电厂污水池监控装置设计.docx
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电厂污水池监控装置设计
摘要
污水池是火电厂废水处理的关键设施，其性能的好坏直接影响到废水处理系统的可靠运行与外排水指标，其控制系统的自动化监控能达到减员增效和提高管理水平的目的。
发电厂污水池腐蚀性强，在对其水位进行监控的时候，为了保证系统的可靠性，需要采用非接触式水位检测方法。
由于超声波测距与被测量物体不需要直接接触，且比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。
因而是作为水位测量的理想手段。
本题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及单片机AT89S52的特点和功能。
在理解超声波测距的基础上，设计出以单片机AT89S52为控制中心数字显示的超声波测水位硬件电路和软件设计方法。
该电路设计合理，测速便捷快速且便于控制同时也容易达到水位精度要求。
本课题主要研究内容有以下几点：
1.介绍了超声波测水位的相关技术，分析超声波监控水位的可行性，以及超声波水位监控的重难点，说明超声波水位监控系统的设计方案以及超声波的温度补偿。
2.完成以单片机为核心的系统硬件设计，包括单片机控制模块，温度补偿模块以及温度显示模块和显示电路，超声波发送电路和接受电路以及报警和自动调节电路。
3.编写软件程序，对各模块进行仿真调试并制作出了模版样机。
进行了性能测量以及分析等。
关键词：
超声波测距；单片机；液位测量；温度补偿。
Abstract
Sewagetankisakeyfacilityforwastewatertreatmentinpowerplant,theperformanceofwhichhasadirectimpactonthereliableoperationofwastewatertreatmentsystemandexternaldrainageindexTheautomaticmonitoringcontrolsystemcanachievedownsizingandimprovethelevelofmanagementobjective。
Thenoncontacttypewaterleveldetectionmethodisneededtoensurethereliabilityofthesystemandtoensurethereliabilityofthesystem。
Becausetheultrasonicdistancemeasurementandthemeasuredobjectdonotneeddirectcontact,andthemethodisconvenient,simple,easytoachievereal-timecontrol,andthemeasurementaccuracyishigher.Therefore,itisanidealmeansforthemeasurementofwaterlevel.
Itintroducestheprincipleandcharacteristicsofultrasonicsensor,andthefeaturesandfunctionsofmicrocomputerAT89S52.Onthebasisofunderstandingtheultrasonicdistancemeasurement,thedesignofthehardwarecircuitandsoftwaredesignmethodofthedigitaldisplayoftheAT89S52asthecontrolcenterisdesigned.Thedesignofthecircuitisreasonable,thespeedmeasurementisconvenientandfast,anditiseasytocontrolandcanreachtherequirementofwaterlevelaccuracy.Themainresearchcontentsofthispaperareasfollows:
1.Theintroductionoftheultrasoniclevelmeasurementtechnologyandfeasibilityanalysisofultrasonicwaterlevelmonitoring,andultrasonicwaterlevelmonitoringofpointdesignschemeoftheultrasonicwaterlevelmonitoringsystemandultrasonictemperaturecompensation.
2.Completesingle-chipmicrocomputerasthecoreofthesystemhardwaredesign,includingsingle-chipmicrocomputercontrolmodule,temperaturecompensationmoduleandthetemperaturedisplaymoduleanddisplaycircuit,ultrasonictransmittingcircuitandreceivingcircuitandanalarmandautomaticadjustingcircuit.
