超声波液位测量系统课程设计

1、目录前言.1液位测量系统概述2传感器与检测技术2液位测量系统的现状3液位传感器的进展方向72系统分析和整体设计8对液位测量系统的要求8系统组成及工作原理82. 2. 1系统组成82.2.2工作原理 83系统硬件设计 10主机系统10液位测量系统123. 2. 1超声波传感器123. 2.2信号调理电路 173. 2.3温度补偿电路24键盘26液位显示27通信系统29报警系统34电源364系统软件设计 37编程思路及流程图37结论40致谢41参考文南r 42附录a硬件电路图43b 45附录c英文文献54前言最近几年来，随着电子技术和信号处置技术的迅速进展，液位测量仪表中的测量技术也进展专 门快，

2、经历了由机械式向机电一体化再到自动化的进展进程。结合这两大技术，尤其是将微处置器 引进液位测量系统以后，使得液位计的精度愈来愈高，愈来愈向智能化、一体化、小型化的方向进 展。从上世纪八十年代开始，一些发达国家就借助微电子、运算机、光纤、超声波、传感器等高科 技的研究功效，将各类新技术、新方式应用到储罐液位测量领域。电子式测量方式即是其中的重要 功效之一。在电子式液位测量方式中，有许多新的测量原理，包括压电式、应变式、雷达式、超声 波式、浮球式、电容式、磁致伸缩式、伺服式、混合式等二十多种测量技术。由于该方式测量精度 高，靠得住性强，持续时刻长，安装保护简单，因此正在慢慢取代旧的机械式液位测量方

3、式。用于 储罐液位测量的众多电子式技术中，压电式、超声波式、应变式、浮球式、电容式五种测量技术应 用最为普遍，约占总数的60%以上。其中，超声波式测量技术的应用份额最大。超声波液位测量有很多优势:它不仅能够定点和持续检测液位，而且能够方便地提供遥控或遥 控所需的信号。与放射性技术相较，超声技术不需要防护。与目前的激光测量液位技术相较，超声 方式比较简单而且价钱较低。一样说来，超声波测位技术不需要有运动的部件，因此在安装和保护 上有专门大的优越性。专门是超声测位技术能够选用气体、液体或固体来作为传声媒质，因此有较 大的适应性。因此在测量要求比较特殊，一样液位测量技术无法采历时，超声测位技术往往仍

4、能适 用。液位测量系统的现状传感器与检测技术液体液位的准确测量是实现生产进程检测和实时操纵的重要保障，也是实现平安生 产的重要环节。液体罐内液位测量的方式有很多种，其中超声波传感器由于结构简单、 体积小、费用低、信息处置简单靠得住，易于小型化与集成化，而且能够进行实时操纵， 因此超声波测量法取得了普遍的应用。所谓超声波确实是指频率高于20khz的机械波，一样由压电效应或磁致伸缩效应产生； 它沿直线传播，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，为此，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类效应研制而成的传感器

5、。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，其中以压电式最为经常使用。压电式超声波传感 器经常使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。超声波液位测量的方式有多种，如超声脉冲回波法、共振法、频差法、超声衰减法 等1。超声脉冲回波法的大体原理是由超声波传感器的发射探头发射超声波，当超声波 碰到障碍物时会被反射，利用单片机记录超声波发射的时刻和接收到回波的时刻，依照 当前环境下超声波的传播速度，即可通过公式计算出超声波传

6、播的距离，也就取得 了障碍物离测试系统的距离。s = cxt/2()式中s为被测距离，c为超声波传播速度，t为回波时刻。共振法的大体原理是调剂超声波的频率，使得探头和液面之间成立驻波共振状态， 这时探头与液面之间的距离就与超声在介质中的波长成必然的比例关系。当超声波速度 己知时，就可依照共振频率计算波长再换算出探头到液面的距离因。频差法确实是让超声 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，依照接收信号和发射 信号间的频差可取得从发射到接收的时刻。超声衰减测量顾名思义确实是超声波在被测介 质中的衰减量随距离转变，依照接收信号和发射信号间的衰减量转变测量液位。从以上 方式的对照中

7、能够看出，用共振法检测液位受到一些具体条件的限制，需要与液面成立 驻波关系，而且它属于一种接触式测量方式。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。相较较而言，超声波脉冲回波法无需与液面之间成立驻波，并 且能够实现非接触检测。因此脉冲回波法是其中最适合的方式，本文将采纳该方式实现 超声波外测液位检测。液位测量普遍应用于石油、化工、气象等部门。实现无接触、智能化测量是液位计目前的进展 方向。随着工业的进展，运算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，最近几年来液位仪表 的研制取得了长足的进展，以适应愈来愈高的应用要求。从测量范围来讲，有的液位计只能测量几十厘米，有的却可达几十

