一種基於低功耗單片機的超聲波液位跟蹤儀系統和方法
2023-05-13 04:19:41 1
一種基於低功耗單片機的超聲波液位跟蹤儀系統和方法
【專利摘要】一種基於低功耗單片機的聲波液位跟蹤儀系統，其包括低功耗液位記錄手持PDA，低功耗液位記錄手持PDA可用於採集一個與其對應的配對的低功耗液位記錄儀的歷史液位數據，或一個低功耗液位記錄手持PDA對應於至少一個能與其配對的低功耗液位記錄儀的歷史液位數據。
【專利說明】一種基於低功耗單片機的超聲波液位跟蹤儀系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超聲波液位跟蹤，特別涉及一種可用於汽車車載的基於低功耗單片機的超聲波液位跟蹤儀系統和方法。
【背景技術】
[0002]隨著嵌入式微處理器技術的迅速發展，油量液位測量儀表從早期採用浮球等機械原理逐步向機電一體化發展。國內外液位測量儀表發展的技術動向主要有以下三個熱點:
[0003]1、智能化；
[0004]2、非接觸測量方式的液位計；
[0005]3、新原理的小型液位開關；
[0006]在非接觸測量方式的液位計中，有很多基於不同測量原理的液位計:雷達液位計、雷射液位計、Y射線液位儀、超聲波液位計等。其中，超聲波液位計是目前發展最為快速的一種技術，在技術、成本、精度、安裝等方面具有綜合優勢。超聲波測距技術基於超聲波在介質中的傳播速度及遇到被測液位表面產生反射的原理，超聲換能器發射超聲波脈衝信號到接收到回波所需的時間，就表示了介質與超聲換能器之間的距離。
[0007]國內外液位測量儀表在早期大多採用機械原理，隨著嵌入式微處理器技術的迅速發展，液位測量儀表已從採用浮球等機械原理逐步向機電一體化發展，當前國外液位測量技術的主要發展特點為:
[0008]1、適應國際市場需要，佔領【技術領域】制高點；
[0009]2、生產與市場緊密聯繫；
[0010]3、高度產品質量意識，生產高度自動化；
[0011]4、產供銷網絡化，全方位技術服務；
[0012]德國Endress+Hauser (恩德斯豪斯,簡稱E+H公司)是世界範圍內自動化領域的領導者之一，E+H公司總部位於瑞士，先後在德國、瑞士、法國、美國、日本、中國等世界工業國成立了規模龐大的生產中心，在全球有超過六萬名員工進行研究、開發、生產、銷售和維護等工作，擁有70多個獨立的子公司分布在全球，E+H公司嚴格的品質管理和完整的質保體系均達到IS09001國際標準。其投建生產的表面貼焊自動化生產線是全世界速度最快的，速度為其他公司的3倍。
[0013]荷蘭Honeywell (霍尼韋爾)公司的DCS測量系統測量精度高、運行穩定、環境適應能力強、擴展性能好、協議靈活，被廣泛應用於全世界各罐區。在該公司的智能雷達液位計性能測試中，在18米長的測量通道上，雷達探測頭與雷射探測頭自動每隔一毫米正反測量一次，保證了測量的高精度。
[0014]我國在液位測量【技術領域】與國外相比還有非常大的差距。國內計量儀表的生產和發展主要採用引進國外先進技術，仿製國外先進產品，合資代理等方式，缺乏擁有完全自主產權的核心技術。國內在計量儀表領域普遍存在著產品性能指標低、儀表可靠性能差、企業科研技術實力薄弱、企業生產設備落後、不重視產品售後服務等問題。近年來，由於我國在精確計量儀表領域的不斷努力，已出現了某些高新技術液位計產品達到甚至超過國際先進水平，但在市場認可度，市場佔有率等方面還遠遠無法與國外相比。
