毕业设计论文超声波测量.docx
《毕业设计论文超声波测量.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文超声波测量.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
毕业设计论文超声波测量
摘要
液位测量广泛用于石油、化工、气象等领域。
超声波液位计是众多液位计中发展较快、应用较多的一种液位测量仪表。
它是利用超声波在同种介质中传播速度相对恒定以及碰到障碍物能反射的原理研制而成的，具有非接触、高精度、价格低廉、使用方便等优点。
近年来，随着高速数字信号处理技术与微处理器技术的进步，超声波液位计得到了长足的发展。
本文主要针对封闭式储存罐内的液位测量仪器进行了设计研究，利用无损测量技术，使用脉冲回波法进行液位测量，采用低功耗16位单片机MSP430作为主控芯片，利用超声波换能器产生的1MHZ超声波作为测量信号；用液晶显示测量的结果。
在设计中考虑到了误差的产生，并利用硬件部分和软件算法最大限度的减少误差，提高了系统的测量的精度。
关键字：
液位计；超声波；MSP430单片机
Abstract
Levelmeasurementiswidelyusedinthefieldsofoilindustry、chemicalindustryandmeteorology.Amongallthelevelmeasurementinstruments,ultrasoniclevelmeasurementinstrumentisdevelopedfasterandusedmorewidely.Ultrasonicwavepropagatesattheconstantspeedinthesamemediumandreflectswhenmeetswithobstacle.Basedonthistheory,ultrasoniclevelmeasurementinstrumentismanufactured.Themainmeritsofultrasoniclevelmeasurementisnon-contact,highaccuracy,lowofprice,convenienceofusingandsoon.Inrecentyears,withthehighdevelopmentofhighspeeddigitalprocessingandmicro-processor,ultrasoniclevelmeasurementinstrumenthasobtainedagreatadvancement.
Thissystemadoptlowconsumption16one-chipcomputerMSP430asthetopmanagementchip,use1MHzultrasonicwavethatthetransducerproducesasthesignalofmeasuring;RevealtheresultmeasuredwiththeLCD.Considertheproductionoftheerrorinthedesign,utilizethehardwarepartandmaximumreductionerrorofsoftwarealgorithm,haveimprovedtheprecisionofsystematicmeasurement.
Keywrod:
levelmeasurement；ultrasonicwave；MSP430
摘要……………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract…………………………………………………………………………………Ⅱ
第一章绪论………………………………………………………………………………1
1.1液位计的现状及发展趋势………………………………………………………1
1.1.1综述………………………………………………………………………1
1.1.2液位计的现状……………………………………………………………1
1.1.3液位测量仪表的发展趋势………………………………………………3
1.2超声波液位计研究目的及其可行性……………………………………………3
1.3本课题研究的内容………………………………………………………………3
第二章超声波液位计的测量原理………………………………………………………5
2.1超声波的基本特性………………………………………………………………5
2.2超声波传感器……………………………………………………………………6
2.3超声波液位计的测量原理………………………………………………………6
第三章系统硬件设计……………………………………………………………………8
3.1MSP430芯片的选择及其特点…………………………………………………8
