基于单片机的超声波液位测量系统的设计.docx
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基于单片机的超声波液位测量系统的设计
1绪论
1.1课题背景及研究意义
液位测量广泛应用于石油、化工、气象等部门，实现无接触、智能化测量是当前液位测量的发展方向。
随着工业、建筑业、农业、军事等领域的不断发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用与研究，传统的液位测量方法在很多场合已无法满足人们的需求，由此很多先进的测量工具应运而生。
按照应用习惯将这些测量工具分为接触式和非接触式两大类。
接触式液位测量主要有：
人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计和磁致伸缩式液位计等。
它们共同的特点是感应元件与被测液体接触，因此存在一定的磨损且容易被液体粘住或腐蚀。
非接触式液位测量出现了微波雷达液位计、射线液位计、激光液位计及超声波液位计等。
它们共同的特点是感应元件与被测液体不接触，测量仪器不受被测介质的影响，这就大大解决了在粉尘多情况下，给人类引起的身体接触伤害，腐蚀性质的液体对测量仪器的腐蚀，触点接触不良造成的误测情况。
但前几种方法由于技术难度大，成本高，一般用于军事工业，而超声波液位计由于其技术难度相对较低，且成本低廉，适用于民用推广。
1.2液位计的现状
1.2.1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式液位计。
（1）人工检尺法：
利用浸入式刻度钢尺测量液位，取样测量液体温度和密度，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范围内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。
人工检尺法一般精度为±2mm，通常至少测量两次，两次结果相差不得超过±lmm。
人工检尺法具有测量简单、直观、成本低等优点，但需要检测人员动手测量，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±（4～10）mm，误差较大。
浮子式液位测量装置具有结构简单、价格便宜等优点，但是浮子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开销。
浮子测量装置的适用范围为非腐蚀性液体的测量。
（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。
现代伺服式液位计的测量精度已达到40m范围内小于±lmm。
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）磁致伸缩式液位计：
磁致伸缩式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下移动，容易被卡死，从而影响液位的正确测量。
1.2.2非接触型液位仪表
非接触型液位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。
（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比较方便。
超声波测位技术适用于气体、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。
（2）雷达液位计：
雷达液位计发明于20世纪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液面以上，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发射器到液面之间的距离，雷达液位测量特别适用于高粘度或高污染的产品。
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γ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液面以上，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，特别适用于传统液位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距离。
激光的光束很窄，在液位测量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，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超声波液位测量系统的发展前景
超声波液位测量系统是利用超声波的特性研制而成的。
科学技术的快速发展，超声波液位测量系统的应用将越来越广。
但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的液位测量技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。
展望未来，超声波液位测量作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位、高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。
在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。
1.4本课题的主要内容
本文开发的超声波液位测量系统，带有高集成微处理器。
系统可从电池或市电中取电，以满足非接触液位检测的需要，通过串口通讯实现远程控制。
本课题的研究以超声波换能元件为基础，采用AT89C52处理器，用汇编语言进行开发。
主要内容包括：
（1）超声波发射、接收电路设计；
（2）电源电路设计；
（3）数码管显示电路设计：
（4）报警电路设计；
