（机械制造及其自动化专业论文）智能型超声波液位传感器的开发.pdf

中文摘要 随着科学技术的发展，超声波技术比较成熟，已广泛应用于众多领域。超声 波液位传感器为非接触式测量仪器，用于化工原料液位测量。液位检测有很多种 方法，其中超声波测量具有其它方法不可比拟的优点。为满足易燃易爆非接触化 学物质液位检测的要求，将单片机、嵌入式系统引入仪表，开发出新型智能超声 波传感器，突破了传统传感器的单一功能，实现了自动测量、数据处理、多种输 出形式和通讯等。 该智能型传感器可进行较为精确的液位测量，设置三种方式与外部通讯智 能型传感器的开发包括硬件和软件两方面。智能型超声波传感器硬件电路由液位 信息采集电路、控制单元、人机交互接口电路、与外部通讯接口电路四部分组成。 电路采用1 6 位超低功耗微处理器m s p 4 3 0 f 4 4 9 ，m s p 4 3 0 f 4 4 9 具有强大的处理 能力，f l a s h 存储器多达6 0 k b ，丰富的片上外围模块可节约外围电路的设计， 并有方便高效的开发环境。本文选用常用超声波探头，运用温度传感器进行温度 补偿，提高了测量的精度。在硬件电路的基础上，用c 语言编制了具体实现各 个功能的程序。软件由采集液位信息程序、人机交互程序和与外部通讯程序，通 讯程序包括异步串行通讯程序，4 - - 2 0 m a 电流变送程序和以太网数据传输程序 组成。本文采用模块化结构的程序设计，便于编写、调试、修改以及功能扩展。 实验证明该智能型超声波液位传感器能实现精确的液位测量，通过按键选择 进行不同方式的通讯。 关键词：m s p 4 3 0 超声波传感器r s 2 3 2以太网4 - - - 2 0 m a 电流环 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , m a t u r eu l t r a s o n i c t e c h n o l o g yc a nb ef o u n di nm a n yf i e l d s t h i sk i n do fl e v e ls e n s o r si s n o n c o n t a c t e q u i p m e n tm a i n l yu s e df o rt h ec h e m i c a lr a wm a t e r i a ll i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t t h e u l t r a s o n i cm e a s u r e m e n tm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t ho t h e r sw h i c h h a v ew i d e l yu s e df o rm a n yy e a r s t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fi n f l a m m a b l ec h e m i c a l m a t e r i a ln o n c o n t a c tl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t ，i n t e l l i g e n ts e n s o rs c h e m ei sp r o p o s e d i n t h i s p a p e r t h e d r a w b a c ko fc o n v e n t i o n a ls e n s o rw i t hs i n g l ef u n c t i o n i s o v e r c o m e d t h i si n t e l l i g e n t s e n s o r p o s s e s e sm a n yo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c e s ： a u t o m a t i cm e a s u r e m e n t ，d a t ap r o c e s s i n g ，v a r i o u sf o r m so fo u t p u t a n dd a t a c o m m u n i c a t i o n s t h ei n t e l l i g e n ts e n s o ri sd e s i g n e dt oa c h i e v ep r e c i s em e a s u r e m e n t a n d c o m m u n i c a t ew i t hh o s ec o m p u t e ra n do t h e re q u i t m e n t si nt h r e ew a y s t h ei n t e l l i g e n t s e n s o ri sd e v e l o p e do f h a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o