基于单片机的非接触式液位监控系统设计Word下载.docx

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1绪论

1.1意课题的提出和意义

1.1.1课题的提出

在日常生产和生活中常遇到液位的监测问题。

尤其在许多工业生产系统中，需要对系统的液位或物料位进行监测，特别是对具有腐蚀性的液体液位的测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电脉冲来检测液面，电极长期浸泡在液体中，极易被腐蚀、电解、失去灵敏性，因而对测试设备的抗腐蚀性要求较高。

超声波液位检测系统，利用了超声波传感技术的原理，采取一种非接触式的测量方法，能够实现对工业系统中液位或物料位的检测；

而且超声波具有很好的指向性和束射特性，人耳听不见，一般不会对人体造成伤害。

监控工程实施方便、迅速、易做到实时控制，而且测量精度又能达到工业实用的要求，所以有广泛的应用前景。

目前液位的检测越来越受到重视，随着人们生活水平和工业标准的提高，检测的精度和实时性要求也越来越高，另外还要求系统能提供对液位的自动控制功能。

也就是说今后液位的监测和控制系统的研究将是一个重要的课题。

1.1.2课题意义

为了降低工人的劳动强度，改善工人的工作环境，节省财力、物力，避免资源的浪费，特别是对一些具有高温、高压、低温、低压、有辐射性、毒性、易挥发易爆等液体，就要对液位进行检测，而且液位的检测显得尤为重要。

而对于这些影响身体健康的液体，不易在现场直接进行检测，必须通过一定的技术，进行监控。

1.2国内外液位监测技术的发展现状

储罐液位测量来源于石油和化工业，是工业测量中极为广阔的领域。

准确的液位测量是生产过程控制的重要手段。

早期，由于工业领域生产规模不大，储罐液位测量主要采用法兰式液位变送器和吹气式等机械式测量方法。

但随着生产规模的进一步扩大，所需的储罐数量变多，体积变大，原先的测量方法的弊端愈发变得突出，其缺点如下:

〔1）法兰式液位变送器需要保温，施工及维护工作量较大;

（2）吹气式用的吹气管要特殊订货，且还要定期更换，维护工作量较大；

吹气式要消耗仪表气，有能耗；

它还需要敷设气源管，安装及维护工作量较大。

这一系列问题的解决有待于新的测量方法的出现。

从上世纪八十年代开始，一些发达国家就借助微电子、计算机、光纤、超声波、传感器等高科技的研究成果，将各种新技术、新方法应用到储罐测量领域。

电子式测量方法便是其中的重要成果之一。

在电子式液位测量方法中，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。

由于该方法测量精度高，可靠性强，持续时间长，安装维护简单，因而正在逐步取代旧的机械式液位测量方法。

据2002年美国市场调查结果表明，电子式测量仪的使用率占市场的76%左右，机械式仅占15%。

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广泛，约占总数的60%以上。

其中，超声波式测量技术的应用份额预计在2007年占到最大。

超声波液位测量有很多优点:

它不仅能够定点和连续检测液位，而且能够方便地提供遥控或遥控所需的信号。

与放射性技术相比，超声技术不需要防护。

与目前的激光测量液位技术相比，超声方法比较简单而且价格较低。

一般说来，超声波测位技术不需要有运动的部件，所以在安装和维护上有很大的优越性。

特别是超声测位技术可以选用气体、液体或固体来作为传声媒质，因而有较大的适应性。

所以在测量要求比较特殊，一般测位技术无法采用时，超声测位技术往往仍能适用。

当然各种方法都有其独特的优点，在特定的场合，某种方法很可能比超声方法更为有效或经济。

例如，在测量要求比较一般时，机械浮子方法就比超声方法更加经济;

在精度要求特别高的某些情况下，光学测距或激光测距可能比超声方法更为精密。

1.3国内外超声波测距方面的研究现状

随着超声波技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，根据超声波原理制成的测量仪器也越来越多。

国内外对超声波测距仪研究，主要在大量程测距、高精度测距以及测距仪的智能化和网络化等几个方向。

澳大利亚HAWK公司HPAWK系列产品使超声波测距技术有了重大的突破，她不仅拓宽了擦、超声波测距技术的应用场合（适用极恶劣的工作环境），而且适用智能调节技术，大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标，让用户使用无后顾之忧。

