基于单片机的超声波液位测量系统的设计.docx

1、基于单片机的超声波液位测量系统的设计1 绪论 课题背景及研究意义液位测量普遍应用于石油、化工、气象等部门，实现无接触、智能化测量是当前液位测量的进展方向。随着工业、建筑业、农业、军事等领域的不断进展，运算机、微电子、传感器等高新技术的应用与研究，传统的液位测量方式在很多场合已无法知足人们的需求，由此很多先进的测量工具应运而生。依照顾用适应将这些测量工具分为接触式和非接触式两大类。接触式液位测量要紧有：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式液位计等。它们一起的特点是感应元件与被测液体接触，因此存在必然的磨损且容易被液体粘住或侵蚀。非接触式液位测量显现了微波雷达液位计、射

2、线液位计、激光液位计及超声波液位计等。它们一起的特点是感应元件与被测液体不接触，测量仪器不受被测介质的阻碍，这就大大解决了在粉尘多情形下，给人类引发的躯体接触损害，侵蚀性质的液体对测量仪器的侵蚀，触点接触不良造成的误测情形。但前几种方式由于技术难度大，本钱高，一样用于军事工业，而超声波液位计由于其技术难度相对较低，且本钱低廉，适用于民用推行。 液位计的现状 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式液位计。（1）人工检尺法：利用浸入式刻度钢尺测量液位，取样测量液体温度和密度，通过计算取得液体的体积和重量，这是迄今为止仍然在全世界范围内普遍

3、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种。人工检尺法一样精度为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，但需要检测人员动手测量，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。（2）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(410)mm，误差较大。浮子式液位测量装置具有

4、结构简单、价钱廉价等优势，可是浮子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，容易造成系统的机械磨损，因此增加了系统保护开销。浮子测量装置的适用范围为非侵蚀性液体的测量。（3）伺服式液位计：伺服式液位计与浮子式液位测量装置相较，提高了测量精度和靠得住性。它采纳波动积分电路，排除抖动，延长了利用寿命。现代伺服式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。（4）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

5、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。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。（5）磁致伸缩式液位计：磁致伸缩式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

6、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下移动，容易被卡死，从而阻碍液位的正确测量。 非接触型液位仪表非接触型液位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。（1）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；能够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

7、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比较方便。超声波测位技术适用于气体、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。（2）雷达液位计：雷达液位计发明于20世纪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液面以上，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，将两种信号混合处置，所得信号的差频正比于发射器到液面之间的距离，雷达液位测量专门适用于高粘度或高污染的产品。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。（3）射线液

8、位计：核辐射放出的射线(如射线等)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液面以上，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，专门适用于传统液位测量仪表不能解决的测量问题。(4)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距离。激光的光束很

9、窄，在液位测量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，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。 超声波液位测量系统的进展前景超声波液位测量系统是利用超声波的特性研制而成的。科学技术的快速进展，超声波液位测量系统的应用将愈来愈广。但就目前技术水平来讲，人们能够具体利用的液位测量技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃进展而又有无穷前景的技术及产业领域。展望以后，超声波液位测量作为一种新型的超级重要有效的工具在各方面都将有专门大的进展空间，它将朝

10、着加倍高定位、高精度的方向进展，以知足日趋进展的社会需求。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。 本课题的主要内容本文开发的超声波液位测量系统，带有高集成微处置器。系统可从电池或市电中取电，以知足非接触液位检测的需要，通过串口通信实现远程操纵。本课题的研究以超声波换能元件为基础，采纳AT89C52处置器，用汇编语言进行开发。要紧内容包括：(1)超声波发射、接收电路设计；(2)电源电路设计；(3)数码管显示电路设计：(4)报警电路设计；(5)远程操纵电路设计；(6)基于模块化的系统软件开发。2 超声波测距的大体原理 声波的介绍 声波的概念和分类超声波是声波大伙儿族中的一员。声波是物体机

11、械振动状态(或能量)的传播形式，能在气体、液体和固体中传播。所谓振动是指物质的质点在其平稳位置周围进行的来回运动(譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动)，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播。依照振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。(1)次声波：振动频率低于16Hz的机械波。(2)声波：振动频率在162Hz之间的机械波，在那个频率范围内能为人耳所闻。(3)超声波：高于2Hz的机械波。由于频率高于人的听觉上限(约为2Hz)，因这人在自然环境下无法听到和感受到这种声波。(4)微波：频率在33Hz之间的机械波。 声学基础知识(1)声压与声强介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强

