摘 要：本文利用超聲波傳感技術(shù)結(jié)合相應(yīng)測(cè)試算法對(duì)群罐體容器內(nèi)液位進(jìn)行測(cè)控和集中管理，可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，大大增加了系統(tǒng)的連續(xù)工作時(shí)間，簡(jiǎn)化和方便了對(duì)傳感器的維護(hù)，還可實(shí)現(xiàn)不停產(chǎn)檢修，提高了生產(chǎn)率和管理水平。本文簡(jiǎn)述了該系統(tǒng)的工作原理、組成結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，并對(duì)傳感器及微控制器的選用等內(nèi)容進(jìn)行了論述。采用單片機(jī)來(lái)控制超聲波的發(fā)射與接收，并且計(jì)算出液位，使測(cè)試儀器具有更高的智能性。 關(guān)鍵詞：超聲波傳感器，液位監(jiān)控，液位測(cè)量，溫度補(bǔ)償，MSP430 Abstract: Utilizing the technology of Ultrasonic wave, relevant test arithmetic and the PC to carry on monitoring, controlling and centralized management of the liquid-level in the liquid container, can prevent from keeping in touch with the examined liquid, not only has increased the continuous working time of the system greatly, simplifying maintenance of the sensor conveniently, can also realize overhauling in producing and boost the productivity and management level. The working principle, hardware structure of the instrument and the design method are presented, the selection of sensor and MCU is discussed in detail. The more intelligent can be obtained when using the MCU to control the emission and receive and to calculate the liquid-level. Key words: Ultrasonic Sensor, Liquid-level Monitoring, Liquid-level measure, Temperature compensation, MSP430 1 引言 　　目前，較常用的罐體液位測(cè)量根據(jù)測(cè)量方式的不同可分為接觸式與非接觸式兩種類型，接觸式測(cè)量是指用傳感器直接與罐內(nèi)液體介質(zhì)相接觸的測(cè)量方法，由于所用傳感器與罐內(nèi)液體相接觸，因此在設(shè)計(jì)和安裝傳感器時(shí)必須要考慮耐滲漏、耐腐蝕等問(wèn)題。而在本設(shè)計(jì)中采用了非接觸式的超聲波測(cè)量技術(shù)對(duì)罐體的液位進(jìn)行檢測(cè)，由于傳感器不直接接觸被測(cè)液體，因此稍加防護(hù)措施該方式就具有可靠性高、易維護(hù)、檢修周期長(zhǎng)、可以實(shí)現(xiàn)不停產(chǎn)檢修等優(yōu)點(diǎn)。另外由于工程布線等方面的原因，給線路的檢修和維護(hù)帶來(lái)極大的不便。在一些具有腐蝕性液體的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，往往會(huì)因?yàn)榄h(huán)境中的腐蝕性氣體的存在和侵害，而導(dǎo)致信號(hào)傳輸線路的故障或損害所造成的停產(chǎn)時(shí)有發(fā)生。隨著無(wú)線通信模塊技術(shù)性能的不斷提高和價(jià)格的不斷下降，采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，無(wú)疑將對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸帶來(lái)極大的方便，一方面可省去工程布線，另一方面可大大簡(jiǎn)化線路維護(hù)和檢修工作。又可免除線路的檢修和維護(hù)帶來(lái)極大的不便。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 　　2.1 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)和工作原理 　　本設(shè)計(jì)主要有超聲波傳感器、流量傳感器、電磁閥、微控制器MCU、無(wú)線收發(fā)模塊、LCD顯示器、鍵盤等組成，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。 　　本系統(tǒng)中的液位傳感器采用的是超聲波傳感器，利用超聲波傳感器采集信號(hào)并結(jié)合相應(yīng)的測(cè)試算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)液罐內(nèi)液位進(jìn)行測(cè)試，并由高性能單片機(jī)MSP430完成對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、處理、分析、顯示、存儲(chǔ)以及與上位機(jī)進(jìn)行通信等。超聲波發(fā)射電路能在單片機(jī)的控制下發(fā)出超聲波。接收電路接收到信號(hào)之后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，然后計(jì)算罐底到液面的距離即當(dāng)前液位，將測(cè)試結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)顯示器顯示的同時(shí)還可通過(guò)無(wú)線傳輸方式將獲得的液位等數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，以便對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析處理或?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理。系統(tǒng)的總體組成結(jié)構(gòu)見圖1。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)的總體組成結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　2.2 超聲波傳感器測(cè)試原理及接口設(shè)計(jì) 　　2.2.1 超聲波傳感器及液位測(cè)試原理 　　超聲波測(cè)量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測(cè)量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）無(wú)任何機(jī)械傳動(dòng)部件，也不接觸被測(cè)液體，屬于非接觸式測(cè)量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng)。