一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計的製作方法

2023-05-10 11:27:41 2

一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計，包括單片機控制器、鍵盤模塊、存儲模塊、報警模塊、顯示模塊、超聲波收發模塊、串口通信模塊，所述的鍵盤模塊、存儲模塊、報警模塊、顯示模塊、超聲波收發模塊、串口通信模塊分別與所述的單片機控制器相連接，串口通信模塊還連接有PC機，所述的超聲波收發模塊設置有兩個，所述的兩個超聲波收發模塊設置在液面的上方，且兩個超聲波收發模塊距液面的高度不相同。本發明設計的超聲液位計利用兩個布置在不同高度上的超聲探頭的測量結果來修正聲速並消除單片機內部的硬體延時誤差，並採用算術平均濾波的方法降低由於外部環境原因造成液面不夠平穩而產生的誤差，從而實現超聲波液位的精確測量。
【專利說明】一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測距裝置，特別是一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計。【背景技術】
[0002]在科技日益發達的今天，隨著超聲波技術的飛速發展和廣泛應用，超聲波在日常生活以及工業等領域中得到了廣泛地應用，例如雷達探測、室外工地測距、測量水庫水位、測量容器深度等。液位測量在工業生產中扮演著一個相當重要的角色，通過測量容器內液位能確定液體原料的數量，對容器內液面高度的實時測量和監視可以保障工業生產的連續性、可靠性和安全性，為生產環節的物料平衡和生產預算提供依據。同時液位測量與我們日常生活也息息相關，不僅用於各種容器管道內的液體測量，甚至還用於江河湖海和水庫等的水位測量。
[0003]目前無論是水庫水位的測量、大型油罐液位的測量，還是小型容器液位的測量或者其它液位測量，都對其測量精度提出了越來越高的要求。例如石化部門使用的大型儲油罐容量一般在100(Tl00000m3之間，則很小的液位測量誤差都會造成很大的絕對誤差。因此，高精度的液位測量在日常生活和工業生產中具有重要的地位。
[0004]超聲波液位計能夠通過非接觸方式測量液面高度，因此無需接觸液面就能達到液位測量的目的，特別適合於冶金和化工等工業中帶有強腐蝕、強輻射、強汙染以及強酸強鹼等惡劣條件下的液位測量。超聲波在不同介質中的傳播速度是不一樣的，即使是在同一介質，速度也受各種各樣的因素影響，例如溫度、壓力、溼度、成分和粘度等。為了提高超聲波液位計的測量精度，就必須設法獲取超聲波在工作環境中的精確傳播速度。在傳統的超聲波液位系統中，大多採用通過測量溫度來校正聲速，從而提高液位測量精度，一般在系統中加入測溫模塊以獲取超聲波傳播環境的溫度r後，通過公式(7=331.5 + 0.607T來對聲速進行校正。但是該方法只考慮了溫度的影響而忽略了其他因素如溼度、壓力等對超聲波的傳播速度的影響，而且溫度測量也存在一定程度的誤差，導致利用該方法的超聲波液位儀的測量精度仍較低。而另一種採用自校準技術對聲速補償的方法是在系統中設置參考擋板，並使參考探頭與擋板距離保持一定值，且此擋板不能擋住另一個探頭到液面的超聲波，超聲波從參考探頭髮出，經參考擋板發射後回至探頭而被接收，由於參考探頭與擋板之間距離是精確已知的，因此利用參考探頭能計算出在工作環境中的聲速，這種方法可以補償任何因素如溫度、溼度和壓力等引起的聲速變化。但是在容器內安裝擋板不僅增加了施工難度，而且擋板過小減弱了擋板反射的超聲波，而擋板過大影響另一個探頭到液面的超聲波，因此擋板過小和過大都會對此類超聲波液位計的正常工作產生一定的影響。本發明提出了一種新的自校準技術來對聲速進行校正，從而實現超聲波液位的精確測量。

【發明內容】

[0005]為解決上述問題，本發明公開了一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計。[0006]為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案:一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計，包括單片機控制器、鍵盤模塊、存儲模塊、報警模塊、顯示模塊、超聲波收發模塊、串口通信模塊，所述的鍵盤模塊、存儲模塊、報警模塊、顯示模塊、超聲波收發模塊、串口通信模塊分別與所述的單片機控制器相連接，串口通信模塊還連接有PC機，所述的超聲波收發模塊設置有兩個，所述的兩個超聲波收發模塊設置在液面的上方，且兩個超聲波收發模塊距液面的高度不相同。