12、之差称为声压P。随着介质中各点振动的周期性转变，声压也在作周期性转变，声压的单位是Pa。 （2-1）式中：传声介质的密度声速介质中质点的振幅质点振动速度角频率相位角声强又称为声波的能流密度，即单位时刻内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量。声强是一个矢量，它的方向确实是能量传播的方向，声强的单位是W/。 （2-2）式中：传声介质的密度声速压力声压与声强代表了超声波所能携带的能量大小，是在超声检测技术中衡量超声波所能传播并能足够引发传感器响应范围的指标。(2)物质的声学特性声速：声波在介质中的传播速度取决于介质的密度和弹性性质。除水之外，大部份液体中的声速随温度的升高而减小，而水中的声速那

13、么随温度的升高而增加，流体中的声速随压力的增加而增加。声阻抗特性：声阻抗特性能直接表征介质的声学性质，其有效值等于传声介质的密度与声速之积。记作： (2-3)式中：声阻抗特性传声介质的密度声速声波在两种介质的界面上反射能量与透射能量的转变，取决于这两种介质的声阻抗特性。两种介质的声阻抗特性差愈大，那么反射波的强度愈大。例如，气体与金属材料的声阻抗特性之比接近于l：80000，因此当声波垂直入射到空气与金属的界面上时，几乎是百分之百地被反射。温度的转变对声阻抗特性值有显著的阻碍，实际中应予以注意。(3)声的吸收：传声介质对声波的吸收是声衰减的要紧缘故之一。固体介质的结构情形对声波在其中的吸收有专

14、门大的阻碍。例如，均匀介质对超声波的吸收并非显著，而当介质结构不均匀时，声吸收情形将发生明显转变。 超声波的介绍超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。 超声波波形由于超声波在介质中施力方向与超声波在介质中传播方向的不同，超声波的波形也不同，通常有以下几种：纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波，纵波能在固体，液体和气体中传播。横波：质点振动方向与波的传播方向相垂直的波称为横波，横波只能在固体中传播。表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形，其长轴垂直于传播方向，短轴

15、平行于传播方向。表面波只在固体的表面传播。板波：在板状介质中传播的弹性波叫板波，其类型也很多，要紧的一种叫兰姆波。兰姆波既包括横波也包括纵波，且横波老是与板的表面垂直，依照两表面质点的振动是不是对称于板的中部还能够分为对称型和不对称型。本文开发的超声波液位传感器，利用的是超声波的纵波。 超声波的物理性质(1)束射特性：由于超声波的波长短，超声波射线能够和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的定律，即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，也确实是要改变它的传播方向，两种物质的密度不同愈大，那么折射角也愈大。超

16、声波在反射、折射进程中，其能量及波形都将发生转变。(2)吸收特性：超声波在各类物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因为物质要吸收它的能量。关于同一物质，超声波的频率越高，吸收越强。关于一个频率必然的超声波，在气体中传播时吸收最厉害，在液体中传播时吸收比较弱，在固体中传播时吸收最小。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量慢慢衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射(或漫射)及吸收。扩散衰减是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱。散射衰减是由于介质不均匀性产生的能量损失。超声波被介质吸收后，将声能直接转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。(3)超声

17、波的能量传递特性：超声波之因此在各个工业部门中有普遍的应用，要紧在于超声波比声波具有壮大得多的功率。当声波抵达某一物质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随着振动，振动的频率和声波频率一样，分子振动的频率决定了分子振动的速度，频率愈高速度愈大。物质分子由于振动所取得的能量除与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决定的，因此若是声波的频率愈高，也确实是物质分子愈能取得更高的能量。超声波的频率比声波能够高很多，因此它能够使物质分子取得专门大的能量，换句话说，超声波本身能够供给物质足够大的功率。(4)超声波的声压特性：当超声波通过某物体时，由于超声波振动使物质分子产生紧缩和稀疏的作用，将使物质

18、所受的压力产生转变。由于超声波振动引发附加压力现象叫声压作用。 超声波测量的特点(1)超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，且可传播足够远的距离。传播的速度与传播介质的密度有关。本文是利用纵向超声波在空气中的传播，来达到测量液位的目的。超声波的纵波声速计算如公式(2-4)所示： (2-4)式中：声速密度热容比静态压力(2)振幅很小、加速度超级大，能够传递较大的能量。(3)在两种不同的媒质界面上超声波的大部份能量会被释放。(4)超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。(5)频率较高、波长较短，能够像光线那样沿着必然方向传播，其传播的能量较为集中，频率越高，指向