（5）远程控制电路设计；
（6）基于模块化的系统软件开发。
2超声波测距的基本原理
2.1声波的介绍
2.1.1声波的概念和分类
超声波是声波大家族中的一员。
声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式，能在气体、液体和固体中传播。
所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动（譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动），这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播。
根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。
（1）次声波：
振动频率低于16Hz的机械波。
（2）声波：
振动频率在16～2×
Hz之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。
（3）超声波：
高于2×
Hz的机械波。
由于频率高于人的听觉上限（约为2×
Hz），因此人在自然环境下无法听到和感受到这种声波。
（4）微波：
频率在3×
～3×
Hz之间的机械波。
2.1.2声学基础知识
（1）声压与声强
介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强之差称为声压P。
随着介质中各点振动的周期性变化，声压也在作周期性变化，声压的单位是Pa。
（2-1）
式中：
——传声介质的密度
——声速
——介质中质点的振幅
——质点振动速度
——角频率
——相位角
声强
又称为声波的能流密度，即单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量。
声强是一个矢量，它的方向就是能量传播的方向，声强的单位是W/㎡。
（2-2）
式中：
——传声介质的密度
——声速
——压力
声压与声强代表了超声波所能携带的能量大小，是在超声检测技术中衡量超声波所能传播并能足够引起传感器响应范围的指标。
（2）物质的声学特性
声速：
声波在介质中的传播速度取决于介质的密度和弹性性质。
除水以外，大部分液体中的声速随温度的升高而减小，而水中的声速则随温度的升高而增加，流体中的声速随压力的增加而增加。
声阻抗特性：
声阻抗特性能直接表征介质的声学性质，其有效值等于传声介质的密度
与声速
之积。
记作：
（2-3）
式中：
——声阻抗特性
——传声介质的密度
——声速
声波在两种介质的界面上反射能量与透射能量的变化，取决于这两种介质的声阻抗特性。
两种介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。
例如，气体与金属材料的声阻抗特性之比接近于l：
80000，所以当声波垂直入射到空气与金属的界面上时，几乎是百分之百地被反射。
温度的变化对声阻抗特性值有显著的影响，实际中应予以注意。
（3）声的吸收：
传声介质对声波的吸收是声衰减的主要原因之一。
固体介质的结构情况对声波在其中的吸收有很大的影响。
例如，均匀介质对超声波的吸收并不显著，而当介质结构不均匀时，声吸收情况将发生明显变化。
2.2超声波的介绍
超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。
2.2.1超声波波形
由于超声波在介质中施力方向与超声波在介质中传播方向的不同，超声波的波形也不同，通常有以下几种：
纵波：
质点振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波，纵波能在固体，液体和气体中传播。
横波：
质点振动方向与波的传播方向相垂直的波称为横波，横波只能在固体中传播。
表面波：
质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波。
表面波质点振动的轨迹是椭圆形，其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。
表面波只在固体的表面传播。
板波：
在板状介质中传播的弹性波叫板波，其类型也很多，主要的一种叫兰姆波。
兰姆波既包含横波也包含纵波，且横波总是与板的表面垂直，根据两表面质点的振动是否对称于板的中部还可以分为对称型和不对称型。
本文开发的超声波液位传感器，利用的是超声波的纵波。
2.2.2超声波的物理性质
（1）束射特性：
由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的定律，即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射角也愈大。
超声波在反射、折射过程中，其能量及波形都将发生变化。
（2）吸收特性：
超声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因为物质要吸收它的能量。
对于同一物质，超声波的频率越高，吸收越强。
对于一个频率一定的超声波，在气体中传播时吸收最厉害，在液体中传播时吸收比较弱，在固体中传播时吸收最小。
超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射（或漫射）及吸收。
扩散衰减是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱。
散射衰减是由于介质不均匀性产生的能量损失。
超声波被介质吸收后，将声能直接转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。
（3）超声波的能量传递特性：
超声波之所以在各个工业部门中有广泛的应用，主要在于超声波比声波具有强大得多的功率。
当声波到达某一物质中时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率一样，分子振动的频率决定了分子振动的速度，频率愈高速度愈大。
