基于89C51的超声波液面仪

　　0 引言

　　超声波是指频率范围在20 kHz以上的声波。超声波的用途极为广泛,应用领域包括物理、化学、工程技术以及医疗诊断等。声呐技术是超声波最成功的应用领域之一。迄今仍然是主要的水下探测和海洋勘探设备。在工程技术领域,由于超声检测手段灵敏度和精度较高、费用低廉等特点,被广泛用于测距和无损探伤等。本文将介绍我们已研制完成的超声波测距仪的原理、系统构成和功能、及其软硬件设计思路。

　　1 测量原理

　　超声波测量液面高度的原理如图1所示。设声速为c,则

　　式中,c0=331.6m/s,是温度为0e时的声速;T为容器中的温度。设探测超声波从发射换能器A至液面再返回接收换能器B所用时间为t,则测量孔至液面高度h=ct/2 ,待测液面高度为

　　当温度对声速的影响可以忽略时,液面高度H的测量可以归结为超声波往返时间t的测量。利用89C51的内部定时器,可以高精度地测量这个时间值。具体做法是设计一个测高信号产生电路,当A发出一个超声波脉冲时,测高信号的幅度电平变高,当B接收到超声波的回波时,此信号的幅度电平变低。把这个测高信号接到89C51的外中断引脚,控制内部定时的启停。定时器的读数为N,单片机的晶振频率为fosc,则超声波往返时间t

　　2 系统的构成和功能简介

　　超声波液面仪的系统构成如图2所示。发射电路利用2个振荡电路和1个门控电路,产生40kHz的脉冲,该脉冲的宽度约100Ls,脉冲间隔从100 ms至2 s.探头接收到的回波经过场效应管放大和三级滤波后,得到其中的反射脉冲,这个脉冲与发射脉冲一起,在c点产生测高信号并送入单片机进行数据的处理和显示。

　　3 数据处理和显示

　　由于各种因素干扰,89C51内部定时器的读数N波动较大,带来的测量误差有时超过1cm.为了减少测量误差,我们在单片机的程序中使用了如下简单有效的滤波方法。

　　设每次测量10次,这10次的测量结果存放在单片机内部RAM中,记为M0,M1......M9.然后采用排序算法将这10个数递增(或递减)排序,记为N0>N1>,>N9.舍弃首尾的最大值N9和最小值N0,余下的8个测量值求算术平均,得

　　式中的除法运算在单片机中可以通过对8个数的求和结果右移3位实现。

　　为降低功耗和设计简便,数据的显示采用液晶显示模块LCM.单片机将二进制运算结果转换成BCD码,然后将BCD码转换成ASCII码送LCM直接显示。整个的数据处理和显示电路如图3.

　　4 实验结果

　　4.1 试验条件

　　室温,探头电缆长度1.5m,试验台距离地面高度83.3cm(用卷尺测量)。