基于单片机的超声波液位测量系统

　　1　引言

　　超声波检测技术在工业生产和科学研究中,得到了广泛的应用。但目前的超声波物/液位测量系统存在着精度低、盲区大及测量数据不稳定等问题。针对上述缺点,设计了独特、有效的盲区消隐和接收信号处理方法,并进行温度补偿,从而提高了测量的精度和灵活性;以89C52单片机作为控制中心,研制了小型化、便携式超声波液位测量系统。

　　2　测量系统工作原理

　　2.1　系统工作框图

　　该系统工作框图如图1所示。

　　工作过程为:单片机输出同步信号,同时触发发射电路和接收电路工件。发射电路产生40 kHz的高频脉冲电压激发超声波发射探头,向容器液面发射超声波;与此同时,同步脉冲信号启动单片机内部定时器T0开始计数;液面反射的回波信号被接收探头转换为电信号,经信号处理单元后,触发单片机INT0,中断响应则停止T0工作,并读取T0计数值CNT0.若单片机的时钟频率为6 MHz,则发射和接收的时间间隔为

　　根据有关声学原理,则有:L=C·t/2

　　式中:L为液位;C为声速。

　　2.2　主控电路

　　主控电路由89C52单片机、数据存储器、人机接口及串行通信电路等组成。同步信号由单片机I/O口P1·0产生;人机接口提供液晶汉显和4×4键盘;PC机可以通过串行通信电路对多个测量系统进行分布式监控和下载测量数据。

　　2.3　发射电路

　　超声波发射电路如图2所示,P1·0为发射电路的控制端,高电平有效。4011为双输入端四与非门,电阻R2可调节发射电路的振荡频率。

　　2.4　信号处理单元

　　信号处理单元完成如图3所示的信号处理。首先将接收信号a放大为信号b,其次,对信号b进行线性包络检波输出信号c,最后,对信号c进行微分输出信号d和零点交叉检测输出信号e;信号e送入INT0,其下降沿触发INT0中断。

　　3　测量系统特点

　　测量系统主要具有盲区消隐、线性包络检波及环境温度补偿等特点。

　　3.1　盲区消隐

　　盲区是指由发射浅漏引起,在一定测量范围内第1回波信号与发射浅漏信号难以区分,导致这一范围内无法确定液位。为了缩小盲区,设计了STC(SensitivityTime Control)功能,即灵敏度-时间控制功能。若第1回波落在盲区内,则可知被测液位与探头距离较近(发射浅漏引起的盲区为25~30 cm),因此,第1回波信号较强,且幅值大于发射浅漏信号幅值,即从信噪比(S/N)角度,可以检测到第1回波信号;但是由于超声波第1回波信号随液位L的增大衰减很快,为了扩大系统量程,又需要较大的放大倍数,这样引起了在盲区内,由于放大倍数过大,使第1回波信号和发射浅漏信号放大饱和,即无法区分两者间信号。STC可以解决这一问题,STC功能是随时间提高放大倍数。放大倍数随时间变化曲线见图3的STC信号。