摘 要：本文利用超聲波傳感技術(shù)結(jié)合相應(yīng)測試算法對群罐體容器內(nèi)液位進行測控和集中管理，可實現(xiàn)非接觸式測量，大大增加了系統(tǒng)的連續(xù)工作時間，簡化和方便了對傳感器的維護，還可實現(xiàn)不停產(chǎn)檢修，提高了生產(chǎn)率和管理水平。本文簡述了該系統(tǒng)的工作原理、組成結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法，并對傳感器及微控制器的選用等內(nèi)容進行了論述。采用單片機來控制超聲波的發(fā)射與接收，并且計算出液位，使測試儀器具有更高的智能性。 關(guān)鍵詞：超聲波傳感器，液位監(jiān)控，液位測量，溫度補償，MSP430 Abstract: Utilizing the technology of Ultrasonic wave, relevant test arithmetic and the PC to carry on monitoring, controlling and centralized management of the liquid-level in the liquid container, can prevent from keeping in touch with the examined liquid, not only has increased the continuous working time of the system greatly, simplifying maintenance of the sensor conveniently, can also realize overhauling in producing and boost the productivity and management level. The working principle, hardware structure of the instrument and the design method are presented, the selection of sensor and MCU is discussed in detail. The more intelligent can be obtained when using the MCU to control the emission and receive and to calculate the liquid-level. Key words: Ultrasonic Sensor, Liquid-level Monitoring, Liquid-level measure, Temperature compensation, MSP430 1 引言 　　目前，較常用的罐體液位測量根據(jù)測量方式的不同可分為接觸式與非接觸式兩種類型，接觸式測量是指用傳感器直接與罐內(nèi)液體介質(zhì)相接觸的測量方法，由于所用傳感器與罐內(nèi)液體相接觸，因此在設(shè)計和安裝傳感器時必須要考慮耐滲漏、耐腐蝕等問題。而在本設(shè)計中采用了非接觸式的超聲波測量技術(shù)對罐體的液位進行檢測，由于傳感器不直接接觸被測液體，因此稍加防護措施該方式就具有可靠性高、易維護、檢修周期長、可以實現(xiàn)不停產(chǎn)檢修等優(yōu)點。另外由于工程布線等方面的原因，給線路的檢修和維護帶來極大的不便。在一些具有腐蝕性液體的測試現(xiàn)場，往往會因為環(huán)境中的腐蝕性氣體的存在和侵害，而導(dǎo)致信號傳輸線路的故障或損害所造成的停產(chǎn)時有發(fā)生。隨著無線通信模塊技術(shù)性能的不斷提高和價格的不斷下降，采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，無疑將對系統(tǒng)的信號傳輸帶來極大的方便，一方面可省去工程布線，另一方面可大大簡化線路維護和檢修工作。又可免除線路的檢修和維護帶來極大的不便。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 　　2.1 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)和工作原理 　　本設(shè)計主要有超聲波傳感器、流量傳感器、電磁閥、微控制器MCU、無線收發(fā)模塊、LCD顯示器、鍵盤等組成，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。 　　本系統(tǒng)中的液位傳感器采用的是超聲波傳感器，利用超聲波傳感器采集信號并結(jié)合相應(yīng)的測試算法，實現(xiàn)對液罐內(nèi)液位進行測試，并由高性能單片機MSP430完成對信號進行采集、處理、分析、顯示、存儲以及與上位機進行通信等。超聲波發(fā)射電路能在單片機的控制下發(fā)出超聲波。接收電路接收到信號之后送入單片機進行處理，然后計算罐底到液面的距離即當前液位，將測試結(jié)果在現(xiàn)場顯示器顯示的同時還可通過無線傳輸方式將獲得的液位等數(shù)據(jù)傳送給上位機，以便對測試數(shù)據(jù)作進一步分析處理或?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理。系統(tǒng)的總體組成結(jié)構(gòu)見圖1。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)的總體組成結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　2.2 超聲波傳感器測試原理及接口設(shè)計 　　2.2.1 超聲波傳感器及液位測試原理 　　超聲波測量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長。