超聲波液位傳感器及其開(kāi)發(fā)分析

李祖君

摘? 要：超聲波液位傳感器突破了傳統(tǒng)傳感器較為單一的功能，能夠滿足高精度、自動(dòng)測(cè)量的目的，強(qiáng)大的抗干擾性與外部通訊能力能夠滿足工業(yè)化體系的集成化、智能化發(fā)展需求。文章針對(duì)超聲波液位傳感器及其開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：超聲波技術(shù);液位傳感;液位傳感器

中圖分類號(hào)：TH816? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）11-0086-02

Abstract： The ultrasonic liquid level sensor breaks through the relatively single function of traditional sensors and can meet the purpose of high precision and automatic measurement. The strong anti-interference and external communication capabilities can meet the needs of integrated and intelligent development of industrialized systems. The article is aimed at the ultrasonic level sensor and its development.

Keywords： ultrasonic technology; level sensing; level sensor

液位測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于石油、化工、氣象等領(lǐng)域，超聲波液位計(jì)是各類液位測(cè)量技術(shù)中發(fā)展速度較快、應(yīng)用領(lǐng)域廣闊的液位測(cè)量技術(shù)。利用超聲波進(jìn)行液位測(cè)量能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式測(cè)量，滿足不同液位測(cè)量需求。尤其是近幾年，在計(jì)算機(jī)、傳感器、微電子等高新技術(shù)快速發(fā)展的背景下，超聲液位傳感器得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

1 超聲波檢測(cè)原理

超聲波是一種振動(dòng)頻率與聲波相比更高的機(jī)械波，主要是換能晶片在電壓的作用下形成的機(jī)械振動(dòng)，其顯著特點(diǎn)表現(xiàn)為頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小。當(dāng)超聲波遇到雜質(zhì)后會(huì)出現(xiàn)顯著反射，出現(xiàn)反射回波。而在遇到活體物質(zhì)的情況下會(huì)形成多普勒效應(yīng)。超聲波的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是超聲波的方向性良好，其功率較高，波長(zhǎng)較短，所形成的衍射現(xiàn)象不顯著，因此具有良好的傳播方向性，可以成為射線進(jìn)行定向傳播;二是超聲波能力較大。超聲波在介質(zhì)傳播過(guò)程中當(dāng)振幅保持一致時(shí)，振幅頻率越高則能量越大，因此超聲波相對(duì)于普通聲波來(lái)說(shuō)能量更大;三是穿透力較強(qiáng)，超聲波在液體、固體的損失較小，具有較強(qiáng)的穿透力，特別是在不透明的固體中，可以穿到長(zhǎng)達(dá)幾十米，在固體與液體的應(yīng)用較為廣泛。

當(dāng)前超聲波已經(jīng)被普遍應(yīng)用到工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等方面。用于不同容器中液體表面高度與所在位置被稱為液位，固體顆粒、粉料、塊料高度被稱為料位，兩者可以被稱為物位。其中，將超聲波應(yīng)用于液位測(cè)量中，由于非接觸性連續(xù)測(cè)量，安裝便捷，不會(huì)受到被檢測(cè)介質(zhì)的感染，因此被廣泛應(yīng)用[1]。

2 超聲波傳感器

超聲波可以分為發(fā)射超聲波與接收超聲波，將接收的超聲波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏枯敵龅脑O(shè)備被稱為超聲波傳感器。超聲波傳感器主要分為以下幾個(gè)類型：第一，通用型。超聲波傳感器頻帶寬通?？梢赃_(dá)到千赫，且對(duì)頻率有一定要求。通用型超聲波傳感器頻帶相對(duì)較窄，且靈敏度相對(duì)較高，具有較強(qiáng)的抗干擾性能[2]。如在多通道環(huán)境中，且通道之間頻率接近則可以選擇窄頻帶類型的超聲波傳感器。通用型超聲波傳感器包括接收器與發(fā)送器。第二，寬頻帶型。寬頻帶型超聲波傳感器在工作頻率中存在兩個(gè)共振點(diǎn)，所以使得頻帶更寬。寬頻帶型超聲波傳感器可以同時(shí)被用作發(fā)送與接收傳感器;第三，封閉型。封閉型超聲波傳感器較為適合在室外環(huán)境使用，抗外界干擾能力較強(qiáng);第四，高頻型。高頻型超聲波傳感器中心頻率達(dá)到200kHz，具有良好的方向性，可以進(jìn)行分辨率要求較高的測(cè)量。

3 超聲波液位傳感器的開(kāi)發(fā)

3.1 超聲波液位傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）硬件電路整體設(shè)計(jì)

超聲波液位傳感器硬件部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)、電源電路、超聲波發(fā)送/接收模塊、LED顯示模塊與報(bào)警模塊等部分構(gòu)成。根據(jù)超聲波液位傳感器系統(tǒng)使用需求以及各個(gè)要求，可以采用ATMEGA128單片機(jī)作為控制芯片，配合不同外圍電路芯片來(lái)保證各項(xiàng)功能正常運(yùn)作。本次開(kāi)發(fā)的超聲波液位傳感器系統(tǒng)運(yùn)用靜態(tài)方式完成LED數(shù)字顯示，單片機(jī)主要負(fù)責(zé)超聲波液位發(fā)送與接收工作，且計(jì)時(shí)器會(huì)計(jì)算從超聲波發(fā)射到接收的全過(guò)程時(shí)間，通過(guò)計(jì)算處理后在LED顯示器中顯示。

（2）系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)硬件中需要供電的元件包括單片機(jī)、超聲波發(fā)射/接收電路與報(bào)警電路等。超聲波液位傳感器系統(tǒng)電源會(huì)直接影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此在進(jìn)行電源設(shè)計(jì)的過(guò)程中要充分考慮輸出/輸入的電壓、電流、輸出波形、電磁干擾等。

（3）液位信息采集電路

液位信息采集電路由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路與溫度測(cè)量電路構(gòu)成。本次開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的超聲波發(fā)射器與接收設(shè)備位于液面上方，超聲波在空氣中傳播，如圖1所示。一體式傳感器是由于如發(fā)射與接收為相同探頭，則當(dāng)探頭發(fā)射完成后會(huì)有一定余震，需要在余震消失后再接收超聲波，從而增加盲區(qū)距離。因此，本次所用超聲波探頭為分體式，能夠避免這一問(wèn)題出現(xiàn)。

其中，超聲波發(fā)射電路探頭型號(hào)為T(mén)40-16，該探頭要接收從測(cè)量液面所形成的超聲波。超聲波在空氣中進(jìn)行傳播，在接觸到液面后反射會(huì)使得超聲波出現(xiàn)能量損耗。為了進(jìn)一步提升超聲波接收的精準(zhǔn)度，不僅要選擇靈敏度加高的探頭，同時(shí)還需要增加發(fā)射功率。因此，本系統(tǒng)運(yùn)用了三極管搭配反相器用于提升驅(qū)動(dòng)功率;超聲波接收電路主要用于將接收到回波聲能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，以完成超聲波回波的接收過(guò)程。如被測(cè)液面距離較長(zhǎng)，超聲波回波相對(duì)較弱，則需要將信號(hào)進(jìn)行多次放大處理。在進(jìn)行放大后的信號(hào)整形輸出方波信號(hào)，方波信號(hào)則會(huì)要求中斷。在中斷服務(wù)過(guò)程中會(huì)錄入計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算與被測(cè)液面之間的距離;溫度測(cè)量電路：聲波在空氣中傳播會(huì)受到空氣溫度、濕度等因素影響，其中溫度的影響最為顯著。因此，為了最大程度降低空氣溫度帶來(lái)的測(cè)量影響，則需要對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，且通過(guò)計(jì)算過(guò)程來(lái)減少環(huán)境溫度所導(dǎo)致的偏差。在測(cè)量環(huán)境溫度的過(guò)程中選用“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，能夠有效提升系統(tǒng)的抗干擾作用。本系統(tǒng)選擇了DA18B20溫度傳感器芯片進(jìn)行空氣溫度檢測(cè)[3]。

（4）硬件抗干擾設(shè)計(jì)

