超声波液位仪的设计与制作
2014-11-19王娜丽宋光坤
王娜丽 宋光坤
摘 要 本次设计的超声波液位仪以STC89C52RC单片机为控制核心，重点对超声波的发送电路、回波信号接收电路、按键及显示电路等硬件的设计进行了详细的说明；软件程序的编写主要使用的是C语言。实现了数据采集与计算、数据转换、数据滤波和系统抗干扰，及控制部分的逻辑判断等功能。最后通过分别对各个硬件模块和软件模块的调试，使设计的超声波液位仪实现预计功能。
【关键词】超声波 液位仪 MCU 微控制器 PCB
在通常的工业生产工程中，液位测量的目是通过液面高度的测量来确定容器里的原材料、半成品或者产品的，用以保证生产过长的各个环节物料平衡以及给进行经济核算提供可靠的依据。同时，在连续的生产过程中，为了维持正常生产、保证产品的质量和产量，以及保证安全生产。所以，液位的监测在工业生产过程中是相当重要的。测量液位的仪表主要分为接触式液位仪表与非接触式液位仪表两部分。而超声波液位仪表，由于其结构简单、造价地低廉，在近些年里得到了广泛的应用。
1 设计简述
所谓的超声波是指人类听不到的声波，一般人的听觉范围是20Hz～20kHz，超出这个范围的声波正常人是听不到的。通过声波在碰到液面后反弹回来的时间来计算当时液面具超声波传感器的距离，则液位公式为：
L为液面距超声波传感器的距离，c为超声波在空气中传播的速度，T为从声波发出到接收到回波的时间。
1.1 超声波液位仪系统结构
如图1-1所示，该超声波液位仪包括输入部分、输出部分以及控制部。
1.2 超声波液位仪系统工作原理
将该超声波传感器安装于待测容器的顶部，垂直于被测液面，当发出的超声波碰到被刺液体后回弹。这时一体化超声波传感器处于接受状态，等待接受反弹回来的超声波，通过超声波的发送到接收的时间来计算液面距容器顶端的距离。
1.2.1 液位测量与计算
系统工作时，单片机的定时器开始计时，同时通过单片机的I/O口发送一串频率为40kHz的信号，信号经过升压中周发放大后通过一体化超声波传感器发送出去。当单片机检测的回波信号时，停止定时器，并将定时器中的数值读出，根据系统的机器周期计算出超声波传播的时间T。
1.2.2 余波的处理
超声波探头将超声波脉冲发送完毕后，并不是立即停止的，而是逐渐衰减，这一段衰减过程中所发送的波被称作余波。
使用软件手段屏蔽掉了余波的干扰。通常收发一体化超声波传感器的余波衰减时间为2ms，因此，在程序中发送完40kHz波后，我们利用循环延时2ms，之后再开始让微处理器等待接收回波信号。而在延时的2ms内返回的超声波将被忽略，这样一来，我们将无法检测较近的距离，而这段无法被检测的距离就是本液位仪的工作盲区。
2 硬件电路设计
2.1 控制部分
控制部分利用STC89C52RC单片机作为主控制芯片，负责超声波输出控制、超声波回波信号接收处理、计算液面距超声波探头的距离、设置阀值输出报警以及控制显示部分输出相关信息。
2.2 I/O口分配
P3.0和P3.1可用于串口通信、程序烧写；而P1口则可以扩展外接其他拓展模块。
P3.6和P3.7口分别接CSBIN（超声波信号输入），用来接收回波通过处理后的有效电平信号；CSBOUT（超声波信号输出），用来输出脉冲信号，是超声波传感器发出40kHz波。
P0口连接LCD1602（液晶显示器）的数据口，P2.0～P2.2接LCD1602的三个控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。
P2.4～P2.6口分别接三个按键输入；P2.7口作为控制继电器的信号输出口，用于控制继电器的开、闭。
2.3 按键与继电器控制电路
按键、继电器控制电路，独立按键的按下将低电平引入单片机I/O口。而当KA为“0”时，PNP管导通，继电器线圈得电，触点动作。
这里选用PNP型三极管是因为单片机复位后，I/O口为高电平，如果使用NPN型三极管则会照成系统上电后继电器会闭合一下，这样对设备有害同时可能照成安全事故。
在继电器线圈的两端并入二极管DK1（1N4007）起到了对继电器的保护作用。
2.4 超声波信号发送及接收部分
发送部分电路主要用到了超声波专用中周变压器将单片机I/O口发出的激励脉冲升压后供给超声波探头，使其发送出与激励脉冲相同频率的超声波。接受部分的电路中用了NE5532高性能低噪声双运算放大器。由于NE5532的工作电压至少为6V时，才能稳定的工作，由于超声波是一个交流信号，D5的作用就是将负半周期的信号通过GND消除，只保留正信号。信号通过BG2放大后进入NE5532，又经过滤波放大、比例微分后输出。