8、米。从测量条件 和环境来讲，有的超级简单，有的却十分复杂。例如:有的是高温高压，有的是低温或 真空，有的需要防侵蚀、防辐射，有的从安装上提出苛刻的限制，有的从保护上提出严 格的要求等。按测量液位的感应元件与被测液体是不是接触，液位仪表能够分为接触型和非接触型 两人类。接触型液位测量要紧有：人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式 液位计和磁致伸缩液位计等。它们的一起点是测量的感应元件与被测液体接触，即都 存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。因此存在必然的磨损且容易 被液体沾污或粘住，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。 非接触型液位测量要紧有超声波

9、液位计、微波雷达液位计、射线液位计和激光液位计 等。顾名思义，这种测量仪表的一起特点是测量的感应元件与被测液体不接触。因此测 量部件不受被测介质阻碍，也不阻碍被测介质，因此其适用范围较为普遍，可用于接触 型测量仪表不能知足的特殊场合，如粘度高、侵蚀性强、污染性强、易结晶的介质。目前，市场上的液位仪表功能各异，价钱不同也较大。从价钱和功能上比较，国内 和国外产品存在较大的不同：国外的液位测量仪表，功能较全，精度较高，但价钱比较 昂贵；而国内产品其功能和精度相对较低，但价钱自然相对廉价。国外液位计量仪表初期大多采纳机械原理，但最近几年来随着电子技术的应用，慢慢向 机电一体化进展，而且进展了许多新的

10、测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微 机技术，结构有了专门大的改善、功能有了专门大的提高。从国外液位仪表进展的技术动向 看，当前要紧有三个热点：接触测量方式的液位仪，非接触测量方式的液位仪和新原理 的小型液位开关。(1)接触型液位仪表接触型液位仪表，要紧有：人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液 位计和磁致伸缩液位计。它们的一起特点是测量的感应元件与被测液体接触。人工检尺法:利用浸入式刻度钢尺测量液位，取样测量油温和密度，通过计算得 到液体的体积和重量，这是迄今为止仍然在全世界普遍利用的液位测量方式，也能够把 它用作现场查验其他测量仪表的参考手腕。该方式分为实高测量和空高测量两

11、种。人工 检尺法测量的精度一样为2mm,通常至少测量两次，两次结果相差不得超过lmm。人工检尺法具有测量简单、直观、本钱低等优势，但需要测试人员手动测量，不适合恶劣 环境下的操作。另外，需要较长的测量时刻，难以实此刻线实时测量，即实时性较差且 需手工处置数据，无益于数据的运算机治理。浮子测量装置:浮子式测量装置采纳大而重的浮子作为液位测量元件，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 利用，这种装置的测量误差一样约为1mm，误差较大。浮子式液位装置具有结构简单、 价钱廉价等优势，可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

12、，容易造成系统的机械磨损，因此增加了系统保护的开销。浮子测量装置的适 用范围为非侵蚀液体的测量。伺服式液位计:伺服式液位计与浮子式液位测量装置相较，提高了测量精度和可 靠性。它采纳波动积分电路，排除抖动，延长了利用寿命。现代伺服液位计的测量精 度已达到40m范围内小于lmm可是，由于伺服式液位计仍属于机械测量装置，存在 机械磨损，阻碍了测量的精度，因此需要按期维修和从头定标且安装困难。电容式液位计：电容式液位计的核心是电容液位传感器。该传感器一样由标准电 容、测量电容和比较电容等组成。其中，比较电容用来测量液体的介电常数，测量电容 用来检测液位的转变，由液体的介电常数和测量电容的容量计算出液位

13、。电容式液位计 的价钱较低、安装容易且能够应用于高温、高压的测量场合。磁致伸缩液位计:磁致伸缩液位计采纳磁致伸缩技术来测量大罐的油水界面和油 气界面。通常情形下，磁致伸缩液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，它们别离用来检测油气界 面和油水界面。磁致伸缩液位计安装容易，不需要按期维修和从头定标，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液位计。可是磁致伸缩 液位计与被测液体接触，仪器容易受到侵蚀，且液体的密度转变会带来测量误差。另外, 浮子装置沿着波导管的护导管上移动，容易被卡死，从而阻碍液位的正确

14、测量。(2)非接触型液位仪表非接触型测量仪表要紧包括超声波液位计、雷达液位计、射线液位计和激光液位 计等。这种液位测量仪表的一起特点是测量的灵敏元件与被测液体不接触，因此不受被 测介质阻碍，也不阻碍被测介质，因此适用范围较为普遍，可用于接触式测量仪表不能 知足的特殊场合如粘度高、侵蚀性强、污染性强、易结晶的介质。超声波液位计:超声波液位计是非接触式液位计中进展最快的一种。超声波在同 一种介质中传播速度相对恒定，碰到被测物体表面时会产生反射，基于此原理研制出了 超声波液位计。目前，智能化的超声波液位计能够对接收信号做精准的处置和分析:可 以将各类干扰信号过滤出来:识别多重回波;分析信号强度和环境