19、性越强。利用超声波的这些特性，能够设计发射和接收器件，很容易地实现直线距离的测量，进而可间接地测得流量，其抗干扰性能也比较强。 超声波测量系统以超声波为检测手腕，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收到的超声波转换成电量输入到单片机，依照发射和接收的时刻差来计算距离，并将测量结果输出显示。产生超声波和接收超声波的装置称为超声波换能器或超声波探头。本系统采纳压电式超声波传感器。 压电式超声波传感器结构压电式超声波传感器要紧由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部份组成。压电式超声波发生器事实上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如下图，将两个压电元件粘合在一

20、路，称为双压电晶片(由一个压电元件组成的称单压电晶片)，那个地址介绍的超声波发生器有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，若是两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。在实际应用中，压电式超声波传感器的发射器和接收器合成为一体。由一个压电元件作为“发射”和“接收”兼用，其工作原理为：将脉冲交流电压加在压电元件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号输出。因此，

21、压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器。图 超声波发生器内部结构 超声波传感器分类超声波传感器大致可分为如下几种类型。(1)通用型：超声波传感器频带宽一样可达数千赫，并有对频率的选择性。通用型超声波传感器频带窄，但灵敏度高，抗干扰性强。在多通道，且通道间频率较近的应用中最好采纳窄频带型的超声波传感器。通用型超声波传感器一样别离各有接收传感器和发送传感器。因最大接收灵敏度和最大发送灵敏度的频率别离为和，假设用一个传感器必然捐躯其一。(2)宽频带型：宽频带超声波传感器能在工作频率内有两个共振点，因此加宽了频带。该传感器兼作发送和接收传感器。(3)封锁型：适用于室外环境的封锁型超声波传感器有较好

22、的耐风雨性能，可用于汽车后面的检测装置上。(4)高频型：这种超声波传感器的中心频率高达200kHz，既可作接收也可作发送用，而且方向性相当强，可进行高分辨率的测量。由于超声波传感器是一种采纳压电效应的传感器，经常使用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时有相当的衰减，衰减程度与频率的高低成正比，而频率高那么分辨率也高，故在短距离(小于lm)测量时应选择频率高(100KHz以上) 的传感器，而长距离测量时要选择低频率的传感器。本系统采纳的40KHz的传感器。 超声波的测距原理在超声波测距电路中，发射端输出一系列脉冲方波信号，脉冲宽度为发射超声波的时刻距离，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉

23、冲个数与被测距离成正比。超声波测距大致有以下两种方式：(1)取输出脉冲的平均值电压，该电压(其幅值大体固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离。(2)超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰着障碍物就当即被反射回来，超声波接收器收到反射波就当即停止计时，原理如下图。超声波在空气中的传播速度为C，依照计时器记录的时刻t，就能够够计算动身射点距障碍物的距离L，即： (2-5)图 超声波测距原理在空气中，常温下超声波的传播速度是340米秒，但其传播速度C易受空气中温度、湿度、压强等因素的阻碍，其中受温度的阻碍较大，如温度每升高1，声速增加约0607米秒。因此

24、在测距精度要求很高的情形下，应通过温度补偿的方式对传播速度加以校正。已知现场环境温度T时，超声波传播速度C的计算可近似如公式(2-6)所示： (2-6)由上式可知：当温度T一按时，超声波的速度即定，只要记录从发射到接收的时刻t，利用即可求出被测距离。故本文测量电路采纳第二种方案。 超声波测距误差分析 (1)发射接收时刻对测量精度的阻碍分析采纳压电超声波传感器，脉冲发射由单片机操纵，发射频率40KHz，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时刻关于一样要求的精度是靠得住的。关于接收到的回波，超声波在空气介质的传播进程中会有专门大的衰减，其衰减遵循指数规律。设测量设备基准面距被测物距离为

25、h，那么空气中传播的超声波波动方程为： （2-7）式中：超声波传感器初始振幅衰减系数超声波传播距离角频率波数其中 （2-8）式中：空气介质常数，；超声波频率。超声波的波长公式： （2-9）式中：波长声速频率由公式(2-8)能够算出，当时，；时，它的物理意义是：在长度上平面声波的振幅衰减为原先的a分之一。由此能够看出，超声波在传播进程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于提精湛声波的指向性。假设用频率较小的超声波，尽管衰减小，传播远，但脉冲的波长较长，阻碍测量精度，当时，波长为；当时，波长为，显然仪器的精度就会降低一倍。因此在设计超声波液位测量系统时，综合各方面因素，选用的超