3.Describedsoftprogram,themoduleofthesimulationanddebugandproducedatemplate.Performancemeasurementandanalysisarecarriedout
KeyWords:
Ultrasonicdistancemeasurement;MCU;liquidlevelmeasurement;temperaturecompensation
1绪论
1.1课题目的，意义和背景
在电厂废水池中常常遇到水位监控设计问题，尤其是在火电厂废水池中，需要对废水池系统进行测量监控以及自动调节，然而由于电厂废水池具有强烈的腐蚀作用，因而传统的电极法测量水位就变得及不合理，电厂废水会强烈腐蚀放入水中的电极，使它电解因而失去灵敏性从而使得液位监控测量数据有很大的误差。
因而废水池监控系统对设备的要求就比较高。
超声波水位监控测量系统，它是利用超声波测距的一种非接触性的水位监控，能够完成对水位的监控测量而不受腐蚀性废水影响。
而且它易于发射和接收，具有良好的方向性，便于控制和调节同时测量精度也容易到达工业要求，因而具有十分强大的市场应用前景。
废水监控系统的精确测量是实现电厂正常生产工作和实时控制的重要保证，也是实现安全生产的必不可缺的重要环节。
对于火电厂废水池这些具有高温，有毒，具有强烈腐蚀性的液位监控系统而言，传统的液位监控系统就显得很大程度上不够用了。
因而，利用超声波实现非接触性监控就变十分的可取和理所当然了。
1.2电厂液体测量监控系统发展历史以及现状
液体测量监控系统广泛应用于化工，电厂，气象等部门。
实现无接触监控智能化测量是目前液位测量的主要的发展趋势。
随着电力电子技术，传感器技术以及计算机技术等技术的快速发展，近年来液位测量获得了前所未有的发展，以适应各种各样越来越高的液位监控应用要求。
目前而言，我国已有的液位测量监控主要可以分为以下两种：
一种是接触性监控测量，它就必须要求测量元件和测量对象直接接触，比如传统的：
人工检尺法，伺服式液位计以及电容式测检方法等等。
他们的共同点是都必须要拥有可与被测的那个对象接触的元件测量部分。
但是同时由于长时间的接触难免会产生磨损和腐蚀或则是电分解，因而在生活中就显得不是十分实用，除此外，接触性的杆式监控系统会占用很大的空间，且不方便检修。
因而，我们一般不采用它。
另外一种则是像超声波监控系统，雷达监控系统，射线监控系统以及激光监控测量系统等这样的非接触性装置。
它们的测量元件不需要和被测对象接触，因而不易收到测量对象的影响同时也不影响被测对象。
因而其使用范围广泛，经常被用于接触性监控专职无法满足的场合，如有毒，腐蚀性强，易电解等等之类的被监控对象。
目前，我国市场液位监控测量装置仪表功能各异，价格也千差百变。
不仅如此与外国产品相对之下比国外的器材显得更加安全，可靠且功能更加齐全，因而价格也更高一些。
而国内产品则功能相对不齐精度相对不高，它反映出国内液位测量监控系统的种种不足以及我们应该加大国内市场技术的大力发展。
近年来，随着计算机的快速发展，液位监控系统已经由传统的机械原理应用逐步转向机电一体化发展，并且沿着该方向快速发展。
在传统监控中也加入机电技术以及微机技术，使其功能有了很大提升，结构发生了翻天覆地的变化。
从国际形势而言，目前液位监控系统主要有两个研究热点即：
非接触性监控系统和新能源小型监控装置。
1.3电厂废水检测技术的发展方向
由于电厂废水池的污水具有强烈的腐蚀性能，因而采用非接触性测量就变得极为重要。
研究该监控系统无需对其进行直接接触的非接触性超声波监控系统就成为了废水池监控系统的发展发向。
超声波水位监控测量技术是非接触性监控系统仪器中发展最快的一种。
该技术利用超声波在空气中的传播速度以及遇到被测液面反射的原理来监控测量水位。
因而，它具有广泛的实用性，他可以根据不同的测量场合采用不同的超声导声装置来测量监控。
比如：
气体介质式；固体介质式；液体介质式等。
在火电厂废水测量监控系统中，它不受污水的任何影响同时也不影响废水。
同时，由于它是固定型监控装置，他不需要各种转动来适应测量因而也没有机械磨损，机械故障等问题，只是受温度影响，装入温度补偿模块就解决了很多问题。