15、温度等有关信息。如此 即便在有外界干扰的情形下，也能够进行精准的测量。超声波液位计不仅能定点和持续 测量，而且能方便地提供遥测和遥控所需的信号。同时，超声波液位计不存在可动部件, 因此在安装和保护上相应比较方便。超声测位技术可适用于气体、液体或固体等多种测 量介质，因此具有较大的适应性且价钱较为廉价。新型气密结构、耐侵蚀的超声波传感 器可测量高达几十米的液位。雷达液位计;雷达液位计发明于60年代，通常采纳调频雷达原理，利用同步伐频 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，由于来回传播时刻的延迟，发射频率发生了改变。将两种信号混合处 理，所得

16、信号的差频正比于罐顶到液面之间的距离。雷达液位计专门适用于高粘度或高 污染的产品，如沥青等。雷达液位计的测量精度较高，而且无需按期维修和从头定标， 可是安装比较复杂且价钱不菲。射线液位计: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 用度的介质有不同的衰减特性，核辐射式液位计正是利用这一原理来测量液位的。核辐 射式液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，可实现对液位动态转变的检测。除利用核辐射射线来测量之外， 还可采纳中子射线来测量液位。射线液位计安装超级方便，测量精度较高。因为它没有 任何部件与被测物体直接接触，专门适用于

17、传统测量仪表不能解决的测量问题。激光液位计:其测量原理类似于超声波液位计，只是采纳光波代替了超声波。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刻换算成液位。激光的光束很窄，在液位计中通过光学系统转换成 约20mm宽的光束，如此即便被测物面很粗糙，漫反射光也能被传感器接收。激光液位 计超级适用于开口很狭小的容器和高温、高粘度的测量对象。而缺点是对液面的波动 很灵敏，大罐内的油汽，水气等微粒对测量不利，且光学镜头必需按期维持清洁。液位传感器的进展方向此刻很多液体都装在封锁式容器内，而且有很多是易挥发、易燃、易爆、强侵蚀性 的，因此需要非接触

18、式测量。研究无需对被测容器开孔的超声波液位仪，实现非接触测 量，是检测封锁容器内易挥发、易燃、易爆等液体液位的进展方向。超声波液位仪是非接触液位仪中进展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传 播速度及碰到被测物体表面产生反射的原理。智能化的超声波液位仪带有一个功能很强 的智能回波分析软件包。它能够将各类干扰过滤出来，识别多重回波，分折信号强度和 环境温度等有关信息，如此即便在有扰动条件下读数也是精准的。新型气密结构、耐腐蚀的超声换能器可测量高达15m的液位，e+h公司研制的prosonic fmu860/861/862超声液位仪精度可达土%,输出信号符合hart协议或profibus总线标准

19、或ff总线标 准。超声波液位计具有普遍的适用性，能够依照不同测量场合的需要，采纳气体介质、 液体介质或固体介质导声。既可用来测量航道、水库的液位高度，也能够测量液化气罐、 化工塔等密闭容器内的液位高度。由于超声波液位计没有可动部件，不存在机械磨损、 机械故障，因此其靠得住性和利用寿命比多数接触型液位计要高。该测量装置结构简单, 不需要其它附加设施，且安装、利用和保护都较方便。随着电子技术的进展。单片机嵌 入应用，超声波液位计的精度有了进一步的提高，功能加倍齐全。但其要紧缺点是:音 速随温度、贮存物料的化学成份和罐内蒸汽的运动而转变，阻碍测量精度。依照测量精 度的要求，能够采纳多种方式校正。2系

20、统分析和整体设计对液位测量系统的要求系统由超声波传感器、w77e58单片机和无线数据传输模块str-15组成。传感器将 接收到的信号经数据处置后由无线数据传输模块送入上位机进行显示、超限报警等操 作。通过对超声波接收信号进行的有效处置，大体上排除时刻检测误差，并进行温度补 偿计算。要紧技术指标(1)液位量程:05m；(2)测量误差，;(3)显示分辨率：1mm；(4)环境温度:-1060；(5)通信方式:str-15无线数据传输系统组成及工作原理2. 2. 1系统组成系统由上位机系统和下位机系统组成。下位机包括超声波传感器、单片机、无线数 据传输模块，上位机由单片机、无线数据传输模块、键盘、显示

21、和报警等部份组成。上 位机与下位机之间通过无线数据传输模块进行通信。超声波传感器采纳t/r40-16型超声波传感器。t/r40-16为收发分体式压电陶瓷超 超声波传感器，t40-16为发射探头，能发射中心频率为40khz的超声波；r40-16为接 收探头，能够接收中心频率为40khz的超声波并转换为电信号。单片机采纳w77e58o w77e58单片机是winbond公司生产的高速单片机，与传统8052 系列单片机相较，其机械周期仅包括四个时钟周期，指令执行速度是8052的3 倍，晶体频率可达40 mhz,有三个16位的按时器/计数器。用作按时器时，可对四个 时钟周期计数，其定不时钟频率为10

