李洪濤， 劉 欣

（1.華中光電技術(shù)研究所 光電技術(shù)研究部，湖北 武漢 430223；2.華中科技大學(xué)文華學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)部，湖北 武漢 430074）

0 引言

液體液位的準(zhǔn)確測(cè)量是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)和實(shí)時(shí)控制的重要保障，也是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。液體罐內(nèi)液位測(cè)量的方法有很多種，其中超聲波傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，所以超聲波測(cè)量法得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)，利用超聲波傳感技術(shù)的原理，采取一種非接觸式的測(cè)量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工業(yè)系統(tǒng)中液位或物料位的檢測(cè)；而且超聲波具有很好的指向性和束射特性，人耳聽(tīng)不見(jiàn)，一般不會(huì)對(duì)人體造成傷害。監(jiān)控工程實(shí)施方便、迅速、易做到實(shí)時(shí)控制，而且測(cè)量精度又能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，所以有廣泛的應(yīng)用前景。

1 超聲波測(cè)液位系統(tǒng)總體方案

利用單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一種對(duì)供液體容器液位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的特征，要求實(shí)時(shí)檢測(cè)液體容器的液位高度，再由單片機(jī)控制固態(tài)繼電器的開(kāi)斷進(jìn)行液位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測(cè)值若高于上限設(shè)定值時(shí)，要求報(bào)警，斷開(kāi)繼電器，控制泵停止供應(yīng)液體；檢測(cè)值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警，開(kāi)啟繼電器，控制泵開(kāi)始供應(yīng)液體?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液體容器液位的監(jiān)控。當(dāng)然對(duì)每一個(gè)液位狀態(tài)都有相應(yīng)的LED燈顯示及其當(dāng)前工作狀態(tài)的液晶顯示。超聲波測(cè)液位系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

圖1 超聲波測(cè)液位系統(tǒng)工作原理框圖

2 超聲波測(cè)液位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

液位控制系統(tǒng)的硬件主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、RS232串口通信電路、液位探測(cè)傳感電路、LCD顯示電路、繼電器控制泵加液體電路等組成。

超聲波發(fā)射電路是由超聲波探頭和超聲波放大器組成。超聲波探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，而單片機(jī)所產(chǎn)生的40kHz的方波脈沖需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動(dòng)將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是一個(gè)信號(hào)的放大電路，本設(shè)計(jì)選用LS04芯片進(jìn)行信號(hào)放大。

超聲波接收電路主要是由集成電路CXA芯片電路構(gòu)成的，CXA芯片電路可以對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等功能，比較完之后超聲波接收電路會(huì)輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)去請(qǐng)求中斷，當(dāng)即單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，并開(kāi)始去進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

C-SR04超聲波集成模塊是將超聲波發(fā)射探頭、超聲波接收探頭、CXA芯片電路，LS04芯片放大電路集成到的一起的一個(gè)超聲波集成模塊。C-SR04超聲波集成模塊如圖2所示。

圖2 C-SR04超聲波集成模塊圖

本系統(tǒng)的液位顯示部分采用 LCD液晶顯示模塊，具有體積小、功耗低、使用方便等特點(diǎn)，其與單片機(jī)的連接方式如圖3所示。

圖3 LCD液晶顯示模塊

3 超聲波測(cè)液位系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序。主程序完成初始化、超聲波發(fā)射和接收、溫度測(cè)量、距離計(jì)算、結(jié)果顯示等主要工作。中斷服務(wù)子程序主要完成串口通信值得讀取。系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 總體軟件設(shè)計(jì)流程圖

主函數(shù)分為初始化部分和一個(gè)大循環(huán)，程序初始化部分主要完成定時(shí)器1、2的初始化、串口的初始化、液晶顯示的初始化、中斷的開(kāi)啟。主程序中的大循環(huán)通過(guò)函數(shù)的調(diào)用主要完成超聲波傳感器的發(fā)射接收、測(cè)距計(jì)算、液晶顯示、串口通信、按鍵掃描等功能。