[0015]北京均友欣業科技有限公司研究開發的BJLM-80伺服式液位計技術新穎，功能齊全，可同時測量液位，不同液體分界面、單點溫度、平均溫度、分段密度、平均密度、分段壓力等。該系統測量精度高，對液位的測量精度為±lmm、分界面的精度為±2mm、溫度精度±0.2°C、密度精度±0.5kg / m3。該產品性能可靠，使用簡便，打破了國外產品在該領域的壟斷，填補了國內的空白。
[0016]中科院光學研究所與武漢大學均研製成功了基於光纖的液位檢測系統。北京航天智控工程公司研製的UBG光導電子液位儀，其精度可達±2mm ;MET_I型磁效應液位儀精度為0.05%。1995年推出的BL30雷達液位計精度為土 [1+空高X3%。] [I]。這些產品的相繼研發成功大大推動了我國液位檢測技術的發展，為趕超國際先進技術做出了貢獻。
[0017]國內外超聲波測距技術的發展現狀:超聲波測距是利用超聲波反射原理檢測常壓或低壓容器內液體液位或固體料位的非接觸式物位測量方式，可廣泛應用於化工、電力、冶金、輕工、水處理等工業或民用部門的各種液體或固體物位測量，並可以對明渠、堰體中的流量進行測量。超聲波液位計是非接觸式液位計中發展最快的一種，國內外對超聲波測距儀研究，主要在大量程測距、高精確度測距以及測距智能化，網絡化等幾個方向。智能化的超聲波液位計通常帶有一套功能強大的軟體系統對其所發射出的探測超聲波波及回波進行分析。
[0018]澳大利亞HAWK公司推出的基於HPAWK技術SULTAN系列高能聲波非接觸物位計技術使超聲波測距技術有了重大的突破，該系列產品克服了聲波傳播過程中發生衰減的影響，優化了對複雜多樣回波的識別技術，大大拓寬了超聲波測距技術的應用場合，使超聲波測距可適用於生產罐、粉塵幹擾較多、物料較大的多種惡劣工作環境。HPAWK技術具有優秀的回波處理技術，5至50KHZ的超高發波頻率使其最大量程可達到120米；適用介質溫度為-20°C至+175°C;智能的全自動調節發波頻率，自動的溫差補償功能使其工作更加穩定可靠。SULTAN系列產品使用智能調節技術，提高了超聲波產品的可靠性及性能指標。該系列產品在5KHz和120米(理想環境下可達195米)的測距技術上將對手遠遠拋在後面。目前，SULTAN高能聲波物位計已經在全國電廠近800套原煤倉上投入使用，運行情況良好。
[0019]國產同類型的超聲波測距儀由於難以突破較低頻率(5kHz)和發射高能量波的技術瓶頸，普遍發波能量較弱，一般應用於測量較小距離的簡單場合，不能在粉塵幹擾大，工作環境惡劣的情況下長期保持良好的工作狀態。就市場角度而言，一般企業出於成本控制方面的考慮不會大量採用價格昂貴的尖端測距儀，在國內市場佔主導地位的還是價格便宜，採用成熟技術的高性價比普通測距儀。國內測距計量儀表生產廠家需要在市場拓展與技術提升上穩打穩紮，逐步趕超世界先進技術，提高企業競爭力。
【發明內容】
[0020]本發明主要介紹了一種基於低功耗單片機的超聲波液位跟蹤儀系統的硬體發明與其工作方法，該基於低功耗單片機的超聲波液位跟蹤儀系統的詳細發明與其性能指標即本發明所主要闡述的內容。
[0021]液位測量被廣泛的運用於各類工業測量與控制場合中。例如在油氣儲運過程中，精確測定儲油罐中的液位高度是正確計算儲油量、確定庫存、計算輸量、保證安全的重要措施，若油罐液位測量控制不好，會出現溢油「冒頂」或抽空等事故，若油氣分離器液位偏高或偏低會出現「跑油」、「竄氣」事故，嚴重影響設備與生產的安全。在油氣生產中，特別是在油氣集輸儲運系統中，石油、天然氣與伴生汙水要在各種生產設備和罐器中分離、存儲與處理，物位的測量與控制對保證正常生產和設備安全是至關重要的，否則會產生重大的事故。