3.2基于MSP430的超声波液位计的总体设计……………………………………8
第四章系统软件设计……………………………………………………………………10
4.1EW430简介……………………………………………………………………10
4.2应用程序整体设计……………………………………………………………10
4.3信号的采集与计算……………………………………………………………11
4.4键盘程序设计…………………………………………………………………16
4.5LCD显示程序设计……………………………………………………………19
4.6温度测量程序设计……………………………………………………………20
4.7编程注意事项…………………………………………………………………22
第五章误差与干扰分析…………………………………………………………………24
5.1温度的影响……………………………………………………………………24
5.2直达波的影响…………………………………………………………………24
5.3传播距离………………………………………………………………………24
5.4测量的随机性…………………………………………………………………24
第六章调试分析…………………………………………………………………………25
6.1LCD显示程序的调试…………………………………………………………25
6.2键盘程序的调试………………………………………………………………25
6.3温度测量程序的调试…………………………………………………………25
第七章总结……………………………………………………………………………26
7.1本文完成的工作………………………………………………………………26
7.2存在的问题及展望……………………………………………………………26
致谢………………………………………………………………………………………27
参考文献…………………………………………………………………………………28
附录………………………………………………………………………………………29
第一章绪论
1.1液位计的现状及发展趋势
1.1.1综述
液位测量在石油、化工、气象等部门应用广泛，实现无接触、智能化、高精度、低功耗是液位计目前的发展方向。
随着单片机、微电子、传感器、总线接口等高新技术的迅速发展，液位仪表的研制有了长足的进步，以适应越来越高的应用要求。
目前，市场上的液位仪表功能各异，价格差异也较大。
从价格和功能上比较，国内和国外产品存在较大的差异:
国外的液位测量仪表，功能较全，精度较高，但价格比较昂贵;而国内产品其功能和精度相对较低，但价格自然相对便宜。
1.1.2液位计的现状
按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型两大类。
1.接触型液位仪表：
接触型液位仪表主要有:
人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计。
它们的共同特点是测量的感应元件与被测液体接触。
（1）人工检尺法：
计量员上到罐顶，自计量孔投放测深钢卷尺，然后取出尺子，观测液面浸湿尺子的刻度，此为人工检尺法。
人工检尺法具有测量简单、直观、成本低等特点，但由于其是人工测量，故不适合在恶劣的情况下使用，另外需要较长的测量时间，难以实现在线实时测量，不仅如此，还容易造成人为的测量误差。
（2）浮子测量装置：
它是由浮子、传感器和二次仪表组成，是通过用浮子测量浮力的大小定量测量液位，将该装置固定在罐中，使浮子立于罐中处于相对静止状态，浮子在罐中所受浮力的大小等于液体的排出量。
当浮力的大小发生变化时，变化值通过浮子传递给传感器，经过二次仪表显示出液位的数值。
浮子式液位装置具有结构简单、价格便宜等优点，但是浮子会随着液面的波动而波动，从而造成读数误差。
浮子测量装置的适用范围为非腐蚀液体的测量。
（3）伺服式液位计：
伺服式液位计基于浮力平衡的原理，由微伺服电动机驱动体积较小的浮子，能精确地测出液位等参数。
现代伺服液位计的测量精度己达到40m范围内小于士1mm。
但是，由于伺服式液位计仍属于机械测量装置，存在机械磨损，影响了测量的精度，因此需要定期维修和重新定标且安装困难。
（4）电容式液位计：
电容液位传感器是利用被测对象物质的导电率，将液位变化转换成电容变化来进行测量的一种液位计。
与其他液位传感器相比，电容液位传感器具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适用性强等优点。
常见的电容传感器测量电路有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。
这类仪表适用于腐蚀性液体、沉淀性液体以及其它化工工艺液体液面的连续测量与位式测量，或单一液面的液位测量。