22、mhz,测量时刻的分辨率为u so而at89c52 的晶振频率为24 mhz,它的按时频率为2 mhz,测量时刻的分辨率为u s。因此利用 w77e58可提高测量时刻的精度。无线数据传输模块采纳上海桑博电子科技生产的str-15微功率无线数据 传输模块，将传感器搜集到的数据通过单片机处置后传送到上位机进行显示、超限报警 等，以实现远程操纵。图无线液位测量系统组成框图2.2.2工作原理本文采纳超声脉冲回波法测液位5。超声脉冲回波法的大体原理是由超声波传感器 的发射探头发射超声波，当超声波碰到障碍物时会被反射，利用单片机记录超声波发射 的时刻和接收到回波的时刻，依照当前环境下超声波的传播速度，即可

23、通过公式计 算出超声波传播的距离，也就取得了障碍物离测试系统的距离。测距原理如图所示。s = cxt/2()式中s为被测距离，c为超声波的传播速度，t为回波时刻，t=t1+t2。t1图超声波测距原理图利用超声波在液体中传播时，有较好的方向性，且传播进程中能量损失较少，碰到 分界面时能反射的特性，可用回波测距的原理，测定超声波发射后遇液面反射回来的时 间，以确信液面的高度。超声波液位检测的原理图如图所示。超声波网图 超声波液位检测原理图schematic of ultrasonic liquid level measuremen 由图可知 h=h-s()式中s为超声波探头到液面的距离，可由式 求

24、得，h为超声波探头到容器底的 距离，需要提早测定，h为所要测的液位高度。为了避免超声波发射探头发出的超声波直接传入接收探头引发误差，两个探头在安 装时应平行而且相距48cm。在软件设计时，为了排除那个误差，into应当在超声波 发射探头发射超声波后 再开启，以防从发射探头发出的超声波直接进入接收探头 触发中断。在20条件下超声波的传播速度为344m/s,超声波在 时刻内在空气 中能够传播，已经超动身射和接收探头之间的距离，现在超声波接收探头已经 接收不到从发射探头直接发射过来的超声波，现在再开启into中断，就可不能因为发射 探头发出的超声波直接进入接收探头触发中断产生时刻误差。3系统硬件设计

25、 上位机系统图上位机系统框图block diagram of the host system上位机采纳w77e58单片机，在w77e58中，有32kb的可多次编程flash rom, 256 字节的片内ram, 1kb的片内用m0vx指令访问的sram,这在大多情形下，足以知足用户 要求，没必要外部扩展程序存储器和数据存储器。因此能够为利用者保留更多的引脚。与80c51系列单片机比较,w77e58要紧有以下几个特点3：(1)4个时钟周期为1个指令周期，品振最高可达40mhz(2) 1个额外的4位1/ 0 口(3) 3个计数器/按时器(4) 12个中断源(5) 32k程序存储器(6) 256b

26、的 ram(7) 1k的片内sram(8) 2个全双工串口(9) 1个程序看门狗按时器w77e58的管脚图(封装为双列直插式dip-40)如图 所示与80c51单片机相较，除其p1 口增加了第二功能外，其它管脚的功能与其大体 相同。各管脚功能如下：vdd :电源vss :地/ea : i当为高时，利用内部rom,为低时，利用外部rom/psen： o 程序rom片选。当利用外部rom时，执行movc指令或读指令时，/psen用来使能外部存储器。t2: p1.g 匚140 vddt2ex, p1.1 匚239 p0.0. adorxd1,pl2 e338 p0.1. ad1txd1: p1.3

27、e437 p0.2. ad2int2, p1.4 匚536 p0.3. ad3int3, p1,5 c635 p0.4, ad4int4, p1.6 匚734 p0.5. ad 5int5, p：.7 匚833 p06ad6rst e932 p07, 4d7rxd. p3.0 e1031 eatxd. p3.1 e1130 aleinto, p3 2 c1229 psenint1, p3 3 e1328 p27,a15t0.p3.4 匚1427 p2.6, a14t1.p3.5 e1&26 p2.5. a13空 p3.6 e1625 p2.4. a12rd. p3.7 e1724 p2.3.