智能的全自动调节发波频率，自动的温差补偿功能使其工作更加稳定可靠。

HPAWK系列产品还拥有灵活多样的通讯方式。

可编程故障保护模式，它还拥有先进的远程GSM、CDMA、互联网调试功能，使得用户随时可以得到技术支持。

它以其尖端的技术稳定可靠的工作质量，在化工、电力、冶金、煤矿、轻工、码头、汽车等行业得到广泛的应用。

国内在超声波测距仪的研究国内相对落后一些，但也出现了很多功能和性能都很不错的产品，技术上也有很大的发展。

不过尖端的产品和技术都不是应用最多的。

应用最多的就是适用型的技术和产品，以最简单的方式实现合乎要求的功能。

1.4本文的主要内容

本文的主要任务是以单片机为主控制器，开发一个基于超声波测距的液位监控系统，可测量并显示距离，还可以通过单片机控制把液位限定在某一范围内，在单片机控制失效的情况下发出报警信号，提醒工作人员进行手动控制。

研究设计内容包括：

（一）超声波测距的基本原理与方法

（二）超声波监控系统的整体方案设计

（三）超声波测距电路的设计

（四）控制电路设计

（五）系统软件流程设计

（六）电源电路的设计

（七）PCB布线及硬件抗干扰设计

（八）超声波测距的误差分析

设计完成之后提供一个可以应用于一般工业的完整的超声波液位监控系统的设计方案，测量范围和测量精度满足一般工业应用需要。

通过毕业设计的整个过程，可以综合运用传感器、单片机、电子电路和程序设计等方面的知识，锻炼和提高科研的能力。

2超声波液位测量的理论基础

2.1超声波的定义

人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz~20kHz，超声波是频率大于20kHz的机械波。

在通常的超声波测距系统中，用电脉冲激励超声探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，形成超声波。

2.2超声波的物理特性

2.2.1超声波的类型

根据波动中质点振动方向与波的传播方向的不同关系，可将波动分为多种波型，在超声波检测中主要应用的波型有纵波、横波、表面波（瑞利波）和兰姆波。

本文主要应用的是超声纵波。

2.2.2超声波的传播

在超声波传播过程中，被超声所充满的空间称为超声场。

与超声波的波长相比，如果超声场很强，这时超声波就像处在一种无限的媒介中，超声波自由地向外扩散；

反之，如果超声波的波长与相邻媒介的尺寸相近，则超声波受界面限制不能自由地向外扩散。

用来描述超声场的特征量主要包括:

声速、声压、声强以及媒介的特征阻抗等等:

超声场的物理性质主要有:

反射与折射、衰减与吸收、叠加与干涉等。

由于超声波也是一种声波，超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关。

理论上，在13℃的海水里声音的传播速度为1500m/s。

在盐度水平为35%，深度为Om，温度为0℃的环境下，声波的速度为1449.3m/s。

声音在25℃空气中传播速度的理论值为344m/s,这个速度在0℃时降为334m/s。

声波传输距离首先和大气的吸收性有关，其次温度、湿度、大气压也是其中的因素，而这些因素对大气中声波衰减的效果比较明显。

温度是和其他常数一样决定声音速度的第二因素。

它和温度的关系可以用以下公式来表示:

C=331.45+0.61T（米/秒）。

在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离，这就是超声波测距系统的机理。

2.3超声波液位测量原理

超声波液位测量其实就是要测量超声波测距仪到页面的距离，如果超声波测距仪安装在底部，测得的距离即为液位高度，如果超声波测距仪安装在液面上方，需要通过换算来算得液位高度（液罐总高度减去测得的距离即为液位高度）。