r t w a r e h a r d w a r ec i r c u i t si n c l u d et h e c i r c u i to fl e v e li n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n , c o n t r o lu n i t , u s e ri n t e r f a c ec i r c u i t s o f c o m m u n i c a t i o nw i t ho u t s i d e i nc i r c u i t , t h e16 - b i t ec o n s u m p t i o nm i c r o p r o s e s s o r ， m s p 4 3 0 f 4 4 9i sc h o s e da st h eh a r dc o r eo ft h ee l e c t r i c a lb o a r d t h ep r o c e s s o ri s p o w e r f u li nc o m p u t i n g ，p o s s e s s e sb i g g e rs t o r a g es p a c eu pt o6 0 k ba n di sr i c hi n p e r i p h e r i a lm o d u l e s t h i sm a k e si t e a s i e rt od e v e l o pe l e c t r i c a lc i r c u i tw i t hm o r e c o m p l i c a t e df u n c t i o n s c o m m o n l yu s e d u l t r a s o n i cp r o b ei sa d o p t e da ss e n s i n g c o m p o n e n t ，t h ec i r c u i tf o rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ni sc a r e f u l l yd e s i g n e di no r d e r t o a c h i e v ep r e c i s em e a s u r e m e n t b a s e do nc i r c u i t s ，t h ep a p e rs e l e c t scl a u g a n g et o p r o g r a m t h e r o u t i n e i sm a d eo f l i q u i d l e v e lm e a s u r e m e n tp r o c e d u r e ， h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o np r o c e d u r e ， r s 一2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o c e d u r e ， e t h e r n e td a t at r a n s m i s s i o np r o c e d u r ea n d4 2 0 m at w o - w i r ec u r r e n tt r a n s m i t t e p r o c e d u r e i nt h i sp a p e r , m o d u l a rs o f t w a r ei se a s yt op r o g r a m ，r e v i s ea n de x p a n d t h er e s u ro fe x p e r i m e n th a ss h o w e dt h a tt h ei n t e l l i g e n ts e n s o rh a st h ea b i l i t yo f p r e c i s em e a s u r e m e n ta n dc o m m u n i c a t i o nw i t ho u t s i d ei nt h r e ew a y st h r o u g ht h e s e l e c to fk e y s k e yw o r d s ：m s p 4 3 0 ，u l t r a s o n i cs e n s o r , r s - 2 3 2e t h e r n e t ，4 - - - 2 0 m ac i r c u i t c i r c l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表彖了谢意。 学位论文作者签名：乡寸颓巾签字日期：汐俨矽朗参日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：歹寸厕诤 签字日期：孵月o o n 翩签名：驯导师签名：删 签字日期尹f 月挑 第一章绪论 1 1 传感器的发展概况 第一章绪论 传感器是一种将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。