[0022]隨著計算機技術、微電子技術、傳感器技術、數位訊號處理(DSP)等信號處理技術、可編程邏輯控制(PLC)等高新技術的飛速發展，液位測量技術與液位測量儀表的得到了長足的發展，以適應越來越高的應用要求。將微處理器引進液位測量系統是液位測量技術發展過程中的一個重要裡程碑，微處理器的應用使得液位計的精度達到前所未有的高度。目前，國內外液位測量儀表發展的技術動向主要有以下三個特點:1、智能化；2、非接觸測量方式的液位計；3、新原理的小型液位開關。特別是基於新原理的液位測量技術在近幾年發展迅猛，在已廣泛運用的液位測量技術中，浮球法以及在其後出現的超聲波測量法得到了最為廣泛的運用。
[0023]就測量環境而言，液位測量系統通常被運用在條件十分惡劣與複雜的環境中，液位計的安裝環境通常具備例如高溫、高壓、低溫、低壓、真空、高溼度、強腐蝕、高輻射、多粉塵中的一項甚至多項條件，這對液位計的工作適應能力提出了嚴格的要求；就安裝條件而言，複雜的工業環境對液位計的安裝具有苛刻的限制，如何將精密複雜的液位計簡單方便的安裝也對液位計的發明提出了要求；從設備維護及器件更換而言，越長的免維護時間以及如何在高危條件下更方便的更換器件，甚至不停機更換器件，是一項巨大的挑戰。
[0024]液位測量技術按接觸方式分類可分為接觸測量和非接觸測量，按測量方式可以分為連續測量和定點測量，按測量原理可分為:
[0025]1、基於人工測量方法:玻璃管法、玻璃板法、雙色水位法、人工檢尺法；
[0026]2、基於液體壓力差:吹氣法、差壓法、HTG法；
[0027]3、基於浮力原理:浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法；
[0028]4、基於液位傳感器電參數產生變化:電容法、電阻法、電感法；
[0029]5、基於通過檢測信號傳播的時間:磁致伸縮法、超聲波法、調製型光學法、微波法;
[0030]6、其它:磁翻板法、振動法、核輻射法、光纖傳感器法等多種類型。
[0031]本發明所發明的液位跟蹤儀的檢測機構安裝於特製的汽車油箱蓋內，採用非接觸測量方式，要求油量檢測機構測量精確、體積小、功耗低、可靠性強。由於檢測機構工作於汽車油箱內部，需要承受汽車油箱內高溫、高壓、低溫、高溼度、強腐蝕等不同的惡劣環境，檢測機構在極端條件下也需要保持良好的工作狀態。通過對以下表I至表3的查閱，排除接觸式測量方式，本發明決定採用超聲波作為液位測量方式。
[0032]表I液面，界面測量儀表選型表
[0033]
【權利要求】
1.一種低功耗液位記錄儀，其特徵在於，包含如下: (1)安裝於被測物體上方的低功耗液位記錄儀； (2)低功耗液位記錄手持PDA，一個低功耗液位記錄手持PDA(2)對應於至少一個能與其配對的低功耗液位記錄儀(I)，一個低功耗液位記錄手持PDA (2)可以對一個或多個低功耗液位記錄儀(I)所記錄的信息進行採集與存儲。
2.根據權利要求1所述的一種低功耗液位記錄儀，其特徵在於:具有 最小系統，所述最小系統至少包括電源電路，晶振電路，復位電路，所述最小系統用於使得低功耗單片機可以至少被提供電能，振蕩以及復位信號； 聲波模塊，所述聲波模塊分為發射器和接收器兩部分，用於發射以及接收聲波信號，以用於提供給低功耗單片機； 紅外模塊，用於低功耗液位記錄儀與低功耗液位記錄手持PDA之間進行數據傳輸，同時，紅外模塊也可採用公知的任何一種數據傳輸手段，例如藍牙，無線網絡，有線網絡； 溫度補償模塊，由於溫度，聲波傳輸速度及傳輸介質三者之間存在不可分割的緊密聯繫，低功耗液位記錄儀中包括溫度補償模塊，用於對測距進行校正； 時鐘模塊，用於提供時鐘信號； 存儲模塊，用於存儲低功耗液位記錄儀監測到的數據，並存儲； 按鍵模塊，用於對功耗液位記錄儀進行控制，按鍵模塊採用掃描控制的方式進行信號輸入； 低功耗液位記錄儀的處理核心也可以基於DSP進行設置。