28、a.11xtal2 匚ia23 p2.2. a10xtal1 e1a22 p2.1,a9vss匚2021 p2.0. a8图w77e58管脚图the pin configuration of w77e58若是利用内部rom, /psen无信号。ale o数据锁存功能rst o 高电位是cpu复位pl： i/o pl 口有强上拉电阻:计数器2引脚:计数器2重装/捕捉/计数方向操纵脚:串口 1收:串口 1发：扩展中断2/：扩展中断3：扩展中断4/：扩展中断5-i/o4位i/o 口。也作为等待信号脚。注意：串口。的波特率发生器可用计数器1或2o但串口 1的波特率发生器只能用 计数器lo液位测量系统3

29、. 2.1超声波传感器超声传感器是一种将其他形式的能转变成所需频率的超声能或是把超声能转变成同频率的其他形式的能的器件。目前经常使用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力 型6。电声型要紧有：1压电传感器；2磁致伸缩传感器；3静电传感器。流体动力型中 包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构 形式是多种多样的，而且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中适应上都把超声传感 器称作探头，而工业中采纳的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。压电传感器属于 超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常 用的实现电能和声能彼此转换的一种传

30、感器件，是超声波检测装置的重要组成部份。压 电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，锯酸锂等，属于压电陶瓷的有错 钛酸铅，钛酸银等。其具有以下的特性：把这种材料置于电场当中，它就产生必然的应 变；相反，对这种材料施之外力，那么由于产生了应变就会在其内部产生必然方向的电场。 因此，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因 此，用这种材料能够制成超声传感器。压电晶片图双压电晶片示用意传感器的要紧组成部份是压电晶片7。当压电晶片受发射电脉冲鼓励后产生振动， 即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引发的形变可 转换成相应的电信号，是正压电

31、效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。 超声波传感器一样采纳双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价 格低廉，且超级适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断转变的交 流电压时，依照压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和 方向在必然范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也确实是说，在压电陶瓷晶片上 加有频率为fo交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒 介，便会发出超声波。若是在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械 变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声

32、机械波相同的电信号。双压电晶片如图 所示，当在ab间施加交流电压时，假设a片的电场方向与极化 方向相同，那么下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。双压电晶片的等效电路如图 所示，co静电电容，r为陶瓷材料介电损耗并联电阻，cm和lm为机械共振回路的电容和电感，rm为损耗串联电阻。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率foo发射超声波时，加在其上面 的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。如此，超声传感器才有较高的灵敏度。 当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可超级方便的改变其固有谐 振频率。利用这一特性可制成各类频率的超声传感器。压电材料是压电换能器的研制

33、、应用和进展的关键。初期应用的压电材料是压电单 晶体，其中第一是石英晶体，其后是一系列的人造水溶性晶体，如磷酸二氢胺。在这些 初期的压电材料中，除石英晶体此刻仍取得普遍应用外，其他事实上已不常应用。压电陶瓷的显现，开辟了压电材料的广漠前景，也使压电换能器的理论进展和实际 应用提高到一个新的高度。压电陶瓷比任何单晶材料更富多方面的适应性，从物理性质 上看它是坚硬的，具有能够施加或经受专门大应力的能力，而从化学性质来看它却是“情 性”的，而且不受潮湿和其他大气条件的阻碍，这比一样人造单晶要好的多。而且，压 电陶瓷制作方便，几乎能够做成任何需要的形状和大小，而且能够自由选择其极化方向。 固然，作为换

34、能材料最要紧的仍是由于它具有优良的压电性能。压电陶瓷能够通过改变 其化学成份及添加杂质来改变其各方面的性能，以适应各类不同的用途，因此其品种比 较多，用作换能材料的要紧有钛酸钢压电陶瓷、造钛酸铅压电陶瓷、偏锯酸铅压电陶瓷、 钛酸铅压电陶瓷等。图双压电晶片等效电路在共振频率周围，超声换能器的阻抗持性和共振特性与lc电路的阻抗特性和共振 特性超级相似。因此，利用机电类比的方式，能够用一个由相应电子元件所组成的lc 电路来表示超声换能器的等效参数和特性。如此的电路即为超声换能器的等效电路。对 于一个通过逆压电效应激发的超声换能器来讲，在任何共振频率周围，其电行为能够用 图所示的lc电路来描述。cit

35、l-iiri-j图超声换能器等效电路在这种情形下，图中l1称为超声换能器的动态（或等效）电感，co和c1别离称为超 声换能器的并联电容（或静电容）和动态（或等效）电容，r1称为压电换能器的动态（或等 效）电阻，或称机械损耗。在超声换能器的共振频率周围，若是只存在一种振动模式， 即没有其他寄生响应，那么在串联共振频率周围很窄的频率范围内，能够以为超声换能器 的等效参数li、co、cl和r1与频率无关。为了保证知足这一条件，对超声换能器必需 选择适合的尺寸，以便将其主振动模式与其它振动模式充分区分开来。超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及 金属网组成，其中，压电