传感器 输出的信号有电压、电流、频率、脉冲等不同形式，满足信息的传输、处理、 记录、显示和控制要求。 传感器通常由敏感元件、传感元件、信号调节与转化电路和辅助电路构成。 传感器结构原理图如图卜1 所示 图1 - 1 传感器结构原理图 敏感元件直接感受被测量( 一般为非电量) ，并输出与被测量有确定关系的 其他量( 一般为电量) 。传感元件又称变换器，一般情况下，它不直接感受被测 量，而是将敏感元件的输出量转换为电量并输出。信号调节与转换电路能把传感 元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的信号，常用的有放大器、 振荡器、阻抗变换器等【l 】。 传感器的应用领域十分广泛，在各行各业都有着重要的地位。在自动检测系 统和自动控制系统，如果没有传感器对参数进行精确可靠的测量，信号转换或信 息处理以及数据显示和控制都是不可能的。各种航天器装备着多种检测与控制系 统，传感器测量出航天器的参数、姿态和发动机工作状态等各个物理量，传输给 控制系统，并进行调节，以保证航天器正常运行。在生产自动化过程中，为了使 设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量，用各种传感器来监视和控制生产过 程中的各个参数。在机械制造工业中，除了用传感器来测量传统的静态性能参数， 还要测量动态特性参数。 因此，传感器是和现代化科学技术密切相关的尖端技术。现代信息技术由信 息的拾取、传输和处理技术构成，即传感技术、通讯技术、和计算机技术，它们 第一章绪论 分别构成了信息技术系统的感官、神经和大脑。因此，先有灵敏的感官，才能形 成高精度、高反应速度的控制系统。 由于科学技术的发展，工艺过程自动化程度越来越高，对测控系统的精度提 出更高的要求。近年来，微控制器组成的测控系统已经在许多领域得到应用。根 据这些时代特点，传感器新技术的发展，主要有以下几个方面：一是开展基础研 究，重点研究传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的智能化。即： ( 1 ) 用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传感器，这是传 感器技术的重要基础工作。 ( 2 ) 传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。工业自动化程度越高， 对机械制造精度和装配精度要求就越高，测量精度要求相应地也越高。因此，传 感器开发很重视发展微机械加工技术。 ( 3 ) 发展智能型传感器。智能型传感器是传感器与微处理器结合的产物，具 有检测和信息处理功能。与传统传感器相比，智能型传感器有许多特点。智能型 传感器的出现是传感器技术发展中的一次飞跃。 1 2 智能型传感器 通常，智能型传感器采用由h o n e y w e l l 工业测量与控制部产品经理t o m g r i f i t h s 的定义：一个良好的智能型传感器是由微处理器驱动的传感器与仪表组 装，并且具有通信与过载诊断等功能，为监控系统或操作员提供相关信息，以 提高工作效率及减少维护成本。 智能仪表采用超大规模集成电路，利用嵌入软件协调内部操作，在对输入信 号的非线性补偿、故障诊断等基础上，完成对工业过程的控制，并使控制系统的 功能进一步完善。 1 智能型传感器的结构 通常，智能型传感器由硬件和软件两部分组成。 硬件部分包括主机电路、过程输入输出通道、人机联系部件和接口电路及 串行或并行数据通讯接口，如图1 2 所示。主机电路用来存储数据、程序，并 进行一系列运算处理，它通常由微处理器、r o m 、r a m 、i o 接口、定时器和 计数器构成，或者本身就是一个单片机或嵌入式系统。智能型传感器的整体工作 是在软件控制下进行的，将预先编好的程序，写入非易失性存贮器，必要的参数、 命令可由键盘输入，存入可读写的存储器。 智能型传感器的软件通常包括监控程序、中断处理程序以及实现各种算法的 功能模块。监控程序是软件的中心，用来接收和分析各种命令，管理和协调全部 第一章绪论 程序的执行；中断处理程序是在人机交互过程中或其他外围模块提出中断申请， 主机响应后转去执行的程序，中断处理能完成实时处理任务；功能模块用来实现 仪表的数据处理和控制功能【2 1 。 开关量输 入信号 模拟量输 入信号 开关量输 o 开关量输 - | 出电路 士 上一 入电路 机 电 模拟量输 o 路 出电路 模拟量输 ( 微控制 入电路 器) 通信接口 键盘 卜 斗 显示器 打印机 图1 2 智能传感器的组成 2 智能型传感器的功能 将单片机、d s p 、a r m 等嵌入式系统引入仪表，能解决的问题是多方面的， 大体可实现如下一些功能： ( 1 ) 自动校正零点、满度和切换量程。自校正功能大大降低了因仪表零漂移 和特性变化造成的误差，而量程的自动切换又给使用带来了方便，并可提高读数 的分辨率。 ( 2 ) 多点快速检测。对多个参数进行快速、实时检测，以便及时了解生产过 程的瞬变工况。 ( 3 ) 自动修正各类测量误差。