3.根據權利要求2所述的一種低功耗液位記錄儀，其特徵在於:基於低功耗液位記錄儀的聲波液位記錄儀系統中的電力電子器件優先選用基於憶阻器的器件，其中，存儲模塊採用基於憶阻器的存儲器。
4.根據權利要求2所述的一種低功耗液位記錄儀，其特徵在於:每一個低功耗液位記錄儀(I)與每一個低功耗液位記錄手持PDA(2)均具有不同的數據編碼，該編碼用於使得低功耗液位記錄儀(I)與低功耗液位記錄手持PDA(2)進行數據傳輸時，低功耗液位記錄手持PDA⑵可以判斷與其連接的低功耗液位記錄儀⑴為哪一臺，或為什麼編碼，以使得每一個低功耗液位記錄儀(I)可以被判斷識別，不被混淆。
5.根據權利要求2所述的一種低功耗液位記錄儀，其特徵在於:低功耗液位記錄儀(I)或低功耗液位記錄手持PDA(2)上可以人工設定聲波傳輸的介質，在未進行人工設置時，介質默認為油氣混合體。
6.根據權利要求2所述的一種低功耗液位記錄儀，其特徵在於:低功耗單片機通過SHDN引腳控制MAX3100晶片是否進入待機模式，IRQ引腳由低電平觸發中斷，MAX3100晶片的DIN、DOUT, SLCK, CS四個引腳負責信息傳輸及控制，其作用分別為數據輸入、數據輸出、通信時鐘控制及MAX3100的片選信號。
7.根據權利要求2所述的一種低功耗液位記錄儀，其特徵在於:存儲模塊採用美國ATMEL (愛特梅爾)公司的AT24C04晶片作為存儲器，AT24C04是一種CMOS製造工藝的串行E2PR0M存儲器，擁有4K的存儲空間，當AT24C04的存儲空間過小不能滿足需要時，在印刷電路板上上採取低功耗單片機自帶的FLASH存儲空間與E2PR0M存儲模塊配合使用，使得其存儲空間至少可滿足三個月的存儲需要。
8.根據權利要求2所述的一種低功耗液位記錄儀，其特徵在於:低功耗單片機通過Trig埠輸入IOms的脈衝，觸發超聲波模塊準備工作，當收到高電平時捕獲寄存器CCRO開始計時，發射器同時向介質發送超聲波，當收到回波信號時，ECHO埠立即變為低電平，寄存器停止計時，因此高電平的時間就是傳輸的時間，CJ_PW引腳為低功耗單片機對超聲波模塊開關的控制腳。
9.一種用於液位跟蹤的方法，其特徵在於:液位跟蹤方法包括理論計算與實際校正計算兩部分，理論計算公式為: hl=tX ((331+TX0.6) / 2) (1-1) 實際校正計算公式為: h=hl-hl / 50-hl / 15 (hl〈60) h=hl-hl / 25-hl / 15 (hi ≤ 60) (1-2) 液量計算: V=(H-h) XLXff(1-3) 其中: h1:理論計算值(mm)； t:時間(s)； T:溫度(°C )； h:校正值(mm)； L:液箱長度(mm)； W:液箱寬度(mm)； V:液箱體積(_3)。
10.根據權利要求9所述的一種用於液位跟蹤的方法，其特徵在於:在計算液位理論值，液位實際校正值，液量值，或任何涉及數據計算時，若發生數據溢出，死機等導致液位跟蹤失常的情況時，結束進程，並自動重啟進程。
【文檔編號】G08C19/00GK103697969SQ201310611844
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年11月25日 優先權日:2013年11月25日
【發明者】曾偉彬, 潘劍良, 駱佳巍, 毛利強, 包宇航, 葉俊威, 朱操超, 毛斌奇, 傅欣晨, 施梟, 高琦, 潘英傑, 潘家傑, 費帆, 許越, 其他發明人請求不公開姓名 申請人:蘇州克蘭茲電子科技有限公司