26、声波。经以上分析，超声波回波的幅值在传播进程中衰减专门大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判定捕捉到的第一个回波准确的接收时刻，必需对收到的信号进行足够的放大，不然不正确的判定回波时刻，会对超声波测量精度产生阻碍。(2)本地声速对测量精度的阻碍分析本地声速对超声波测距精度的阻碍远远要比收发时刻的阻碍严峻。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成份的阻碍，即： (2-10)式中：气体定压热容与定容热容的比值，对空气为一般常量气体温度气体分子量，空气为 由式(2-10)可知，在空气中，本地声速只决定于气体的温度，因此取得准确的本地气温能够有效的提精湛声波测距时的测量精度。工程上经

27、常使用的由气温估算本地声速的公式如公式(2-6)所示。公式(2-6)一样能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情形下，温度每上升或下降l，声速将增加或减少0.607ms ，那个阻碍关于较高精度的测量是相当严峻的。因此提精湛声波测量精度的重中之重确实是取得准确的本地声速。 盲区问题一样超声波设备都存在有盲区，这对测量是无害的，可是在某些场合，例如倒车雷达设备，盲区太大会直接阻碍到设备的正常工作和车辆平安，因此尽可能减小盲区也是扩大测量范围提高测量精度的一个关键课题。盲区的产生是由于余波干扰造成的。余波的产生主若是由于压电式传感器存在振荡惯性，和电路板上器件随通过电路板传播的超声波产生的机械振荡形

28、成新的共振点造成的。由于测量时超声波发射探头和接收探头距离较近(测量的需要)，当发射探头发射超声波时，接收探头可能直接接收发出的超声波，这部份信号直接加到回波中，从而干扰回波信号的检测。因此必需在超声波发射探头发射超声波后的一段时刻内不能接收回波，由这段时刻所产生的测量距离确实是盲区。减少发射脉冲数量、增加阻尼都能够有效的减少余波干扰。3 超声波液位测量系统的硬件设计本系统的硬件电路要紧由单片机系统、电源电路、超声波发送模块、超声波接收模块、LED显示模块、远程操纵模块和报警模块等组成。 硬件电路的整体设计依照设计要求并综合各方面因素，本系统采纳AT89C52单片机为主控芯片，配合各类外围电路

29、芯片来实现各个功能，系统结构如下图。AT89C52LED显示电路远程控制电路报警电路超声波发射电路超声波接收电路图 系统结构图本系统采纳动态方式实现LED数字显示，超声波发送和接收由单片机和换能器完成，且单片机的记时器记录从超声波发射到接收进程的时刻，经计算送LED显示。另外，本设计还拥有与运算机的通信功能，以知足超声波液位测量系统远程进程操纵的需要。而且当液面超出设定范围，能够报警。 AT89C52操纵系统AT89C52是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能的COMS8位单片机，片内有8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256字节的随机数据存储器。器件采纳ATMEL公司的高密度、非易失性存

30、储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处置器和Flash存储单元，功能壮大，性价比高，为许多嵌入式操纵应用提供了超级灵活而又价钱适宜的方案。AT89C52的要紧性能包括：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容；8KB字节可擦写Flash闪速存储器；1000次擦写周期；全静态操作：024MHz；三级加密程序存储器；2048位内部RAM；32个可编程I/O口线；3个16位按时器/计数器；8个中断源；可编程串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式。AT89C52的引脚示意如图所示图 AT89C52引脚AT89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处置器，采纳工业

31、标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同。要紧管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，别离接+5V电源的正负端。本设计中，AT89C52的引脚用来产生40KHZ的方波信号，通过发射电路驱动超声波换能器发出超声波；脚用来接收超声波返回产生的下降沿信号，从而引发中断。串行口通过MAX232与PC端连接，进行远程操纵。当液位超出设定范围时，单片机向发出低电平，引发报警。、别离操纵相对应的数码管，单片机最小系统电路如图所。 AT89C52时钟可由内部方式或外部方式产生，本系统采纳内部方式，如下图。AT89C52中有一个用于组成内部振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2别离是该放大器的输入端和输出端。那个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体组成并联振荡电路。在设