基于单片机的超声波液位检测系统设计

在许多工业生产系统中，需要对系统的液位或物料位进行监测，特别是对具有腐蚀性的液体液位的测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电脉冲来检测液面，电极长期浸泡在液体中，极易被腐蚀、电解、失去灵敏性，因而对测试设备的抗腐蚀性要求较高。超声波液位检测系统，利用了超声波传感技术的原理，采取一种非接触式的测量方法，能够实现对工业系统中液位或物料位的检测；而且超声波具有很好的指向性和束射特性，人耳听不见，一般不会对人体造成伤害,检测工程方便、迅速、易做到实时控制，而且测量精度又能达到工业实用的要求，所以有广泛的应用前景。所谓超声波就是指频率高于20kHz的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；它沿直线传播，当频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；它还具有强度大、方向性好等特点，为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。超声波传感器是利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制而成的传感器。超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等[1]，其中以压电式昀为常用。压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械震动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。超声波测距的原理主要是由超声波传感器的发射探头发射超声波,当超声波遇到障碍物时,会被反射,利用单片机记录超声波发射的时间和接收到回波的时间,根据当前环境下超声波的传播速度,即可通过公式S=C*[T/2](S为被测距离,C为空气中声速,T为回波时间,T=T1+T2)计算出超声波传播的距离,也就得到了障碍物离测试系统的距离。测距原理如图1所示:该系统是检测系统与被测液体之间的距离，希望系统检测时间小于0.5s情况下测量范围为0.10～3.00m，测量精度为1cm,测量时检测系统不能与被测液体直接接触，并将测试数据输出显示。综合考虑设计要求，检测系统的设计方案确定为以ATMEL公司生产的89C51作为系统的核心。系统总体框图如图2：超声波在空气中,频率越高,功率越大,精度越高,但在空气中衰减越快;相反,频率越低,功率越小,空气中衰减越慢,但误差大.综合考虑75kHz、40kHz、25kHz等几个常用超声波频率的特点,取40kHz可以较好地解决这个矛盾。为了便于超声波的发送和接收，本方案采用共振频率为40kHz的超声波探头，其发射探头选用TCT40-10F1,对应的接收探头选用TCT40-10S1。利用软件产生40KHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。超声波接收器包括超声波接收探头。信号放大电路及波形变换电路三部分。波形变换采用集成运放芯片（LM324）作为比较器对放大后的信号进行波形变换。当输入信号的电压大于基准电压时，输出为“1”；当输入信号的电压小于基准电压时，输出为“0”；这样LED就取到对输入信号进行变换的目的。本设计采用温度传感器DS18B20采集外界的温度数据进行温度补偿。DS1820的测温原理：内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时振荡器的脉冲无法通过门电路。由于现在的上位机的数据接口通常是与RS232相匹配的，且RS232接口电路已经可以满足系统的要求，所以数据传输接口模块采用MAX232芯片和DB9接头构成RS232接口电路，并通过软件的编程，实现液位测量系统与上位机之间相关数据的通信[2]。在本方案中，因为要显示的数据不是很多，所以采用LED显示，并采用MAX7219作为显示用的驱动芯片。采用LED数码管显示。其优点在于它能在低电压，小电流的条件下发光，能与CMOS，TTL电路兼容；发光响应时间短(0.1秒),高频特性好，单色性好，亮度高，体积小，抗冲击性能强等。本液位测量系统的软件设计必须充分考虑到AT89C51的硬件和软件特点，同时充分利用其内部资源包括存储器资源、功能部件等。其程序主要包括六个功能模块：主模块、超声波发射、超声波接收、距离计算模块、温度补偿模块及显示模块。各模块功能及相互之间关系如图4。主模块主要分为初始化子程序及各子程序的调度管理等部分。