超声波液位测量计的设计

毕业答辩PPT信息工程系自动化1081班超声波液位测量计设计超声波液位测量计的设计第1页1.1课题背景

伴随第二代超声波液位测量仪产生，物位测量到达了一个新应用水平。第二代超声波液位测量仪采取了先进技术而且在工业领域创建了最新标准。超声波液位测量仪最初设计是为净水和废水工业提供单测量点处理方案。可用于在污水泵站控制工作泵，在明渠测量中统计流量，在液位差测量中控制隔离栅，是一个在工业领域中有着广泛应用超声波物位仪表。超声波液位测量仪含有着非常简便程序设定模式，使用者只需在键盘上进行简便操作，即可完成全部功效设定。同时，它还含有程序锁定功效，使得未经授权者不能进入设定模式进行程序修改，确保了使用界面安全性。超声波液位测量仪含有多路供电系统，系统可自动转换接收交流115V/50Hz或230V/60Hz，同时系统接收24V直流供电，能够充分确保使用安全性和防止突发性断电对系统影响。超声波液位测量仪可显示各种物理量，包含液位、距离、体积和百分率。每一组继电器均可独立由程序设置为正向/反向动作、保持/归零和异常信号报警。模拟信号到达全量程连续输出。超声波液位测量计的设计第2页1.2本课题国内外研究现实状况.

当前市场上超声波液位计品种多样，大多采取温度赔偿方法对超声波传输速度进行校正，以提升仪表测量精度。此方法需在系统外加一个温度测量单元，经过测量环境温度，取得实际声速；由此也引进了温度测量误差，从而限制了系统精度深入提升。 在我国因为受到历史原因影响，液位传感器研制开发技术比较落后，各个基础行业资金投人不协调，以及一定时期人才青黄不接，造成了相关配套领域发展迟缓，甚至于停滞不前，这使得我国液位测量技术测量方法远远落后于其它发达国家。测量系统自动化程度不高，精度可靠性、功效等多方面都不如国外同类产品。近几年来伴随改革开放不停深入，我国经济技术水平得到了迅猛发展。国家也加大了这方面投入，测量技术得到了全方面发展和更新，使得我国液位测量技术发展比较快速。我国许多科研单位及企业共同研制开发了相关液位测量方面传感器这些产品在性能指标上、功效上都比以前有了很大程度提升，不过与国外同类技术相比还有侍深入改进[7]。超声波液位测量计的设计第3页1.3超声波传感器概述1.3.1超声波

声波是物体机械振动状态传输形式。超声波是指振动频率大于0Hz以上声波,其每秒振动次数很高,超出了人耳听觉上限,人们将这种听不见声波叫做超声波。超声波是一个在弹性介质中机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采取纵向振荡。超声波能够在气体、液体及固体中传输,其传输速度不一样。另外,它也有折射和反射现象,而且在传输过程中有衰减。超声波在媒质中反射、折射、衍射、散射等传输规律,与可听声波规律并没有本质上区分。与可听声波比较,超声波含有许多奇异特征:传输特征──超声波衍射本事很差,它在均匀介质中能够定向直线传输,超声波波长越短,这一特征就越显著。功率特征──当声音在空气中传输时,推进空气中微粒往复振动而对微粒做功。超声波液位测量计的设计第4页1.3.2超声波距离传感器技术应用

超声波传感器包含三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接收状态,处理单元对接收到超声波脉冲进行分析,判断收到信号是不是所发出超声波回声。假如是,就测量超声波行程时间,依据测量时间换算为行程,除以2,即为反射超声波物体距离。把超声波传感器安装在适当位置,对准被测物改变方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器距离。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可含有发送和接收声波双重作用。超声波传感器是利用压电效应原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波时候,则将超声振动转换成电信号。超声波液位测量计的设计第5页1.3.4超声波传感器在测距系统中应用

