基于LM567的实用型液位计的设计

　　0　引言

　　对于中小型加油站等小型油库、贮油罐的业主来说,需要随时得知贮油量,以利于保持油料进出的基本平衡。在我国,测量油位采用的诸如磁致伸缩式液位测量仪,一方面价格太高,中小企业主不愿意承担;另一方面,安装、维护、使用不方便,带来了不必要的麻烦,因此需要一种使用方便、具有一定精度的液位测量仪。为满足贮油罐业主的这种需求,本单位决定研究开发便携式超声波液位测量计。

　　1　LM567的内部结构及功能

　　LM567是一种常见的低价解码集成电路[1],其内部结构如图1a所示。LM567内部包含了两个鉴相器、放大器、电压控制振荡器VCO等单元件。其典型的应用电路如图1b所示。

　　锁相环路输出信号由电压控制振荡器VCO产生,电压控制振荡器的自由振荡频率(即无外加控制电压时的振荡频率)与脚5~脚6外接定时元件R1、C1的关系式为:f0≈(1/1.1)R1C1。选用适当的定时元件,可使LM567的振荡频率在0. 01Hz~500 kHz范围内连续变化。脚1~脚2外接滤波电容C2、C3。LM567一般作为锁相环路解码器,即当从脚3输入的信号的频率在f0附近的带宽BW范围内时信号被捕捉到,从输出脚8输出低电平(未捕捉时为高电平)。带宽BW可由式(1)计算得到:

　　式中:ui为输入信号的幅值, r/min,ui<200mV;C2为滤波电容,μF,可调节带宽。

　　实际上,由上式计算得出的并不是环路带宽BW的实际值,而是环路带宽BW与环路中心频率f0的百分比,其值再乘上100%才是锁相环路的实际捕获带宽。对输入信号的要求是ui>20mV,式(1)是ui<200mV时的近似计算公式,捕捉带宽与ui的关系如图2所示。

　　可见ui>200mV时带宽仅由f0与C2的积决定。

　　2　液位计的设计

　　2.1　设计要求

　　小型加油站、油库等业主对液位计的价格比较敏感,并且要求液位计方便携带、方便操作,同时对测量精度也有一定要求。为此研制了手持式液位计,其具体的技术参数如下:测量方式为非接触式;测量范围<5m;测量误差<1 cm;测量温度范围为0~85℃;测量环境压强为1个标准大气压;供电方式为干电池;液位计尺寸为15cm×5cm×3cm。

　　2.2　硬件设计

　　综合考虑技术参数的要求决定采用通用的40 kHz超声波换能器作为测量液位的传感器件,并用单片机作为主控器件。液位计的硬件组成如图3所示。

　　当声波从液体或固体传播到气体,或从气体传播到固体或液体时,由于两种介质的密度相差悬殊,声波几乎全部被反射[2~5]。由此,当置于容器顶部的换能器向液面发射短促的声脉冲时,经过时间t,换能器便可以接收到从液面反射回来的回波声脉冲。设换能器发射面到液面的距离为h1,声波在空气中的传播速度为ν,则存在如下关系: