智能型超聲波液位傳感器及其應用

李　軍

摘要：智能型超聲波傳感器突破了傳統(tǒng)傳感器的單一功能，具有自動測量、高精度、功能擴展容易、與外部通訊強大的功能，完全能適應工業(yè)控制體系的網絡化、集成化、智能化發(fā)展的要求，因而得到了廣泛發(fā)展。文章對其軟硬件及應用進行了研究。

關鍵詞：智能型超聲波傳感器；液位傳感器；控制單元；以太網數據

中圖分類號：TP212文獻標識碼：A文章編號：1009－2374(2009)12－0032－02

一、智能型超聲波傳感器簡介

隨著科學技術的發(fā)展，超聲波技術比較成熟，已廣泛應用于眾多領域的無損檢測和無損探傷。超聲波液位傳感器為非接觸式測量儀器，已用于石油化工、水利水電、農田灌溉、環(huán)境檢測以及自來水廠、污水處理廠等眾多部門的液位、水位的測量。

日前，在石油化工及建筑等域內常用的液位傳感器有：旋轉編碼式傳感器(機械式)、磁浮子接點式傳感器、壓電式傳感器、非接觸式傳感器，其分辨率從毫米級到厘米級，測量范圍從幾十厘米到幾十米。除了磁浮子接點式傳感器外，其余傳感器均比較適合測量范圍較寬的應用場合。一般壓力式和超聲波傳感器均帶有變送器，將液位信號轉變成標準的電流信號(4～20mA)。旋轉編碼式傳感器分為機械式和光電式兩種，這類傳感器輸出通常為并行二進制碼、串行二進制碼或脈沖信號。除智能型一體化傳感器(壓力式或超聲波)外，一般沒有就地顯示和數字通信功能。在這些傳感器中，超聲波液位傳感器是一種非接觸式的測量儀器，在測量過程中無任何部件觸及被測物質，所以無論液面是流動、波動或是有漂浮物以及有化學反應等都有應用，且與被測介質的壓力、溫度、密度、腐蝕性無關，適應范圍廣，可用于工業(yè)原料液位、河面水位等的測量。相比較各種測量方法，超聲波測量方法有很多其它方法無可比擬的優(yōu)點，該液位計成本低，性能穩(wěn)定，測量精度高，換能器壽命長，使用方便，是非接觸測量的理想儀器。

其特點如下：

1測量精度高。

2響應時間短可以方便的實現無滯后的實時測量。

3非接觸測量，性能穩(wěn)定可靠，對液體的物理化學性質的適應性極強，不怕酸堿等強腐蝕性液體等。

智能型超聲波液位傳感器是在超聲波液位傳感器的基礎上，使用微處理器作為控制核心而研制開發(fā)的，具有傳統(tǒng)超聲波傳感器所不具有的特點：

1測量精度高。測量精度取決于智能傳感器控制芯片的計數頻率，通過修改計數頻率可以修改測量的精度，另外，傳感器的測量精度與溫度有直接的關系，該智能型超聲波傳感器可進行溫度補償，提高了測量的精度。

2具有診斷功能?？梢栽O定超聲波在1秒鐘接收有效回收次數，若未收到該次數的有效回波，認為接收或發(fā)送系統(tǒng)異常，給出異常信息。

3具有計算、補償功能。采用一定的算法，將各次測量的結果排序，取中間的一些數值，求其平均值，并將溫度值進行補償計算。

4具有強大的通訊功能。液位信息為數字量，將數字量轉變成4～20mA模擬量輸出，模擬電流量有利于傳輸，抗干擾能力強；將液位信息通過異步串行通訊傳給上位機；以太網數據傳輸，實現遠距離傳輸液位信息。

綜上所述，智能型超聲波傳感器是將單片機、嵌入式系統(tǒng)引入儀表，開發(fā)出的智能型傳感器，它突破了傳統(tǒng)傳感器的單一功能，具有自動測量、高精度、功能擴展容易、與外部通訊強大的功能，完全能適應工業(yè)控制體系的網絡化、集成化、智能化發(fā)展的要求。

二、智能型超聲波傳感器的主要結構

(一)硬件構成

智能型超聲波傳感器主要由液位信息采集電路、控制單元、鍵盤輸入接口電路、LCD顯示接口電路及與外部通訊接口電路五部分構成。其結構原理如圖1所示：

1液位信息采集電路包括超聲波發(fā)射和接收電路、溫度傳感器。其中溫度傳感器嵌入在微處理器內。

超聲波發(fā)射電路主要由微分電路和驅動電路組成。CPU發(fā)出的脈沖信號經微分電路變成標準的脈沖信號，然后通過可控硅去控制600V的高壓，形成高壓脈沖。高壓脈沖驅動超聲波探頭，探頭把電能轉換成機械能，產生超聲波。超聲波脈沖信號接收電路包括接收信號的限幅、放大、比較、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)等環(huán)節(jié)，形成一個窄脈沖信號。超聲波傳播速度受溫度的影響，精確的測量需要溫度補償。在MSP430內嵌入溫度傳感器，利用內部熱敏二極管測量溫度。MSP430溫度傳感器所測電壓v和實際溫度T的關系：

