1 引 言
在日常生产和生活中常遇到液位的检测问题。从20世纪80年代开始,一些发达国家就借助于微电子、计算机、光纤、超声波等高科技使液位自动计量呈现出集功能、精度和现场于一体的新水平。在工程技术领域中,由于超声检测灵敏度和精度较高,且费用低廉,被广泛应用。笔者使用单片机为核心控制部分,通过测量超声波在媒质中的传播时间和温度测定实现对波速的补偿,从而计算出液位高度,实验证明该超声波液位测量仪具有显示直观、操作方便,同时可实现与上位机的数据通信等优点[1]。
2 超声波液位测量原理
超声波测量的方法很多,如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高,但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射波的影响。本系统采用超声波渡越时间检测法,其测量原理基于测量渡越时间,即测量从发射换能器发出的超声波,经目标反射后沿原路返回接收换能器所需的时间,由渡越时间和介质中的声速即可求得目标与传感器的距离。
渡越时间的检测有很多方法,如脉冲回波法、调频法、相位法、频差法等,应用最普遍的是脉冲回波法。其原理如图1所示[2]。
设声速为C,则:
式中:C0=331. 6m /s,是温度为0°C时的声速;T为容器中的温度。利用式(1),并在检出端安装温度传感器,即可进行声速的温度补偿。设探测超声波从发射换能器至液面再返回接收换能器所用时间为t,则测量处至液面高度:
待测液面高度为:
式中:D为容器高度。
3 超声波液位测量仪的工作原理及硬件组成
3.1 系统总体设计内容
本系统选用40kHz的收发分离式超声波传感器,针对其特点和控制要求确定总体方案,系统方案如图2所示。
3.2 系统工作原理
单片机发出40kHz的信号,经功率放大后从超声波发射头发射出去,同时单片机内的定时器开始定时;超声波碰到液面后反射回来被接收头接收,经放大、整形后送入单片机,单片机中断,定时器停止定时,定时器时间即为超声波从发射到接收的时间t;测温电路进行温度的采集,将数据送入单片机,计算此时的声速C;单片机根据式(3)计算出距离,显示在LED上,再由通信接口电路把所得数据送入上位机存储。当测量出的数据为超上限或超下限时,报警电路就会报警[3, 4]。
3.3 发射电路
超声波发射部电路用来对超声波换能器进行功率驱动,将由单片机产生的40kHz脉冲信号送入发射输入端,经过驱动放大达到足够功率之后,推动超声波换能器产生超声波。
本系统采用数字集成电路构成超声波发射电路,主要由CD4049-六反相缓冲器与CD4011-四2输入与非门构成,如图3所示。1片CD4011内含4个与非门,发射电路只用其中的U4A和U4B构成高频振荡电路, CD4049的U3A~U3D构成缓冲器与功率放大器,将高频振荡电路送来的信号放大后经隔直电容C7加到CD4066的2、3、9、10引脚上,由CD4066选择四路超声波发射换能器中的某一路,这时传感器的压电陶瓷元件上施加放大的高频电压,从而将电能量转换为超声波能量向空中辐射。C7是隔直电容,防止直流电压加到压电陶瓷元件上,避免其特性变坏,即绝缘电阻降低。U4B的6引脚接单片机的P2. 6口,由单片机内的程序控制enable的0、1状态通过U3A~U3D进行逻辑运算后输出不同的状态,即产生控制超声波发射换能器的方波,周期为25μs。
3.4 接收电路
接收部分主要由接收换能器和放大电路等环节组成。其中放大电路是一个放大倍数较高的二级运算放大器,其功能是将从目标处反射回来的微弱信号进行放大整形后送入计数控制电路部分。由于距离较远,声波的回波信号很小,因而转换为电信号的幅度也较小,所以设计两级运算放大来实现对信号的放大处理。
图4为超声波接收电路,电路由两级放大电路、整形电路、滤波电路和比较电路组成。此电路采用LM324的X1A与X1B构成两级运算放大器,将超声波接收换能器接收到的反射信号经CD4066选择某一路后依次通过X1A、X1B进行放大,此电路具有频率选择性,仅放大40kHz频率的信号,峰值频率为40. 8kHz,增益为5倍, X1C构成半波整流电路,对信号整形的同时可增强抗噪声的能力。接在整流电路后的是低频滤波电路,只允许40kHz频率的信号通过。滤波后的信号被送入由X1D构成的比较电路,其作用是将交流信号整形为一个方波信号。处理后的信号送入单片机的P2. 7口。
3.5 温度补偿
由式(3)知液位的高度与声速有关,而温度对声速的影响较大,若不补偿则会带来测量误差。测温电路选用常用的测温传感器AD590。AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器,在被测温度一定时,相当于一个恒流源。该器件有良好的线性和互换性,测量精度高,并具有消除电源波动的特性。即使电源在5~15V之间变化,其电流只在1μA以下作微小变化。由于AD590为电流输出元件,其温度每升高1K,电流就增加1μA。当AD590的电流通过一个10kΩ的电阻时,该电阻上的压降为10mV,即转换成10mV/K,为使此电阻精确(0. 1% ),可用一个9. 6kΩ的电阻与一个1kΩ电位器串联,然后通过调节电位器获得精确的10kΩ。图5为一个电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路,其中运算放大器U17B被接成电压跟随器形式以增加信号的输入阻抗。而运放U17A的作用是把绝对温标转换成摄氏温标,给U17A的同相输入端输入一个恒定的电压,如1. 235V,然后将此电压放大到2. 73V。这样,U17A与U17B输出端之间的电压即为转换后的摄氏温度[5, 6]。
3.6 报警电路
报警电路对液位的监控起警示作用。本系统采用声光报警电路。当所测的液位超出或低于系统设定值时,响铃亮灯提醒工作人员注意,系统采用2只发光二极管分别代表超上限和超下限,并用1只蜂鸣器来进行声音报警。报警电路的设计如图6所示。
3.7 主控电路
主控电路单片机AT89C52及其外围电路、串行通信电路、显示与键盘电路等组成。信号由单片机的P2. 6口产生;显示与键盘提供LED数码显示和3×8键盘;上位机可通过串行通信电路对单片机内测得的数据进行存储和监控。
4 软件设计
软件设计采用AT89C52编程,运用模块化程序设计思想,对不同功能的程序进行分别编程,这样不但使整个软件的
层次和结构比较清晰,并有利于软件的调试和修改。
系统模块组成如图7所示。
5 结 语
该超声波智能液位测量仪使用简单,测量结果读取方便,与传统的测量方法相比具有非接触、成本低、效率高等特点。
参考文献:
[1] 刘 亮.先进传感器及其应用[M].北京:化学工业出版社,2005.
[2] 单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用[M].北京:国防工业出版社, 1999.
[3] 草建海,路长厚,韩旭东.基于单片机的超声波液位测量系统[J].仪表技术与传感器, 2004, 1(1): 39-40.
[4] 雷建龙.基于单片机的超声波液位测量仪[J].仪表技术与传感器, 2004, 6(6): 8-10.
[5] 芮延年.传感器与检测技术[M].苏州:苏州大学出版社, 2005.
[6] 何希才,薛永毅.传感器及其应用实例[M].北京:机械工业出版社, 2004.
本文作者：张晓莉,林和荣