许多传感器的特性是非线性的，受温度、压力 等参数变化的影响，从而给仪表带来误差。在智能仪表中，只要掌握这些误差的 变化规律，就可依靠软件进行修正。常见的有测温元件的非线性校正、热电偶冷 端温度补偿、气体流量的温度压力补偿等。 ( 4 ) 数字滤波。通过分析主要干扰信号，采用适当的数字滤波算法抑制干扰。 ( 5 ) 数据处理。实现各种复杂运算，对测量数据进行加工，例如统计分析、 查找排序、标度变换、函数逼近和频谱分析等。 第一章绪论 ( 6 ) 多种输出形式。输出形式有数字显示、打印记录、声光报警，也可以输 出多点模拟量或数字量。 ( 7 ) 数据通讯。与其他仪表和计算机进行数据通讯，以便构成不同规模的计 算机测试控制系统。 ( 8 ) 自诊断。在运行中，对仪表本身各组成部分进行一系列测试，一旦发现 故障即报警，以便及时处理。 ( 9 ) 掉电保护。仪表内装有后备电池和电源自动切换电路，断电时，自动将 电池接r a m ，数据不会丢失。也可采用f l a s h 存储器来代替r a m ，存储重要 数据，实现掉电保护。 在一些没有微处理器控制的常规仪表中，通过增加器件和变换电路，也能实 现上述的某些功能，但要付出较大的代价。性能上稍有提高，仪表的成本会大幅 度提高。在智能型仪表中，性能的提高、功能的扩大是比较容易实现的，低廉的 微处理芯片使这类仪表具有较高的性能价格比。 1 3 课题的提出 在石油化工、水利水电、农田灌溉、环境检测以及自来水厂、污水处理厂等 众多部门，液位( 水位) 是一个重要的技术参数。目前常用的液位传感器有：旋 转编码式传感器( 机械式) 、磁浮子接点式传感器、压电式传感器、非接触式传 感器等，其分辨率从毫米级到厘米级，测量范围从几十厘米到几十米。除磁浮子 接点式传感器外，其余传感器均比较适合测量范围较宽的应用场合。一般压力式 和超声波传感器均带有变送器，将液位信号转变成标准的工业变送信号( 4 2 0 m a ) 旋转编码式传感器分为机械式和光电式两种，这类传感器输出通常为 并行二进制码、串行二进制码或脉冲信号。除智能型一体化传感器( 压力式或超 声波) 外，一般没有就地显示和数字通信功能。其基本性能如表1 - 1 所示【j 。 随着科学的发展，超声波技术比较成熟，已广泛应用于众多领域的无损检测和无 损探伤。此液位计为非接触式测量仪器，在测量过程中无任何部件触及被测物质， 所以无论液面是流动、波动或是有漂浮物以及有化学反应等都可应用，且与被测 介质的压力、温度、密度、腐蚀性无关，适应范围广，用于工业原料液位的测量。 液位测量有很多种方法，其中超声波测量方法有很多其它方法无可比拟的优点。 该液位计成本低，性能稳定，测量精度高，换能器寿命长，使用方便，是非接触 测量的理想仪器。其特点如下： 1 测量精度高； 2 响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量； 4 第一章绪论 表1 1几种不同类型液位传感器的比较 传感器类型分辨率测量范围 输出形式 通讯方式 安装方式 价格 旋机械式 l c m 并行二进制低 转 光绝0 0 l c ms s i高 编电对 码式型几米几浮子+ 测 式 增 0 0 1 c m十米 脉冲 井 较高 量 型 压力型几毫米几米几 投入式中 几厘米十米r s 2 8 或现 超声波式几毫米几米即 4 - - - 2 0 m a 场总线非接触式高 几厘米几十米 磁浮子式 1 c m几十厘插入式低 米几米 3 非接触测量，性能稳定可靠，对液体的物理化学性质的适应性极强，不怕 酸碱等强腐蚀性液体等。 1 4 课题的内容及重点 1 课题的内容 本文开发出智能型超声波液位传感器，采用高集成微处理器作为电路板的硬 件控制核，选用常用超声波传感元件；系统从二线制取电，满足非接触检测的要 求；c 语言进行软件开发，液晶显示液位并实现三种方式与外部通讯：异步串行 通讯、太网将数据传输或4 - - - 2 0 m a 电流变送。内容包括： ( 1 ) 系统的低功耗恒流电源的设计； ( 2 ) 超声波发射、接收电路； ( 3 ) 构建基于m s p 4 3 0 单片机控制的人机交互系统的硬件电路，l c d 显示、 键盘输入部分的接口电路； ( 4 ) 4 - - 2 0 m a 电流环接口电路、异步串行通讯接口电路、网络接口电路； ( 5 ) 基于模块化的系统软件包，包括液位测量程序、人机交互程序、异步串 行通讯程序、以太网数据传输程序、4 - - 2 0 m a 电流环变送程序等。 第一章绪论 2 课题的重点 ( 1 ) 液位信息的采集 液位信息采集电路主要由超声波发射电路和超声波脉冲信号处理电路组成。 由于超声波在空气中的传播速度受温度的影响，精确的测量要考虑温度补偿。超 声波发射电路主要由微分电路和驱动电路组成。超声波脉冲信号处理电路包括接 收信号的限幅、放大、比较、单稳态触发等环节，形成一个窄脉冲信号，单片机 捕获该脉冲信号，产生捕获中断。m s p 4 3 0 微控制器控制脉冲发射，捕获回波信 号，采用m s p 4 3 0 内嵌的温度传感器测量当前温度，计算液位值时进行温度补偿。 ( 2 ) 三种方式与外部通讯 ( 至) 4 - - 2 0 m a 电流环 本文选用高性能数模转换器a d 4 21 ，将液位信息转变成4 ；- - - 2 0 m a 输出。