V=0.00355×T+0.986

MSP430的ADC12內核是一個12位的模數轉換器，能將結果存放在存儲器中。該內核使用兩個可編程的參考電壓(V_R+和v_R-)定義轉換的最大值和最小值。輸入模擬電壓的轉換結果NADC滿足公式：

N_ADC=4096×(V_in-V_R-)／(V_R+-V_R-)

MSP430具有ADC12內嵌溫度傳感器，若設置ADC12的內部參考電壓為2.5V，輸入模擬電壓的轉換結果N_ADC滿足公式：

N_ADC=4096×T／2.5

2控制單元：MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年推向市場的超低功耗的混合信號處理器。該系列單片機具有16位CPU通過總線連接到存儲器和外圍模塊，直接嵌入仿真處理，具有JTAG接口，能夠降低功耗，降低噪聲對存儲器存取的影響。MSP430系列單片機包含以下主要功能部件：

(1)CPU：MSP430系列單片機的CPU和通用微處理器基本相同，只是在設計上采用了面向控制的結構和指令系統(tǒng)。MSP430的內核CPU結構是按照精簡指令集和高透明的宗旨設計的，使用的指令有硬件執(zhí)行的內核指令和基于現有硬件結構的仿真指令。這樣可以提高指令執(zhí)行速度和效率，增強了MSP430的實時處理能力。

(2)存儲器：存儲程序、數據以及外圍模塊的運行控制信息，有程序存儲器和數據存儲器。對程序存儲器訪問是以字形式，而對數據可以用字和字節(jié)方式訪問。其中MSP430系列單片機的程序存儲器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。

(3)外圍模塊：經MAB、MDB、中斷服務及請求線與CPU相連。

3鍵盤輸入接口電路和LCD顯示接口電路構成人機交互接口電路，智能型傳感器通常都有液晶顯示和手動操作按鈕，LCD顯示器顯示液位數據信息，按鍵輸入用來選擇工作模式。

4與外部通訊接口電路主要包括三種通訊方式，即4～20mA電流環(huán)接口、異步串行通訊接口、以太網數據傳輸接口電路。

(1)4～20mA電流環(huán)：在要求智能傳感器具有高精度的電流變送要求時，低功率、高精度的元器件的選用是研制智能傳

感器不可缺少的一部分，一般情況下選用高性能數模轉換器AD421。利用AD421將液位信息轉變成4～20mA的模擬量。

(2)RS－232串行通訊：串行通信只需較少的端口就可以實現單片機和Pc機的通信。串行通信由兩種方式：異步模式和同步模式。MSP430F44X系列都有USAHT模塊來實現串行通信，使用MSP430F449的USART0模塊通過RS-232串口來接收或發(fā)射數據。

(3)以太網數據傳輸：嵌入式以太網可以通過Ethemet將信息傳輸距離無限擴展，而基于底層的以太網協(xié)議是由以太網控制器來實現的。

(二)軟件構成

智能型超聲波液位傳感器程序由三部分構成：采集液位信息程序，發(fā)射與接收超聲波，測量當前溫度，計算液位值；人機交互程序，包括按鍵處理程序和液晶顯示程序；與外部通訊程序，包括異步串行通訊程序、4～20mA兩線制電流變送程序和以太網數據傳輸程序。該軟件系統(tǒng)設置了三種工作模式，由按鍵選擇并引發(fā)中斷，進入不同的工作模式，完成相應的功能。本系統(tǒng)設置3種工作模式：若按鍵normal按下，進入normal工作模式；若按鍵web按下，進入web工作模式；若按鍵AD eoDvert按下，進入AD eonvert模式。軟件流程框圖如下：

1normal工作模式。采集液位信息，將液位值由液晶顯示，采用異步串行通訊方式向上位機傳送數據。

2web工作模式。采集液位信息，將液位值由液晶顯示，以太網傳輸數據。

3ADconvert模式。采集液位信息，將液位值液晶顯示，4～20mA電流環(huán)向上位傳送信息。

主程序不是無休止的循環(huán)，通常處于休眠狀態(tài)。由按鍵觸發(fā)中斷，進入中斷處理程序，中斷處理完畢后再次進入休眠狀態(tài)。

三、結論

由于科學技術的發(fā)展，工藝過程自動化程度越來越高，對測控系統(tǒng)的精度提出了更高的要求。近年來，微控制器組成的測控系統(tǒng)已經在許多領域得到了廣泛的應用。根據這些時代特點，傳感器技術也得到了突飛猛進的發(fā)展，智能型超聲波傳感器的出現是傳感器技術發(fā)展的一次飛躍，該傳感器是傳感器與微處理器結合的產物，具有檢測和信息處理的功能，與傳統(tǒng)傳感器相比，有著無可比擬的優(yōu)點。隨著智能型超聲波傳感器的出現，對提高工業(yè)生產效率起到十分重要的作用，在石油化工及建筑業(yè)等各行各業(yè)中將得到廣泛的應用。

作者簡介：李軍(1973-)，甘肅定西人，北京中航空港建設工程有限公司工程師，研究方向：建筑電氣。