（5）磁致伸缩液位计：
磁致伸缩液位计采用磁致伸缩技术来测量大罐的油水界面和油气界面。
通常情况下，磁致伸缩液位计安装有两个浮子，其中一个浮子的密度小一于油品的密度，另一个浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它们分别用来检测油气界面和油水界面。
磁致伸缩液位计安装容易，不需要定期维修和重新定标，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。
但是磁致伸缩液位计与被测液体接触，仪器容易受到腐蚀，且液体的密度变化会带来测量误差。
此外，浮子装置沿着波导管的护导管上下移动，容易被卡死，从而影响液位的止确测量。
2.非接触型液位仪表：
非接触型测量仪表主要包括超声波液位计、雷达液位计、射线液位计、激光液位计以及光纤液位计等。
这类液位测量仪表的共同特点是测量的敏感元件与被测液体不接触，因此不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而适用范围较为广泛，可用于接触式测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。
（1）超声波液位计：
超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表。
在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经液体表面反射后被同一种传感器接收，转换成电信号。
并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。
由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。
目前，智能化的超声波液位计能够对接收信号做精确的处理和分析：
可以将各种干扰信号过滤出来;识别多重回波；分析信号强度和环境温度等有关信息。
这样即便在有外界干扰的情况下，也能够进行精确的测量。
超声波液位计不仅能定点和连续测量，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，所以在安装和维护上相应比较方便。
超声测位技术可适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性且价格较为便宜。
新型气密结构、耐腐蚀的超声波传感器可测量高达15m的液位。
（2）雷达液位计：
在罐顶安装天线，天线发射的微波是频率波线性调制的连续波，当回波被天线接收到时，天线发射频率已经改变。
根据回波与发射波的频率差可以计算出物料面的距离。
FMCW方式测量线路较复杂，从而测量精确度较高，同时干扰回波也较易去除，一般用于较高端的测量方案，但是安装比较复杂且价格不菲。
（3）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，且穿过不同厚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，可实现对液位动态变化的检测。
除利用核辐射射线来测量之外，还可采用中子射线来测量液位。
射线液位计安装非常方便，测量精度较高。
因为它没有任何部件与被测物体直接接触，特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问颗。
（4）激光液位计：
其测量原理类似于超声波液位计，只是采用光波代替了超声波。
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间换算成液位。
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，这样即使被测物面很粗糙，漫反射光也能被传感器接收。
激光液位计非常适用于开口很狭窄的容器以及高温、高粘度的测量对象。
而缺点是对液面的波动很敏感，大罐内的油蒸汽，水气等微粒对测量不利，且光学镜头必须定期保持清洁。
（5）光纤液位计：
光纤液位检测是近年来出现的一种新技术。
根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。
这类检测仪表一般具有体积小、重量轻、无动作部件、安装方便等优点、大多可适用于任何液体液位高度的检测与控制，特别适用于易燃、易爆、腐蚀性液体的检测。
这类检测仪表检测精度高但正处于发展阶段尚未成熟。
1.1.3液位测量仪表的发展趋势
目前液位测量仪表总类繁多，客户可以根据不同的需求选择相适应得产品。
在EDA、SoC、传感器、微电子等高新技术的支持下，液位计向着智能化、高精度、能在线实时测量、能与电脑通信等方面发展。