干擾因素大部分情況下不會(huì)對(duì)單片機(jī)硬件造成影響，但是會(huì)影響軟件的正常工作，主要表現(xiàn)為指令碼或數(shù)據(jù)碼的部分被干擾而出現(xiàn)變化，從而導(dǎo)致混淆指令碼與數(shù)據(jù)碼。錯(cuò)誤執(zhí)行程序會(huì)導(dǎo)致RAM存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)被破壞，且有可能由于部分偶然因素導(dǎo)致死循環(huán)，從而使得系統(tǒng)失靈。所以，需要進(jìn)行硬件抗干擾設(shè)計(jì)來(lái)消除干擾源，打亂干擾通道，降低電路對(duì)噪音干擾的敏感性，從而改善單片機(jī)的抗干擾能力。消除干擾源可以利用干擾源兩端的并聯(lián)電容或在感染源回路串聯(lián)電感/電阻來(lái)增加續(xù)流二極管實(shí)現(xiàn)。打擾干擾通道方面可以分離數(shù)字電路與模擬電路部分，將超聲波接收器與發(fā)射器隔離8cm距離擺放以切斷輻射傳播路徑。另外，還可以通過(guò)減少回路環(huán)面積，降低感應(yīng)噪聲、減少晶振、使用低速數(shù)字電路等方式來(lái)提升敏感元件的抗干擾性能。

3.2 超聲波液位傳感器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）主程序設(shè)計(jì)

本次開(kāi)發(fā)系統(tǒng)所運(yùn)用的為L(zhǎng)ED靜態(tài)顯示，數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)初始化后，系統(tǒng)對(duì)緩存UART進(jìn)行掃描檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)輸出;如未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)則繼續(xù)掃描，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)則引出數(shù)據(jù)且進(jìn)行輸出顯示。主要通過(guò)持續(xù)添加74HC595來(lái)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)顯示，可以有效節(jié)約系統(tǒng)單片機(jī)的應(yīng)用資源。

（2）液位信息采集程序

液位信息采集程序是依照超聲波傳感器原理，在系統(tǒng)單片機(jī)與外圍硬件電路裝設(shè)的基礎(chǔ)上利用軟件對(duì)超聲波發(fā)射、接收進(jìn)行控制，并且測(cè)量發(fā)射、接收超聲波的時(shí)間以及當(dāng)下溫度，利用相關(guān)算法計(jì)算液位值。液位信息采集程序是超聲波液位傳感器中最重要的程序之一。液位信息采集器利用單片機(jī)的捕捉功能進(jìn)行計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)精準(zhǔn)度較高，使用便捷。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送超聲波，為了使得超聲波傳感器接收探頭能夠接收到正確回波，需要在一段時(shí)間的延時(shí)后進(jìn)入外部中斷子程序。在這一過(guò)程同時(shí)，單片機(jī)會(huì)持續(xù)掃描INTO，如INTO接收信號(hào)出現(xiàn)從高電平轉(zhuǎn)為低電平的變化，則表示超聲波信號(hào)已經(jīng)返回，則單片機(jī)停止計(jì)時(shí)開(kāi)始計(jì)算[4]。同時(shí)，在利用溫度傳感器所檢測(cè)的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上調(diào)用計(jì)算子程序，精確計(jì)算出聲速與傳感器到目標(biāo)體之間的距離，以完成檢測(cè)。其中，計(jì)算分程序則是針對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)超聲波探頭到液面之間的距離進(jìn)行精確計(jì)算。經(jīng)過(guò)一定的溫度補(bǔ)償計(jì)算探頭到液面的距離。

4 結(jié)束語(yǔ)

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，自動(dòng)化工藝的精確程度也不斷升高，這對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的精度也提出了更高的要求。近幾年來(lái)，由微控制器構(gòu)成的測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了普及與應(yīng)用。在工業(yè)化發(fā)展背景下傳感器技術(shù)也得到了快速發(fā)展，超聲波傳感器的出現(xiàn)同時(shí)擁有檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理功能，其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用能夠顯著提升工業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量，在建筑行業(yè)、石油化工行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，具有良好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]武鋒，趙明.超聲波液位計(jì)的選型及其在原型水位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用[J].治淮，2011（08）：13-15.

[2]非接觸測(cè)量——JCS系列超聲波液位計(jì)、流量計(jì)、熱量計(jì)及其應(yīng)用[J].電子元器件應(yīng)用，2002（6）：58.

[3]盧偉，王楊，趙紅東.高精度超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（7）：50-52.

[4]宋繼紅.基于單片機(jī)的高精度超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2009（3）：156-158.