（2）其響應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后的實(shí)時(shí)測(cè)量。 　　本系統(tǒng)采用的超聲波傳感器的工作頻率為40kHz左右。由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，傳到液面經(jīng)反射后返回接收傳感器，測(cè)出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時(shí)間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而確定液面[1]。考慮到環(huán)境溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度予以校正，以提高測(cè)量精度。計(jì)算公式為： 　　V=331.5+0.607T （1） 　　式中：V為超聲波在空氣中傳播速度;T為環(huán)境溫度。 　　S= V ×t/2= V×（t1-t0）/2 （2） 　　式中：S為被測(cè)距離;t為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時(shí)間差;t1為超聲回波接收時(shí)刻;t0為超聲脈沖發(fā)射時(shí)刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測(cè)量t0時(shí)刻和t1時(shí)刻，根據(jù)以上公式，用軟件編程即可得到被測(cè)距離S[2]。由于本系統(tǒng)的MCU選用了具有SOC特點(diǎn)的混合信號(hào)處理器，其內(nèi)部集成了溫度傳感器，因此可利用軟件很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的溫度補(bǔ)償。 　　2.2.2 超聲波傳感器與MSP430的接口 　　本系統(tǒng)選用的是SCS-401系列超聲波傳感器，諧振頻率為40KHZ左右，其信號(hào)處理電路由兩部分組成：即超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路。為了便于調(diào)試，超聲波振蕩器采用硬件電路設(shè)計(jì)，利用MCU進(jìn)行發(fā)射控制。由于罐體液位的測(cè)量范圍一般不超過(guò)5米，因此超聲波接收電路的靈敏度不必太高，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)中采用了兩級(jí)放大和比較電路，超聲波發(fā)射和接收電路及其與MCU的接口見圖2所示（信號(hào)從P25發(fā)射，從P24接收）。 　　2.2.3流量傳感器信號(hào)與MSP430的連接 　　為簡(jiǎn)化系統(tǒng)的維護(hù)和檢修，本系統(tǒng)中的流量傳感器采用的是無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件的渦街流量傳感器，由于該傳感器可直接輸出當(dāng)量脈沖信號(hào)，因此其信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，僅需利用施密特觸發(fā)器對(duì)其進(jìn)行整形即可送作為MCU的中斷請(qǐng)求信號(hào)對(duì)其進(jìn)行處理即可。見圖2，流量傳感器從圖中的JIN1接入。 [align=center] 圖2 下位機(jī)電路原理圖[/align] 　　2.2.4無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊及其與系統(tǒng)的連接 　　本系統(tǒng)采用的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊為SRWF-108（或SRWF-1），該模塊采用FSK調(diào)制方式，工作頻率為429MHZ～433.3MHZ，其通信信道為半雙工模式，比較適合點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信傳輸系統(tǒng)，可直接支持RS-232標(biāo)準(zhǔn)的串行通信，但由于該模塊的輸出信號(hào)為TTL，因此與上位機(jī)連接的模塊須設(shè)計(jì)一個(gè)TTL——-EIA電平轉(zhuǎn)換電路，本系統(tǒng)中采用的是MAX232。見圖2，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊與下位機(jī)的P34、P35相連。 　　2.3微控制器MCU的選型 　　為盡可能簡(jiǎn)化和方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低下位機(jī)的功耗，本設(shè)計(jì)采用TI公司的具有SOC特點(diǎn)的MSP430系列MCU，這是一種超低功耗的16位混合信號(hào)控制器，其內(nèi)部集成了大量的外圍模塊和溫度傳感器。MSP430單片機(jī)采用最新的低功耗技術(shù)，工作電壓范圍為1.8～3.6V，有正常工作模式（AM）和多種低功耗工作模式;當(dāng)電源電壓為3V 時(shí)，其最低功耗模式下的功耗僅0.1μA。它的超低功耗性在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在電池供電的便攜式設(shè)備中表現(xiàn)尤為突出。本設(shè)計(jì)所采用的是MSP430F1232微控制器，具有非常高的集成度，片內(nèi)集成了10通道的10位A/D轉(zhuǎn)換、具有PWM功能的定時(shí)器、溫度傳感器、片內(nèi)USART、看門狗定時(shí)器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的具有中斷功能的I/O 端口、大容量的片內(nèi)Flash 和RAM 以及信息Flash 存儲(chǔ)器[3]。其中Flash 存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)和軟件升級(jí)。 　　綜合以上特點(diǎn)可見： 采用MSP430單片機(jī)作為測(cè)試儀器的處理器，可簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、縮短開發(fā)周期，降低系統(tǒng)功耗、同時(shí)又能提高系統(tǒng)性能。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　本設(shè)計(jì)是以超聲波傳感器作為主要探測(cè)器件，通過(guò)超聲波脈沖反射接收法對(duì)液罐內(nèi)液位進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)相應(yīng)的測(cè)試算法計(jì)算出當(dāng)前液罐內(nèi)液位。也可將測(cè)試結(jié)果通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析處理。 　　基于單片機(jī)的液位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要有兩部分組成：下位機(jī)控制程序采用匯編編寫，上位機(jī)處理程序主要采用C#.net編寫。 　　