引言

　　接觸式液位測量系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是測量感應(yīng)元件和被測物體接觸，因此容易出現(xiàn)儀器測量物的磨損、堵塞或者腐蝕。非接觸式液位測量系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是測量敏感元件和被測物體不接觸，測量儀器不受被測介質(zhì)的影響，但容易受到被測介質(zhì)和環(huán)境因素影響。非接觸式液位測量技術(shù)有：微波雷達(dá)測量技術(shù)、射線液位測量技術(shù)、光學(xué)測量法、超聲波測量技術(shù) 。超聲波測量技術(shù)成本低、無輻射、精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時超聲波傳感器體積小、所需硬件電路簡單 。本文針對一些易爆、易揮發(fā)、強(qiáng)腐蝕及有毒液位的測量問題設(shè)計了超聲波液位測量系統(tǒng)，深入討論了用超聲波作為信號源進(jìn)行液位測量的優(yōu)越性，討論了產(chǎn)生誤差的原因，并提出了相應(yīng)的解決辦法，給出了具體的軟硬件設(shè)計內(nèi)容。

　　1 超聲波測距原理

　　1.1 超聲波衰減特性

　　我們一般把頻率為20kHz-500MHz的聲波稱為超聲波，超聲波是一種機(jī)械波，即是機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的一種傳播過程，它的特征是頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，另外方向性好，能夠成為射線而定向傳播。

　　聲波在各種介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度會逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫做超聲波的衰減。其產(chǎn)生原因可分為三個方面：(1)超聲波在介質(zhì)中散射而產(chǎn)生的能量損失，稱為散射衰減;(2)聲束擴(kuò)散產(chǎn)生的能量衰減;(3)介質(zhì)內(nèi)耗所產(chǎn)生的吸收衰減。圖1為聲壓在不同距離下的衰減特性，介質(zhì)吸收而使得聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)規(guī)律衰減。距離聲源X處的聲壓P和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律為

　　式(1)和式(2)中，X為超聲波與聲源間的距離， α為衰減系數(shù)，P0為聲源處的聲壓，P為距聲源X處的聲壓，I0為聲源處的聲強(qiáng)，I為距聲源X處的聲強(qiáng)。

　　本設(shè)計測量范圍為0—5.0m，經(jīng)過分析在此距離范圍內(nèi)，超聲波頻率為40kHz時最佳。

　　1.2 超聲波測距的原理

　　超聲波測距有多種方法，如聲波幅值檢測法、相位檢測法、渡越檢測法等。其中，聲波幅值檢測方法簡單且價格便宜，但易受反射波的干擾，測量精度不高;相位檢測法測量精度高，但適合小范圍測量環(huán)境;渡越時間檢測法的測量距離較遠(yuǎn)、測量精度較好。本設(shè)計采用渡越時間檢測法，如圖2所示。工作方式是通過換能器發(fā)射出超聲波，超聲波遇到液面后被物體反射，傳到接收器中，此過程時間為t。

　　由公式(3)算出的并不是實際的換能器與液面間的距離，換能器和液面的實際距離應(yīng)為：

　　(4)式中x為兩換能器之間的距離，實際工程中x一般為3-5㎝。

　　在不同的工業(yè)現(xiàn)場存在溫度的差異，溫度對超聲波傳播速度影響甚大，因此需對系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償調(diào)整，式中T為現(xiàn)場溫度。

　　根據(jù)下式可計算出需測量的液位高度

　　在具體工程設(shè)計中，須考慮盲區(qū)對系統(tǒng)測量范圍的影響。在雙探頭換能器工作方式下，發(fā)射電壓不直接施加發(fā)射探頭，因此，從理論上來說無盲區(qū)存在。但是接收電路會受到發(fā)射電路影響，且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有部分直接繞射到接收探頭，在實際工程中依舊存在盲區(qū)。改善的措施有：減少發(fā)射波串的長度，提高發(fā)射波頻率，減小波長，采用喇叭口形的聚波器。

　　測距儀的測量盲區(qū)與發(fā)射脈沖寬度和信號的發(fā)射能量有關(guān)。隨著脈沖寬度變窄，盲區(qū)跟著減小，同時也減小了發(fā)射能量;相反，脈沖寬度增加，測量精度會降低，同時盲區(qū)將增大。本設(shè)計綜合信號發(fā)射能量與測量盲區(qū)兩方面因素，選用8個40kHz脈沖方波發(fā)射的脈沖寬度。這時，測量盲區(qū)和信號發(fā)射能量都比較適中，系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。