[0007]作為本發明的一種改進，所述的單片機控制器採用的型號為STC89C52。
[0008]作為本發明的一種改進，所述的超聲波收發模塊米用的型號為HC-SR04。
[0009]作為本發明的一種改進，所述的存儲模塊採用存儲器AT24C02。
[0010]作為本發明的一種改進，所述顯示模塊包括1602IXD顯示屏。
[0011]作為本發明的一種改進，所述報警模塊主要由蜂鳴器、三極體以及電阻構成。
[0012]本發明的有益效果:
本發明設計的超聲波液位計無需增加測溫單元或安裝擋板，就能補償任何因素如溫度、溼度和壓力等引起的聲速變化，而且也不存在擋板安裝施工難以及擋板大小選擇不當影響液位測量的問題。該超聲液位計利用兩個布置在不同高度上的超聲探頭的測量結果來修正聲速並消除單片機內部的硬體延時誤差，並採用算術平均濾波的方法降低由於外部環境原因造成液面不夠平穩而產生的誤差，從而實現超聲波液位的精確測量。本系統能實現對測量數據的保存，以方便後續的制表以及測量曲線圖的繪製，報警電路可以全天候地進行有效預警，並設計了串口通信模塊，使得操作人員可以通過PC機對液位計進行遠程監控，為操作人員在室外的測量工作帶來了極大的便利。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的系統結構框圖；
圖2為本發明的系統原理圖；
圖3為本發明的單片機控制器的電路圖；
圖4為本發明的超聲波收發模塊電路圖；
圖5為存儲模塊電路圖；
圖6為顯旲塊電路圖；
圖7為串口通信模塊電路圖；
圖8為鍵盤模塊電路圖；
圖9為報警電路電路圖。
【具體實施方式】
[0014]以下將結合具體實施例對本發明提供的技術方案進行詳細說明，應理解下述【具體實施方式】僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。
[0015]如圖1所示為本發明的一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計結構框圖，包括單片機控制器、鍵盤模塊、存儲模塊、報警模塊、顯示模塊、超聲波收發模塊、串口通信模塊，所述的鍵盤模塊、存儲模塊、報警模塊、顯示模塊、超聲波收發模塊、串口通信模塊分別與所述的單片機控制器相連接，串口通信模塊還連接有PC機，所述的超聲波收發模塊設置有兩個，所述的兩個超聲波收發模塊設置在液面的上方，且兩個超聲波收發模塊距液面的高度不相同。
[0016]圖3為本發明的單片機控制器的電路圖，選擇單片機中低功耗的STC89C52單片機，它是一種低功耗、高性能且系統內帶有8KB可編程Flash存儲器的8位CMOS微處理器，具有速度快、可靠性高、功耗低、價格低等優點。單片機STC89C52控制超聲波收發電路發射超聲波信號，並接收經超聲波模塊傳輸來的回波信號，在其內部進行聲速校正和硬體延時誤差補償以實現液面高度的測量，同時也負責控制鍵盤電路、存儲電路、報警電路、LCD顯示電路以及串口通信電路等。單片機主控模塊電路如圖3所示，主要包括單片機時鐘電路和復位電路。當單片機加電，振蕩器就會一直工作，產生持續的振蕩時鐘。復位電路具有上電自動復位和手動復位兩種功能，當晶振工作時，RST腳持續2個機器周期高電平將使單片機復位。
[0017]圖4為本發明的超聲波收發模塊電路圖，為了提高液位測量值的精度，超聲波收發模塊採用了兩個一體化超聲波模塊HC-SR04，分別安裝在高度相差為td的位置上。HC-SR04 一體化超聲波模塊是集發送、接收、放大和解調為一體的超聲波收發器。通過單片機內部定時器給出一個IOus以上的脈衝觸發信號給HC-SR04的TRIG引腳，則該模塊內部循環發出8個40kHz周期電平，並自動檢測是否有信號返回。當檢測到信號返回時，該模塊把接收信號經過放大和解調後通過該模塊的ECHO引腳送到單片機的IO 口。
[0018]圖5為存儲模塊電路圖，要實現液位高度測量值的實時記錄，本系統增加了一個串行EEPROM存儲器AT24C02，將不同時刻的液面高度測量值保存在存儲器中，方便使用者隨時查看相應的信息，並進行數據分析。同時為了降低因液面不夠平穩而產生的誤差的影響，單片機可以將該存儲電路保存的同一液面的測量數據每N個取一次平均值，顯然有了存儲電路可以更方便的實現這個功能。
[0019]圖6為顯示模塊電路圖，顯示模塊電路採用1602IXD顯示屏，當系統剛上電或復位時顯示屏顯示「Ultrasonic level measuring system」,通過外部中斷設定報警高度時顯示屏顯示「Set Alarm」，當測量到液面高度時顯示「Height」並顯示在當時環境下的液面高度，當液面高度超出報警高度導致蜂鳴器報警時顯示屏顯示「Warning ! 」，當串口傳送數據時顯示屏顯示「Sending」。
