王志坤，楊　錄

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

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船用超聲波液位檢測(cè)器設(shè)計(jì)

王志坤，楊錄

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

摘要：以PIC18F26K80為核心，采用105 kHz超聲波換能器，設(shè)計(jì)一種游艇內(nèi)部使用的液位檢測(cè)器。該液位檢測(cè)器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)游艇中各液體的儲(chǔ)量，其結(jié)果以CAN總線的方式傳送到上位機(jī)，該電路主要包括超聲波收發(fā)模塊、溫度補(bǔ)償模塊以及CAN通信模塊。在0.05 m~1 m范圍內(nèi)，精度可達(dá)到0.01 m。

關(guān)鍵詞：超聲波；PIC單片機(jī)；CAN

游艇上油量、飲用水以及污水的儲(chǔ)量對(duì)安全航行起著重要參考作用。游艇中液體液位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸對(duì)船舶續(xù)航能力，對(duì)游艇安全具有重大意義。超聲波液位檢測(cè)器作為一種典型的測(cè)量?jī)x器，具有非接觸性，精度較高，通用性好，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在很多場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用105 kHz的超聲換能器，測(cè)量范圍在0.05 m~1 m，測(cè)量精度在±0.01 m。

1工作原理

超聲波測(cè)液位的基本原理[1]是：發(fā)射傳感器在脈沖信號(hào)激勵(lì)下發(fā)出超聲波，聲波通過(guò)傳聲媒介傳到被測(cè)液體表面，在液體表面形成反射波；通過(guò)計(jì)算得到超聲波從發(fā)射到接受所傳播的時(shí)間，再根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，可計(jì)算出液位的高度。

2硬件電路

超聲波檢測(cè)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收探頭、放大濾波電路、微處理器、溫度補(bǔ)償電路以及CAN通信電路組成。本設(shè)計(jì)選用PIC18F26K80單片機(jī)作為主控芯片，該單片機(jī)具有功耗低，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，可靠性高，自身帶有CAN通信模塊以及驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.1發(fā)送模塊

超聲波發(fā)射電路是在探頭上施加與探頭中心頻率一致且能量足夠大的脈沖，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)出具有一定能量的超聲波。發(fā)射電路采用PIC單片機(jī)發(fā)出頻率為105 kHz的脈沖，三極管和變壓器對(duì)其升壓放大，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)射出能量足夠大的超聲波。

2.2接收模塊

超聲波信號(hào)在傳播過(guò)程中，由于介質(zhì)吸收、聲束擴(kuò)散等原因會(huì)發(fā)生衰減，接收到的回波信號(hào)很弱，而且回波信號(hào)中伴隨噪聲信號(hào)，因此接收電路要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。

接收電路如圖1，當(dāng)回波信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管組成的放大電路后，信號(hào)幅值放大15倍，其中二極管D8起保護(hù)作用。因回波信號(hào)中包含超聲波之外的其他干擾信號(hào)，接收的信號(hào)會(huì)帶有噪音，因此需要帶通濾波器濾波，抑制噪聲放大信號(hào)，提高信噪比。本設(shè)計(jì)采用“無(wú)限制增益多路反饋”帶通濾波器對(duì)前級(jí)信號(hào)進(jìn)行放大濾波，中心頻率處放大2倍，帶通濾波器的頻率帶寬10.5 kHz，品質(zhì)因數(shù)Q=10。運(yùn)算放大器的型號(hào)選擇NE5532，此放大器具有更好的噪聲性能，信號(hào)帶寬窄，并且可以單電源供電，滿足測(cè)量需要。為進(jìn)一步防止噪聲信號(hào)對(duì)測(cè)量的干擾，設(shè)計(jì)一個(gè)比較器電路，當(dāng)信號(hào)超過(guò)閾值時(shí)，判斷為有效回波。

圖1　檢測(cè)器接收電路

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，對(duì)不同功能的程序進(jìn)行分別編程，這樣不但使整個(gè)軟件的層次和結(jié)構(gòu)比較清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。

圖2　軟件設(shè)計(jì)框圖

4誤差分析

1) 聲波衰減誤差[4]

空氣介質(zhì)本身不是完全純凈，空氣中超聲波傳播的波動(dòng)方程為：

A=A0e-2whcos(wt+kt) .

隨著測(cè)量距離h的增加，聲波的振幅衰減不斷增加，收到的回波可能十分微弱，要捕獲第一個(gè)回波信號(hào)，必須對(duì)回波進(jìn)行足夠的放大。如果不能準(zhǔn)確判斷第一個(gè)回波信號(hào)，將會(huì)對(duì)測(cè)量的精度產(chǎn)生影響。在接收電路中采用三極管和運(yùn)算放大器兩級(jí)放大電路，有助于減少此類誤差。

2) 液面波動(dòng)誤差[5]

由于液體聲阻抗比較大，從空氣射入液體表面的超聲波會(huì)發(fā)生很強(qiáng)烈的反射[6]。但是游艇位于水面面上，容器內(nèi)部液體不斷波動(dòng)，發(fā)射的超聲波不一定會(huì)按照設(shè)定的方向返回，可能造成測(cè)量誤差。因此需要在容器內(nèi)部放置一個(gè)浮子，從而減少液面波動(dòng)帶來(lái)的波動(dòng)的影響以提高測(cè)量的精度。

5結(jié)論

隨著科技的進(jìn)步，高精度并穩(wěn)定液位檢測(cè)器的需求不斷擴(kuò)大，基于PIC單片機(jī)的超聲波液位檢測(cè)器采用105kHz的超聲波探頭，通過(guò)溫度補(bǔ)償和濾波分析，實(shí)現(xiàn)了精度高，可靠性強(qiáng)的要求，在游艇智能航行與監(jiān)控領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[3]王占選.具有溫度補(bǔ)償功能的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電聲技術(shù),2014，38(2):35-38.

[4]王麗娜，趙東娥.基于小波變換高精度在線超聲波測(cè)距技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué),2007.

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[6]支高飛，李斌.基于AR模型對(duì)超聲波液位檢測(cè)信號(hào)的特征提取[J].電聲技術(shù),2009，33(5):48-50.

The Design of Ultrasonic Liquid Level Detector for Marine

Wang Zhikun, Yang Lu

(NationalKeyLabofElectronicMeasurementTechnology,SchoolofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China)

Abstract:Taking the Pic18f26K80 as the system core, a liquid level detector is designed using 105 kHz ultrasonic transducer. The detector can examine the reserve volume of all kinds of liquid and transmits the data to upper monitor by CAN. The system mainly includes the ultrasonic transceiver module, temperature compensation module and CAN communicating module. It meets the requirement with the precision accuracy at 0.01 m within the range of 0.05 m~1 m.

Key words:ultrasonic; PIC; CAN

中圖分類號(hào)：TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)01- 0033- 02

作者簡(jiǎn)介：王志坤(1990- )，男，黑龍江人，碩士研究生，研究方向：超聲無(wú)損檢測(cè)。

收稿日期：2015-10-04修回日期：2015-11-13