LCD液晶顯示函數(shù)主要包括液晶忙狀態(tài)檢測(cè)、液晶初始化函數(shù)、寫指令函數(shù)、寫數(shù)據(jù)函數(shù)。在使用液晶前需液晶顯示器進(jìn)行初始化操作，再檢測(cè)是否為忙狀態(tài)最后才寫指令或數(shù)據(jù)。

超聲波測(cè)距程序主要包括超聲波信號(hào)發(fā)射與接收、計(jì)時(shí)器的開(kāi)啟、距離計(jì)算顯示及其串口數(shù)據(jù)的發(fā)送。

按鍵程序主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換和水泵開(kāi)關(guān)按鍵功能，程序主要包括按鍵掃描、模式轉(zhuǎn)換函數(shù)或繼電器開(kāi)關(guān)函數(shù)、和顯示程序。

中斷程序主要實(shí)現(xiàn)PC與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)同步控制的功能。中斷程序主要包括中斷類型選擇、標(biāo)志位清0、數(shù)據(jù)的讀取、模式轉(zhuǎn)換、顯示函數(shù)。

4 系統(tǒng)調(diào)試分析

硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)運(yùn)行調(diào)試。超聲波測(cè)液位儀的制作和調(diào)試都比較簡(jiǎn)單，其中超聲波發(fā)射和接收采用集成模塊CSR04，中心頻率為40kHz。連接完成后，按下單片機(jī)電源鍵，將模塊垂直對(duì)著某一平面，與所測(cè)平面間不能有物體遮擋，移動(dòng)模塊即可看到液晶上的液位值變化。測(cè)距模塊的最遠(yuǎn)測(cè)距范圍可達(dá)到3m，但超過(guò)2m誤差偏大。所以在軟件設(shè)計(jì)中，設(shè)置的容器的高度為1m，實(shí)驗(yàn)時(shí)，若模塊距離平面1m，則此時(shí)液晶顯示液位為2m。

（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，詳見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

（2）誤差分析。由于受環(huán)境濕度溫度等的的影響，測(cè)量值總是與實(shí)際值有一些偏差，但最大誤差不超過(guò)3cm。經(jīng)分析有如下原因：①超聲波速度隨溫度變化而變化，雖加了溫度補(bǔ)償?shù)Ч幻黠@；②指令運(yùn)行需要占用一段時(shí)間，影響測(cè)量結(jié)果；③人為操作在測(cè)量時(shí)產(chǎn)生了誤差，如模塊沒(méi)有平穩(wěn)擺放，測(cè)量面不夠大不夠平整等。

5 結(jié)論

（1）距離越遠(yuǎn)，誤差越大，但最大不超過(guò)3cm。

（2）指令運(yùn)行需要占用一段時(shí)間，影響測(cè)量結(jié)果，產(chǎn)生誤差。

（3）單片機(jī)運(yùn)行時(shí)偶爾會(huì)遇到死機(jī)的現(xiàn)象，經(jīng)分析可能是程序編寫不夠嚴(yán)密，修改后有一定改進(jìn)。

（4）測(cè)量時(shí)模塊擺放盡量平穩(wěn)，測(cè)量面盡量平整，可減少人為操作產(chǎn)生誤差。

[1]曹建海，路長(zhǎng)厚，旭東.基于單片機(jī)的超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2004，1.

[2]Peter Hauptmann,Ralf Lucklum,Bernd Henning.Ultrasonic Sensors for Process Control.Sensors Update，1998，3.

[3]楊興瑤，張益清，等.新編使用電子電路500列[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4]J.Otto.Sensors for Distance Measurement and Their Applications in Automobiles.Sensors Update，2002，10.

[5]姚福安.電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

[6]李冬梅.外液位計(jì)量?jī)x表技術(shù)發(fā)展動(dòng)向[J].儀器儀表用戶，2002，3.

[7]周玲.超聲波外測(cè)液位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].太原：中北大學(xué)，2006.

[8]黃勇.超聲波液位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[M].重慶：重慶大學(xué)，2004，5.

[9]賈伯年，俞樸.傳感器技術(shù)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2000.

[10]黃建兵.超聲波精確測(cè)距的研究[M].南京：南京理工大學(xué)，2004，2.