[0020]圖7為串口通信模塊電路圖，本系統具有單片機與PC機遠程通訊的功能，操作人員可以進行遠程監控和操作。單片機通過串口把液位測量數據傳輸給PC機，並保存在PC機內，可以進一步分析和列印。由於單片機與計算機所提供的電平不同，單片機提供的是TTL電平，而計算機提供的是TS232電平，兩者要實現通信的話需要採用MAX232晶片來進行轉換。
[0021]圖8為鍵盤模塊電路圖，鍵盤電路主要負責設定警戒液位報警高度以及查看存儲數據等操作，採用獨立式鍵盤，每個鍵盤的一端與單片機的IO 口相連，而另一端則接地。
[0022]圖9為報警電路電路圖，報警電路主要由蜂鳴器、三極體以及電阻構成，當液位達到警戒高度時，單片機的P3.5 口輸出高電平，驅動蜂鳴器發出警報，提醒使用者注意液面的高度。
[0023]本發明的工作原理如下:
單片機是整個系統的核心控制部分，負責控制外圍電路以及計算輸出。首先，單片機通過發射電路將信號傳輸給兩個放置在不同高度的超聲波探頭髮射超聲波信號，兩個探頭的超聲波信號遇到液面反射回來，並被各自的換能器接收並轉換成電信號，經過放大、濾波、整形等處理後傳輸給單片機，由於兩個探頭的高度差是精確已知的，因此在單片機內利用兩個安裝在不同位置上的超聲探頭的回波延時測量結果，能計算出在當時工作環境下的聲速，並能消除單片機內部的硬體延時誤差，經過聲速校正和硬體延時誤差補償之後，可由單片機利用某個探頭的時延測量結果計算出液面高度，並通過顯示電路顯示，若當液位達到警戒高度時可以自動報警，還可以由通信接口與PC機實現遠程通訊功能，從而實現對液面的遠程監控。存儲模塊可以保存不同時刻的液位測量值，方便使用者查閱和記錄分析相關數據，鍵盤模塊主要負責設定警戒液位報警高度以及查看存儲數據等操作。
[0024]本方明的聲速校正和硬體延時誤差補償原理:如圖2所示，探頭I和探頭2分別安裝在兩個不同高度的位置上，兩探頭的高度差為^ ,為了保證兩個探頭能夠獨立進行超聲的發射和接收，而互不幹擾各自工作，則要求兩個探頭在橫向上也要相距一段距離。在工作時，兩個探頭同時發射超聲波並獨立接收各自的回波信號，假設測量得到探頭I從發射超聲波到接收到回波所經歷的時間為G，探頭2從發射超聲波到接收到回波所經歷的時間為t2。由於硬體電路處理存在一定延時的，這是因為在使用時延法測距時，需要使用單片機的外部中斷來檢測回波信號，中斷響應需要一定處理時間，而在進入中斷子程序後還要執行若干條指令，因此單片機內部的硬體延時也是不可忽略的，即回波時延測量值U和t2中包含了硬體延時誤差，由於兩個探頭的時延測量方法相同，因此在兩者測量過程中的硬體延時誤差也可近似認為相同，假設硬體延時誤差為Λ ?以及在系統工作時的聲速為c，那麼根據時延測距原理，探頭I到液面的垂直距離為
【權利要求】
1.一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計，其特徵在於:包括單片機控制器、鍵盤模塊、存儲模塊、報警模塊、顯示模塊、超聲波收發模塊、串口通信模塊，所述的鍵盤模塊、存儲模塊、報警模塊、顯示模塊、超聲波收發模塊、串口通信模塊分別與所述的單片機控制器相連接，串口通信模塊還連接有PC機，所述的超聲波收發模塊設置有兩個，所述的兩個超聲波收發模塊設置在液面的上方，且兩個超聲波收發模塊距液面的高度不相同。
2.根據權利要求1所述的一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計，其特徵在於:所述的單片機控制器採用的型號為STC89C52。
3.根據權利要求1所述的一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計，其特徵在於:所述的超聲波收發模塊採用的型號為HC-SR04。
4.根據權利要求1所述的一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計，其特徵在於:所述的存儲模塊採用存儲器AT24C02。
5.根據權利要求1所述的一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計，其特徵在於:所述顯示模塊包括1602IXD顯示屏。
6.根據權利要求1所述的一種基於時延法測距的高精度超聲波液位計，其特徵在於:所述報警模塊主要由蜂鳴器、三極體以及電阻構成。
【文檔編號】G01F23/296GK103499375SQ201310471425
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月11日 優先權日:2013年10月11日
【發明者】陳金立, 陳宣, 李鵬, 姚無窮 申請人:南京信息工程大學