超声波液位测量计的设计

2019/12/16毕业答辩PPT信息工程系自动化1081班超声波液位测量计的设计2019/12/161.1课题背景•随着第二代超声波液位测量仪的产生，物位测量达到了一个新的应用水平。第二代超声波液位测量仪采用了先进的技术并且在工业领域创立了最新的标准。超声波液位测量仪的最初设计是为净水和废水工业提供单测量点解决方案。可用于在污水泵站控制工作泵，在明渠测量中记录流量，在液位差测量中控制隔离栅，是一种在工业领域中有着广泛应用的超声波物位仪表。超声波液位测量仪具有着非常简便的程序设定模式，使用者只需在键盘上进行简便的操作，即可完成全部的功能设定。同时，它还具有程序锁定功能，使得未经授权者不能进入设定模式进行程序修改，确保了使用界面的安全性。超声波液位测量仪具有多路供电系统，系统可自动转换接受交流115V/50Hz或230V/60Hz，同时系统接受24V直流供电，可以充分保证使用的安全性和避免突发性断电对系统的影响。超声波液位测量仪可显示多种物理量，包括液位、距离、体积和百分率。每一组继电器均可独立由程序设置为正向/反向动作、保持/归零和异常信号报警。模拟信号达到全量程连续输出。2019/12/161.2本课题国内外研究现状.目前市场上的超声波液位计品种多样，大多采用温度补偿方法对超声波传播速度进行校正，以提高仪表测量精度。此方法需在系统外加一个温度测量单元，通过测量环境温度，获得实际声速；由此也引进了温度测量误差，从而限制了系统精度的进一步提高。在我国由于受到历史原因影响，液位传感器的研制开发技术比较落后，各个基础行业的资金投人不协调，以及一定时期的人才青黄不接，导致了相关配套领域发展迟缓，甚至于停滞不前，这使得我国的液位测量技术测量方法远远落后于其它发达国家。测量系统的自动化程度不高，精度可靠性、功能等多方面都不如国外同类产品。近几年来随着改革开放的不断深入，我国的经济技术水平得到了迅猛的发展。国家也加大了这方面的投入，测量技术得到了全面发展和更新，使得我国的液位测量技术发展比较迅速。我国许多科研单位及企业共同研制开发了有关液位测量方面的传感器这些产品在性能指标上、功能上都比以前有了很大程度的提高，但是与国外同类技术相比还有侍进一步的改进[7]。2019/12/161.3超声波传感器概述•1.3.1超声波•声波是物体机械振动状态的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的声波,其每秒的振动次数很高,超出了人耳听觉的上限,人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律并没有本质上的区别。与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:传播特性──超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,这一特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。2019/12/161.3.2超声波距离传感器技术的应用•超声波传感器包括三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。2019/12/161.3.4超声波传感器在测距系统中的应用•超声测距大致有以下方法:①取输出脉冲的平均值电压,该电压(其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔t,故被测距离为S=1/2vt。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。超声波测距适用于高精度的中长距离测量2019/12/161.4本课题设计的主要工作及结构安排•1）超声波发射与接收•通过查阅相关的资料，了解到在超声波测量中频率取得太低，外界的杂音干扰较多，频率取得太高，检测距离越短[9]，根据本次课题的实际情况，可采用40KHz收发分体式超声波传感器。利用软件产生40KHz的脉冲信号，鉴于单片机的输出口驱动能力较弱，应在发射电路上增加功率放大电路，从而提高测量距离，达到课题要求。从接收传感器探头传来的超声回波很微弱（几十个mV级），又存在较强的噪声，所以接收电路必须包括前置放大电路和滤波电路，从而实现对有用的信号进行放大，并抑制其他的噪声和干扰。2019/12/161.4本课题设计的主要工作及结构安排•2）提高精度的处理•由于超声波的声速与温度有关，如果要想提高精度，则应通过温度补偿的方法加以校正。由测量精度分析可知，如果能够知道当地温度，则可根据公式C=331.5+0.607T求出当地声速，从而能够获得较高的测量精度[10]。采用热敏电阻，热电偶、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。从性价比和使用方便程度来考虑，使用数字温度传感器来获取系统运行环境的温度是最佳方案。2019/12/16•3）与PC机通讯的功能•上位机和单片机的通信有串行通信或者并行通信，单片机与PC机的通信，涉及到两个方面，一方面是单片机C51程序，完成数据的收发；二是PC机的串口通信程序和界面的编制。通过查阅资料了解到，单片机与PC的通讯可以使用VB，labview，VC++，Delphi，C++Builder等软件来实现界面的显示，根据自己的学习情况与熟悉程度，可以采用C++Builder应用程序界面实现单片机与PC机通讯。•4）查阅相关数据，分析超声波液位测量仪的组成，确定超声波液位测量仪的总体方案。