3 软件设计
首先由单片机发出 50KHz 的脉冲串，每八个脉冲为一组，脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波换能器发出超声波，单片机在发送脉冲的同时开始计时；超声波遇到障碍物后的回波经过放大、转化等处理传回单片机，这样就得到了超声波在空气中的传输时间，然后在中断程序中根据测出的时间计算出距离。完成后发出下一组脉冲。利用定时器计算出采样时间，通过前后两次液位差值与前后两次检测的时间，可以算出液位增长的速度。
从实际产品的角度来看，本文设计的超声波测距仪还有需要进一步完善和改进的地方，主要表现在以下几个方面：
（1）由于温度对超声波的传播有一定的影响，所以如果加入温度传感器，测得储蓄罐内的温度，在通过所得的温度对超声波进行温度补偿，这样能提高仪表的精确度。
（2）为了使超声波液位计能够检测到从较远处反射回来的超声波，需要进一步完善修改硬件电路，提高硬件电路的抗干扰能力和对微弱信号的放大倍数，提高超声波液位计的测量范围和测量的精度。
（3）如果将本设计中的仪表用于工业控制上，可能出现问题，比如，现在的工业控制基本上是现场和人员分离的，为了方便使用，在本设计余留的I/O接口上可以接上无线模块，和模块间的通信尽量使用SPI，因为这样不占用串口资源，而串口这可以用来和上位机通信。
作者单位
天津现代职业技术学院机电工程系 天津市 300350endprint
摘 要 本次设计的超声波液位仪以STC89C52RC单片机为控制核心，重点对超声波的发送电路、回波信号接收电路、按键及显示电路等硬件的设计进行了详细的说明；软件程序的编写主要使用的是C语言。实现了数据采集与计算、数据转换、数据滤波和系统抗干扰，及控制部分的逻辑判断等功能。最后通过分别对各个硬件模块和软件模块的调试，使设计的超声波液位仪实现预计功能。
【关键词】超声波 液位仪 MCU 微控制器 PCB
在通常的工业生产工程中，液位测量的目是通过液面高度的测量来确定容器里的原材料、半成品或者产品的，用以保证生产过长的各个环节物料平衡以及给进行经济核算提供可靠的依据。同时，在连续的生产过程中，为了维持正常生产、保证产品的质量和产量，以及保证安全生产。所以，液位的监测在工业生产过程中是相当重要的。测量液位的仪表主要分为接触式液位仪表与非接触式液位仪表两部分。而超声波液位仪表，由于其结构简单、造价地低廉，在近些年里得到了广泛的应用。
1 设计简述
所谓的超声波是指人类听不到的声波，一般人的听觉范围是20Hz～20kHz，超出这个范围的声波正常人是听不到的。通过声波在碰到液面后反弹回来的时间来计算当时液面具超声波传感器的距离，则液位公式为：
L为液面距超声波传感器的距离，c为超声波在空气中传播的速度，T为从声波发出到接收到回波的时间。
1.1 超声波液位仪系统结构
如图1-1所示，该超声波液位仪包括输入部分、输出部分以及控制部。
1.2 超声波液位仪系统工作原理
将该超声波传感器安装于待测容器的顶部，垂直于被测液面，当发出的超声波碰到被刺液体后回弹。这时一体化超声波传感器处于接受状态，等待接受反弹回来的超声波，通过超声波的发送到接收的时间来计算液面距容器顶端的距离。
1.2.1 液位测量与计算
系统工作时，单片机的定时器开始计时，同时通过单片机的I/O口发送一串频率为40kHz的信号，信号经过升压中周发放大后通过一体化超声波传感器发送出去。当单片机检测的回波信号时，停止定时器，并将定时器中的数值读出，根据系统的机器周期计算出超声波传播的时间T。
1.2.2 余波的处理
超声波探头将超声波脉冲发送完毕后，并不是立即停止的，而是逐渐衰减，这一段衰减过程中所发送的波被称作余波。
使用软件手段屏蔽掉了余波的干扰。通常收发一体化超声波传感器的余波衰减时间为2ms，因此，在程序中发送完40kHz波后，我们利用循环延时2ms，之后再开始让微处理器等待接收回波信号。而在延时的2ms内返回的超声波将被忽略，这样一来，我们将无法检测较近的距离，而这段无法被检测的距离就是本液位仪的工作盲区。
2 硬件电路设计
2.1 控制部分
控制部分利用STC89C52RC单片机作为主控制芯片，负责超声波输出控制、超声波回波信号接收处理、计算液面距超声波探头的距离、设置阀值输出报警以及控制显示部分输出相关信息。
2.2 I/O口分配
P3.0和P3.1可用于串口通信、程序烧写；而P1口则可以扩展外接其他拓展模块。
