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

1 超聲波測液位系統(tǒng)總體方案

利用單片機為控制核心，設(shè)計一種對供液體容器液位進行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征，要求實時檢測液體容器的液位高度，再由單片機控制固態(tài)繼電器的開斷進行液位的調(diào)整，最終達到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測值若高于上限設(shè)定值時，要求報警，斷開繼電器，控制泵停止供應(yīng)液體；檢測值若低于下限設(shè)定值，要求報警，開啟繼電器，控制泵開始供應(yīng)液體?，F(xiàn)場實時顯示測量值，從而實現(xiàn)對液體容器液位的監(jiān)控。當(dāng)然對每一個液位狀態(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。超聲波測液位系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

圖1 超聲波測液位系統(tǒng)工作原理框圖

2 超聲波測液位系統(tǒng)的硬件設(shè)計

液位控制系統(tǒng)的硬件主要包括單片機系統(tǒng)、RS232串口通信電路、液位探測傳感電路、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轉(zhuǎn)換為機械波發(fā)射出去，而單片機所產(chǎn)生的40kHz的方波脈沖需要進行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動實際上就是一個信號的放大電路，本設(shè)計選用LS04芯片進行信號放大。

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芯片電路可以對超聲波信號進行放大、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輸出一個低電平到單片機去請求中斷，當(dāng)即單片機停止計時，并開始去進行數(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，其與單片機的連接方式如圖3所示。

圖3 LCD液晶顯示模塊

3 超聲波測液位系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件設(shè)計分為兩部分，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、溫度測量、距離計算、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)計流程圖如圖4所示。

圖4 總體軟件設(shè)計流程圖

主函數(shù)分為初始化部分和一個大循環(huán)，程序初始化部分主要完成定時器1、2的初始化、串口的初始化、液晶顯示的初始化、中斷的開啟。主程序中的大循環(huán)通過函數(shù)的調(diào)用主要完成超聲波傳感器的發(fā)射接收、測距計算、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、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行初始化操作，再檢測是否為忙狀態(tài)最后才寫指令或數(shù)據(jù)。

超聲波測距程序主要包括超聲波信號發(fā)射與接收、計時器的開啟、距離計算顯示及其串口數(shù)據(jù)的發(fā)送。

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

中斷程序主要實現(xiàn)PC與單片機實現(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運行調(diào)試。超聲波測液位儀的制作和調(diào)試都比較簡單，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，按下單片機電源鍵，將模塊垂直對著某一平面，與所測平面間不能有物體遮擋，移動模塊即可看到液晶上的液位值變化。測距模塊的最遠測距范圍可達到3m，但超過2m誤差偏大。所以在軟件設(shè)計中，設(shè)置的容器的高度為1m，實驗時，若模塊距離平面1m，則此時液晶顯示液位為2m。

（1）實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，詳見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

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

5 結(jié)論

（1）距離越遠，誤差越大，但最大不超過3cm。

（2）指令運行需要占用一段時間，影響測量結(jié)果，產(chǎn)生誤差。

（3）單片機運行時偶爾會遇到死機的現(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。

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

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