其工作流程是：上电后首先对系统进行初始化，紧接着调用显示子程序，显示完后判断有没有超声波被接收，若有，则停止计时并将计时值送入距离计算子程序，然后将所测距离显示1秒，昀后返回进行下一轮液位测量，若没有信号进来，则继续调用显示子程序。具体如图5所示。距离计算模块是超声波测液位系统核心模块。程序设计的关键在于得到超声波的发送与接收的时间差的获取。而时间差的获取则是通过定时器0的计数来实现的，即在发射超声波后启动该定时器计数，得到第一个回波信号停止计数。计时值为2个字节（单位：微秒）高字节存在TH0，低字节存在TL0中，则可按照式子（2－1）进行计算，即可得到被测液体与测液位仪器之间的距离，设取20时的声速，大小为344m/s则有S=Ct/2＝172T0/10000cm其中T0为计数器T0的计数值。根据当时的环境温度，查取特征温度值（声速表中昀接近温度对应的声速值）作为当前声速，然后按照式（2－1）进行距离计算[3]。其特点是可采用事先得到温度－声速二维表，将之固化到系统程序中，然后直接使用查表法得到声速值。DS18B20MAX232PC11=02=0LSB/89C51串行I/O有4种工作模式可供选择。模式0是做串行传送I/O控制而非真正的串行通信应用；模式1是经常使用的串行工作模式，传输的波特率是由计时器T1来规划的，在串行通信中，双方的波特率是相同的。模式2与模式1十分类似，不过其传送速率只有两种，分别是系统工作时波特率的1/32或1/64。模式3此模式与模式2几乎完全一样，差别在于其传输速度是可变的。本设计采用工作模式2。工作模式2可自动重新载入计时模式，其使用的计数寄存器为TL1，而TH1则是自动载入计时值的设定。其波特率的计算公式为：波特率=264122561)SMODTH××−其中：P为工作振荡频率。当波特率已知时，由上式可计算出TH1的值。根据以上的计算结果，初始化串口。初始化后进行与PC机的通信。本系统实现后对测量范围在0.10～7.00m内的液体或固体能进行有效的测量，其昀大误差小于2cm，且重复性好；可见基于单片机设计的数显超声波液位检测系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。因此，此系统不仅可用于液位检测，还可广泛应用于诸如移动机器人精确定位等各种检测系统中。[1]严洪穗、宋进、陈敏贤.超声波测距在智能机器人中的开发与应用、机电一体化，2000[2]沙占友.单片机应用技术与实例.电子工业出版社，2004[3]潘宗预,潘登.超声波测距精度的探讨.湖南大学学报，2002固任务（小一型3座、小二型7座），建成城区防洪堤9.53公里。其次，以乡镇供水、河道清淤疏浚、灌区节水改造、山地水利工程建设为重点，进一步增强农村防洪保安能力，提高农田灌排标准，改善农村水环境，改善农村生活供水条件。全县有效灌溉面积16万亩，占耕地面积的81%；旱涝保收面积13.9万亩，占耕地面积的70%；节水工程灌溉面积2.6万亩，占有效灌溉面积的13%；累计建成80个行政村供水工程，行政村通水率达80%。第三，开展水土整治，把水利工程和水土保持工程有机地结合起来，对不同地方分别明确水利建设重点，注重水利与水土保持项目的优化配置，目前已治理水土流失面积14661公顷。第四，先后完成了初级水利化县建设编制规划、城区饮用水源地安全保障规划、全县水库建设规划以及全县农田水利工程建设规划的编制，同时还完成了全县农村饮水现状调查评估报告及白玉溪观山水库以上，西洋溪、柏源溪、溪里水库以上，际下流域综合规划，促进了水资源的优化配置，合理开发、高效利用，全面节约和科学保护。在今后一个时期，屏南县要积极创造条件继续做好现有工程的除险加固，提高标准，确保工程安全，提高抗灾能力，建立一个能抗御常遭自然灾害的稳固的水利工程体系，同时，尽快上马县城第二期供水工程，增加供水量。进一步抓好灌区节水改造工作，大力推广渠道防渗、低压管灌、喷、微等节水灌溉技术，并开展“薄、域、湿、晒等非工程节水措施，促进农业高效用水迈出新步伐。还应加强城区和工业用水管理，搞好全社会的计划用水和节约用水工作，合理调配水资源，保障城区和工业发展对水的需求，要研究污水、废水资源化问题，逐步形成分质供水、一水循环多用，提高水重复利用率；要研究开发和推广新的节水型供用水器具，降低供水损耗；要广泛深入地进行节水宣传工作，提高公众和企业的节水意识。加强水土保持生态建设，构建水土保持监督、监测、普及教育、科技推广四大体系”。加强河段和地下水体的水质监测，通过水功能区划确定有关河段或排污口的监督管理。通过适当方式公布有关企业向水体排污的情况以及重要水源地的水质状况，加强社会公众监督，以引起有关方面领导的重视，加快治理污染源，提高水资源的质量和可利用量。