本文选择把测距仪安装在液面上面，测距仪安装相对方便些。

2.4超声波测距原理

2.4.1超声波回波检测法

超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法卧劝。

相位检测法虽然精度高，但检测范围有限:

声波幅值法易受反射波的影响。

在超声检测技术，特别是超声测量技术中使用最广泛的是超声波回波检测法，通过测量超声波经反射放大后到达接收端的时间与发射时间之差，实现距离测量，称为TOF（TimeofFlight）方法，也叫渡越时间法。

渡越时间法实现简单，被广泛的应用于声学测距系统。

它的原理是：

超声波发射器发出单个或一组超声波脉冲，在发射时刻同时计时器开始计时，超声波在空气中传播，途中遇到被测目标，经过反射到达超声波接收端，此时停止计时器计时，得到的时间t就是超声波在发射器和被测目标之间来回传播的时间。

2.4.2发射脉冲波形

超声测距常用的发射脉冲波形如图2-1所示有:

单个尖脉冲、衰减振荡脉冲、窄等幅波列脉冲和宽等幅波列脉冲。

由于媒介中超声波的衰减系数是频率的函数，同一发射的脉冲波中不同频率成分的波将以不同的群速度传播，这使得脉冲波形将随着传播距离的增大而发生畸变，并且这种畸变程度随距离的增加而变得显著。

在要求分辨力较高和盲区较短的超声测量技术中，一般使用宽度较窄的脉冲波。

但脉冲越窄，则频谱分量越丰富，波形畸变越严重。

在要求传

播距离较远的超声测量技术中，则倾向采用较宽的等幅脉冲波。

由于维持振动的周期数较多宽等幅脉冲波的频谱分量较纯些、能量较大、畸变较小，所以适合于传播较远的距离。

图2-1超声波测距常用发射脉冲波形

2.4.3超声波渡越时间的计量方法分析

根据超声波测距的原理，发射换能器发出的超声波，在媒介中传播到物体表面，经过反射后再通过媒介返回到接收换能器，通过测量超声波从发射到接收所需的时间（

），根据媒介中的声速（v），就能计算出从换能器到物体表面之间的距离（L）。

被测距离的表达式：

（2-8）

由上式计算出测量误差

：

（2-9）

式中，

--测距误差；

--声速；

σΔt---时间测量误差；

συ--声速误差。

如果要求测量误差小于0.01米，由于超声波在20℃时的速度为344m/s，忽略声速误差，则:

（2-10）

显然直接测量的方法是行不通的，所以采用脉冲计数的方法间接测量被测时间，就可以满足高精度要求。

2.5超声波接收发射装置

以超声波为检测手段，包括发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器域称压电式超声波探头）和磁致式超声波传感器。

本论文采用的是压电式超声波传感器，主要由超声波发射器（或称发射探头）和超声波接收器（或称接收探头）两部分组成，它们都是利用压电材料（如石英、压电陶瓷等）的压电效应进行工作的。

利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。

而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。

一般压电式超声波换能器有两个共振频率:

低频共振频率叫串联共振频率（ƒτ），此时阻耗（R）最小，用于发送超声波;

高频的共振频率称为逆共振频率（ƒa），主要是产生共振，用于接收超声波。

而在串联共振频率（ƒτ）处发送灵敏度最高，在逆共振频率（ƒa）处接收灵敏度最高。

所以选用一对超声波换能器，使其效率最高。

超声波传感器产生振荡的方法很多，主要有以下几种阿:

（1）由外部电路产生振荡，如NE555低频振荡器调制40kH之的高频信号，高频信号通过超声波传感器以声能形式辐射出去。

（2）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）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，通过放大处理后驱动发送超声波传感器产生超声波.