　　本系統(tǒng)中發(fā)射周期為30ms，發(fā)射10μs的TTL觸發(fā)信號，然后由模塊內(nèi)部發(fā)送8個脈沖后，停止發(fā)射，等待回波。若在30ms內(nèi)收到回波，則引起中斷，進(jìn)入中斷程序;若30ms內(nèi)沒有收到回波，則重新發(fā)送。時序圖為圖3。這樣可避免測量盲區(qū)，以及回波過早到達(dá)引起的干擾。

　　2 硬件實現(xiàn)及單元電路設(shè)計

　　2.1 超聲波液位測量系統(tǒng)硬件框圖

　　超聲波液位測量系統(tǒng)硬件系統(tǒng)劃分為：電源電路、單片機(jī)控制電路、超聲波發(fā)射電路、接收電路、數(shù)碼管顯示電路、按鍵電路、語音實時播報模塊和無線收發(fā)模塊。

　　2.2 超聲波發(fā)射模塊

　　超聲波發(fā)射模塊包括驅(qū)動電路和超聲波換能器。驅(qū)動超聲波換能器的工作方式有很多，可用三極管、場效應(yīng)管、變壓器、運(yùn)算放大器等實現(xiàn)。發(fā)射脈沖可以由單片機(jī)或555振蕩器實現(xiàn)。要獲得足夠大的能量，且要求發(fā)出的信號穩(wěn)定、可靠，本系統(tǒng)選用51單片機(jī)發(fā)出40kHz的方波(與換能器的中心頻率保持一致)，由反相器和運(yùn)放對其進(jìn)行放大，如圖5所示。

　　P1.0口發(fā)出頻率為40kHz的中心頻率到發(fā)射電路輸入端，此信號幅值很小，須經(jīng)發(fā)射電路放大。兩個反相器并聯(lián)連接以便每一側(cè)都能夠為傳感器提供足夠的驅(qū)動電流，反相器電壓規(guī)格選用2.5V;兩個15V的通用型集成運(yùn)算放大器工作在非線性區(qū)，當(dāng)運(yùn)算放大器的同向輸入電壓Vi>2.5V時，運(yùn)放A的輸出電壓VA=+15V，運(yùn)放B的輸出電壓VB=-15V;當(dāng)輸入信號Vi<2.5V時，運(yùn)放A的輸出電壓VA=-15V，運(yùn)放B的輸出電壓VB=+15V，所以在超聲波傳感器兩端得到兩個極性相反的對稱波形，其兩端電壓可達(dá)到30V。C3和C4電容起到濾波的功能。該電路可以實現(xiàn)電壓幅值的升高，總體實現(xiàn)功率的放大。

　　2.3 超聲波接收電路

　　超聲波接收電路主要是對換能器接收到的微弱信號進(jìn)行放大，對波形進(jìn)行整形。 接收電路設(shè)計中，回波檢測是整個超聲波測距系統(tǒng)的關(guān)鍵。換能器接收到回波信號后，首先將回波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號(正弦波)，即微弱信號;微弱信號經(jīng)過放大電路放大后，進(jìn)入電壓比較器進(jìn)行比較，最后電壓比較器輸出的方波信號直接輸入單片機(jī)的定時器中斷口。信號在電路中的波形變化為：微弱信號→放大信號→整形信號。接收電路圖如圖6所示:

　　電路工作過程:超聲波接收換能器和集成運(yùn)放組成超聲波信號的檢測和放大電路，接收到的超聲波微弱信號經(jīng)兩級運(yùn)放放大約1000倍。集成運(yùn)放接正負(fù)對稱電源，本裝置采用±12V電源供電。為了提高電路可靠性，在前兩級運(yùn)放的同名端加R3和R6進(jìn)行分壓，使得前兩級運(yùn)放同名端有6V電壓，以保證放大的交流信號不至于產(chǎn)生失真。經(jīng)兩級放大后的信號送至比較器的同相輸入端，當(dāng)同相輸入端的信號大于反相輸入端時，輸出電壓將由低電平到高電平，這時單片機(jī)會產(chǎn)生中斷，采集脈沖從發(fā)射到接收所用的時間，完成對時間的計數(shù)。

