手持式油位计

　　0　引言

　　小型加油站、油库等业主对油位计的价格敏感,要求油位计携带方便、操作方便,要求有一定测量精度。为此研制了手持式油位计。其具体的技术参数要求如下:测量方式为非接触测量;测量范围<5 m;测量误差<1 cm;测量温度为0~85℃;测量环境压强为1个标准大气压;供电方式为干电池供电;油位计尺寸为15 cm×5 cm×3 cm.

　　1　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油位的传感器件,单片机作为主控器件。油位计的结构框图如图1所示。

　　1·1　超声波测距原理

　　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[1]。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,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:

　　由于声波在空气中的传播速度v已知,因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,则被测油位为

　　1·2　超声波发射部分

　　在以前设计的超声波液位计中[2],由于超声波的发射换能器直接与单片机系统相连,发射超声波时对系统的干扰较大,有可能使系统工作不正常,为此加入高速光电耦合器6N137对单片机产生的40 kHz超声波进行耦合,将发射部分与单片机系统隔离。实践证明采用此措施后,超声波的发射对系统没有任何影响。

　　发射驱动电路采用具有极小输出电阻的场效应管IRF840,使发射的40 kHz超声波的驱动能力及波形得到极大改善。

　　1·3　超声波接收部分

　　超声波接收换能器接收到超声波之后,先送到由运算放大器组成的信号放大电路进行放大,放大后的信号送到音频锁相环解码器LM567构成的超声波检测电路进行检测[3]。LM567　为8引脚芯片,也可作为低价位的超声波检测器。当检测到超声波时其引脚8输出低电平(未检测到时为高电平),送单片机以产生中断请示信号,表示单片机发射的超声波已被检测到。其电路连接如图2所示

　　1·4　声波温度补偿部分

　　超声波的波速与测量环境温度有密切的联系:

　　测量时需要先测出环境温度,以对声速进行补偿。该油位计采用了单总线数字温度传感器DS18B20[4]检测环境温度。DS18B20的输入和输出均为数字信号,且以串行方式与外部连接,因此可以很容易地集成到应用系统中,测试检测电路如图3所示。