P3.6和P3.7口分别接CSBIN（超声波信号输入），用来接收回波通过处理后的有效电平信号；CSBOUT（超声波信号输出），用来输出脉冲信号，是超声波传感器发出40kHz波。
P0口连接LCD1602（液晶显示器）的数据口，P2.0～P2.2接LCD1602的三个控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。
P2.4～P2.6口分别接三个按键输入；P2.7口作为控制继电器的信号输出口，用于控制继电器的开、闭。
2.3 按键与继电器控制电路
按键、继电器控制电路，独立按键的按下将低电平引入单片机I/O口。而当KA为“0”时，PNP管导通，继电器线圈得电，触点动作。
这里选用PNP型三极管是因为单片机复位后，I/O口为高电平，如果使用NPN型三极管则会照成系统上电后继电器会闭合一下，这样对设备有害同时可能照成安全事故。
在继电器线圈的两端并入二极管DK1（1N4007）起到了对继电器的保护作用。
2.4 超声波信号发送及接收部分
发送部分电路主要用到了超声波专用中周变压器将单片机I/O口发出的激励脉冲升压后供给超声波探头，使其发送出与激励脉冲相同频率的超声波。接受部分的电路中用了NE5532高性能低噪声双运算放大器。由于NE5532的工作电压至少为6V时，才能稳定的工作，由于超声波是一个交流信号，D5的作用就是将负半周期的信号通过GND消除，只保留正信号。信号通过BG2放大后进入NE5532，又经过滤波放大、比例微分后输出。
3 软件设计
首先由单片机发出 50KHz 的脉冲串，每八个脉冲为一组，脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波换能器发出超声波，单片机在发送脉冲的同时开始计时；超声波遇到障碍物后的回波经过放大、转化等处理传回单片机，这样就得到了超声波在空气中的传输时间，然后在中断程序中根据测出的时间计算出距离。完成后发出下一组脉冲。利用定时器计算出采样时间，通过前后两次液位差值与前后两次检测的时间，可以算出液位增长的速度。
从实际产品的角度来看，本文设计的超声波测距仪还有需要进一步完善和改进的地方，主要表现在以下几个方面：
（1）由于温度对超声波的传播有一定的影响，所以如果加入温度传感器，测得储蓄罐内的温度，在通过所得的温度对超声波进行温度补偿，这样能提高仪表的精确度。
（2）为了使超声波液位计能够检测到从较远处反射回来的超声波，需要进一步完善修改硬件电路，提高硬件电路的抗干扰能力和对微弱信号的放大倍数，提高超声波液位计的测量范围和测量的精度。
（3）如果将本设计中的仪表用于工业控制上，可能出现问题，比如，现在的工业控制基本上是现场和人员分离的，为了方便使用，在本设计余留的I/O接口上可以接上无线模块，和模块间的通信尽量使用SPI，因为这样不占用串口资源，而串口这可以用来和上位机通信。
作者单位
天津现代职业技术学院机电工程系 天津市 300350endprint
摘 要 本次设计的超声波液位仪以STC89C52RC单片机为控制核心，重点对超声波的发送电路、回波信号接收电路、按键及显示电路等硬件的设计进行了详细的说明；软件程序的编写主要使用的是C语言。实现了数据采集与计算、数据转换、数据滤波和系统抗干扰，及控制部分的逻辑判断等功能。最后通过分别对各个硬件模块和软件模块的调试，使设计的超声波液位仪实现预计功能。
【关键词】超声波 液位仪 MCU 微控制器 PCB
在通常的工业生产工程中，液位测量的目是通过液面高度的测量来确定容器里的原材料、半成品或者产品的，用以保证生产过长的各个环节物料平衡以及给进行经济核算提供可靠的依据。同时，在连续的生产过程中，为了维持正常生产、保证产品的质量和产量，以及保证安全生产。所以，液位的监测在工业生产过程中是相当重要的。测量液位的仪表主要分为接触式液位仪表与非接触式液位仪表两部分。而超声波液位仪表，由于其结构简单、造价地低廉，在近些年里得到了广泛的应用。
1 设计简述
所谓的超声波是指人类听不到的声波，一般人的听觉范围是20Hz～20kHz，超出这个范围的声波正常人是听不到的。通过声波在碰到液面后反弹回来的时间来计算当时液面具超声波传感器的距离，则液位公式为：
L为液面距超声波传感器的距离，c为超声波在空气中传播的速度，T为从声波发出到接收到回波的时间。
1.1 超声波液位仪系统结构
如图1-1所示，该超声波液位仪包括输入部分、输出部分以及控制部。
