李　军

摘要：智能型超声波传感器突破了传统传感器的单一功能，具有自动测量、高精度、功能扩展容易、与外部通讯强大的功能，完全能适应工业控制体系的网络化、集成化、智能化发展的要求，因而得到了广泛发展。文章对其软硬件及应用进行了研究。

关键词：智能型超声波传感器；液位传感器；控制单元；以太网数据

中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1009－2374(2009)12－0032－02

一、智能型超声波传感器简介

随着科学技术的发展，超声波技术比较成熟，已广泛应用于众多领域的无损检测和无损探伤。超声波液位传感器为非接触式测量仪器，已用于石油化工、水利水电、农田灌溉、环境检测以及自来水厂、污水处理厂等众多部门的液位、水位的测量。

日前，在石油化工及建筑等域内常用的液位传感器有：旋转编码式传感器(机械式)、磁浮子接点式传感器、压电式传感器、非接触式传感器，其分辨率从毫米级到厘米级，测量范围从几十厘米到几十米。除了磁浮子接点式传感器外，其余传感器均比较适合测量范围较宽的应用场合。一般压力式和超声波传感器均带有变送器，将液位信号转变成标准的电流信号(4～20mA)。旋转编码式传感器分为机械式和光电式两种，这类传感器输出通常为并行二进制码、串行二进制码或脉冲信号。除智能型一体化传感器(压力式或超声波)外，一般没有就地显示和数字通信功能。在这些传感器中，超声波液位传感器是一种非接触式的测量仪器，在测量过程中无任何部件触及被测物质，所以无论液面是流动、波动或是有漂浮物以及有化学反应等都有应用，且与被测介质的压力、温度、密度、腐蚀性无关，适应范围广，可用于工业原料液位、河面水位等的测量。相比较各种测量方法，超声波测量方法有很多其它方法无可比拟的优点，该液位计成本低，性能稳定，测量精度高，换能器寿命长，使用方便，是非接触测量的理想仪器。

其特点如下：

1测量精度高。

2响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。

3非接触测量，性能稳定可靠，对液体的物理化学性质的适应性极强，不怕酸碱等强腐蚀性液体等。

智能型超声波液位传感器是在超声波液位传感器的基础上，使用微处理器作为控制核心而研制开发的，具有传统超声波传感器所不具有的特点：

1测量精度高。测量精度取决于智能传感器控制芯片的计数频率，通过修改计数频率可以修改测量的精度，另外，传感器的测量精度与温度有直接的关系，该智能型超声波传感器可进行温度补偿，提高了测量的精度。

2具有诊断功能。可以设定超声波在1秒钟接收有效回收次数，若未收到该次数的有效回波，认为接收或发送系统异常，给出异常信息。

3具有计算、补偿功能。采用一定的算法，将各次测量的结果排序，取中间的一些数值，求其平均值，并将温度值进行补偿计算。

4具有强大的通讯功能。液位信息为数字量，将数字量转变成4～20mA模拟量输出，模拟电流量有利于传输，抗干扰能力强；将液位信息通过异步串行通讯传给上位机；以太网数据传输，实现远距离传输液位信息。

综上所述，智能型超声波传感器是将单片机、嵌入式系统引入仪表，开发出的智能型传感器，它突破了传统传感器的单一功能，具有自动测量、高精度、功能扩展容易、与外部通讯强大的功能，完全能适应工业控制体系的网络化、集成化、智能化发展的要求。

二、智能型超声波传感器的主要结构

(一)硬件构成

智能型超声波传感器主要由液位信息采集电路、控制单元、键盘输入接口电路、LCD显示接口电路及与外部通讯接口电路五部分构成。其结构原理如图1所示：

1液位信息采集电路包括超声波发射和接收电路、温度传感器。其中温度传感器嵌入在微处理器内。

超声波发射电路主要由微分电路和驱动电路组成。CPU发出的脉冲信号经微分电路变成标准的脉冲信号，然后通过可控硅去控制600V的高压，形成高压脉冲。高压脉冲驱动超声波探头，探头把电能转换成机械能，产生超声波。超声波脉冲信号接收电路包括接收信号的限幅、放大、比较、单稳态触发等环节，形成一个窄脉冲信号。超声波传播速度受温度的影响，精确的测量需要温度补偿。在MSP430内嵌入温度传感器，利用内部热敏二极管测量温度。MSP430温度传感器所测电压v和实际温度T的关系：

V=0.00355×T+0.986

MSP430的ADC12内核是一个12位的模数转换器，能将结果存放在存储器中。该内核使用两个可编程的参考电压(V_R+和v_R-)定义转换的最大值和最小值。输入模拟电压的转换结果NADC满足公式：

N_ADC=4096×(V_in-V_R-)／(V_R+-V_R-)

MSP430具有ADC12内嵌温度传感器，若设置ADC12的内部参考电压为2.5V，输入模拟电压的转换结果N_ADC满足公式：

N_ADC=4096×T／2.5

2控制单元：MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年推向市场的超低功耗的混合信号处理器。该系列单片机具有16位CPU通过总线连接到存储器和外围模块，直接嵌入仿真处理，具有JTAG接口，能够降低功耗，降低噪声对存储器存取的影响。MSP430系列单片机包含以下主要功能部件：

(1)CPU：MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430的实时处理能力。

(2)存储器：存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息，有程序存储器和数据存储器。对程序存储器访问是以字形式，而对数据可以用字和字节方式访问。其中MSP430系列单片机的程序存储器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。

(3)外围模块：经MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。

3键盘输入接口电路和LCD显示接口电路构成人机交互接口电路，智能型传感器通常都有液晶显示和手动操作按钮，LCD显示器显示液位数据信息，按键输入用来选择工作模式。

4与外部通讯接口电路主要包括三种通讯方式，即4～20mA电流环接口、异步串行通讯接口、以太网数据传输接口电路。

(1)4～20mA电流环：在要求智能传感器具有高精度的电流变送要求时，低功率、高精度的元器件的选用是研制智能传

感器不可缺少的一部分，一般情况下选用高性能数模转换器AD421。利用AD421将液位信息转变成4～20mA的模拟量。

(2)RS－232串行通讯：串行通信只需较少的端口就可以实现单片机和Pc机的通信。串行通信由两种方式：异步模式和同步模式。MSP430F44X系列都有USAHT模块来实现串行通信，使用MSP430F449的USART0模块通过RS-232串口来接收或发射数据。

(3)以太网数据传输：嵌入式以太网可以通过Ethemet将信息传输距离无限扩展，而基于底层的以太网协议是由以太网控制器来实现的。

(二)软件构成

智能型超声波液位传感器程序由三部分构成：采集液位信息程序，发射与接收超声波，测量当前温度，计算液位值；人机交互程序，包括按键处理程序和液晶显示程序；与外部通讯程序，包括异步串行通讯程序、4～20mA两线制电流变送程序和以太网数据传输程序。该软件系统设置了三种工作模式，由按键选择并引发中断，进入不同的工作模式，完成相应的功能。本系统设置3种工作模式：若按键normal按下，进入normal工作模式；若按键web按下，进入web工作模式；若按键AD eoDvert按下，进入AD eonvert模式。软件流程框图如下：

1normal工作模式。采集液位信息，将液位值由液晶显示，采用异步串行通讯方式向上位机传送数据。

2web工作模式。采集液位信息，将液位值由液晶显示，以太网传输数据。

3ADconvert模式。采集液位信息，将液位值液晶显示，4～20mA电流环向上位传送信息。

主程序不是无休止的循环，通常处于休眠状态。由按键触发中断，进入中断处理程序，中断处理完毕后再次进入休眠状态。

三、结论

由于科学技术的发展，工艺过程自动化程度越来越高，对测控系统的精度提出了更高的要求。近年来，微控制器组成的测控系统已经在许多领域得到了广泛的应用。根据这些时代特点，传感器技术也得到了突飞猛进的发展，智能型超声波传感器的出现是传感器技术发展的一次飞跃，该传感器是传感器与微处理器结合的产物，具有检测和信息处理的功能，与传统传感器相比，有着无可比拟的优点。随着智能型超声波传感器的出现，对提高工业生产效率起到十分重要的作用，在石油化工及建筑业等各行各业中将得到广泛的应用。

作者简介：李军(1973-)，甘肃定西人，北京中航空港建设工程有限公司工程师，研究方向：建筑电气。