基于超声波测距的液位自动控制系统

　　1 引言

　　使用机械方法的容器液位控制，如浮子法、浮筒法等虽然可以简单的控制液位，但它们都利用了接触式的液位测量方法来产生控制信号，长期使用时存在液体对量具产生腐蚀等问题，故而对量具材料要求较高，并且使用受限。当然也存在一些比较先进的液位测量与液位控制系统，如光纤传感法、核辐射法和液体深度传感器等，但这些成本较高，不宜大面积推广。超声波测距原理简单;系统成本低;体积小，用其构成液位测量系统，可方便可靠地实现液位控制系统中的测距。本文介绍的就是一个成本较低，精度相对较高的基于超声波测距的液位控制系统，它能够实时测量，控制和显示液位。

　　2 超声波液位测量与温度补偿

　　系统在控制液位时，首先需要获取当前液位，然后与系统初始化时设定得液位状态做比较，以获取液位控制信号。考虑到空气中声速受温度影响比较大，所以需要对声速进行温度补偿，以减小测量误差。从性价比和使用方便程度来考虑，使用数字温度传感器DS18B20 来获取系统运行环境的温度是最佳方案。

　　2.1 超声波测距原理

　　超声波测量液位是利用回波探测的原理，即当超声波由空气介质传至另一种介质表面时，部分声波会反射回来，并且当两种介质的密度相差比较悬殊时，反射率很高。根据发射超声波和接收到回波的时间差，再结合超声波在空气中传播的速度便测得液位的深度，如图1 所示。

　　假设超声波从发射到回波的接收经历的时间为T，超声波的传输速度为V，那么可以得到液面到容器顶部的距离

　　容器的深度为H，那么液体的深度

　　声波在常温空气中的传输速度为344m/s，但系统实际工作环境温度会偏离常温，对声速有影响。温度每升高1 度，声速增加约0.6m/s，设当前温度为TM(^oC)，那么声速V(m/s)

　　如表一所示。

表一.   温度与速度的关系

　　因此需要对声速进行温度补偿。具体方法是：依照(3)式计算出不同温度下的声波速度，单片机将据此进行距离测量。温度测量采用DS18B20 数字温度传感器，它具有测温范围大，分辨率可调，使用电压范围宽及单总线数据输入输出等特点，其±0.5 ^oC 的测温精度完全满足本系统的要求。

　　3 系统硬件架构

　　系统以AT89C51 单片机作为主控制器，还包括声速温度补偿模块，超声波液位测量模块，液体补给控制模块和键盘显示模块，硬件电路框图如图2 所示。

　　4 系统工作原理

　　4.1 基本控制过程