本 文设计了a d 4 2 1 的接口电路及电流变送程序。 r s 2 3 2 串行通讯 串行通信只需较少的端口就可以实现单片机和p c 机的通信。串行通信由两 种方式：异步模式和同步模式。m s p 4 3 0 f 4 4 x 系列都有u s a r t 模块来实现串行 通信，本文选用串行异步通信模式，m s p 4 3 0 f 4 4 9 的u s 6 时0 模块通过r s 2 3 2 串口来接收或发送数据。 以太网数据传输 本文选用1 0 m b p s 嵌入式以太网控制器r t l 8 0 1 9 作为m s p 4 3 0 f 4 4 9 接口芯 片，嵌入式以太网的设计包括硬件接口电路和以太网数据传输程序，程序由复位 r t l 8 0 1 9 、初始化r t l 8 0 1 9 、发送数据帧三部分组成。 6 第二章基本原理及总体设计 第二章基本原理及总体设计 2 1 超声波检测基本原理 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产生 机械振动，它的特征是频率高( 现在可以产生lo 0h z 超声波) 、波长短，绕射现象 小。超声波最明显的一个特征是方向性好，能够成为射线而定向传播。超声波在 液体、固体中衰减很小，穿透性强，尤其在不透明的固体中，可以穿透几十米的 深度。超声波遇到杂质或分界面会产生显著反射，形成反射回波，遇到活动物体 会产生多普勒效应。因此超声波广泛用于工业、国防、生物医学等方面。以超声 波作为检测手段，需要发射超声波和接收超声波，完成这种功能的装置称为超声 换能器。 1 超声波波形、传播速度 介质中的一切质点由弹性力发生相互联系。质点在介质中震动，引起周围质 点的振动。振动在弹性介质内传播，形为机械波。声波就是一种能在气体、液体、 固体中传播的机械波，可分为次声波、声波、超声波及特超声波。人耳能听闻的 声波在2 0 2 0 0 0 0h z 之间。频率低于2 0 h z 称为次声波，频率高于2 0 0 0 0 i - i z ， 人耳所不能听闻的声波，称为超声波。声波的频率越高，越与广播的某些特性( 如 反射、折射定律) 相似。 超声波长、频率与速度的关系为： c 以= 一 ( 2 1 ) 式中a 波长 ，声波的频率 c 声波的传播速度 由于声源在介质中施力方向与波在介质中的传播方向不同，声波的波型也 不同。声波的波型一般有下列几种： ( 1 ) 纵波 ( 2 ) 横波 ( 3 ) 表面波 第二章基本原理及总体设计 ( 4 ) 兰姆波 纵波、横波及表面波的传播速度，取决于介质的密度。兰姆波的传播速度， 不仅取决于介质的弹性系数，还取决于介质的厚度。 本文开发的智能型传感器，测量中与气体和液体有关，这里仅探讨超声波在 气体和液体中的传播速度。由于气体和液体的剪切模量为零，因而在气体和液体 中只传输纵波。液体的纵波声速公式如下： 气体的纵波声波公式如下： r 再 公式( 2 2 ) 公式( 2 3 ) 式中k 体积弹性模量 b 绝热压缩系数 p 密度 p o 静态压力 丫热容比 气体的声速为3 4 4 m s ，液体声速为9 0 0 1 9 0 0 m s 之间，水的声速约 1 5 0 0 m s ，水的声速随温度升高而增加，其他液体的声速随温度升高而降低。【“】 2 超声波探头 将存于各种容器中的液体表面高度及所在的位置称为液位；固体颗粒、粉料、 块料的高度称为料位，二者通称为物位。超声波测量物位，由于非接触连续测量， 安装方便，不受被测介质的影响，具有在较高温度下测量、精度高、功能强等特 点，在物位测量仪表中越来越受到重视。 超声波具有反射、折射、波型转换、衰减、干涉、产生驻波等物理性质。各 种介质对超声波的传播都呈现出一定的阻抗，声阻抗与介质的密度及弹性有关， 一般液体的声阻抗比气体的大两千多倍，金属的声抗比水的又大十几倍到几十 倍。超声波作用于两种介质的分界面上，如果这两种介质的声抗相差很大，就会 从分界面上反射回来，只剩下小部分透过分界面继续传播。只有在声阻抗相等的 介质中相互传播时，才能完全透过。利用这一规律可构成两类液位传感器，即透 射型和反射型。 第二章基本原理及总体设计 超声波传感器的使用方法如图2 1 所示，使用得较多的是图2 1 ( c ) 所 示的反射型，采用脉冲波。本文选用反射型超声波传感器，采用脉冲波。 超声波 被测物体 发射器 超声波 接收器 超声波发射器 超 接 超声波发 射 ( a ) 透射型 卧物体 - u ( b ) 发射和接收 = 二旷貅 卜一l i 图2 1 超声波传感器的使用类型 无论透射型和反射型，产生和接收超声波的换能器都由压电元件构成，其构 造一样，只是工作任务不同。超声波发射时用逆压电效应，接收时用正压电效应q 反射型超声波传感器又分为气介式和液介式，换能器装在液面以上的气体介 质中垂直向下发射和接收超生波，则称为“气介式”。气介式超声波传感器最大 的优点是不必和液体接触，防腐蚀和防渗漏，对于粘性，有颗粒杂质的液体或有 9 第二章基本原理及总体设计 气泡的液体，也能测量。本文采用气介式超声波传感器测量液位，超声波是在气 体中传播，只传播纵波，所以采用直探头( 纵波) 。探头主要由压电晶体组成， 超声波探头又称换能器。 