36、陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波 能量集中，并使传感器有必然的指向角，金属壳可避免外界力量对压电陶瓷晶片及锥形 辐射喇叭的损坏。金属网也是起爱惜作用的，但不阻碍发射与接收超声波。超声探头按其结构和利用的波型等分类有：直探头、斜探头、可变角探头；直接接 触式探头、水浸探头、轮式探头；纵波探头、横波探头、表面波探头等7 8。直探头要紧用来发射和接收纵波，因此也称纵波探头；直接发射横波的称为横波直 探头。直探头的结构要紧由压电晶片（振子），阻尼块（也称吸收块或背衬）及爱惜膜 组成。直探头被普遍用于锻件、铸件、板材等的探伤。斜探头要紧用来发射和接收横波，因此也称横波探头。它要紧由

37、压电晶片、阻尼块 和斜楔组成。晶片产生的纵波通过斜楔斜入射于工件表面，在工件内产生横波，为了排 除纵波的阻碍，入射角要求在第一临界角和第二临界角之间。斜楔的材料一样为有机玻 璃，其形状应使超声波在斜楔内传播后不返回晶片，以避免产生杂波，同时在斜楔灌有吸 声材料，以便吸收斜楔内的多次反射波。当纵波入射角增加到横波临界角（横曲折射角 为90度时），在工件中将产生表面波，用来接收和反射表面波的探头称为表面波探头， 它是斜探头的一个特例。斜探头要紧用于焊缝、棺材等的探伤。能够改变入射角的探头称为可变角探头，它能够在工件内产生纵波、横波。两块晶 片装在同一探头里，一个晶片用于发射而另一个晶片用来接收的探

38、头称为双晶探头。其 乂称分割式探头或组合式探头，要紧由发射晶片、接收晶片、隔声层和延迟块等组成。 两晶片彼此有一夹角，是为了发射和接收声束有一个交点。能将超声波集聚成细束状（线状或点状)的探头称为聚焦探头，聚焦探头要紧有三种：晶片做成凹面状、通过反射聚 焦、采纳声透聚焦。在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传 播的进程中衰减较大，检测距离变短，分辨力也变高。由于本系统所要测量的范围为0 5m,对检测精度的要求也不是超级高，考虑到工业现场环境和本钱等缘故，本系统采纳 直射式探头t/r40-16,此探头是40khz的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器 t40-

39、16和一支接收传感器r40-16组成。表传感器特性参数表型号t40-16r4cm6fs构开放式开放式使用方式发射接收中心频率40+ lkhz40 lkhz频带宽(khz)6a03db6/-71db灵敏度hodbv/ubar-64dbv/ubar声压电平115dbmm-70dbmin指向角7580容量2400 2 5%2400 2 5%最低使用温度-20v-20v最高使用温度+60r最大输入电压20 vpp20vpp3. 2.2信号调理电路图下位机系统框图信号调理电路包括超声波发射电路和超声波接收电路两部份。其系统框图如图 所示。超声波发射电路用来在单片机给其信号要求发射超声波时驱动超声波发射探

40、头 t40-16发射频率为40khz的超声波；超声波接收电路用来处置超声波接收探头r40-16接收到的由超声波转换而来的电信号，并将其传送给单片机的into 口。（1）超声波发射电路超声波发射电路所要完成的功能是接收单片机的操纵信号，依照该操纵信号产生频 率为40khz的方波信号，通过放大后传送给超声波发射探头发射超声波。方案一：图由双向可控硅组成的超声波发射电路如图所示，单片机的输出lus的单脉冲信号，该信号用于操纵双向可控 硅2n6349a的导通/关闭。可控硅通常处于关闭状态，在单片机未发射触发脉冲之前, 电容c7的两头充有600v的高压直流电。当触发脉冲到来的刹时，scr1第一导通，脉

41、冲信号通过c4触发scr2,使得scr2导通。导通的一刹时使得电容c7的一端被拉为低 电平，由于电容两头的电压不能突变，因此电容c7两头有了 600v的电压差，电容c7 通过二极管di、d2, r13、r12和超声波探头开始放电，由于超声波探头的阻抗远远大 于电阻r12、r13,因此电阻r12、r13两头的电压就加到超声波探头的两头，加到超声 波探头两头的电压波形是电压为600v的一个负脉冲，从而鼓励压电晶片振动，使之发 射超声波。发射触发脉冲终止后，scri的g、k接地，不知足导通条件，最先关闭。scr2 的电路中，c6通过rio、r11放电，由于c6是耐高压低电容，因此在刹时放电完成后sc

42、r2 关闭。可控硅乂处于关闭状态，等待下一次的触发脉冲到来。由于方案一中电路需要+600v的直流电给电容充电，因此需要单独设计一个+600v 的直流稳压电源，而且电路中所用电容都必需为高压电容，使得系统本钱增加，因此未 采纳方案一。方案二：图 由ne555组成的超声波发射电路图 中555按时器、ri、rp、c1组成多谐振荡器，通过调剂电阻器rp的阻值， 能够改变振荡频率。当单片机的 口发出一个高电平脉冲，使光耦tp521导通，ne555 得电开始工作，启动振荡器从ne555的3号管脚输出40khz的频率信号。由于此信号功 率不足以驱动超声波探头发射足够强的超声波，因此通过变压器升压后加到超声波

