一種基于時(shí)延法測(cè)距的高精度超聲波液位計(jì)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于時(shí)延法測(cè)距的高精度超聲波液位計(jì)，包括單片機(jī)控制器、鍵盤模塊、存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、超聲波收發(fā)模塊、串口通信模塊，所述的鍵盤模塊、存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、超聲波收發(fā)模塊、串口通信模塊分別與所述的單片機(jī)控制器相連接，串口通信模塊還連接有PC機(jī)，所述的超聲波收發(fā)模塊設(shè)置有兩個(gè)，所述的兩個(gè)超聲波收發(fā)模塊設(shè)置在液面的上方，且兩個(gè)超聲波收發(fā)模塊距液面的高度不相同。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的超聲液位計(jì)利用兩個(gè)布置在不同高度上的超聲探頭的測(cè)量結(jié)果來修正聲速并消除單片機(jī)內(nèi)部的硬件延時(shí)誤差，并采用算術(shù)平均濾波的方法降低由于外部環(huán)境原因造成液面不夠平穩(wěn)而產(chǎn)生的誤差，從而實(shí)現(xiàn)超聲波液位的精確測(cè)量。
【專利說明】一種基于時(shí)延法測(cè)距的高精度超聲波液位計(jì)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測(cè)距裝置，特別是一種基于時(shí)延法測(cè)距的高精度超聲波液位計(jì)。【背景技術(shù)】
[0002]在科技日益發(fā)達(dá)的今天，隨著超聲波技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，超聲波在日常生活以及工業(yè)等領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用，例如雷達(dá)探測(cè)、室外工地測(cè)距、測(cè)量水庫水位、測(cè)量容器深度等。液位測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著一個(gè)相當(dāng)重要的角色，通過測(cè)量容器內(nèi)液位能確定液體原料的數(shù)量，對(duì)容器內(nèi)液面高度的實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)視可以保障工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性、可靠性和安全性，為生產(chǎn)環(huán)節(jié)的物料平衡和生產(chǎn)預(yù)算提供依據(jù)。同時(shí)液位測(cè)量與我們?nèi)粘Ｉ钜蚕⑾⑾嚓P(guān)，不僅用于各種容器管道內(nèi)的液體測(cè)量，甚至還用于江河湖海和水庫等的水位測(cè)量。 [0003]目前無論是水庫水位的測(cè)量、大型油罐液位的測(cè)量，還是小型容器液位的測(cè)量或者其它液位測(cè)量，都對(duì)其測(cè)量精度提出了越來越高的要求。例如石化部門使用的大型儲(chǔ)油罐容量一般在100(Tl00000m3之間，則很小的液位測(cè)量誤差都會(huì)造成很大的絕對(duì)誤差。因此，高精度的液位測(cè)量在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位。
[0004]超聲波液位計(jì)能夠通過非接觸方式測(cè)量液面高度，因此無需接觸液面就能達(dá)到液位測(cè)量的目的，特別適合于冶金和化工等工業(yè)中帶有強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射、強(qiáng)污染以及強(qiáng)酸強(qiáng)堿等惡劣條件下的液位測(cè)量。超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度是不一樣的，即使是在同一介質(zhì)，速度也受各種各樣的因素影響，例如溫度、壓力、濕度、成分和粘度等。為了提高超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度，就必須設(shè)法獲取超聲波在工作環(huán)境中的精確傳播速度。在傳統(tǒng)的超聲波液位系統(tǒng)中，大多采用通過測(cè)量溫度來校正聲速，從而提高液位測(cè)量精度，一般在系統(tǒng)中加入測(cè)溫模塊以獲取超聲波傳播環(huán)境的溫度r后，通過公式(7=331.5 + 0.6(?7 來對(duì)聲速進(jìn)行校正。但是該方法只考慮了溫度的影響而忽略了其他因素如濕度、壓力等對(duì)超聲波的傳播速度的影響，而且溫度測(cè)量也存在一定程度的誤差，導(dǎo)致利用該方法的超聲波液位儀的測(cè)量精度仍較低。而另一種采用自校準(zhǔn)技術(shù)對(duì)聲速補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ窃谙到y(tǒng)中設(shè)置參考擋板，并使參考探頭與擋板距離保持一定值，且此擋板不能擋住另一個(gè)探頭到液面的超聲波，超聲波從參考探頭發(fā)出，經(jīng)參考擋板發(fā)射后回至探頭而被接收，由于參考探頭與擋板之間距離是精確已知的，因此利用參考探頭能計(jì)算出在工作環(huán)境中的聲速，這種方法可以補(bǔ)償任何因素如溫度、濕度和壓力等引起的聲速變化。