基于超声波的液位测距系统设计讲解.docx

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基于超声波的液位测距系统设计讲解

摘要

本文是利用超声波测距的原理而设计的一种液位测距系统。

该系统采用STC12C5A08S2单片机为核心控制器，并为超生测距模块提供触发控制信号，在发射超声波的同时，启动单片机的内部定时器开始计时，超声波在空气中传播遇到障碍物后反射回波，超声波接收电路检测到回波信号时停止计时，则根据公式：

S=Vt/2即可计算出液位距离。

文中设计的系统着重解决了超声波测距的时间计算和温度补偿问题。

其中通过温度传感器将温度值采集到单片机中，经过一定的数值修正即可得到当时温度值下的超声波传播速度V。

本文采用了硬件和软件相结合的设计方法，在软件方面，采用了汇编语言进行程序编写。

在数据处理上充分利用汇编语言的查表优势，建立了速度修正值表和数码管显示值表，可以便捷、明了地进行数据处理和显示。

关键词：

超声波测距STC12C5A08S2温度补偿液位测距系统

TitleDesignofliquidlevelbasedonultrasonicdistancemeasurementsystem

Abstract

Thisarticledesignsaliquidlevelmeasurementsystemwhichisbasedontheprincipleofultrasonicdistancemeasurement.ThesystemtakesSTC12C5A08S2asthecoreofthesystemcontroller.TheSCMprovidescontrolsignalsforultrasonicdistancemeasurementmodules,andstartsthemonolithicintegratedcircuitinternaltimertoworkwhileemittingultrasonic.Ultrasonicreflectionechoafterthecommunicationobstaclesintheair,andtheSCMstopstimingwhentheechosignalisdetectedbytheultrasonicreceiver.Accordingtotheformula:

S=Vt/2,theliquidleveldistanceiscalculated.

Thesystemisdesignedtofocusonthetimeandtemperaturecompensationofultrasonicdistancemeasurement.ThetemperaturevalueiscollectedintheSCMthroughthetemperaturesensor,undergoingacertainnumericalcorrectiontogettheultrasonicwavepropagationvelocityunderthetemperature.Thisarticleusesacombinationofhardwareandsoftwaredesign.Insoftware,weuseassemblylanguagetoprogram.FulluseofAssemblylanguagereferencetableadvantagesindataprocessing,weestablishedthespeedcorrectiontableandthedigitaldisplayvaluestablewhichcanbeconvenientandclearfordataprocessinganddisplay.

Keywords：

Ultrasonicdistance-measuring；STC12C5A08S2；Temperaturecompensation；Liquidlevelmeasurementsystem

1引言

1.1测距在工业方面的应用

在现代工业现场，测距技术的应用可以说是无处不在。

在水利水电、污水处理领域，利用测距技术可对水面高度实现实时监测。

在冶金、物料液位、管道等不宜直接接触的场合，非接触式测量技术发挥了重要作用。

激光测距技术作为非接触式测量技术的一种，可以实现对工业生产线上的物料传送定位、电梯的运行监测、移动机器人的测距定位等。

在车载导航、石油、化工等领域，超声波测距技术都得到了广泛的应用。

1.2现有的测距方法及其优缺点

最早的测距技术大多是基于机械传动工作原理的测距，随着工业控制的需求，慢慢过渡到机电一体化式测距，而随着系统集成性的需要正朝着智能式测距发展。

其中作为机械式测距技术的代表，机械钢带式液位计优点是结构简单、价格低廉，但是机械传动部件较多，安装、维护比较困难，且只限于测液位。

非接触式测距技术因其独特的优势已经广泛应用于工业现场控制。

现在典型的非接触测距方法有雷达探测、激光探测、CCD探测和超声波测距等方法。

其中激光具有穿透力强、强度高等特点适合在恶劣天气如大雾天或远距离测距系统中使用，成本较高。

而CCD测距不需要信号发射器，主要利用光电耦合器将光信号转化为电信号，所得模拟信号经A/D转换电路后转化为便于处理的数字信号。

全过程需要采集大量的信息，计算量大。

相比之下，超声波测距因其独特的优势适合短距离的测距系统，特别是在工业现场不易人们直接接触的场合发挥了很大的作用。

超声波主要应用于车辆导航、物料定位、建筑工地以及空气中和水下目标的探测、定位等场合。

从上世纪八十年代开始，国外就开始利用微电子技术和计算机等高科技成果，带动液位测量技术的发展。

就目前为止，工业中运用的液位测量方式就有几十种，比如常见的有压电式、应变式、电容式等。

这些方法同早期的机械测量相比，运用比较简单，但大都采用了如压力值、电气量等中间量来反映液位值，增加了测量误差。

而超声波测距却可实现精确测距，改善了系统的精度。

因此，无论是工业现场控制，还是人们的日常生活中，超声波的应用已经很成熟。

1.3超声波测距的原理及优点

超声波测距模块主要有超声波发射和接受两部分，给定的触发信号经过放大电路放大后产生超声波，并开启定时/计数器计时；当超声波在传播途中遇到障碍物后反射回波，测距模块接收电路检测到反射回波时就停止计时。