故而它的可靠性和实用性就远远高于大多数接触性水位监控装置。
1.4本章小结
本章式全文的开篇概述，主要介绍了电厂废水监控现状，废水监控发展趋势以及本题目的背景意义等。
重点突出了超声波监控的优良性能。
为下文做充分铺垫。
2超声波监控系统
2..1超声波
声波即振动频率在20HZ到20000HZ之间，能够引起耳膜振动并是人能听到声音的这类机械波。
通常人们把高于20000HZ的声波叫作超声波。
把低于20HZ的声波叫做次声波。
经研究表明发现，超声波有三种不同的波形形式，他们各有其特点和性能。
人们把能在固体，液体，气体介质中传播且他的质点振动方向和传播方向一致的声波叫做纵波；把只能在固体中传播且质点振动方向与传播方向垂直的声波叫做横波。
质点振动介于横波与纵波之间，只能沿介质表面传播，电厂废水池监控系统采用纵波方式为主要方式。
2.2超声波传感器
2.2.1超声波发生器
为了研究超声波，经过长时间的积累和尝试，人们已经制作和设计了很多各式各样的超声波发生器。
然而从总体上讲，超声波发生器可以明确的分为两大类：
一类是用电气方式产生超声波的超声波发生器，比如：
压型式电气，电动性电气；等一类是用机械方式产生超声波的超声波发生器比如：
加尔统迪，液哨和气旋笛等。
由于他们的声波产生方式不同，从而导致它们的超声波的功率，声波特点都显得很不相同，故而用途也千差百异。
由于本系统的要求，因而我选择采用的是压电式超声波发生器。
2.2.2压电式超声波发生器原理：
我们都知道压电效应有两种模式即：
压电效应的顺效应和逆效应两种，由于超声波床甘其食可逆元件也就是说它可以利用压电逆效应原理来作为压电式超声波发生器的原理。
所谓的压变效应就是当元器件受到压力的情况下，元器件就会发生形变也叫做应变。
如下图（2-1）中。
在压元件上加上电压，元件就会自动发生形变，这就是我们所说的应变。
而在图b中这样显示的图表示：
由于陶瓷压电元件已经经过了极化，由于外部外加电压与正电荷的极性完全相反，因而由于同性相排斥，异性相互吸引的原因，外部电压与内部电相互作用产生力的作用，陶瓷的厚度就会被动向上的方向生长。
同理可知，如果我们加入极性与内部陶瓷极性相反的电压，他们就会由于异电荷相互吸引而使得压电陶瓷如图c那样在长度方向上变短，而不是增长。
图2-1压电逆反效应图
2..3超声波监控系统的水位测量原理:
现实中，我们通用采用的的超声波水位测量系统都是回波测量法。
即根据声波发送和接收的时间差再根据超声波速度的大小来确立测量的水位高度或则距离。
但由于在不同的情况下我们采用不同的传播介质。
因而也把超声波水位测量分为气介式和液介式两种测量技术。
以下我们分别介绍以下两种不同的测量方法：
2.3.1液体介质式超声波水位监控测量
我们生活中把以液体为超声波为传播介质的超声波测量叫做液体介质式超声波水位测量。
它是利用把超声波传感器安装在液体的底面然后声波从水下向水面传播的方式，然后声波达到水面并反射回传感器的过程，假设干过程一共花的时间为T1,，超声波的传播速度为V,我们就可以根据声波速度时间测量计算出水位高度即水位深度并显示出来。
然而由于液体介质式超声波传感器需要安装在水底，水位难免会引起传感器的氧化或则腐蚀，因而对它的防腐性和防水性要求很高，即制作材料要求高，因而价格难免会很贵。
同时，由于水底一般都有泥沙和其他的物质等杂质，他们会影响超声波的传播，会对测量结果产生很大的误差影响。
不仅如此，当我们需要测量水位较高的地理位置时，他就需要很大的功率发生器，否则无法到达要求。
除这些以外，我们把发生装置放在水位底面不方便我们的检修和安装，这样就需要花费我们大量精力和资金来运行和维护，因而，我们通常不采用液介式超声波装置。
除非在某些特定场合不采用以外。
2.3.2气介式超声波水位监控测量
采用空气声学回声计时测量液位距离即以空气为传播介质的超声波传播的方式我门叫做气介式超声波液位测量技术。
它采用的是通过超声波在空气中传播的发射接受时间差来计算液位高度的方式。
