传感器课程设计超声波液位传感器在工业中的应用.docx

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传感器课程设计超声波液位传感器在工业中的应用

传感器与测试技术

课程设计任务书

课题名称：

超声波液位传感器

在工业中的应用

传感器与测试技术

课程设计任务书

1课程设计的性质和任务

传感器与测试技术系统地论述了测试系统及其基本特性；介绍了测试系统中传感器的结构、基本原理和典型应用，以及传感器的发展趋势、选用原则等；讲解了“信号处理”，包括测试系统中的信号调理与数据采集，信号处理和数字信号处理基础等；还专门讲述了“典型测试系统”，包括振动、噪声、机械参量、工业自动化等测试系统的构建与应用。

2课程设计的目的

通过课程设计，使学生学生加深理解所学的理论知识，提高运用所学知识的能力，按照给定的设计资料和设计要求，使学生掌握电气控制系统设计的基本技能，增强独立分析与解决问题的能力。

3课程设计内容与要求

3.1设计题目的选择

1．设计题目：

液位传感器在水处理中的应用。

2．题目的选择：

液位传感器（静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器）是一种测量液位的压力传感器．静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。

基于上述原因，我选择液位传感器在水处理工业中的应用。

3.2设计的内容与要求

3.2.1设计内容

液位传感器在水处理工业中的应用

3.2.1设计要求

能感受液位（液位，料位）并转换成可用输出信号的传感器。

液位传感器可分两类：

一类是连续测量液位变化的连续式液位传感器；另一类是以点测为目的的开关式液位传感器即液位开关。

目前，开关式液位传感器比连续式液位传感器应用得广。

它主要用于过程自动控制的门限、溢流和空转防止等。

连续式液位传感器主要用于连续控制和仓库管理等方面，有时也可用于多点报警系统中。

4.设计过程

4.1系统方案设计

液位传感器的种类繁多，本设计选择超声波传感器。

超声波液位传感器它是一种非接触式的液位传感器，应用领域十分广泛。

其工作原理是，工作时向液面或粉体表面发射一束超声波，被其反射后，传感器再接收此反射波。

设声速一定，根据声波往返的时间就可以计算出传吸器到液面（粉体表面）的距离，即测量出液面（粉体表面）位置。

其敏感元件有二种，一种是由线圈、磁铁和膜构成的，另一种是由压电式磁致伸缩材料构成的。

前者产生的是10KHz的超声波，后者产生的是20~40Khz的超声波。

超声波的频率愈低，随着距离的衰减愈小，但是反射效率也小。

因此，应根据测量范围、液位表面状况和周围环境条件来决定所使用的超声波传感器。

高性能的超声波液位传感器由微机控制。

以紧凑的硬件进行特性调整和功能检测。

它可以准确地区别信号波和噪声，因此，可以在搅拌器工作的任况下测量液位。

此外，在高温或吹风时也可检测液位，特别是可以检测高粘度液体和粉状体的液位。

4.2工作过程

超声波测量液位的基本原理是：

由超声探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。

超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点：

（1）无任何机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触式测量，不怕电磁干扰，不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；

（2）其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。

　　一般水处理工业系统采用的超声波传感器的工作频率为40kHz左右。

由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液面。

考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以提高测量精度。

计算公式为：

　　V=331.5+0.607T

（1）

　　式中：

V为超声波在空气中传播速度；T为环境温度。

　　S=V×t/2=V×（t1－t0）/2

（2）

　　式中：

S为被测距离；t为发射超声脉冲与接收其回波的时间差；t1为超声回波接收时刻；t0为超声脉冲发射时刻。

利用MCU的捕获功能可以很方便地测量t0时刻和t1时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测距离S。

由于本系统的MCU选用了具有SOC特点的混合信号处理器，其内部集成了温度传感器，因此可利用软件很方便的实现对传感器的温度补偿。

超声波传感器

超声波传感器

超声波传感器词条图册

词条图片（15张）

图1工作模式图

4.3工作原理

人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。

常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。

　　超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：

横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。

在工业中应用主要采用纵向振荡。

超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。

另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。

在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。

在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。

利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。

　　超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。

电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。

压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。

有的超声波传感器既作发送，也能作接收。

这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。

这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。

该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。

另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。

它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。

超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。

图2超声波测液位距离电路原理图

 4.4）主程序流程图、

超声波传感器的软硬件结构设计

超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。

单片机采用AT89S52，采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。

单片机用P1.0端口输出超声波发射器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。

显示电路采用简单实用的四位共阴LED动态扫描显示。

超声波发射电路主要由74LS00和超声波发射器T-40构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级与非门后送到超声波发射器的一个电极，另一路经两级与非门后送到超声波发射器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。

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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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换能器。

超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成，它是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。

考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。

实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。

软件分为两部分，主程序和中断服务程序，主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。

定时中断服务子程序完成超声波的发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。

程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。

置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2置位（本设计采用四位共阳LED动态显示，P0为段选口，P2为位选口，均低电平有效）。

然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。

由于采用的是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1μs，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式

（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20℃时的声速为344m/s则有：

（2）

其中，T0为计数器T0的计算值。

测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。

为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用C语言编写，主程序流程图如下（图5-1）：

图3主程序流程图

4.5系统的软硬件调试

硬件调试具体过程如下：

（1）.检查电路是否存在虚短的情况；

（2）.将电路联通后，用示波器观察发射端是否产生40K超声波；

（3）.在发射电路正常的情况下，用示波器观察接收端波形，并与发射端波形进行比较观察；

（4）.调试显示部分。

硬件电路制作完成并调试好后，便可将测试程序下载到单片机试运行，检查电路是否能够正常运行，在电路正常的情况下将超声波测距程序下载到单片机中运行。

根据实际情况可以修改超声波发射子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。

根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为20cm～2m，测距仪最大误差不超过3mm。

系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。

单片机测试程序如下:

unsignedcodetable[]={0x01,0x03,0x07,0x0f,0x1f,0x3f,0x7f,0xff};

voiddelay（intz）

{intx,y;

for（x=z;x>0;x--）for（y=110;y>0;y--）;

}

voidmain（）

{inti;

while

（1）

{i++;

if（i==8）

{i=0;}

P0=table[i];

delay（50）;

P1=table[i];

delay（50）;

P2=table[i];

delay（50）;

P3=table[i];

delay（50）;}}

5.设计总结

设计的最终结果是让大家知道液位传感器的工作原理和工作性能，证实它的技术成熟。

让传感器在水处理工业中得到更广泛的应用。

在毕业设计的短短几个月里，我学到了很多，实质性的了解到了超声波传感器的原理及其应用方法和应该注意的事项，同时也让我对单片机方面的知识了解的更加深刻，懂得融会贯通，将理论结合到实际的电路设计上来。

最后感谢老师在毕业设计中对我给予的悉心指导和严格要求，及其他专业的老师给我提供了种种专业知识和文本格式上的指导，同时也感谢有经验的同学在作业设计期间所给予我得帮助。

参考资料

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