3.1 下位機(jī)處理程序 　　測(cè)量過(guò)程是由單片機(jī)部分和超聲波電路部分共同完成的，可設(shè)定發(fā)射一次超聲波的間隔時(shí)間為0.5 s。發(fā)射時(shí)，單片機(jī)從P2.5發(fā)出發(fā)射允許控制信號(hào)，由發(fā)射電路從超聲波發(fā)射端發(fā)出約40kHz的超聲波，為消除發(fā)射干擾經(jīng)一定的延時(shí)后再打開單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器開始定時(shí)，起始時(shí)刻記為t0;超聲波碰到液面后反射回來(lái)被接收端接收;此時(shí)由單片機(jī)的P2.4口通過(guò)中斷接收，若檢測(cè)到信號(hào)，則記下該時(shí)刻t1，定時(shí)器停止定時(shí)，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間t=t1-t0即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間;由MCU計(jì)算出液位送LCD就地顯示和處理并通過(guò)串行通訊端口將計(jì)算出的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。若單片機(jī)系統(tǒng)接收不到超聲波回波信號(hào)，則到0.5 s時(shí)重復(fù)上述過(guò)程開始下一輪的循環(huán)。其主程序流程圖如圖3所示。 　　3.2 上位機(jī)處理程序 　　上位機(jī)處理程序主要采用C#.net[4]編寫，將測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)絇C機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液罐內(nèi)液位的實(shí)時(shí)監(jiān)控;同時(shí)將測(cè)試數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理。其監(jiān)控界面如圖4所示。 [align=center] 圖4 液位監(jiān)控系統(tǒng)界面[/align] 　　3.3 系統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn) 　　主站是通過(guò)主控計(jì)算機(jī)對(duì)各分布的罐體或從站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。在本系統(tǒng)中，無(wú)線通信是實(shí)現(xiàn)兩端設(shè)備交換數(shù)據(jù)的主要手段。采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式可省去工程布線，又可以大大簡(jiǎn)化線路維護(hù)和檢修工作，從而可免除線路的檢修和維護(hù)帶來(lái)極大的不便。 　　為了避免沖突，本系統(tǒng)采用地址位方式實(shí)現(xiàn)主站對(duì)多從站的尋址。從站以總線方式與主站連接。每次主站以某一地址呼叫，只有地址相同的從站能識(shí)別呼叫并做出響應(yīng)。為了避免線路擁塞，在監(jiān)測(cè)多個(gè)從站時(shí)，由主站循環(huán)向所監(jiān)控的各從站發(fā)出查詢請(qǐng)求，各從站依次響應(yīng)相關(guān)請(qǐng)求。例如對(duì)16個(gè)從站進(jìn)行監(jiān)控，應(yīng)先對(duì)16個(gè)從站進(jìn)行地址編碼，例如1號(hào)從站對(duì)應(yīng)地址F0，2號(hào)對(duì)應(yīng)F1，依次類推（增加從站數(shù)量只需增加地址碼即可）。本系統(tǒng)定義了一個(gè)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的幀格式，如表1所示，幀頭部由地址碼組成，幀數(shù)據(jù)由控制碼，數(shù)據(jù)與結(jié)束碼組成。 　　表1 通信幀格式 　　通信協(xié)議規(guī)定，任何接收方在接收到數(shù)據(jù)時(shí)以相同的控制碼應(yīng)答發(fā)送方。例如從站發(fā)送報(bào)警，對(duì)應(yīng)于主站的接收?qǐng)?bào)警;主站發(fā)送實(shí)時(shí)查詢，對(duì)應(yīng)于從站的發(fā)送液體流量、液體流速等信息。 　　3.4 系統(tǒng)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[5] 　　本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，氣溫約為25℃時(shí)，通過(guò)鋼皮卷尺與超聲波液位測(cè)試儀對(duì)照測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。 　　表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 　　測(cè)量距離是以厘米為分辨率的3位數(shù)字顯示，由表2知，絕大部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足士1cm的測(cè)量精度（在25℃左右），少部分?jǐn)?shù)據(jù)的誤差也在出2～3cm的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了該液位測(cè)試儀器的測(cè)試精度。由于環(huán)境溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，使得測(cè)試誤差變大。所以需要通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度予以校正，以提高測(cè)量精度。 4 結(jié)束語(yǔ) 　　本文創(chuàng)新點(diǎn)：利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)液位的非接觸式測(cè)量，解決了采用接觸式液位傳感器所存在的易滲漏、易腐蝕不便于檢修和維護(hù)等問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的可靠性高，并充分利用MCU內(nèi)部集成的溫度傳感器對(duì)超聲波傳感器進(jìn)行有效的溫度補(bǔ)償和校正，大大提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。硬件電路設(shè)計(jì)集成度高，可靠性強(qiáng);測(cè)試裝置小巧方便，便于安裝和維護(hù)，功能強(qiáng)。由于本儀器成本低，具有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 趙廣濤,程蔭杭. 基于超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（1）:129-131 　　[2] 苗匯靜，唐詩(shī)，譚博學(xué).超聲波汽車倒車報(bào)警器的設(shè)計(jì)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,19（4）: 6-9. 　　[3] 魏小龍. 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