基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计.docx

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基于单片机的超声波液位测量系统的课程设计

前言.....................................................................................1

1液位测量系统概述..........................................................2

1.1传感器与检测技术...................................................2

1.2液位测量系统的现状...............................................3

1.3液位传感器的发展方向...........................................7

2系统分析和总体设计...........................................................8

2.1对液位测量系统的要求...........................................8

2.2系统组成及工作原理...............................................8

2.2.1系统组成...........................................................8

2.2.2工作原理..........................................................8

3系统硬件设计.....................................................................10

3.1主机系统..................................................................10

3.2液位测量系统..........................................................12

3.2.1超声波传感器..................................................12

3.2.2信号调理电路..................................................17

3.2.3温度补偿电路..................................................24

3.3键盘........................................................................26

3.4液位显示.................................................................27

3.5通信系统.................................................................29

3.6报警系统.................................................................34

3.7电源........................................................................36

4系统软件设计....................................................................37

4.1编程思路及流程图..................................................37

结论......................................................................................40

致谢......................................................................................41

参考文献.............................................................................42

附录A硬件电路图.............................................................43

附录B程序.......................................................................45

附录C英文文献...................................................................54

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

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前言

近年来，随着电子技术和信号处理技术的迅速发展，液位测量仪表中的测量技术也发展很快，经历了由机械式向机电一体化再到自动化的发展过程。

结合这两大技术，尤其是将微处理器引进液位测量系统以后，使得液位计的精度越来越高，越来越向智能化、一体化、小型化的方向发展。

从上世纪八十年代开始，一些发达国家就借助微电子、计算机、光纤、超声波、传感器等高科技的研究成果，将各种新技术、新方法应用到储罐液位测量领域。

电子式测量方法便是其中的重要成果之一。

在电子式液位测量方法中，有许多新的测量原理，包括压电式、应变式、雷达式、超声波式、浮球式、电容式、磁致伸缩式、伺服式、混合式等二十多种测量技术。

由于该方法测量精度高，可靠性强，持续时间长，安装维护简单，因而正在逐步取代旧的机械式液位测量方法。

用于储罐液位测量的众多电子式技术中，压电式、超声波式、应变式、浮球式、电容式五种测量技术应用最为广泛，约占总数的60%以上。

其中，超声波式测量技术的应用份额最大。

超声波液位测量有很多优点:

它不仅能够定点和连续检测液位，而且能够方便地提供遥控或遥控所需的信号。

与放射性技术相比，超声技术不需要防护。

与目前的激光测量液位技术相比，超声方法比较简单而且价格较低。

一般说来，超声波测位技术不需要有运动的部件，所以在安装和维护上有很大的优越性。

特别是超声测位技术可以选用气体、液体或固体来作为传声媒质，因而有较大的适应性。

所以在测量要求比较特殊，一般液位测量技术无法采用时，超声测位技术往往仍能适用。

1液位测量系统概述

1.1传感器与检测技术

液体液位的准确测量是实现生产过程检测和实时控制的重要保障，也是实现安全生

产的重要环节。

液体罐内液位测量的方法有很多种，其中超声波传感器由于结构简单、

体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制，

所以超声波测量法得到了广泛的应用。

所谓超声波就是指频率高于20kHz的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；

它沿直线传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；它还具有强度大、方向性

好等特点，为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。

超声波传感器是利用

超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制而成的传感器。

超声波传感器按其工作原

理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。

压电式超声波传感

器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：

逆压电

效应将高频电振动转换成高频机械震动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电

效应是将超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。

超声波液位测量的方法有多种，如超声脉冲回波法、共振法、频差法、超声衰减法

等[1]。

超声脉冲回波法的基本原理是由超声波传感器的发射探头发射超声波，当超声波

遇到障碍物时会被反射，利用单片机记录超声波发射的时间和接收到回波的时间，根据

当前环境下超声波的传播速度，即可通过公式1.1计算出超声波传播的距离，也就得到

了障碍物离测试系统的距离。

S=C×[t／2]（1.1）

式中S为被测距离，C为超声波传播速度，t为回波时间。

共振法的基本原理是调节超声波的频率，使得探头和液面之间建立驻波共振状态，

这时探头与液面之间的距离就与超声在介质中的波长成一定的比例关系。

当超声波速度

己知时，就可根据共振频率计算波长再换算出探头到液面的距离因。

频差法就是让超声

探头发出调频的超声波，超声波的频率随传播距离的不同而不同，根据接收信号和发射

信号间的频差可得到从发射到接收的时间。

超声衰减测量顾名思义就是超声波在被测介

质中的衰减量随距离变化，根据接收信号和发射信号间的衰减量变化测量液位。

从以上

方法的对比中可以看出，用共振法检测液位受到一些具体条件的限制，需要与液面建立

驻波关系，并且它属于一种接触式测量方法。

频差法需要调频器产生调制频率，衰减法

需测量超声波的衰减量。

相比较而言，超声波脉冲回波法无需与液面之间建立驻波，并

且可以实现非接触检测。

所以脉冲回波法是其中最适合的方法，本文将采用该方法实现

超声波外测液位检测。

1.2液位测量系统的现状

液位测量广泛应用于石油、化工、气象等部门。

实现无接触、智能化测量是液位计目前的发展方向。

随着工业的发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，近年来液位仪表的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。

从测量范围来说，有的液位计只能测量几十厘米，有的却可达几十米。

从测量条件

和环境来说，有的非常简单，有的却十分复杂。

例如:

有的是高温高压，有的是低温或

真空，有的需要防腐蚀、防辐射，有的从安装上提出苛刻的限制，有的从维护上提出严

格的要求等。

按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型

两人类。

接触型液位测量主要有:

人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式

液位计以及磁致伸缩液位计等。

它们的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，即都

存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。

因此存在一定的磨损且容易

被液体沾污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。

非接触型液位测量主要有超声波液位计、微波雷达液位计、射线液位计以及激光液位计

等。

顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不接触。

因此测

量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触

型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。

目前，市场上的液位仪表功能各异，价格差异也较大。

从价格和功能上比较，国内

和国外产品存在较大的差异:

国外的液位测量仪表，功能较全，精度较高，但价格比较

昂贵；而国内产品其功能和精度相对较低，但价格自然相对便宜。

国外液位计量仪表早期大多采用机械原理,但近年来随着电子技术的应用，逐步向

机电一体化发展，并且发展了许多新的测量原理。

在传统原理中也渗透了电子技术及微

机技术，结构有了很大的改善、功能有了很大的提高。

从国外液位仪表发展的技术动向

看，当前主要有三个热点：

接触测量方式的液位仪，非接触测量方式的液位仪和新原理

的小型液位开关。

（1）接触型液位仪表

接触型液位仪表，主要有:

人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液

位计以及磁致伸缩液位计。

它们的共同特点是测量的感应元件与被测液体接触。

①人工检尺法:

利用浸入式刻度钢尺测量液位，取样测量油温和密度，通过计算得

到液体的体积和重量，这是迄今为止依然在全世界广泛使用的液位测量方法，也可以把

它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。

该方法分为实高测量和空高测量两种。

人工

检尺法测量的精度一般为±2mm，通常至少测量两次，两次结果相差不得超过±1mm。

人

工检尺法具有测量简单、直观、成本低等优点，但需要测试人员手动测量，不适合恶劣

环境下的操作。

另外，需要较长的测量时间，难以实现在线实时测量，即实时性较差且

需手工处理数据，不利于数据的计算机管理。

②浮子测量装置:

浮子式测量装置采用大而重的浮子作为液位测量元件，驱动编码

盘或编码带等显示装置，或连接电子变送器以便远距离传输测量信号。

由于机械装置的

使用，这类装置的测量误差一般约为1mm，误差较大。

浮子式液位装置具有结构简单、

价格便宜等优点，但是浮子会随着液面的波动而波动，从而造成读数误差。

该装置传动

部件较多，容易造成系统的机械磨损，因而增加了系统维护的开销。

浮子测量装置的适

用范围为非腐蚀液体的测量。

③伺服式液位计:

伺服式液位计与浮子式液位测量装置相比，提高了测量精度和可

靠性。

它采用波动积分电路，消除了抖动，延长了使用寿命。

现代伺服液位计的测量精

度已达到40m范围内小于±1mm。

但是，由于伺服式液位计仍属于机械测量装置，存在

机械磨损，影响了测量的精度，因此需要定期维修和重新定标且安装困难。

④电容式液位计:

电容式液位计的核心是电容液位传感器。

该传感器一般由标准电

容、测量电容和比较电容等组成。

其中，比较电容用来测量液体的介电常数，测量电容

用来检测液位的变化，由液体的介电常数和测量电容的容量计算出液位。

电容式液位计

的价格较低、安装容易且可以应用于高温、高压的测量场合。

⑤磁致伸缩液位计:

磁致伸缩液位计采用磁致伸缩技术来测量大罐的油水界面和油

气界面。

通常情况下，磁致伸缩液位计安装有两个浮子，其中一个浮子的密度小于油品

的密度，另一个浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它们分别用来检测油气界

面和油水界面。

磁致伸缩液位计安装容易，不需要定期维修和重新定标，工作寿命较长。

其测量精度较高，测量的重复精度也较高，是比较理想的接触型液位计。

但是磁致伸缩

液位计与被测液体接触，仪器容易受到腐蚀，且液体的密度变化会带来测量误差。

此外，

浮子装置沿着波导管的护导管上移动，容易被卡死，从而影响液位的正确测量。

（2）非接触型液位仪表

非接触型测量仪表主要包括超声波液位计、雷达液位计、射线液位计以及激光液位

计等。

这类液位测量仪表的共同特点是测量的敏感元件与被测液体不接触，因此不受被

测介质影响，也不影响被测介质，因而适用范围较为广泛，可用于接触式测量仪表不能

满足的特殊场合如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。

①超声波液位计:

超声波液位计是非接触式液位计中发展最快的一种。

超声波在同

一种介质中传播速度相对恒定，遇到被测物体表面时会产生反射，基于此原理研制出了

超声波液位计。

目前，智能化的超声波液位计能够对接收信号做精确的处理和分析:

可

以将各种干扰信号过滤出来:

识别多重回波;分析信号强度和环境温度等有关信息。

这样

即便在有外界干扰的情况下，也能够进行精确的测量。

超声波液位计不仅能定点和连续

测量，而且能方便地提供遥测和遥控所需的信号。

同时，超声波液位计不存在可动部件，

所以在安装和维护上相应比较方便。

超声测位技术可适用于气体、液体或固体等多种测

量介质，因而具有较大的适应性且价格较为便宜。

新型气密结构、耐腐蚀的超声波传感

器可测量高达几十米的液位。

②雷达液位计;雷达液位计发明于60年代，通常采用调频雷达原理，利用同步调频

脉冲技术，将微波发射器和接收器安装在罐顶，向液面发射频率调制的微波信号。

当接

收到回波信号时，由于来回传播时间的延迟，发射频率发生了改变。

将两种信号混合处

理，所得信号的差频正比于罐顶到液面之间的距离。

雷达液位计特别适用于高粘度或高

污染的产品，如沥青等。

雷达液位计的测量精度较高，而且无需定期维修和重新定标，

但是安装比较复杂且价格不菲。

③射线液位计:

核辐射放出的射线（如丫射线等）具有较强的穿透能力，且穿过不同

厚度的介质有不同的衰减特性，核辐射式液位计正是利用这一原理来测量液位的。

核辐

射式液位计的核辐射源用点式或狭长型结构安装在油罐的外面，狭长型核辐射源检测元

件也安装在油罐外面，可实现对液位动态变化的检测。

除利用核辐射射线来测量之外，

还可采用中子射线来测量液位。

射线液位计安装非常方便，测量精度较高。

因为它没有

任何部件与被测物体直接接触，特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问题。

④激光液位计:

其测量原理类似于超声波液位计，只是采用光波代替了超声波。

发

射传感器发射出激光，照射到被测液面，在液面处发生反射，接收传感器接收反射光，

将从发射至接收的时间换算成液位。

激光的光束很窄，在液位计中通过光学系统转换成

约20mm宽的光束，这样即使被测物面很粗糙，漫反射光也能被传感器接收。

激光液位

计非常适用于开口很狭窄的容器以及高温、高粘度的测量对象。

而缺点是对液面的波动

很敏感，大罐内的油汽，水气等微粒对测量不利，且光学镜头必须定期保持清洁。

1.3液位传感器的发展方向

现在很多液体都装在封闭式容器内，而且有很多是易挥发、易燃、易爆、强腐蚀性

的，因此需要非接触式测量。

研究无需对被测容器开孔的超声波液位仪，实现非接触测

量，是检测封闭容器内易挥发、易燃、易爆等液体液位的发展方向。

超声波液位仪是非接触液位仪中发展最快的一种。

该技术基于超声波在空气中的传

播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。

智能化的超声波液位仪带有一个功能很强

的智能回波分析软件包。

它可以将各种干扰过滤出来，识别多重回波，分折信号强度和

环境温度等有关信息，这样即便在有扰动条件下读数也是精确的。

新型气密结构、耐腐

蚀的超声换能器可测量高达15m的液位，E+H公司研制的ProsonicFMU860/861/862超

声液位仪精度可达±0.2%，输出信号符合HART协议或profibus总线标准或FF总线标

准。

超声波液位计具有广泛的适用性，可以根据不同测量场合的需要，采用气体介质、

液体介质或固体介质导声。

既可用来测量航道、水库的液位高度，也可以测量液化气罐、

化工塔等密闭容器内的液位高度。

由于超声波液位计没有可动部件，不存在机械磨损、

机械故障，因而其可靠性和使用寿命比多数接触型液位计要高。

该测量装置结构简单，

不需要其它附加设施，且安装、使用和维护都较方便。

随着电子技术的发展。

单片机嵌

入应用，超声波液位计的精度有了进一步的提高，功能更加齐全。

但其主要缺点是:

音

速随温度、储存物料的化学成分和罐内蒸汽的运动而变化，影响测量精度。

根据测量精

度的要求，可以采用多种方法校正。

2系统分析和总体设计

2.1对液位测量系统的要求

系统由超声波传感器、W77E58单片机和无线数据传输模块STR-15组成。

传感器将

接收到的信号经数据处理后由无线数据传输模块送入上位机进行显示、超限报警等操

作。

通过对超声波接收信号进行的有效处理，基本上消除时间检测误差，并进行温度补

偿计算。

主要技术指标

（1）液位量程:

0～5m；

（2）测量误差:

0.1%；

（3）显示分辨率:

lmm；

（4）环境温度:

-10～60℃；

（5）通信方式:

STR-15无线数据传输

2.2系统组成及工作原理

2.2.1系统组成

系统由上位机系统和下位机系统组成。

下位机包括超声波传感器、单片机、无线数

据传输模块，上位机由单片机、无线数据传输模块、键盘、显示和报警等部分组成。

上

位机与下位机之间通过无线数据传输模块进行通信。

超声波传感器采用T/R40-16型超声波传感器。

T/R40-16为收发分体式压电陶瓷超

超声波传感器，T40-16为发射探头，能发射中心频率为40KHz的超声波；R40-16为接

收探头，可以接收中心频率为40KHz的超声波并转换为电信号。

单片机采用W77E58。

W77E58单片机是Winbond公司生产的高速单片机，与传统8052

系列单片机相比，其机器周期仅包含四个时钟周期，指令执行速度是8052的1.5～3

倍，晶体频率可达40MHz，有三个16位的定时器／计数器。

用作定时器时，可对四个

时钟周期计数，其定时时钟频率为10MHz，测量时间的分辨率为0.1μs。

而AT89C52

的晶振频率为24MHz，它的定时频率为2MHz，测量时间的分辨率为0.5μs。

因此利用

W77E58可提高测量时间的精度。

无线数据传输模块采用上海桑博电子科技有限公司生产的STR-15微功率无线数据

传输模块，将传感器采集到的数据经过单片机处理后传送到上位机进行显示、超限报警

等，以实现远程控制。

图2.1无线液位测量系统组成框图

2.2.2工作原理

本文采用超声脉冲回波法测液位[5]。

超声脉冲回波法的基本原理是由超声波传感器

的发射探头发射超声波，当超声波遇到障碍物时会被反射，利用单片机记录超声波发射

的时间和接收到回波的时间，根据当前环境下超声波的传播速度，即可通过公式2.1计

算出超声波传播的距离，也就得到了障碍物离测试系统的距离。

测距原理如图2.2所示。

S=C×[t／2]（2.1）

式中S为被测距离，C为超声波的传播速度，t为回波时间，t=Tl+T2。

图2.2超声波测距原理图

利用超声波在液体中传播时，有较好的方向性，且传播过程中能量损