1.2超声波液位计研究目的及其可行性
当前的接触型液位计由于是和被测液体直接接触，或多或少存在着精度问题，在安装、维护方面也有一定的难度。
非接触型液位计由于其不和被测液体直接接触，且绝大多数不存在可动部件，精度较高，可以通过现场总线将实时数据采集后直接存储到电脑，再配合组态软件的使用，便可以实现现场级工业控制。
其中，雷达液位计的测量精度较高，但安装较为复杂而且价格昂贵。
激光的传播速度很快，不便于信号的处理。
射线液位计容易对环境造成污染。
超声波由于无辐射、无破坏性、穿透性强，加之成本较低所以超声波是比较理想的信号源。
同时超声波传感器的体积小，所需要的硬件电路相比也比较简单。
与其他液位计相比，更加符合国内市场。
1.3本课题研究的内容
本文主要是针对类似油罐等封闭式液体的液位的测量，在考虑了各种液位测量方式后，根据前文所述，决定要超声波作为主要手段，采用脉冲回波测量法，使用1MHz频率的超声波换能器作为信号源。
采用TI公司的低功耗16位单片机MSP430F413作为整个系统的控制和运算核心，考虑了误差的产生，运用软件算法计算出其液位。
软件编程使用了IAR的EW430，运用C430编写了基于模块化思想的超声波发射程序、超声波接收程序、显示程序、按键程序、数据运算等子程序。
另外，对设计过程中发现和存在的一些现象和问题（从软、硬件两方面），分析了原因并提出了一些解决的措施和改进的办法，为研制更加完善的超声波液位计打下了基础。
第二章超声波液位计的测量原理
2.1超声波的基本特性
振动的频率在20-20000赫兹的机械波，能引起耳鼓膜振动使人听到声音，叫做声波。
频率高于20000赫兹的叫做超声波，低于20赫兹的叫做次声波。
超声波的波形有三种形式，质点振动方向与传播方向一致的波为纵波，它能在固体、液体或气体中传播。
质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，它只能在固体中传播。
质点振动介与纵波和横波之间，只能沿着固体表面传播，工业应用中主要采用纵波。
超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。
对于液体及气体，其传播速度
式2-1
式中，
――介质的密度，Ba――绝对压缩系数
在气体中，其传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中的传播速度
式2-2
在水中的传播速度可以表达为下式
式2-3
式中，t――环境温度
对于固体，其传播速度
式2-4
式中，E――固体弹性模量；
――泊松系数。
超声波在一种介质中传播时，随着传播距离的增加，由于介质吸收能量而使声压和声强按指数规律衰减。
距离声源x处的声压P和声强I为
式2-5
式2-6
式中，P0、IO――距声源X＝0处的声压和声强；
X――超声波与声源间的距离；
A――衰减系数。
衰减系数与介质密度及波的频率有很大关系。
气体密度小，衰减快，尤其在频率高时衰减更快。
因此，在空气中采用的超声波频率较低（几十kHz），而在固体、液体中则频率较高。
利用超声波的特性，可制成各种超声波传感器，广泛应用于工业生产、医疗、通讯等行业中。
2.2超声波传感器
超声波传感器是实现声电转换的装置，又称为超声波换能器或超声波探头。
超声波探头既能发射超声波信号又能接收超过声波信号。
在实际使用中以压电式超声波探头最为常见。
图2-1为其内部结构图。
图2-1压电式超声波探头结构
压电晶片多为圆板形，其厚度与超声波频率成反比。
在系统中我们采用了压电式超声传感器，工作频率1MHz。
2.3超声波液位计的测量原理
超声波测量方法有很多方法，其中应用最广泛的是脉冲回波法，它的基本原理是：
发射声波传感器由脉冲信号激励发出超声波，通过传声媒介传到被测液面，形成反射波;反射波再通过传声介质返回到接收传感器，传感器把声信号转换成电信号，由仪表计算出超声波从发射到接收所传播的时间，再根据超声波在介质中传播的速度，利用公式
式2－7
式中V是超声波的速度，T是传播时间
在实际的测量使用中，有自发自收单传感器发式和一发一收双传感器方式，由于单传感器方式在测量时，有一定的检测死区，故本文选择双传感器方式，一个发射超声波，一个接收超声波。
采用液体作为传播媒介。
超声波液位测量示意图如图2-2所示。
根据图2-2所示，可知式2-7所计算得出的距离S并非实际的液位，设传感器到液面的距离为h，S与h的关系为
式2－8
式中h为所求的液位，
为超声波与垂直面的夹角。
设超声波发射探头与接收探头之间的距离为2m，那么液位计算公式为
式2－9
在本液位计中，使用式2-9计算出液位，在计算时取m为1厘米，V为超声波在水中的速度，T为超声波在水中的传播时间。
图2-2超声波液位测量示意图
第三章系统硬件设计
3.1MSP430芯片的选择及其特点