物质分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决定的，所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。
超声波的频率比声波可以高很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量，换句话说，超声波本身可以供给物质足够大的功率。
（4）超声波的声压特性：
当超声波通过某物体时，由于超声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。
由于超声波振动引起附加压力现象叫声压作用。
2.2.3超声波测量的特点
（1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，且可传播足够远的距离。
传播的速度与传播介质的密度有关。
本文是利用纵向超声波在空气中的传播，来达到测量液位的目的。
超声波的纵波声速计算如公式（2-4）所示：
（2-4）
式中：
——声速
——密度
——热容比
——静态压力
（2）振幅很小、加速度非常大，可以传递较大的能量。
（3）在两种不同的媒质界面上超声波的大部分能量会被释放。
（4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。
（5）频率较高、波长较短，可以像光线那样沿着一定方向传播，其传播的能量较为集中，频率越高，指向性越强。
利用超声波的这些特性，可以设计发射和接收器件，很容易地实现直线距离的测量，进而可间接地测得流量，其抗干扰性能也比较强。
2.3超声波测量系统
以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收到的超声波转换成电量输入到单片机，根据发射和接收的时间差来计算距离，并将测量结果输出显示。
产生超声波和接收超声波的装置称为超声波换能器或超声波探头。
本系统采用压电式超声波传感器。
2.3.1压电式超声波传感器结构
压电式超声波传感器主要由超声波发射器（或称发射探头）和超声波接收器（或称接收探头）两部分组成。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器内部结构如图2.1所示，将两个压电元件粘合在一起，称为双压电晶片（由一个压电元件构成的称单压电晶片），这里介绍的超声波发生器有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
在实际应用中，压电式超声波传感器的发射器和接收器合成为一体。
由一个压电元件作为“发射”和“接收”兼用，其工作原理为：
将脉冲交流电压加在压电元件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号输出。
因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器。
图2.1超声波发生器内部结构
2.3.2超声波传感器分类
超声波传感器大致可分为如下几种类型。
（1）通用型：
超声波传感器频带宽一般可达数千赫，并有对频率的选择性。
通用型超声波传感器频带窄，但灵敏度高，抗干扰性强。
在多通道，且通道间频率较近的应用中最好采用窄频带型的超声波传感器。
通用型超声波传感器一般分别各有接收传感器和发送传感器。
因最大接收灵敏度和最大发送灵敏度的频率分别为
和
，若用一个传感器必然牺牲其一。
（2）宽频带型：
宽频带超声波传感器能在工作频率内有两个共振点，因而加宽了频带。
该传感器兼作发送和接收传感器。
（3）封闭型：
适用于室外环境的封闭型超声波传感器有较好的耐风雨性能，可用于汽车后面的检测装置上。
（4）高频型：
这种超声波传感器的中心频率高达200kHz，既可作接收也可作发送用，而且方向性相当强，可进行高分辨率的测量。
由于超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。
由于超声波在空气中传播时有相当的衰减，衰减程度与频率的高低成正比，而频率高则分辨率也高，故在短距离（小于lm）测量时应选择频率高（100KHz以上）的传感器，而长距离测量时要选择低频率的传感器。
本系统采用的40KHz的传感器。
2.4超声波的测距原理
在超声波测距电路中，发射端输出一系列脉冲方波信号，脉冲宽度为发射超声波的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。
超声波测距大致有以下两种方法：
（1）取输出脉冲的平均值电压，该电压（其幅值基本固定）与距离成正比，测量电压即可测得距离。
（2）超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即被反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，原理如图2.2所示。
超声波在空气中的传播速度为C，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离L，即：
（2-5）
图2.2超声波测距原理
在空气中，常温下超声波的传播速度是340米／秒，但其传播速度C易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高1℃，声速增加约0．607米／秒。
因此在测距精度要求很高的情况下，应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。
已知现场环境温度T时，超声波传播速度C的计算可近似如公式（2-6）所示：
（2-6）
由上式可知：
当温度T一定时，超声波的速度即定，只要记录从发射到接收的时间t，利用
即可求出被测距离。
故本文测量电路采用第二种方案。
2.5超声波测距误差分析
（1）发射接收时间对测量精度的影响分析
