基于单片机的超声波液位测量仪

　　1　引言

　　用超声波测量液位具有下述突出的优点:检测元件可以不与被测介质接触,可测范围广;可测量低温介质的液位;换能器无可动部件,寿命长。目前国内一般使用专用集成电路(如LM1812)设计超声波测距仪,但是专用集成电路的成本很高,并且没有显示,操作很不方便。该液位测量仪由于使用了价格很低的集成锁相环路解码器LM567[1,6]及单片机,因而具有价格低、直观、使用方便的特点。

　　2　超声波测距原理

　　当声波从一种介质向另一种介质传播时,在两种密度不同、声速不同的介质的分界面上,传播方向便发生改变。即一部分被反射,一部分折射入相邻介质内。假设两种介质的密度分别为ρ1,ρ2,声波在两种介质中的传播速度分别为v1,v2,反射波的声强为IR,入射波的声强为IE,α为入射角,β为折射角,ρ1v1和ρ2v2为两种介质的声阻抗,则存在如下关系[2-3]:

　　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[3]。因此,当置于容器顶部的换能器向液面发射短促的声脉冲时(如图1),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v,则存在如下关系:

　　声波在空气中的传播速度v已知,由此可用测时间的方法确定出距离h1。设换能器发射面到容器底部的距离为h2,则被测液位H=h2-h1.

　　3　测量仪的硬件组成及工作原理

　　测量仪的硬件组成如图2所示。单片机从P1.7发出约40kHz的方波,经三极管T后从超声波发射头发出超声波,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;经过两级运放A1,A2放大后送到LM567的输入端(3脚);LM567捕捉到超声波后输出低电平(8脚未捕捉时为高电平),此负跳变引起单片机中断,定时器停止定时,定时器定时时间即为超声波从发射到接收的时间t;单片机计算出距离送LED显示。

　　4　单片机测量控制程序

　　单片机测量控制程序流程图如图3所示。其中发射子程序如下:

　　其中T1为超声波的周期,CPL P1.7,NOP指令执行时间为1个机器周期;CJNE R7,#0,HERE指令执行时间为2个机器周期[4]。因此,发射超声波的频率大约为41·7 kHz.且中断一定发生在发射过程中。数字滤波可排除偶然的干扰及其他因素造成的错误数据,采用求5次测量的中间值的方法。

　　5　测量距离的计算及误差的消除

　　测得的距离:

式中:T为定时器的计数值;Tt为机器周期,Tt=2μs.从式(4)可以看出:影响测距的2个主要因素为超声波的速度及计数值。