图2 心气介质式液位计测量原理 液 位 计 气介式超声波传感器测量原理如图2 - 2 所示：由c p u 控制超声波发射， 通过超声波发射器发射超声脉冲波，该脉冲遇到被测液面后，反射到超声传感器， c p u 通过测量发射，接收之间的时间t ( 秒) 来计算距离h ： 乃：三y f 2 在气体中声速的近似公式为： 公式( 2 4 ) y = 3 3 1 4 5 + 0 0 6 t 公式( 2 5 ) t 为测量时当前的气温( 。c ) ，测距时利用温度以修正声速。 图中设传感器的安装高度为4 0 ( 安装时可测) ，则液位h ： h = h o 一办 公式( 2 6 ) 1 0 第二章基本原理及总体设计 因此，测量液位h ，先测量发射和接收超声波的时间t 和当前的气温t ，时间 测量的精度决定液位测量精度。 2 2 智能型传感器的总体设计 开发智能型传感器的步骤分为三个阶段：确定任务、拟定设计方案；硬件、 软件研制及仪表结构设计阶段；仪表性能测定阶段【7 j 。结合智能型传感器应用系 统开发框图2 3 ，简要阐述智能型传感器应用系统开发过程。 1 确定任务、拟定设计方案，确定传感器所完成的任务和具备的功能。本系 统设计传感器，适用于石油化工行业，进行精确测量，液晶显示液位信息，并具 有与外部通讯功能。 2 硬件、软件开发及仪表结构设计阶段，包括嵌入式系统的选择、硬件电路 设计、研制和调试、应用软件设计、程序编制、调试、仪表结构设计。本系统选 用非接触式超声波传感器，选用超低功耗1 6 位单片机，温度传感器进行温度补 偿，l c d 液晶显示，采用3 种方式与外部通讯。在硬件电路的基础上，用c 语 言编制具体实现系统的各个功能的程序。 ， 3 仪表性能测定阶段测试仪表是否达到第一步设定任务。 下面分别介绍以上各阶段的开发工作。 2 2 1 智能型超声波传感器的开发策略和任务 智能型超声波传感器的开发策略策略为： 1 在规定时间内设定超声波发射和回波接收的次数，并求出超声波一次传输 时间的平均值。若在规定时间内，没有收到设定的规定次数有效回波，就认为发 射或接收系统异常，并给出显示信息。 2 结合温度传感器测量当前的温度值，运用有关公式，计算出较为精确的液 位数值。 3 人机交互功能。液晶显示可方便地观察到当前的液位值，通过按键进行选 择三种工作模式。 4 与外部通讯的功能。 根据以上的设计策略，可以看出智能型超声波液位传感器具有传统超声波传 感器不具有的特点： 1 坝9 量精度较高，测量精度取决于智能传感器控制芯片的计数频率，通过修 改计数频率可以修改测量的精度。另外，传感器的测量精度与温度有关系，该智 能型超声波传感器可进行温度补偿，提高了测量的精度。 第二章基本原理及总体设计 图2 3 智能型传感器应用系统开发框图 2 具有诊断功能。设定超声波的在1 秒钟接收有效回波l o 次，若未收到1 0 次 有效回波，认为接收或发送系统异常，给出异常信息。 3 具有计算、补偿功能。采用一定的算法，将1 0 次测量的结果排序，取中间 6 位，求其平均值，并将温度值进行补偿计算。 4 通讯功能。液位信息为数字量，将数字量转变成4 - - - - 2 0 m a 模拟量输出，模 拟电流量有利于传输，抗干扰能力强；将液位信息通过异步串行通讯传给上位机； 1 2 第二章基本原理及总体设计 以太网数据传输，实现远距离传输液位信息。 智能型超声波传感器具有自动测量、高精度、功能扩展容易、与外部通讯功 能，完全能适应工业控制体系的网络化、集成化、智能化发展的要求。 2 2 2 软件、硬件及仪表结构设计 确定了智能型传感器设计的策略和任务，下面从硬件和软件两方面进行设 计。 1 硬件构成 智能型超声波传感器主要由液位信息采集电路、控制单元、人机交互接口 电路、与外部通讯接口电路五部分构成。其结构原理如图2 - 4 所示 液位信息 + 二一键盘输入 采集m s p 4 3 0 通讯 k i l c ds 泺 图2 4 智能型超声波传感器硬件结构框图 ( 1 ) 液位信息采集电路包括超声波发射和接收电路、温度传感器。其中微处 理器内嵌有温度传感器。 ( 2 ) 控制单元，控制单元是整个系统的控制核心，本文选用超低功耗微处理 器m s p 4 3 0 f 4 4 9 。发射脉冲控制超声波的发射，捕获回波信号，测量温度，计算 液位值，以及人机交互控制，与外部通讯都由微处理器来处理。 ( 3 ) 键盘输入接口电路和l c d 显示接口电路构成人机交互接口电路，智能型 传感器通常都有液晶显示和手动操作按钮，l c d 显示器显示液位数据信息，按 键输入用来选择工作模式。 ( 4 ) 与外部通讯接口电路，三种通讯方式包括4 , - - 一2 0 m a 电流环接口、异步串 行通讯接口、以太网数据传输接口电路。 2 软件构成 该软件系统采用c 语言编程，软件流程框图如图2 5 所示。软件主要由液 第二章基本原理及总体设计 位信息采集程序、人机交互程序、上位机通讯程序、以太网数据传输程序、电流 变送程序五个部分组成。该软件系统设置了三种工作模式，由按键选择并引发中 断，进入不同的工作模式，完成相应的功能。本文设计3 种工作模式：若按键 n o r m a l 按下，进入n o r m a l 工作模式；若w e b 按下，进入w e b 工作模式；若 a dc o n v e r t 按下，进入a dc o n v e r t 模式。 ( 1 ) n o r m a l 工作模式。采集液位信息，将液位值由液晶显示，采用异步串行 通讯方式向上位机传送数据； 团 图2 5 软件流程框图 ( 2 ) w e b 工作模式。采集液位信息，液晶显示液位值，以太网传输数据； ( 3 ) a dc o n v e r t 工作模式。采集液位信息，将液位值液晶显示，4 , - - 一2 0 m a 电 流环向上位机传送信息。 1 4 第二章基本原理及总体设计 主程序不是无休止的循环，通常处于休眠状态。由按键触发中断，进入中断处 理程序，中断处理完毕后再次进入休眠状态。 3 仪表结构设计 智能型超声波传感器采用尽量低的功耗是系统设计中所追求的目标，也是设 计的主要任务之一。仪表的结构化设计就是要充分考虑到低功耗的要求，满足使 用功能设计。仪表降低功耗的措施： ( 1 ) 电路设计尽量减少不必要的功率消耗，提高各部分的供电效率；电路实 现选用低功耗和微功耗器件，m c u 采用t i 公司出产的m s p 4 3 0 f 4 4 9 超低功耗单 片机，m s p 4 3 0 带有6 0 k b 的f l a s h ，可以降系统配置参数写入，从而减少外接存 储器的电流消耗；现行稳压器、d c d c 转换器、液晶显示器、a d 4 2 1 均为低功 耗和微功耗器件； ( 2 ) 降低器件的工作电压，m c u 及其外围器件的工作电压降低带3 v ； 降低元器件利用率，减少元器件数量，尽可能降低元器件使用时的能量消耗， 如降低c p u 的工作效率，减少a d 的采样速率； ( 3 ) 选用低泄漏的稳压二极管，本安保护二极管，以减少泄放电流j ( 4 ) 充分利用省电方式和空闲方式【8 】。 m s p 4 3 0 单片机工作模式具有1 种活动模式和5 种低功耗模式。微控制器上 电复位后，系统首先进行初始化操作，如中断的设置、端口的分配等，进入相应 工作模式，完成后进入休眠状态，关闭外围电源。同时，低电压和低功耗与系统 的抗干扰性、精度、速度等性能存在着固有的矛盾，设计时要权衡降低功耗与其 他性能的平衡。 2 2 3 性能测评 为了检验传感器的性能指标，在实验室和现场环境下对仪器进行特殊液位的 静态测量和动态测量，测评结果在仿真调试章节里进行分析。 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 硬件设计要完成系统功能，同时满足低功耗的要求。在设计中，系统硬件电 路划分为六部分：电源电路、液位信息采集电路、控制单元、时钟、按键输入及 液晶显示接口电路、与外部通讯接口电路。 3 1 电源电路 本系统需要供电的器件有：单片机m s p 4 3 0f 4 4 9 、按键、m a x 3 2 2 1 、a d 4 2 1 、 超声波接收和发射电路。单片机m s p 4 3 0 工作条件是工作电压1 8 v 3 6 v ，m a x 3 2 2 1 工作电压3 v 。a d 4 2 1 使用2 4 v 电压，并且能为自身及其他器 件提供电压。 本文设计了一种低电压数字系统电源，为a d 4 2 1 提供2 4 v 电压，同时为超声波 脉冲信号发生电路和接收电路提供1 8 v 和6 v 电压。电源设计的任务须将输入的电 流变成1 8 v 和6 v 两组电源。目前常用的d c d c 变换器的主要有线形稳压器、电感 型开关模式d c d c 变换器和电容电荷泵d c d c 变换器。 1 采用低压差线型稳压器 低压差线型稳压器的突出优点是具有最低的成本、最低的噪声和最低的静态 图3 1m a x 8 5 1 5 典型应用电路 1 6 第三章系统硬件设计 电流。低压差线型稳压器外围器件很少，通常只有一两个旁路电容。与传统的线 性稳压器相比，低压差线型稳压器最大优点是输入输出压差很低。特别是推出的 l o wd r o p o u tr e g u l a t o r ，即低压差线行稳压器，简称l d o ，这种芯片的压差只有 1 3 v - 0 2 v 。比如采用m a x 8 5 1 5 作为稳压器，利用一个外部n p n 晶体和几只阻 容元件可以方便地构成低成本，小尺寸的低压差线型稳压器( l d c ) 。m a x 8 5 1 5 典型应用电路如图3 1 所示。 2 采用电感开关型d c d c 转换器 电感开关型d c d c 转换器，又称为开关型稳压器，包括升压、降压、升降压、 反向等几种结构，具有效率高、输出电流高、静态电流低等特点。随着集成度的 提高，许多新型d c d c 转换器的外围电路仅需要电感和滤波电容，但该类电源 控制器的输出波纹和开关噪声较大，成本相对较高。随着半导体技术的发展，成 本不断下降，体积也越来越小，某些新器件还增加许多新功能，如软启动、限 图3 - 2 从锂离子电池变换出3 3 v 电压 流、p f m 等方式选择。比如l t c 3 4 4 1 是一种大电流微功率同步降压一升压d c d c 转换器，提供三种连续的输出模式，能在效率高达9 5 的情况下提供1 a 的输出 电流。开关型稳压器l t c 3 4 4 1 的应用如图3 - 2 所示。 