　　2.4 語音實時播報電路設(shè)計

　　本系統(tǒng)語音播報模塊設(shè)計采用ISD4004語音芯片，芯片內(nèi)含晶體振蕩器、平滑濾波器、自動靜噪、音頻功率放大器及高密度多電平Flash存儲陣列等。芯片由單片機(jī)控制，操作命令通過串行通信接口送入。采樣頻率為4.0Hz、5.3Hz、6.4Hz、8.0Hz，頻率越低，錄放時間越長，而音質(zhì)則有所下降。器件工作電壓3V，工作電流25-30mA，維持電流1mA，單片錄放語音時間8-16min，音質(zhì)好。圖8是語音芯片與單片機(jī)連接方式，除與單片機(jī)接口外，只需接少量電阻、電容等外圍器件就可實現(xiàn)語音播報功能。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)框圖設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主程序包括：溫度測量、距離計算、語音實時播報、顯示、無線傳輸?shù)茸映绦颉?p>　　軟件設(shè)計流程如下：首先給STC90C51單片機(jī)上電復(fù)位，然后由單片機(jī)產(chǎn)生一串脈沖信號，該信號經(jīng)發(fā)射電路功率放大后，觸發(fā)超聲波換能器發(fā)出40kHz的超聲波。啟動發(fā)射電路的同時，單片機(jī)內(nèi)部定時器A開始計時，調(diào)用延時子程序，等待回波信號。如果在設(shè)定的時間內(nèi)接收到回波，則定時器停止計時。此時定時器記錄的時間就是超聲波的傳播時間，保存該數(shù)據(jù)。然后調(diào)用溫度補(bǔ)償程序?qū)β曀龠M(jìn)行調(diào)整，再根據(jù)補(bǔ)償后的速度調(diào)用距離計算子程序，即可得到液位的高度。計算得到液位高度后，調(diào)用顯示程序顯示測量數(shù)據(jù)，與此同時調(diào)用語音播報程序播報測量結(jié)果，并采用無線傳輸模塊傳輸實時測量的數(shù)據(jù)給上位機(jī)。采用模塊化的設(shè)計思想可以提高編程效率。

　　3.2 溫度補(bǔ)償模塊軟件編程

　　當(dāng)DS18B20接收到溫度補(bǔ)償命令時，系統(tǒng)啟動溫度補(bǔ)償調(diào)用。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，單片機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每次讀寫之前需對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)訂操作。因為DS18B20接在單片機(jī)I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以對讀寫數(shù)據(jù)位有著非常嚴(yán)格的時序要求。主要有初始化時序，讀時序和寫時序，所有時序都是以單片機(jī)作為主設(shè)備。

　　3.3 語音模塊的軟件編程

　　本設(shè)計采用ISD4004作為語音播報芯片，其工作于SPI串行接口。當(dāng)系統(tǒng)算出距離時，需要調(diào)用語音模塊來播報數(shù)據(jù)。此時，查詢語音播報信號有效，開始取信號單元地址，然后取信號單元內(nèi)容，再判斷是否滿足播報條件，如果滿足則播報，反之則繼續(xù)取信號單元地址，最后判斷是否播報結(jié)束。具體語音播報子程序流程是：首先取語音信號地址，判斷是否為語音播報有效地址，如果是，則給語音芯片上電，打開上電子程序，反之，回到取語音信號地址。然后取出語音存放的地址，調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，再取出8位指令代碼，調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序。最后判斷是否存在中斷，有中斷則調(diào)用掉電子程序，以結(jié)束語音播報。

　　4 系統(tǒng)測試

　　系統(tǒng)采用的超聲波換能器中心頻率為40kHz，安裝時應(yīng)保持兩個換能器中心軸線平行且相距5-10cm，其余器件無特殊要求。本系統(tǒng)測試采用兩種實驗方案：實驗一通過空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，并保持測量距離400mm不變。對有溫度補(bǔ)償系統(tǒng)和無溫度補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行距離測試實驗。實驗二保持室內(nèi)溫度為20℃，對有溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的液位計在不同距離下的測量值與實際值測量記錄。

　　由實驗一結(jié)果而知：在無溫度補(bǔ)償時，溫度變化對系統(tǒng)測量結(jié)果影響較大，會產(chǎn)生比較大的誤差;而在有溫度補(bǔ)償時，溫度變化對測量結(jié)果影響很小，電路測量誤差明顯減小。由實驗二結(jié)果而知，增加了溫度補(bǔ)償模塊的超聲波測距系統(tǒng)，…，測量精度明顯提高。

　　5 結(jié)論

　　本設(shè)計以單片機(jī)STC89C51為核心，采用溫度傳感器DS18B20采集監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)，設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)能夠很好地避免溫度對系統(tǒng)的影響。實驗數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)測量精度達(dá)0.8%。在測距基礎(chǔ)上擴(kuò)展了語音播報和無線數(shù)據(jù)收發(fā)，具有良好的人機(jī)界面。該系統(tǒng)可應(yīng)用于測量易燃易爆、強(qiáng)腐蝕及有毒液體的場合。

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