检测接收第一个回波脉冲时，关闭中断停止计数，这样就得到超声波的往返时间 t。温度测量模块开始工作，利用采集到的现场环境温度对声速进行修正，由式（ 2（ 2到被测距离。在测量前可利用键盘模块预设液位报警高度。最后经由单片机处理后，将液位高度等信息在 示模块上显示。 声波传感器的测距原理 超声波传感器的工作原理是基于超声波的特性，即它是依据此设计而成的。超声波的产生是通过在换能晶片的两端施加电压使其发生共振并带动共振板产生的。相比于声波，超声波具有可穿透液体、固体进行传播的特性。超声波在传播过程中如果遇到介质分界面就会发生反射。采用超声波作为检测手段，需要解决的关键核心问题是如何产生以及接收超声波，而超声波传感器就是为了解决这类问题应运而生 的。 用于测距的超声波探头其核心结构就是超声波传感器，这个传感器是由压电陶瓷晶片组成的。当压电陶瓷晶片两端有施加电压时，其会随电压的频率的变化发生机械形变；而当压电陶瓷晶片发生振动时，它将产生一个电荷；我们将这两种现象分别叫做压电顺效应和压电逆效应。由这一原理我们能得知，当对压电陶瓷施加电信号产生共振的时候，它会发生弯曲变形振动产生超声波；当压电陶瓷接收到超声波能量的时候，它会发生振动产生电信号，如此一来我们便解决了测距中超声波发射与接收的问题。 片机 超声波接收 超声波发送 示 报警系统 图 2系统组成 温度检测 供电电源 第 9 页 共 42 页 声波发生器的选择 对超声波发生器的频率的选择也是相 当讲究的，它的选择是否恰当直接决定了它的工作性能的好坏，我们知道超声波发生器按发生方式分为电气式和机械式。本设计属于量程较小的短距离测量，故采用压电式超声波换能器就能达到测距要求。 超声波传感器的选择对测距仪的分辨率起着至关重要的决定性作用。超声波传感器的工作原理是压电效应，其通常使用的材料是压电式陶瓷。由于超声波是一种声波，不难得知无论在什么介质中传播都是会产生衰减，而在空气中传播衰减现象是最为厉害的。超声波在介质传播过程中它的衰减程度与自身的频率有关，而测量仪的分辨率与超声波频率有关。所以我们在选择超声 波传感器频率的时候就不得不综合考虑分辨率和衰减程度二者之间的矛盾了。由上面的分析得知，短距离测量时应该选择高频率的传感器，而在长距离测量的情况下选用低频率的传感器。本设计选择的是低频率的传感器。 区测量误差 超声波的发射原理是：当所加电信号与压电晶体的频率相同时，压电晶体会发生共振现象同时带动了共振板发生振动产生超声波。由这个原理我们可以推知，压电晶片是否振动，振动的频率是多少都是由外加信号来控制的，当信号停止发射时，晶片并不能立即停止振动，而是在惯性的带动下保持一定时间的振动后才能停止振动。在这 段时间内超声波发射换能器仍持续发射超声波，因此不能接收回波，我们把这段时间称为盲区。 对盲区问题普遍处理方法的核心是对绕射的虚假信号进行屏蔽，屏蔽的方式有很多种，总体上分为硬件和软件。我们从软件上采用信号滤波或者延时接收的方式对绕射信号进行屏蔽。在超声波发射开始直到“虚假反射波”结束的这段时间，采取关闭中断的方法，这样一来即使超声波接收探头接收到虚假信号也不会发生中断申请，便成功达到了躲避绕射干扰的目的。为了让测量更为精准，在软件中还对测量结果采用了中值滤波的方法。软件方法应用简单，只需编程即可完成。 章小结 本章介绍了超声波液位测量系统超声波传感器理论基础，以及运用超声波液位检测的测距原理等，并分析了环境因素对测量产生的影响，设计出系统总体方案。 第 10 页 共 42 页 第 3 章 各单元硬件电路设计 这一章中将对系统的硬件电路的各个模块进行阐述，包括硬件的核心控制部分片机，超声波接收与发射模块等。 片机 片机系统概述 单片机（ 单片微控制器的简称，它是一种半导体集成芯片。通常，这块集成芯片的基本结构有：微型计算机的基本功能部件 央处理器）、 I/O 接口电路和存储器、定时 /计数器及中断系统等。单片机无论从组成还是从其逻辑功能上来看都具有微机的特征，但其毕竟只是一块芯片。因此其需要外加所需的输入输出设备才能构成实用的单片机应用系统。单片机内部结构如图 3示。 图 3单片机内部结构 片机 一款低功耗，高性能 位单片机，片内含 4k 7，该器件与标准 8051 指令系统兼容。该单片机集成了 88 位通用微处理器以及 序存储器；该存储器可进行在线编程（ 采用传统方法进行编程。 片机的性价比高，并适用于多种控制领域。 部分引脚在本设计中的功能说明： ： 既可作数据传输又可以作为地址传送口。设计中该口用作输出口外接 10 R O M / E P R O M 定 时 / 计 数 器T 0 、 T 1并 行 I / O 接 口特 殊 功 能 寄 存 器（ S F R ）串 行 接 口 中 断 系 统C P 源 第 11 页 共 42 页 ：其内部有上拉电阻， 为按键的输入口不用在外部接电阻；其作输入口时，在读取数据前 也要对端口进行写“ l”操作。 ： 别作为与报警模块和温度检测模块交流信息的 I O 口，也不用外接电阻直接使用即可。 ： 在大多数场合应用到的都是它的第二功能。在本设计中用到了它的第二功能引脚有： 部中断 0 引脚用作 40波信号发射， 部中断输入 1 引脚作为超声波回波接收，这两个引脚都与中断有关。 片机最小系统 该设计中，单片机最小系统的供电也是由总系统的电源模块供电的，所以以下着重介绍组成单片机最小系统复位电路以及时钟电路的设计。 1、复位电路设计 单片机的复位电路包括上电复位和按键复位两种，如下图所示为上电复位和按键复位的综合使用。不管是何种复位电路，都是通过外部由电阻和电容组成的复位电路产生高电平有效的复位信号，经过 脚将这个复位信号送到单片机内部的复位电路得以进行复位操作。 图 3复位电路 很显然上电复位电路是利用电阻和充电电容来实现复位。在上图中我们可看出，上电的瞬间 的电位与 电位， 高电平随着电容充电电流的减少， 电位不断下降，其充电时间常数为 10 1010 103s=100时间常数足以使在 持高电平的时间内完成复位操作。 上图的按键复位属于按键电平型，当按下 电容两端等电位， 高电平，实现复位操作。按键释放后电容经电阻放电完毕后， 恢复低电平。 2、时钟振荡电路设计 单片机的工作是靠对一条条指令按时序有条不紊的执行实现的。时序就是计算机指令执行时各种微操