3 采用电容电荷泵型d c - d c 转换器 电容电荷泵型d c d c 转换器常用于倍压型或反压型d c d c 转换。电荷泵用 电容作为储能和传递能量的中介。基本的电荷泵电路成本低，最大优点是无需电 感，外围电路只需几个电容，体积小，效率高，固定开关频率时产生较大的噪声 和静态电流。可将电荷泵与l d o 相结合，得到任意的输出电压，而且降低了输 1 7 第三章系统硬件设计 出噪声，但效率也有所下降，下降幅度与输入输出电压有关。新型电荷泵稳压器 采用p f m 和p w m 方式，内部电路不需要l d o 。新型p f m 方式的电荷泵具有成本 低、静态电流低等特点，但输出噪声略有增加，两种电路的效率基本相同。比如 美国德州仪器推出地一种升压稳压的电荷泵型转换器t p s 0 1 3 0 ，具有可调整的电 压转换比例、更低的成本、更简单的设计以及更少的电磁干扰等特点，如图3 3 所示 9 - h i 。 图3 - 3t p s 0 1 3 0 的典型应用 由于本系统的二线制电源电路需要将输入2 4 v 电流源转换成多组电源，所 以综合三者的特点，本文采用三者相结合的电源设计方案，产生不同幅度的电源 电压。如图3 4 所示，线性稳压器与开关电源配合使用、取长补短。本系统需 要提供1 8 v 电源，而开关电源效率高，所以选用的电感型开关模式d c d c 变 换器，2 4 v 电源通过线性稳压器产生1 8 v 电源。利用d c _ _ - d c 转换器将2 4 v 电 压降至6 v ，由于电源电路是串联在4 - 一2 0 m a 电流环内，采用并联稳压电路较为 理想。齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和能隙电压基准三种均可以实现两端并联式 电路或者三端串联式电路。 该二线制电源运行良好，电流消耗很低( 空载时仅有1 0 0 2 0 0 啦) ，特别是 系统从电流( - - 线制) 取电，能满足传感器在易燃易爆化工生产环境测量液位的要 求。线性电源具有尺寸小、成本低、噪音低等特点，使用简单，并可作为一道屏 障隔离开关调节器产生的噪声。 1 8 第三章系统硬件设计 3 2 液位信息采集电路 二0 西 ，一_ 7 “。：j 。p ；矬。r a ，q_ 图3 4 电源电路图 液位信息采集电路主要由超声波发射电路和超声波脉冲信号处理电路组成。 超声波在空气中的传播速度受温度的影响，精确的测量应考虑到温度，利用温度 值对计算公式进行修正，液位信息采集电路中设计有温度传感器。硬件电路如图 3 5 所示。 1 超声波发射电路【1 2 一1 6 】 超声波能在空气j 水、以及在金属等固体中传播。超声波传感器和传播介质 ( 气体、液体固体) 的声阻抗应相互匹配，因此，不同的超声波传感器用于不 同的介质，超声波的使用频率决定于使用场合。例如：用于空气中，超声波在 1 0 0 k h z 以下；用于液体中，超声波由几十k h z 到几m h z 。应根据传播距离、 衰减和检测物体的大小选择超声波频率。用于金属的超声波探伤仪，一般使用 1 9 第三章系统硬件设计 卜 单稳 比较 限幅 p 1 1 电路电路放大 超声f 探头i m s p 4 3 0 l 微分驱动 p 1 2 电路 电路 一l 6 0 0 v d c d c 图3 5 液位信息采集电路框架图 m h z 到十几m h z 。超声波诊断装置使用的频率范围为i - 一2 0 m h z 。 本文采用的超声波传感器是反射型的，即超声波在空气中传播，遇到液面后 反射，采用脉冲波。下面介绍用于反射型的电路，使用脉冲波驱动并接收脉冲超 声波。用于测量液位的超声波传感器，频率为兆赫级。 反射型超声波传感器接收和发射系统如图3 - 6 所示，该系统一般使用脉冲波， 又称为脉冲超声波系统。超声波接收电路中，二极管将发射波和过大的输入信号 经旁路通过限制器，若不接入二极管，则发射电路被屏蔽，故不能使用。在兆赫 级频带下，电缆最多几米长，因为电缆的杂散电容会使输入信号衰减。 超声波发射电路主要由微分电路和驱动电路组成。c p u 发出脉冲信号，经微 分电路变成标准的脉冲信号，然后通过可控硅去控制6 0 0 v 的高压，形成高压脉 冲。高压脉冲驱动超声波探头，探头把电能转换成机械能，产生超声波。 2 0 第二章系统硬件设计 图3 6 反射型超声波接收和发射系统 器 微分电路如图3 7 所示，c p u 发出脉冲信号，经过微分电路变成标准的脉冲 信号。 图3 7 微分电路 输出j 为得到质量良好的微分信号，采取了以下措施： ( 1 ) r c 环节中的电容尽可能选用阻值较小的电容器，以减少吸附效用。 ( 2 ) 恰当选取r c 环节中泄放电阻的阻值，泄放电阻取值过大，消除振荡拖尾 现象效果不好；取值过小，会影响微分信号输出的幅值。通常取2 0 0q 左右 为好。 2 l 一入、 输 f 第三章系统硬件设计 ( 3 ) 为防止输出微分信号的幅值过大而造成失真，一般在运放电路的输出端 连接稳压电路，限制输出信号的幅值。 可控硅开关元件构成的驱动电路如图3 8 所示。该电路结构简单，使用方 便。可控硅开关元件接通，与阳极相接的电容( 1 0 0 0 p f ) 充电，电荷通过可控硅 开关元件