（2）其響應(yīng)時間短可以方便的實現(xiàn)無滯后的實時測量。 　　本系統(tǒng)采用的超聲波傳感器的工作頻率為40kHz左右。由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，傳到液面經(jīng)反射后返回接收傳感器，測出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而確定液面[1]?？紤]到環(huán)境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補償?shù)姆椒▽鞑ニ俣扔枰孕Ｕ?，以提高測量精度。計算公式為： 　　V=331.5+0.607T （1） 　　式中：V為超聲波在空氣中傳播速度;T為環(huán)境溫度。 　　S= V ×t/2= V×（t1-t0）/2 （2） 　　式中：S為被測距離;t為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時間差;t1為超聲回波接收時刻;t0為超聲脈沖發(fā)射時刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t0時刻和t1時刻，根據(jù)以上公式，用軟件編程即可得到被測距離S[2]。由于本系統(tǒng)的MCU選用了具有SOC特點的混合信號處理器，其內(nèi)部集成了溫度傳感器，因此可利用軟件很方便的實現(xiàn)對傳感器的溫度補償。 　　2.2.2 超聲波傳感器與MSP430的接口 　　本系統(tǒng)選用的是SCS-401系列超聲波傳感器，諧振頻率為40KHZ左右，其信號處理電路由兩部分組成：即超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路。為了便于調(diào)試，超聲波振蕩器采用硬件電路設(shè)計，利用MCU進行發(fā)射控制。由于罐體液位的測量范圍一般不超過5米，因此超聲波接收電路的靈敏度不必太高，為了簡化設(shè)計，本系統(tǒng)中采用了兩級放大和比較電路，超聲波發(fā)射和接收電路及其與MCU的接口見圖2所示（信號從P25發(fā)射，從P24接收）。 　　2.2.3流量傳感器信號與MSP430的連接 　　為簡化系統(tǒng)的維護和檢修，本系統(tǒng)中的流量傳感器采用的是無機械傳動部件的渦街流量傳感器，由于該傳感器可直接輸出當量脈沖信號，因此其信號處理電路的設(shè)計較為簡單，僅需利用施密特觸發(fā)器對其進行整形即可送作為MCU的中斷請求信號對其進行處理即可。見圖2，流量傳感器從圖中的JIN1接入。 [align=center] 圖2 下位機電路原理圖[/align] 　　2.2.4無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及其與系統(tǒng)的連接 　　本系統(tǒng)采用的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊為SRWF-108（或SRWF-1），該模塊采用FSK調(diào)制方式，工作頻率為429MHZ～433.3MHZ，其通信信道為半雙工模式，比較適合點對多點的通信傳輸系統(tǒng)，可直接支持RS-232標準的串行通信，但由于該模塊的輸出信號為TTL，因此與上位機連接的模塊須設(shè)計一個TTL——-EIA電平轉(zhuǎn)換電路，本系統(tǒng)中采用的是MAX232。見圖2，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與下位機的P34、P35相連。 　　2.3微控制器MCU的選型 　　為盡可能簡化和方便系統(tǒng)設(shè)計并降低下位機的功耗，本設(shè)計采用TI公司的具有SOC特點的MSP430系列MCU，這是一種超低功耗的16位混合信號控制器，其內(nèi)部集成了大量的外圍模塊和溫度傳感器。MSP430單片機采用最新的低功耗技術(shù)，工作電壓范圍為1.8～3.6V，有正常工作模式（AM）和多種低功耗工作模式;當電源電壓為3V 時，其最低功耗模式下的功耗僅0.1μA。它的超低功耗性在實際應(yīng)用中，尤其是在電池供電的便攜式設(shè)備中表現(xiàn)尤為突出。本設(shè)計所采用的是MSP430F1232微控制器，具有非常高的集成度，片內(nèi)集成了10通道的10位A/D轉(zhuǎn)換、具有PWM功能的定時器、溫度傳感器、片內(nèi)USART、看門狗定時器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的具有中斷功能的I/O 端口、大容量的片內(nèi)Flash 和RAM 以及信息Flash 存儲器[3]。其中Flash 存儲器可以實現(xiàn)掉電保護和軟件升級。 　　綜合以上特點可見： 采用MSP430單片機作為測試儀器的處理器，可簡化系統(tǒng)電路設(shè)計、縮短開發(fā)周期，降低系統(tǒng)功耗、同時又能提高系統(tǒng)性能。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　本設(shè)計是以超聲波傳感器作為主要探測器件，通過超聲波脈沖反射接收法對液罐內(nèi)液位進行測量，然后根據(jù)相應(yīng)的測試算法計算出當前液罐內(nèi)液位。