它的结构简单，只需要人们把它安装在对应的位置，由于一直在空气中传播所需要的功率也不大，且不需要经常移动也就是说不存在物理磨损，且他在生活中价格也不贵，实惠又方便。
但是，它也有它的局限性，它只能测量出超声波传感器到液面位置的高度，即采用的是间接测量出水位高度，如此，我们就必须知道被测量到超声波传感器的实际距离。
只有确立了实际距离才能测出液位高度。
但是由于生活中或则工业中一般的容器用途，人们都知道它的本身高度，因而，在大部分情况下测量液位气介式超声波是很实用的。
因而根据本系统要求，我采用气介式超声波系统，它不仅装修简便维修方便，而且可以用于不同的距离切换液位测量。
2.3.3气介式超声波水位测量监控器的原理
超声波有很多种测距的方法，比如我们常用的声波幅度值检测法，相位测量法，往返时间测量法等等。
他们各有各的特点和优势。
一般而言，相位测量发的精确度较高，但是容易送到反射波影响因而测量范围较小。
声波幅值测量法呢，结构简便，价格便宜，但是精确度就显得有些太低了。
所以我们经常采用回波检测法，我们通过测量超声波传感器的声波发射端和接收端的声波接收器的时间差来实现距离的测量，这种方法也被人们成为渡越世间法。
这类方法简便而又比较精确，因而被广泛应用于声学测距中。
它的方法时通过超声波发射端发射一个或则一组超声波，从发射时开始计时，知道超声波遇到阻碍物体自动反射回来到被接收端接收为止时停止及时，通过这样的方式得到的超声波在目标之间的传播时间t。
我们根据但下的温度，以及时间测速公式得出被测物力量的实际距离。
其原理如下：
如图2-2可知：
t=T1+T2.（2-1）
超声波的传播距离则为：
S=V.t/2（2-2）
其中S为测量所得的被测距离，V为传播速度，t为回波时间段。
图2-2超声波测距原理图
由于超声波在介质为空气的媒介中传播中所损耗的功率很少很少且具有很好的方向性能，当遇到障碍物时会自动发射回原来发射位置的特点，所以我采用以空气为介质的超声波回波原理来测量液位水位。
通过发射波和接收波的时间间隔来确立计算水位的真实高度。
即用以下图来显示和表示出气介式超声波水位测量监控器的基本原理。
2-2图表示如下：
2-3图超声波水位测量原理
根据图的表达我们可以得出，所测量出的高度h为：
h=H-S（2-3）
其中H为超声波发射器探头到器皿容器底部的距离高度，因而，一般需要测量好这个物理量，除此之外，S为超声波接收器探头到容器液面的真实距离（超声波发射探头和接收探头处于同一水平位置），这样，我们通过超声波直接测量出液面到超声波的距离。
由以上我们可以看出气介式超声波水位测量的核心是超声波测量距离，关紧却是测量出超声波测量板块到液面的实际距离。
、
2.3.4环境因素对超声波水位监控测量精度的影响
由于超声波是由于机械振动产生的，它必须借助介质以纵波的形式平行与振动面才能在介质中传播。
它这样是因为空气具有一定的压缩性和扩充的弹性模量才能在空气中传播。
所以，它极容易收到空气分子的密度，湿度，气压，成分，温度等等方面的影响。
当超声波在空气中传播时就可以对等于空气分子受到振源振动面交替振动而进行的交替压缩或扩张。
由于空气分子具有一定的恢复力，超声波的传播就是对等于气体受压迫反抗变化力作用的弹性传播。
比起其他的环境因素，气体温度是对超声波传播影响最为明显的最关紧因素。
它对超声波传播速度具有一定的直接影响形式，如：
超声波在空气中的传播速度和当前温度的数字关系式如下：
（2-4）
Y：
气体电压热容比上定容热容的值，空气的相对数是1.40.
R:
气体普适常量即为8.31kg·mol–1·k–1
M:
气体分子量，28.8*10kg·mol–1为空气的分子量
根据以上公式可推出任意温度下的超声波传播速度，例如，在温度为50摄氏度时，即T=323K，这时候超声波传播速度为：
344.1m/s（2-5）
一般超声波的传播速度受介质的影响因而在不同类型介质中传播速度也不同。
但是总的表现可以归纳为：
超声波在液体介质传播速度第二快；固体介质中传播速度最快；在气体介质中传播最慢，且大大程度上受温度的影响，具体的数字化公式表示如下：
（2-6）
C0:
在温度为0摄氏度时超声波在空气中的传播速度由公式（2-5）可计算出速度为331m/s.
