基于AT89C52的智能超声波液位测量仪的设计

　　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。