43、探头 两头9。由于方案二顶用到了 ne555芯片，但其作用只是用来产生一个40khz的方波信号， 此功能用单片机也能够实现而且能够达到系统的利用要求，因此考虑到本钱和功耗的原 因，未采纳方案二 方案三：如图 所示，由w77e58单片机产生40khz的ttl脉冲信号通过 口输出，再 通过三极管q1和变压器tr1进行功率放大。为了产生的超声波信号强度能够知足测量 范围05m的要求，超声波探头上所加的电压应达到100v左右，变压器的变比大致为 nl： n2=l： 10,在变压器副线圈上将电压10倍放大，超声波探头上的正弦电压约为100v。 tr1原线圈上，串联限流电阻r2； tr1副线圈上，c1应与

44、变压器副边绕组谐振于发射频率。pi图由三极管组成的超声波发射电路方案三简单易行，所用元器件也比较少，便于安装调试，所用本系统采纳此方案来 驱动超声波探头发射超声波。（2）超声波接收电路超声波接收电路所要完成的功能是当反射回波进入超声波探头时引发晶片震动，产 生电压信号，对该电压信号进行处置后送入into产生中断申请信号，按时器停止计时。 由于此电压信号超级微弱，因此第一要对其进行放大，然后通过比较电路检测到当放大 后的信号的幅值超过规定的阈值时产生中断申请信号，并将该信号作为停止计时信号。方案一：图由三极管组成的超声波接收电路如图所示，方案一的接收电路由两个三极管组成，vtk vt2和假设干电

45、阻、电 容组成两级阻容耦合交流放大电路，最后从c3输出。此电路的作用是对超声波接收探 头接收到的微弱回波信号进行放大，而不能将其处置为直接接到单片机引脚的ttl电平 信号。还需要将输出信号进行滤波、检波等处置以后才能取得所需信号，电路设计比较 复杂，因此不采纳此方案。头将超声波转换为电信号，由运算放大器a1进行放大。a1输出信号经vd1和vd2、c1 检波与滑腻，再通过vt1放大到ttl电平作为输出信号uoo假设检测到超声波信号，那么输 出uo为低电平。a1电压增益最大约为91倍，假设增益不够时可再增加一级放大电路8。 由于此电路顶用到的元器件较多，而且需要反复调试放大器的增益倍数以达到最正确

46、放大 成效，电路调试工作比较复杂且工作量比较大，因此未采纳此电路。方案三：方案三的电路由cx20206a组成，如下图。集成电路cx20206a是一款红外接收的专用芯片，经常使用于电视红外遥控器。经常使用的载波频率38khz与测距的40khz较为相近, 能够利用它来做接收电路。适当的改变c3的大小，能够改变接收电路的灵敏度和抗干扰 能力。由于方案三电路结构比较简单，易于调试和利用，且芯片的灵敏度和抗干扰能力都 能知足系统的需求，所用采纳方案三作为超声波接收电路。ri图由cx20206a组成的超声波接收电路cx20206a集成芯片由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整 型电路组成

47、。其中的前置放大器具有自动增益操纵功能，能够保证在超声波传感器接收 较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益。在近距离输入信号强时放大器可不能 过载。其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调剂。其要紧指标：单电源5v供 电，电压增益7779db,输入阻抗27k,经常使用的教波频率38khz与测距的40khz较为相近, 能够利用它来做接收电路。适当的改变c3的大小，能够改变同意电路的灵敏度和抗干扰 能力。功能描述为：在接收到与滤波器中心频率相符的信号时，其输出脚7输出低电平。 芯片中的带通滤波器、积分器等使得它抗干扰能力很强。放大器输出脚7直接接单片机 into 口以触发中断。用cx20

48、206a接收超声波（无信号时输出高电平），具有很高的灵敏 度和较强的抗干扰能力。zcx20106a12345678iiiiiiii ln g c2 gnd fd q out vcc图cx20206a外形引脚图cx20206a外形为8脚单列直插塑料封装形式，其引脚排列见图。引脚功能为：1 脚信号输入端；2脚与地之间串接rc,以决定前置放大器的增益；3脚检波电容连接端； 4脚电源地端；5脚带通中心频率调整端，调整此脚与电源之间所接的电阻，可改变中心 频率f0： 6脚积分电容连接端，用于整形；7脚输出端，属集电极开路输出；8脚电源正端。cx20206a内部原理框图如下图:图cx20206a芯片内部原