1.2 超声波液位仪系统工作原理
将该超声波传感器安装于待测容器的顶部，垂直于被测液面，当发出的超声波碰到被刺液体后回弹。这时一体化超声波传感器处于接受状态，等待接受反弹回来的超声波，通过超声波的发送到接收的时间来计算液面距容器顶端的距离。
1.2.1 液位测量与计算
系统工作时，单片机的定时器开始计时，同时通过单片机的I/O口发送一串频率为40kHz的信号，信号经过升压中周发放大后通过一体化超声波传感器发送出去。当单片机检测的回波信号时，停止定时器，并将定时器中的数值读出，根据系统的机器周期计算出超声波传播的时间T。
1.2.2 余波的处理
超声波探头将超声波脉冲发送完毕后，并不是立即停止的，而是逐渐衰减，这一段衰减过程中所发送的波被称作余波。
使用软件手段屏蔽掉了余波的干扰。通常收发一体化超声波传感器的余波衰减时间为2ms，因此，在程序中发送完40kHz波后，我们利用循环延时2ms，之后再开始让微处理器等待接收回波信号。而在延时的2ms内返回的超声波将被忽略，这样一来，我们将无法检测较近的距离，而这段无法被检测的距离就是本液位仪的工作盲区。
2 硬件电路设计
2.1 控制部分
控制部分利用STC89C52RC单片机作为主控制芯片，负责超声波输出控制、超声波回波信号接收处理、计算液面距超声波探头的距离、设置阀值输出报警以及控制显示部分输出相关信息。
2.2 I/O口分配
P3.0和P3.1可用于串口通信、程序烧写；而P1口则可以扩展外接其他拓展模块。
P3.6和P3.7口分别接CSBIN（超声波信号输入），用来接收回波通过处理后的有效电平信号；CSBOUT（超声波信号输出），用来输出脉冲信号，是超声波传感器发出40kHz波。
P0口连接LCD1602（液晶显示器）的数据口，P2.0～P2.2接LCD1602的三个控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。
P2.4～P2.6口分别接三个按键输入；P2.7口作为控制继电器的信号输出口，用于控制继电器的开、闭。
2.3 按键与继电器控制电路
按键、继电器控制电路，独立按键的按下将低电平引入单片机I/O口。而当KA为“0”时，PNP管导通，继电器线圈得电，触点动作。
这里选用PNP型三极管是因为单片机复位后，I/O口为高电平，如果使用NPN型三极管则会照成系统上电后继电器会闭合一下，这样对设备有害同时可能照成安全事故。
在继电器线圈的两端并入二极管DK1（1N4007）起到了对继电器的保护作用。
2.4 超声波信号发送及接收部分
发送部分电路主要用到了超声波专用中周变压器将单片机I/O口发出的激励脉冲升压后供给超声波探头，使其发送出与激励脉冲相同频率的超声波。接受部分的电路中用了NE5532高性能低噪声双运算放大器。由于NE5532的工作电压至少为6V时，才能稳定的工作，由于超声波是一个交流信号，D5的作用就是将负半周期的信号通过GND消除，只保留正信号。信号通过BG2放大后进入NE5532，又经过滤波放大、比例微分后输出。
3 软件设计
首先由单片机发出 50KHz 的脉冲串，每八个脉冲为一组，脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波换能器发出超声波，单片机在发送脉冲的同时开始计时；超声波遇到障碍物后的回波经过放大、转化等处理传回单片机，这样就得到了超声波在空气中的传输时间，然后在中断程序中根据测出的时间计算出距离。完成后发出下一组脉冲。利用定时器计算出采样时间，通过前后两次液位差值与前后两次检测的时间，可以算出液位增长的速度。
从实际产品的角度来看，本文设计的超声波测距仪还有需要进一步完善和改进的地方，主要表现在以下几个方面：
（1）由于温度对超声波的传播有一定的影响，所以如果加入温度传感器，测得储蓄罐内的温度，在通过所得的温度对超声波进行温度补偿，这样能提高仪表的精确度。
（2）为了使超声波液位计能够检测到从较远处反射回来的超声波，需要进一步完善修改硬件电路，提高硬件电路的抗干扰能力和对微弱信号的放大倍数，提高超声波液位计的测量范围和测量的精度。
（3）如果将本设计中的仪表用于工业控制上，可能出现问题，比如，现在的工业控制基本上是现场和人员分离的，为了方便使用，在本设计余留的I/O接口上可以接上无线模块，和模块间的通信尽量使用SPI，因为这样不占用串口资源，而串口这可以用来和上位机通信。
作者单位
天津现代职业技术学院机电工程系 天津市 300350endprint