超声测距大致有以下方法:①取输出脉冲平均值电压,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测量输出脉冲宽度,即发射超声波与接收超声波时间间隔t,故被测距离为S=1/2vt。假如测距精度要求很高,则应经过温度赔偿方法加以校正。超声波测距适合用于高精度中长距离测量超声波液位测量计的设计第6页1.4本课题设计主要工作及结构安排1）超声波发射与接收 经过查阅相关资料，了解到在超声波测量中频率取得太低，外界杂音干扰较多，频率取得太高，检测距离越短[9]，依据此次课题实际情况，可采取40KHz收发分体式超声波传感器。利用软件产生40KHz脉冲信号，鉴于单片机输出口驱动能力较弱，应在发射电路上增加功率放大电路，从而提升测量距离，到达课题要求。从接收传感器探头传来超声回波很微弱（几十个mV级），又存在较强噪声，所以接收电路必须包含前置放大电路和滤波电路，从而实现对有用信号进行放大，并抑制其它噪声和干扰。超声波液位测量计的设计第7页1.4本课题设计主要工作及结构安排2）提升精度处理 因为超声波声速与温度相关，假如要想提升精度，则应经过温度赔偿方法加以校正。由测量精度分析可知，假如能够知道当地温度，则可依据公式C=331.5+0.607T求出当地声速，从而能够取得较高测量精度[10]。采取热敏电阻，热电偶、集成温度传感器都能够取得较为准确温度值。从性价比和使用方便程度来考虑，使用数字温度传感器来获取系统运行环境温度是最正确方案。超声波液位测量计的设计第8页3）与PC机通讯功效 上位机和单片机通信有串行通信或者并行通信，单片机与PC机通信，包括到两个方面，首先是单片机C51程序，完成数据收发；二是PC机串口通信程序和界面编制。经过查阅资料了解到，单片机与PC通讯能够使用VB，labview，VC++，Delphi，C++Builder等软件来实现界面显示，依据自己学习情况与熟悉程度，能够采取C++Builder应用程序界面实现单片机与PC机通讯。4）查阅相关数据，分析超声波液位测量仪组成，确定超声波液位测量仪总体方案。5）完成超声波液位测量仪硬件和软件设计。6）系统组成包含：单片机最小系统、电源模块、超声波发射模块路、超声波接收模块、键盘显示模块、温度测量模块。超声波液位测量计的设计第9页1.5超声波测量原理及方案

超声波(15KHz以上)能在气体、液体、固体中传输,其传输速度及衰减量随物质不一样而不一样。其传输速度(c)与物质密度(ρ)积(ρc)称为该物质声阻抗。在两种物质界面上,超声波反射率取决于声阻抗,ρc大反射率也大。超声波在空气中传输,碰到障碍物(包含水等液体,只要符合ρc较大情况)时,就会产生显著反射。超声波传输含有一定直线性,遇障碍物会产生反射。 如图一所表示：设置一个超声波发射器和一个接收器(频率相同)。发射器用于发射一个超声波信号,而接收器用于接收从障碍物反射回来超声波信号。假如使两束波夹角θ远小于发射器和接收器与障碍物之间距离h,那么,超声波从发射到被接收时间t与h成正比关系,即h=c3(t/2)(1)其中c是超声波速度,在空气中约344m/s。我们能够经过测量超声波在这个过程传输时间t来计算出物距h。超声波液位测量计的设计第10页1.5超声波测量原理及方案

在超声波测物距原理基础上增添一些装置就能够到达测量液位目标,组成超声波液位计。其工作原理如图2,将超声波发射、接收器安装在离液体底部高为H位置上,设液面高度为h′。采取超声波测距离原理测量出液位计到液面距离h,则液位高度(深度)为: h′=H-h(2) 使用适宜电路来实现这个运算,就能够做成液位计了。图1超声波发射示意图超声波液位测量计的设计第11页1.5超声波测量原理及方案图2液位计示意图超声波液位测量计的设计第12页2系统组成及说明

超声波反射式液位计主要由发射、接收和计数/显示电路组成。整机电路方框图如图3所表示:

图3液位计整机电路框图

超声波液位测量计的设计第13页系统组成及说明

在图3中,发射电路是一个40KHz多谐振荡器,与超声波发射换能器连接能够发射出一串串断续40KHz超声波信号,发射完每一串它就向计数器送出一个脉冲,触发开启计数,假设该时刻为t0。接收电路与接收器连接,用于接收从障碍物反射回来超声波信号,并将其转换成电信号,接收完一串完整信号,就产生一个脉冲,设此时刻为t1,脉冲用来读取这一时刻译码器中数据,此数据(时间差)就是超声波传输时间t=t0-t1。译码电路负责把计数器送来BCD码,转换成七段LED码,然后驱动LED数码管,显示出结果。计数电路中时基电路用于产生计数器用时钟脉冲CP,其频率决定了计数、显示数值单位。在此基础上,增加一个减数运算电路,将计数器计出液面距离h作减数,使计数结果符合h′=H-h,则显示结果液面高度(液位)。超声波液位测量计的设计第14页 2.1发射振荡电路

发射电路超声波发射器基本振荡电路由时基电路555和R3、W2、C10等组成,其振荡频率为: fT=1.44/[(R3+2W2)C10] 调整W2,可使振荡频率与选定超声波发射头振荡频率(40KHz)相一致。图4中555振荡器振荡是否,受控于由IC4C、IC4D组成双稳态触发电路,而该双稳态电路输出状态又受控于由IC4A、IC4B组成低频振荡器和由IC1(4017)组成8分频电路。555振荡器振荡方波加至十进制计数器/脉冲分配器IC314脚作为时钟,IC3第6脚(Q7)与它复位端15脚相连。超声波液位测量计的设计第15页发射振荡电路IC3在40KHz时钟作用下,在它对应脚上依次出现Q0—Q7高电平脉冲,至第6脚出现Q7脉冲,一路送到第15脚(RST端),使IC3复位,实现8分频;同时,另一路加至IC4D输入端,使IC4D输出转呈低电平,将555时基电路复位端(第4脚)封锁,使555振荡电路停振。还有一路是作为复位/开启(RESET)信号送给计数器,开启计数。超声波液位测量计的设计第16页

电路中,T1和T2等组成高增益共射极放大器,它对接收换能器收到反射回来超声波信号进行放大,然后送到由IC6组成触发电路。经整形后脉冲作为时钟加至IC7(4017)时钟输入端(14脚)。IC7接法与IC5相同,也为8分频电路。当接收器收完第8个脉冲信号时,IC7输出一个脉冲,使计数/显示电路中译码器原来处于封锁状态翻转为读数状态,读取数据之后又锁定显示结果。图5接收电路2.2接收电路超声波液位测量计的设计第17页

2.3探头电路 超声波发射换能器和接收换能器合装在一起（方便使用），并与其它电路分离,用一根多芯信号线与电路板连接。电路如图7,从发射振荡电路555第3脚送来40KHz方波信号,经一级RC低通滤波后,进行电压放大。电压放大目标在于使发射换能器有足够能量,提升有效测量范围。2.4译码显示电路 LED（LightEmittingDiode）是当外加电压超出额定电压时发生击穿而发出可见光，LED工作电压通常为2～20mA。工作压降为2V左右，使用时需加限流电阻。显示电路采取LED数码管显示，数码管含有：低能耗、低损耗、低压，对外界环境要求低，易维护优点，虽只能显示非常有限符号和数码字，但可完全满足本设计。在显示部分采取LED动态显示技术，节约单片机空间，而且动态显示电流很小，单片机能够提供。超声波液位测量计的设计第18页3超声波液位计检定与校准当前，我国尚无专门针对超声波液位计检定规程，检定/校准工作可按照《JJG971-液位计检定规程》中相关条款进行。液位计检定周期普通不超出1年，也可依据使用环境条件、频繁程度和主要性来确定。也可依据本身条件，参考国家计量检定规程，制订企业内部对应校准规范。超声波液位测量计的设计第19页4致谢 本论文是在我导师张丹红教授悉心指导和帮助下完成。张老师严谨求实治学态度和认真踏实工作作风给了我很大影响。感激这一学期来张老师对我教诲和培养，使我在硬件设计和撰写论文等方面能力有了极大提升，而且教诲我们怎样