3超声波液位监控系统硬件设计

3.1系统总体方案设计

本文设计的超声波液位监控系统工作原理框图如图3-1所示。

该系统由AT89C2051单片机、超声波发射电路、接收放大电路、环境温度采集电路、报警电路、控制键盘、控制电路及显示电路组成。

AT89C2051单片机是整个系统的核心部件，协调各部件的工作。

发射驱动模块振荡源和放大驱动电路，单片机控制发射模块产生40kHz的频率信号来驱动超声波传感器，每次发射包含若干个脉冲（发射持续约0.15ms），当第一个超声波脉冲发射后，计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，这样就能够得到从发射到接收的时间Δt；

温度采集电路也将现场环境温度数据采集送到单片机中，提供计算距离时对超声波传播速度的修正。

最终单片机利用公式s=12vΔt和v=331.5+0.607T计算出被测距离，然后与系统预设距离比较，如果小于预设最低液位或者大于预设最高液位，单片机进行液体流入流出自动控制；

当液位变化过快或者其他单片机无法进行液位控制的情况下，单片机启动报警电路通知工作人员进行人为干预。

完成这些步骤进行第二次超声波发射。

在这过程中单片机显示电路不断的更新显示的液位值。

其中控制键盘可以控制系统的液位变化范围（最高液位h1和最低液位h2）和报警参数h（超出极限低液位或极高液位认为单片机不能完成自动控制）。

3.2超声波测距系统的硬件设计

3.2.1超声波频率的选择

超声波发散角随频率的增加而增加，这样使用双探头时将会有更多的绕射波被接受，所以超声波频率不易太高；

超声波测距的有效距离与超声波的频率成反比，频率越低有效距离越大，40Hz的超声波一般有效测距范围为6~10米，超声波测距精度和超声波频率成正比，因此频率过低会影响测距精度，根据一般工业需要，结合其它因素，本系统采用40KHz左右的频率。

3.2.2单双探头的选择

如果使用单超声波探头，将会影响最小测量距离，而且可能会在转换时有噪声产生。

因此本系统采用收发分离双超声波探头。

3.2.3超声波发射电路

（1）超声波发射电路功能

发射电路目的:

为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号依据电路需要，发射电路满足下列要求:

①振荡电路振荡频率可调

②驱动能力较高

③I/O口控制口

（2）超声波振荡电路

当加载在超声波传感器的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时，发生共振，电信号电能能高效率的转化为机械声波机械能。

一般厂家生产的超声波传感器标识的固有频率是40KHz，实际有偏差，如40士0.5KHz。

故设计可调频率振荡电路，以便将信号频率调到超声波传感器的固有频率上。

荡电路有多种设计方案，方案选择如下:

方案一:

利用非门或与非门和电阻一起构成振荡电路，如图3-2所示，

图3-2非门和电阻、电容组成的振荡电路

这个电路组成的是最简单的振荡器，这种振荡器特点是:

T≈（1.4～2.3）R×

C，且电源波动将使频率不稳定，适合小于100KHz的低频振荡情况。

此振荡是上电振荡，不方便控制。

方案二：

采用两三极管和电阻电容构成的振荡器如图3-3所示，

方案三：

LC三点振荡电路如图3-4所示，

图3-3三极管和电阻电容构成的振荡器

方案四：

555芯片组成振荡电路，如图3-5所示。

555芯片振荡电路，外围元件少，电路简单，振荡频率可调，可产生方波和三角波，可调整波形占空比，在很多电路中都用到，如图3-5所示。

图3-4LC三点振荡电路

图3-5555芯片组成振荡电路

上面几个振荡电路都是很实用的电路，外围元件少，电路简单，芯片驱动能力大，振荡输出的信号为方波信号。

考虑系统需要和方便，本文中的振荡电路选方案四，用555芯片和外围元件构成振荡电路，此电路稳定且易控制。

本文中采用的555芯片振荡电路,频率的计算如下：

RA=1.5KΩ、RB=15KΩ、C=1000pF

TL=0.69xRBxC 

=0.69x15x103x1000x10-12=10μsec 

TH=0.69x（RA+RB）xC 

=0.69x16.5x103x1000x10-12 

=11μsec 

f=1/（TL+TH） 

=1/（（10.35+11.39）x10-6） 

=46.0KHz

（3）超声波驱动电路原理图

驱动电路目的:

为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号。

驱动电路要求产生出具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率的超