通过查表获取声速在当时温度的修正值V，从定时/计数器中获取传播时间t,即可根据公式S=Vt/2计算出测试点到障碍物之间的距离S。

由于超声波在空气中的方向感很强，探测距离很远，基于超生波的测距被广泛应用，而且其数据处理比较简单，利用软件编程即可实现计算机实时控制，通过温度补偿更是可以大大提高测量精度，基本上可以满足工业现场控制要求。

超声波液位测量采用高速高性能的单片机为微控制器不仅能够实现定点连续测量液位，还可以提供需要的信号进行远距离控制。

与价格昂贵、系统复杂的激光测量系统相比，超声波测距成本较低、系统可靠性高。

应用于工业现场的超声波测距系统大多没有复杂的传动、运动部件，安装、维护时比较方便，尤其是在气体或液体中测量时超声波测距系统性能表现出较大的优越性。

比如在工业或生活污水处理现场中，超声波测距技术就得到了很好的应用。

1.4课题研究的意义

在石油、化工、渠道、污水处理等领域的过程控制当中，经常要对管道、仓储进行液位的实时监测。

尤其是在石油、化工和污水处理等领域，工业现场的环境很恶劣，若采用接触式测量，则各种腐蚀性液体、气体等会损坏传感器探头而影响测量精度和可靠性。

在这种环境下，非接触式测量成为人们的首选，而超声波测距因为系统可靠性高、不易受环境因素（如磁场、腐蚀性气体或液体等）影响，能够满足一般工业精度要求，得到了很广泛的应用和发展。

随着技术的发展和需要，新型的、智能化超声波测距逐渐得到应用，因此，通过超声波液位测距系统设计，掌握超声波测距原理的应用及液位测距系统硬件电路的设计，通过编程实现液位测距功能，可以让我们更加熟悉一个系统设计的流程及应具备的基本知识，提高我们的实战能力和经验。

2总体方案论证

文中利用超声波测距的原理设计了一套液位测距系统。

利用超声波在空气中传播遇到障碍物后反射回波，并通过回波接收电路检测回波信号，用t表示超声波从发出到检测到回波信号的时间，V为超声波在空气中的传播速度，则可计算出液位的距离S=Vt/2。

采用硬件设计和软件设计相结合的方式，选用单片机为微控制器，超声波发射和接收器分别通过相应电路与单片机相连，这样就可以通过单片机来控制超声波的发射和接收，并利用单片机的内部定时器/计数器计算超声波的传输时间t。

对于超声波的传播速度V的温度补偿问题，可以通过温度传感器与单片机连接，实时测得温度值并通过公式V=331.5+0.607T来修正速度V[13]。

文中设计系统的控制框图（如图2.1）。

图2.1系统控制结构框图

2.1系统方案简化

为了系统设计的简单化，在超声波发射和接受这块进行了简化，经过比较和文献资料的查阅，选用HC—SR04超声波测距集成模块代替复杂的超声波发射、接收和检波电路，这样系统控制就简单的多。

只需要单片机提供一定的电平触发信号，HC—SR04模块就会自动发射、接收和检测回波信号。

简化后的系统控制框图（如图2.2）。

图2.2系统控制结构简化框图

2.2系统软件设计说明

系统的软件部分是使用keil软件编程，程序采用汇编语言编写。

充分利用汇编语言查表的优势，在程序中建立了超声波传播速度修正值表和4位共阴数码管显示值表，从而大大简化了数据处理和显示。

单片机通过P1.3、和P1.4口控制超声波测距模块的触发和接收回波信号。

对于超声波传播时间t的计算，利用单片机的内部定时器/计数器通过软件编程来实现。

在发射超声波的同时启动定时器T0，当接收到回波信号时关闭T0停止计数。

事先设置单片机工作频率为11.0592MHz，则计数一次代表1US。

最终的速度计算结果通过P0口输给数码管显示部分。

数码管的选通与控制是通过P2口经74HC138译码器来实现。

3系统硬件电路设计

该超声波液位测距系统硬件电路主要有四大部分组成，主要是HC—SR04超声波测距集成模块、温度传感器、单片机和数码管显示部分。

本章将分别从这四大部分进行设计和说明，包括器件的选型和模块的电气连接等。

3.1HC—SR04超声波测距模块简介

HC—SR04超声波测距模块主要包括超声波发射器、超生波接收器和相关的控制电路。

该模块主要是利用超声波的测距原理，适用于2cm~450cm的非接触测量。

该模块有4个引脚，分别是VCC、Trig、Echo、GND，实物图（如图3.1）。

其中VCC是电源端，接DC5V电源，GND是接地端，Trig为触发控制信号的输入端，在试验中接单片机的P1.3口，Echo是回波信号输出端，接单片机的P1.4端口。

图3.1HC—SR04实物图

3.1.1HC—SR04主要电气参数介绍

电气参数

HC—SR04超声波测距模块

工作电压

DC5V

工作电流

15mA

最远射程

450cm