也可將測試結(jié)果通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)接嬎銠C，對測試數(shù)據(jù)作進一步分析處理。 　　基于單片機的液位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的軟件設(shè)計主要有兩部分組成：下位機控制程序采用匯編編寫，上位機處理程序主要采用C#.net編寫。 　　3.1 下位機處理程序 　　測量過程是由單片機部分和超聲波電路部分共同完成的，可設(shè)定發(fā)射一次超聲波的間隔時間為0.5 s。發(fā)射時，單片機從P2.5發(fā)出發(fā)射允許控制信號，由發(fā)射電路從超聲波發(fā)射端發(fā)出約40kHz的超聲波，為消除發(fā)射干擾經(jīng)一定的延時后再打開單片機內(nèi)的定時器開始定時，起始時刻記為t0;超聲波碰到液面后反射回來被接收端接收;此時由單片機的P2.4口通過中斷接收，若檢測到信號，則記下該時刻t1，定時器停止定時，定時器定時時間t=t1-t0即為超聲波從發(fā)射到接收的時間;由MCU計算出液位送LCD就地顯示和處理并通過串行通訊端口將計算出的數(shù)據(jù)傳輸給上位機。若單片機系統(tǒng)接收不到超聲波回波信號，則到0.5 s時重復(fù)上述過程開始下一輪的循環(huán)。其主程序流程圖如圖3所示。 　　3.2 上位機處理程序 　　上位機處理程序主要采用C#.net[4]編寫，將測試數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)絇C機，實現(xiàn)對液罐內(nèi)液位的實時監(jiān)控;同時將測試數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，對測試數(shù)據(jù)作進一步處理。其監(jiān)控界面如圖4所示。 [align=center] 圖4 液位監(jiān)控系統(tǒng)界面[/align] 　　3.3 系統(tǒng)的點對多點無線通信的實現(xiàn) 　　主站是通過主控計算機對各分布的罐體或從站進行遠程監(jiān)控。在本系統(tǒng)中，無線通信是實現(xiàn)兩端設(shè)備交換數(shù)據(jù)的主要手段。采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式可省去工程布線，又可以大大簡化線路維護和檢修工作，從而可免除線路的檢修和維護帶來極大的不便。 　　為了避免沖突，本系統(tǒng)采用地址位方式實現(xiàn)主站對多從站的尋址。從站以總線方式與主站連接。每次主站以某一地址呼叫，只有地址相同的從站能識別呼叫并做出響應(yīng)。為了避免線路擁塞，在監(jiān)測多個從站時，由主站循環(huán)向所監(jiān)控的各從站發(fā)出查詢請求，各從站依次響應(yīng)相關(guān)請求。例如對16個從站進行監(jiān)控，應(yīng)先對16個從站進行地址編碼，例如1號從站對應(yīng)地址F0，2號對應(yīng)F1，依次類推（增加從站數(shù)量只需增加地址碼即可）。本系統(tǒng)定義了一個點對多點通信的幀格式，如表1所示，幀頭部由地址碼組成，幀數(shù)據(jù)由控制碼，數(shù)據(jù)與結(jié)束碼組成。 　　表1 通信幀格式 　　通信協(xié)議規(guī)定，任何接收方在接收到數(shù)據(jù)時以相同的控制碼應(yīng)答發(fā)送方。例如從站發(fā)送報警，對應(yīng)于主站的接收報警;主站發(fā)送實時查詢，對應(yīng)于從站的發(fā)送液體流量、液體流速等信息。 　　3.4 系統(tǒng)測試及實驗數(shù)據(jù)分析[5] 　　本實驗在實驗室內(nèi)進行，氣溫約為25℃時，通過鋼皮卷尺與超聲波液位測試儀對照測量，測試數(shù)據(jù)見表2。 　　表2 實驗數(shù)據(jù) 　　測量距離是以厘米為分辨率的3位數(shù)字顯示，由表2知，絕大部分實驗數(shù)據(jù)滿足士1cm的測量精度（在25℃左右），少部分數(shù)據(jù)的誤差也在出2～3cm的范圍內(nèi)，實現(xiàn)了該液位測試儀器的測試精度。由于環(huán)境溫度對超聲波傳播速度的影響，使得測試誤差變大。所以需要通過溫度補償?shù)姆椒▽鞑ニ俣扔枰孕Ｕ?，以提高測量精度。 4 結(jié)束語 　　本文創(chuàng)新點：利用超聲波傳感器實現(xiàn)液位的非接觸式測量，解決了采用接觸式液位傳感器所存在的易滲漏、易腐蝕不便于檢修和維護等問題，提高了系統(tǒng)的可靠性高，并充分利用MCU內(nèi)部集成的溫度傳感器對超聲波傳感器進行有效的溫度補償和校正，大大提高了系統(tǒng)的測量精度。硬件電路設(shè)計集成度高，可靠性強;測試裝置小巧方便，便于安裝和維護，功能強。由于本儀器成本低，具有較好的社會效益和經(jīng)濟效益，在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 參考文獻 　　[1] 趙廣濤,程蔭杭. 基于超聲波傳感器的測距系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微計算機信息，2006，22（1）:129-131 　　[2] 苗匯靜，唐詩，譚博學(xué).超聲波汽車倒車報警器的設(shè)計[J].山東理工大學(xué)學(xué)報,2005,19（4）: 6-9. 　　[3] 魏小龍. 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