工业测量一般采用以下公式：
CT=331+0.6T（2-7）
由以上公式可推出超声波随温度的变化如下图所示，当温度从从0摄氏度升高到40摄氏度变化时，它的传播速度增加了将近8%的变化，也就是说超声波在普通温度变化的情况下在空气中传播速度会产生8%的测量误差。
因而，系统运行时，必须根据当前温度来进行设计修正电路即补偿电路是必要的，这样能大大提升它的精确度。
图2-4空气中声速随温度变化曲线图
2.4供电单位以及自动调节系统
由系统设计要求我们可以知道，本系统的控制系统电源电压为220VAC,50HZ的电源电压，即我们采用直接从线路节出的方式就可以了。
由于样机的控制电压为5V和12V的水自动调节模式，因而我们需要自行设计出供单片机系统正常工作的电压。
并且同时要和蜂鸣器一起控制的自调节水库。
2.5总体方案设计
根据单片机系统功能的要求，我确立了这个液位监控测量系统由五个部分组成即他们分别是：
单片机主控模块；温度显示测量模块；超声波发送接收模块；供电电源模块；以及自动调节模块和显示模块五部分。
该系统主控芯片为AT89S52单片机。
它是51单片机系列里工作稳定且日常经常用到的单片机系控制芯片。
单片机输出端直接控制驱动超声波发送为超声波发射电路。
同时接收电路是由三极管组成的放大电路。
他的特点是简便易懂且方便调试。
因而，我设计了以下整体系统方案，如图所示：
图2-5总体方案设计图
系统单片机产生一定频率的方波进过超声波电路中的放大电路发射到超声波传感器，他把方波信号转化为超声波的参数模式信号并同时开始计时，避过第一个盲区后监测到的第一个超声波回波脉冲的时候计数器开始停止计数这样我们就可以得到发射时间和接受时间的间隔T。
并且同时测温模块开始工作它将现场温度快速采集并发送到单片机AT89S52系统，然后经过温度补偿模块进行补偿修正。
然后根据超声波测位原理得出被测量的实际高度。
并且最终通过显示器把水位显示出来。
并判断是否自控模式或报警。
2.6本章小结
本章节着重对超声波发生器和超声波水位测量远离的基础理论的充分解释，同时引入超声波补偿系统和自动控制系统，并且给出了温度对声波传输的直接影响，然后提出系统的设计方案。
为下文的硬件部分作出铺垫。
3.设计系统硬件部分
一个监控系统是否合理关紧在于它的性能是否足够良好，硬件设计是否足够精准合理，否则任何一点都将会直接影响到整个系统的可实现性能以及稳定性。
因而，我们说硬件设计板块是整个监控测量系统的基础。
只有在做好硬件电路设计的基础上，我们才能采用最好的和最优的程序来实现硬件功能，否则，再好的软件程序也是不起什么作用的。
在这一章节中，我将对该系统各个硬件模块设计进行解释说明，包括硬件控制核心单片机，超声波传感器，显示模块，温度补偿模块，供电模块以及自动调节报警模块。
3.1单片机系统
3.1.1单片机系统简介
单片机，人们通常也叫做单片微型计算机。
由于它在控制领域特别适合利用，因而我们也把它叫做微控制器。
一般而言，单片机都是由单块的集成芯片汇集而成，它的内部一般都包含有计算机的基本部件例如CPU,存储器以及出入接口等等电路。
因而，它是一个特别适合与其他外部设备或则软件结合起来而成为一个小型的单片机控制系统。
下面我们将以图片的形式简介一下单片机内部构造图。
如下：
图3-1单片机内部结构图
3.1.2单片机的嵌入式系统简介
单片机是一个面向控制对象的单芯片形态的嵌入式微型计算机系统。
它的发展和出现加大了计算机的发展，他让计算机技术才更加上升了一个台阶，即由通用型数据领域直接如智能控制的领域。
这样一来，计算机技术就在这两个领域之间（嵌入式系统和通用型系统之间）快速发展，并且同时大大的影响着我们的生活。
就目前而言，作为当前最热门的IT应用以及当前最具有发展前途的单片机嵌入式系统。
它在传统的实用更加加快了传统电子的发展，使它由传统电子向智能化自动化更加接近，让它更具有现在科学的生命气息的智能元件。
单片机在生活中都扮演着嵌入式系统的核心角色，尽管单片机常用于生活中而嵌入式系统几乎只应用于对时时响应有着较高要求的设备中。
单片机的实用能够让电子的智能化系统出现不可思议的效果，且一般升级无需任何的硬件更改，只需要设备的软件系统相应提升就能够达到。
现实生活中，嵌入式系统的应用随处可见，它在我们的国防，日常生活中等都具有不可或缺的作用。
3.1.3单片机AT89S52
AT89S52是一种片内含有4K字节的可编程只读程序存储器的高性能单片机。
由于它的器件密度高，非易失性存储且兼容8051指令和引脚。
它的性价比很高，适合于很多场合。
3.1.2晶振电路
由于AT89S52执行程序通常都需要有一个工作频率，该系统中我们的这个工作频率由单片机内部时钟电路和外部晶振电路组成。
单片机工作频率的大小由于是受晶振电路中晶振的大小决定的，因而晶振越大单片机执行程序越快。
再加上该电路是外接晶振，所以AT89S52的XTAL1和XTAL2引脚需要对地接一个10pF~30pF的电容。
晶振电路如图3-3示。
图3-3AT89S52外部晶振电路
AT89S52支持最大24MHz的外部晶振，本设计中选用12MHz的即可满足系统要求。
两个对地电容C3、C4选择22pF。
实际应用时
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