•5）完成超声波液位测量仪的硬件和软件设计。•6）系统组成包括：单片机最小系统、电源模块、超声波发射模块路、超声波接收模块、键盘显示模块、温度测量模块。2019/12/161.5超声波的测量原理及方案•超声波(15KHz以上)能在气体、液体、固体中传播,其传播速度及衰减量随物质的不同而不同。其传播速度(c)与物质密度(ρ)的积(ρc)称为该物质的声阻抗。在两种物质界面上,超声波的反射率取决于声阻抗,ρc大的反射率也大。超声波在空气中传播,遇到障碍物(包括水等液体,只要符合ρc较大的情况)时,就会产生明显的反射。超声波的传播具有一定的直线性,遇障碍物会产生反射。•如图一所示：设置一个超声波发射器和一个接收器(频率相同)。发射器用于发射一个超声波信号,而接收器用于接收从障碍物反射回来的超声波信号。如果使两束波的夹角θ远小于发射器和接收器与障碍物之间的距离h,那么,超声波从发射到被接收的时间t与h成正比关系,即h=c3(t/2)(1)其中c是超声波速度,在空气中约344m/s。我们可以通过测量超声波在这个过程的传播时间t来计算出物距h。2019/12/161.5超声波的测量原理及方案•在超声波测物距的原理基础上增添一些装置就可以达到测量液位的目的,构成超声波液位计。其工作原理如图2,将超声波发射、接收器安装在离液体底部高为H的位置上,设液面的高度为h′。采用超声波测距离的原理测量出液位计到液面的距离h,则液位的高度(深度)为:•h′=H-h(2)•使用适宜的电路来实现这个运算,就可以做成液位计了。•图1超声波发射示意图2019/12/161.5超声波的测量原理及方案图2液位计示意图2019/12/162系统组成及说明•超声波反射式液位计主要由发射、接收和计数/显示电路组成。整机电路方框图如图3所示:••图3液位计整机电路框图2019/12/16系统组成及说明•在图3中,发射电路是一个40KHz的多谐振荡器,与超声波发射换能器连接可以发射出一串串断续的40KHz超声波信号,发射完每一串它就向计数器送出一个脉冲,触发启动计数,假设该时刻为t0。接收电路与接收器连接,用于接收从障碍物反射回来的超声波信号,并将其转换成电信号,接收完一串完整的信号,就产生一个脉冲,设此时刻为t1,脉冲用来读取这一时刻译码器中的数据,此数据(时间差)就是超声波传播的时间t=t0-t1。译码电路负责把计数器送来的BCD码,转换成七段LED码,然后驱动LED数码管,显示出结果。计数电路中的时基电路用于产生计数器用的时钟脉冲CP,其频率决定了计数、显示数值的单位。在此基础上,增加一个减数运算的电路,将计数器计出的液面距离h作减数,使计数结果符合h′=H-h,则显示结果液面高度(液位)。2019/12/162.1发射振荡电路•发射电路超声波发射器的基本振荡电路由时基电路555和R3、W2、C10等组成,其振荡频率为:•fT=1.44/[(R3+2W2)C10]•调节W2,可使振荡频率与选定的超声波发射头的振荡频率(40KHz)相一致。•图4中555振荡器振荡与否,受控于由IC4C、IC4D组成的双稳态触发电路,而该双稳态电路的输出状态又受控于由IC4A、IC4B组成的低频振荡器和由IC1(4017)组成的8分频电路。555振荡器的振荡方波加至十进制计数器/脉冲分配器IC3的14脚作为时钟,IC3的第6脚(Q7)与它的复位端15脚相连。2019/12/16发射振荡电路•IC3在40KHz的时钟作用下,在它的相应脚上依次出现Q0—Q7高电平脉冲,至第6脚出现Q7脉冲,一路送到第15脚(RST端),使IC3复位,实现8分频;同时,另一路加至IC4D的输入端,使IC4D的输出转呈低电平,将555时基电路的复位端(第4脚)封锁,使555振荡电路停振。还有一路是作为复位/启动(RESET)信号送给计数器,启动计数。2019/12/16电路中,T1和T2等组成高增益共射极放大器,它对接收换能器收到的反射回来的超声波信号进行放大,然后送到由IC6组成的触发电路。经整形后的脉冲作为时钟加至IC7(4017)的时钟输入端(14脚)。IC7的接法与IC5相同,也为8分频电路。当接收器收完第8个脉冲信号时,IC7输出一个脉冲,使计数/显示电路中译码器原来处于封锁的状态翻转为读数状态,读取数据之后又锁定显示结果。图5接收电路2.2接收电路2019/12/16•2.3探头电路•超声波发射换能器和接受换能器合装在一起（方便使用），并与其他电路分离,用一根多芯信号线与电路板连接。电路如图7,从发射振荡电路555第3脚送来的40KHz方波信号,经一级RC低通滤波后,进行电压放大。电压放大的目的在于使发射换能器有足够的能量,提高有效测量范围。•2.4译码显示电路•LED（LightEmittingDiode）是当外加电压超过额定电压时发生击穿而发出可见光，LED的工作电压通常为2～20mA。工作压降为2V左右，使用时需加限流电阻。•显示电路采用LED数码管显示，数码管具有：低能耗、低损耗、低压，对外界环境要求低，易维护的优点，虽只能显示非常有限的符号和数码字，但可完全满足本设计。在显示部分采用LED动态显示技术，节省单片机空间，而且动态显示电流很小，单片机可以提供。2019/12/163超声波液位计的检定与校准•目前，我国尚无专门针对超声波液位计的检定规程，检定/校准工作可按照《JJG971-2002液位计检定规程》中的相关条款进行。液位计的检定周期一般不超过1年，也可根据使用环境条件、频繁程度和重要性来确定。也可根据自身条件，参照国家计量检定规程，制定企业内部相应的校准规范。2019/12/164致谢•本论文是在我的导师张丹红教授的悉心指导和帮助下完成的。张老师严谨求实的治学态度和认真踏实的工作作风给了我很