采用压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率40KHz，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。
对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。
设测量设备基准面距被测物距离为h，则空气中传播的超声波波动方程为：
（2-7）
式中：
——超声波传感器初始振幅
——衰减系数
——超声波传播距离
——角频率
——波数
其中
（2-8）
式中：
——空气介质常数，
；
——超声波频率。
超声波的波长公式：
（2-9）
式中：
——波长
——声速
——频率
由公式（2-8）可以算出，当
时，
；
时，
，它的物理意义是：
在
长度上平面声波的振幅衰减为原来的a分之一。
由此可以看出，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。
若用频率较小的超声波，虽然衰减小，传播远，但脉冲的波长较长，影响测量精度，当
时，波长为0.85cm；当
时，波长为1.7cm，显然仪器的精度就会降低一倍。
因此在设计超声波液位测量系统时，综合各方面因素，选用
的超声波。
经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波准确的接收时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。
（2）当地声速对测量精度的影响分析
当地声速对超声波测距精度的影响远远要比收发时间的影响严重。
超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即：
（2-10）
式中：
——气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.4
——普通常量8.314
——气体温度
——气体分子量，空气为28.8
由式（2-10）可知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。
工程上常用的由气温估算当地声速的公式如公式（2-6）所示。
公式（2-6）一般能为声速的换算提供较为准确的结果。
实际情况下，温度每上升或者下降l℃，声速将增加或者减少0.607m／s，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。
因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。
2.6盲区问题
一般超声波设备都存在有盲区，这对测量是无害的，但是在某些场合，例如倒车雷达设备，盲区太大会直接影响到设备的正常工作以及车辆安全，因而尽量减小盲区也是扩大测量范围提高测量精度的一个关键课题。
盲区的产生是由于余波干扰造成的。
余波的产生主要是由于压电式传感器存在振荡惯性，以及电路板上器件随通过电路板传播的超声波产生的机械振荡形成新的共振点造成的。
由于测量时超声波发射探头和接收探头距离较近（测量的需要），当发射探头发射超声波时，接收探头可能直接接收发出的超声波，这部分信号直接加到回波中，从而干扰回波信号的检测。
因此必须在超声波发射探头发射超声波后的一段时间内不能接收回波，由这段时间所产生的测量距离就是盲区。
减少发射脉冲数目、增加阻尼都能够有效的减少余波干扰。
3超声波液位测量系统的硬件设计
本系统的硬件电路主要由单片机系统、电源电路、超声波发送模块、超声波接收模块、LED显示模块、远程控制模块和报警模块等构成。
3.1硬件电路的总体设计
根据设计要求并综合各方面因素，本系统采用AT89C52单片机为主控芯片，配合各种外围电路芯片来实现各个功能，系统结构如图3.1所示。
图3.1系统结构图
本系统采用动态方法实现LED数字显示，超声波发送和接收由单片机和换能器完成，且单片机的记时器记录从超声波发射到接收过程的时间，经计算送LED显示。
另外，本设计还拥有与计算机的通讯功能，以满足超声波液位测量系统远程过程控制的需要。
并且当液面超出设定范围，能够报警。
3.2AT89C52控制系统
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能的COMS8位单片机，片内有8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256字节的随机数据存储器。
器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大，性价比高，为许多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案。
AT89C52的主要性能包括：
与MCS-51产品指令和引脚完全兼容；8KB字节可擦写Flash闪速存储器；1000次擦写周期；全静态操作：
0～24MHz；三级加密程序存储器；2048位内部RAM；32个可编程I/O口线；3个16位定时器/计数器；8个中断源；可编程串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式。
AT89C52的引脚示意如图3.2所示
图3.2AT89C52引脚
AT89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
本设计中，AT89C52的P1.0引脚用来产生40KHZ的方波信号，通过发射电路驱动超声波换能器发出超声波；
脚用来接收超声波返回产生的下降沿信号，从而引发中断。
串行口通过MAX232与PC端连接，进行远程控制。
当液位超出设定范围时，单片机向P1.3发出低电平，引起报警。
P1.4、P1.5、P1.6、P1.7分别控制相对应的数码管，单片机最小
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