49、理框图3. 2.3温度补偿电路由于超声波是一种声波，它的传播速度受空气密度的阻碍，密度越大，传播速度越 快，而空气密度和温度有紧密关系，因此温度转变时，声速也转变，致使测量不准确。 超声波传播速度c随环境温度转变如下：0(1+17()其泰勒级数展开式(仅保留到一次项)为：o+()式中t的单位为c。当温度为20c时，0344 m/s,当温度为30时，c=350m/s,声速转变为6 m/s。设 超声波传播距离s=1如假设在30c以20c的声速进行测量时，误差达到cmo可见要 实现高精度的液位测量，必需对声速进行温度补偿。经常使用的测温补偿方式有：热敏电阻，的电阻，热电偶和ic温度传感器补偿。使 用

50、传统的温度传感器，硬件电路复杂，而且输出为电压或是电流值，需要进行a/d转换。ds18b20是dallas公司推出的数字式单总线温度传感器，硬件接口电路简单，分辨 率可达到c,能专门好地补偿超声波在不同温度时的传播速度，从而保证了液位测 量的精度。bottom mevk2 3dallas ds1820ds18b20 to-92 packagek gndcdq匚 vco匚ds18b20p tsocnc n nc _jncrr ncllncdqrr nccds18b2qz8-pinsoicc150-mil)图ds18b20引脚排列图引脚说明：gnd 地dq数据输入输出vdd 可选的vddnc 空引

51、脚ds18b20具有如下特性：（1）独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通信（2）简单的多点散布应用（3）无需外部器件（4）可通过数据线供电（5）零待机功耗（6）测温范围-55+125c,以c递增。华氏器件-67+257f,以0f递增（7）温度以9位数字量读出（8）温度数字量转换时刻200ms （典型值）25 亘 z?28l0 l) =6c060203040sd6dth21n2324留第2? pppppppp ppppppppdsj8b30voddqgdol234s6?tito门p1门门p1p)门p1山d-nnn k储图温度补偿电路图键盘ucc图键盘电路本系统的键盘电路采纳一般键盘，每一个按健对

52、应单片机 的一个管脚。当按键没有按下时为高电平，有键按下时对应的端口变成低电平。k1键用于选择液位报 警上限值的调整，当按下k1键时能够通过k4k7键调整报警上限的值；k2键用于选择 液位报警下限值的调整，当按下k2键时能够通过k4k7键调整报警下限的值；k3键用 于关闭报警信号，当测得的液位超过规定的限值时报警电路开始工作，现在按下k3键 能够使报警电路停止工作；k4键k7键别离用于调整液位上下限值的千、百、十、个 位数的值，这四位的值能够从0到9转变，每按一次键，数值加一。液位显示在很多单片机系统中，led数码管是经常使用的显示器件。数码管具有数字接口，能够 很方便的和单片机系统连接；数码

53、管的体积小、重量轻、功耗低，是一种理想的显示单 片机数据输出的器件。但考虑到本系统的显示要求，为了使温度和液位高度同时显示， 需要利用较多的数码管，因此本系统的液位显示部份采纳smc1602a液晶显示模块，它 一样具有体积小，功耗低，利用方便的特点。其与单片机的连接方式如图所示。到 用来传送数据；为使能信号端，高电平有效；其余端口功能见表smc1602a能够显示16x2个字符，最正确工作电压为5v。其详细技术参数见表。o i i 3 4 jxvo fk !te ii vl fl fl hl i pppp ptitdd 1 2 3 d j kv 7 0 12 3 q 5 i 7 风网内卬网 rw

54、hkkkf2225236播tddvl:srtclw 弘dx-rave表3. 2 smc1602a接口信号说明tab. 3. 2 description of the interface signal of smc1602a编号符号引脚说明编号符号引脚说明ivss电源地9d2data 1/02vdd电源ie极10d3data 1/03vl液晶显示偏压值号11d4data 104rs数据，命令选择端（hl）12d5data i/05r.w读/写选择端（h，l）13d6data 1/06e使能信号14d7data 1/0dodata i/o15bla背光源正极8didata 1/016blk背光源负

55、极图显示电路表3.3 smc1602a的主要技术参数tab.3.3 the main icchnical parameicrs 602a显示容量16个字符stn型）模块最佳工作电压5.0v工作电压4.&t2v字符尺寸4.95x7.95 (whx) mm工作电流2.0ma c5.0v)工作温度0-50c背光源颜色黄绿存储温度20+70c背光源电流通信系统由于本系统由上位机与下位机两个系统组成，为了实现远程操纵，二者之间通过无线数据传输模块进行通信。无线数据传输模块采纳上海桑博电子科技生产的str-15大功率无线数据传输模块，将传感器搜集到的数据通过单片机处置后传送到上位 机进行显示、超限报警及数据存储。str-15大功率无线数据传输模块的示用意如图：str-15与用户单片机系统连接简单，只需两根线与单片机相连，如图所示。s