美国德州仪器公司（TI）推出的MSP430系列超低功耗16位混合信号处理器（MixedSignalProcessor），集多种领先技术于一体，以16位RISC处理机、超低功耗、高性能模拟技术及丰富的片内外设、JTAG仿真调试定义了新一代单片机的概念，给人以耳目一新的感觉。
MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，根据其不同产品，集成了多种功能模块，包括定时器、模拟比较器、多功能串行接口（SPI/IIC/UART）、LCD驱动器、硬件乘法器、10/12位ADC、12位DAC、看门狗定时器（WDT）、I/O端口（P0～P6）、DMA控制器、2～10KB的RAM，以及丰富的中断功能。
使用户可以根据应用需求，选择最合适的MSP430系列产品来实现。
另外，大部分MSP430系列单片机采用了Flash技术，支持在线编程，并有保密熔丝。
其BOOTSTRAP技术为系统软件的升级提供了又一种方便的手段，BOOTSTRAP有32个字节的口令字，具有很高的保密性。
MSP430系列单片机均为工业级产品，性能稳定，可靠性高，可用于各种民用、工业产品。
在选择具体MSP430芯片时应考虑如下几个因素：
（1）芯片的内部资源：
MSP430系列单片机有着不同的内部资源以适应不同的设计要求，如片内RAM、ROM的容量、外部可扩张的程序和数据空间定时器的个数、总线接口、I/O接口，有无AD、DA。
（2）芯片的价格：
产品在研发时必须要考虑产品的成本，如果价格过高，则会使其应用范围收到一定的影响。
（3）芯片的功耗：
低功耗有着延长电池寿命、低电池花费、便携式应用、降低EMI简化PCB、简单的供电设备等作用。
MSP430系列单片机工作在3V电压下，在掉电工作模式下，电流仅为0.1uA。
其具有4种低功耗模式（LPM0、LPM1、LPM2、LPM3）。
（4）芯片的开发工具：
在产品的研发中，如果有开发工具的支持，将会提高开发周期。
开发工具包括硬件工具和软件工具，本液位计采用杭州利尔达公司的MSP-430-JTAG进行开发。
基于上面的因素，选择了MSP430F413，其内部有8KBflash,256BRam；slopeA/D；48个I/O口；96段LCD；16位WDT；8bit基本定时器；1个16位Timer_A（3个捕获/比较寄存器）；比较器_A等资源，其价格小于2美元，是一款性价比较高的芯片。
3.2基于MSP430F413的超声波液位计的总体设计
本系统以脉冲回波法为基本方案，采用MSP430F413作为系统的控制与运算核心，整个系统框图如图3-1所示。
超声波硬件组成说明：
MSP430硬件系统、键盘接口电路、超声波发射电路、超声波接收电路、液晶显示电路、温度测量电路。
图3-1基于MSP430的超声波液位计总体框图
软件主要由系统的初始化、超声波发射模块、超声波接收和计算模块、键盘模块、显示模块、温度测量模块。
软件设计采用了模块化的设计思想，思路清晰，调试方便。
其工作流程为：
首先给超声波液位计上电复位，通过键盘设置工作参数，MSP430给超声波发射电路提供1MHz的脉冲信号以激励超声波换能器发出超声波。
发射的同时，启动Timer_A计时。
当接收到回波后，停止计时，并调用温度测量程序，得到当前介质温度后，修正超声波速度，再根据公式（2-9）便可以得到液位的高度，重复测量10次，去掉一个最高值，去掉一个最低值，取其他八个值的平均值为测量值。
调用LCD显示程序显示测量值，并存储。
第四章系统软件设计
4.1EW430简介
IAR公司成立于1983年，为8位微处理器开发汇编编译器。
IAR公司的编译器已成为业界领先的嵌入式开发平台，广泛应用于移动电话，GPS系统、远程控制、游戏机等含有微处理器的系统的开发中，IAR公司的编译器可以支持超过30种不同的8位、16位、32位处理器。
针对MSP430的开发平台全称为IAREmbeddedWorkbenchEW430，以下简称为EW430，其功能非常强大，而且仍然在以很快的速度更新版本。
它的基本特性为：
（1）支持ANSIC并包含对EmbeddedC＋＋的支持。
（2）内建MSP430特性扩展优化。
（3）代码长度和速度有多级优化。
（4）支持32位和64位浮点数。
（5）支持硬件乘法器。
（6）内部函数支持低功耗模式。
（7）支持C和汇编语言混和编程。
EW430中包含C编译器ICC430、汇编编译器A430、调试C－SPY。
为了发挥MSP430的优点，EW430在ISO/ANSI标准C语言规范上进行了扩展，用户可以利用扩展部分编写出效率更高、功能更强的程序，并且可以大大减少开发的工作量。
但这样做的代价是降低了可移植性，因为扩展的这部分代码直接与MSP430的硬件结构相关，而其它种类的处理器的硬件结构必定与MSP430有所不同。
通常的做法是将程序分
升级会员 