但是在容器內(nèi)安裝擋板不僅增加了施工難度，而且擋板過小減弱了擋板反射的超聲波，而擋板過大影響另一個(gè)探頭到液面的超聲波，因此擋板過小和過大都會(huì)對(duì)此類超聲波液位計(jì)的正常工作產(chǎn)生一定的影響。本發(fā)明提出了一種新的自校準(zhǔn)技術(shù)來對(duì)聲速進(jìn)行校正，從而實(shí)現(xiàn)超聲波液位的精確測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種基于時(shí)延法測(cè)距的高精度超聲波液位計(jì)。[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:一種基于時(shí)延法測(cè)距的高精度超聲波液位計(jì)，包括單片機(jī)控制器、鍵盤模塊、存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、超聲波收發(fā)模塊、串口通信模塊，所述的鍵盤模塊、存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、超聲波收發(fā)模塊、串口通信模塊分別與所述的單片機(jī)控制器相連接，串口通信模塊還連接有PC機(jī)，所述的超聲波收發(fā)模塊設(shè)置有兩個(gè)，所述的兩個(gè)超聲波收發(fā)模塊設(shè)置在液面的上方，且兩個(gè)超聲波收發(fā)模塊距液面的高度不相同。
[0007]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述的單片機(jī)控制器采用的型號(hào)為STC89C52。
[0008]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述的超聲波收發(fā)模塊米用的型號(hào)為HC-SR04。
[0009]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述的存儲(chǔ)模塊采用存儲(chǔ)器AT24C02。
[0010]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述顯示模塊包括1602IXD顯示屏。
[0011]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述報(bào)警模塊主要由蜂鳴器、三極管以及電阻構(gòu)成。
[0012]本發(fā)明的有益效果:
[0013]本發(fā)明設(shè)計(jì)的超聲波液位計(jì)無需增加測(cè)溫單元或安裝擋板，就能補(bǔ)償任何因素如溫度、濕度和壓力等引起的聲速變化，而且也不存在擋板安裝施工難以及擋板大小選擇不當(dāng)影響液位測(cè)量的問題。該超聲液位計(jì)利用兩個(gè)布置在不同高度上的超聲探頭的測(cè)量結(jié)果來修正聲速并消除單片機(jī)內(nèi)部的硬件延時(shí)誤差，并采用算術(shù)平均濾波的方法降低由于外部環(huán)境原因造成液面不夠平穩(wěn)而產(chǎn)生的誤差，從而實(shí)現(xiàn)超聲波液位的精確測(cè)量。本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的保存，以方便后續(xù)的制表以及測(cè)量曲線圖的繪制，報(bào)警電路可以全天候地進(jìn)行有效預(yù)警，并設(shè)計(jì)了串口通信模塊，使得操作人員可以通過PC機(jī)對(duì)液位計(jì)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，為操作人員在室外的測(cè)量工作帶來了極大的便利。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖；
[0016]圖3為本發(fā)明的單片機(jī)控制器的電路圖；
[0017]圖4為本發(fā)明的超聲波收發(fā)模塊電路圖；
[0018]圖5為存儲(chǔ)模塊電路圖；
[0019]圖6為顯示模塊電路圖；
[0020]圖7為串口通信模塊電路圖；
[0021]圖8為鍵盤模塊電路圖；
[0022]圖9為報(bào)警電路電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下將結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，應(yīng)理解下述【具體實(shí)施方式】?jī)H用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0024]如圖1所示為本發(fā)明的一種基于時(shí)延法測(cè)距的高精度超聲波液位計(jì)結(jié)構(gòu)框圖，包括單片機(jī)控制器、鍵盤模塊、存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、超聲波收發(fā)模塊、串口通信模塊，所述的鍵盤模塊、存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、超聲波收發(fā)模塊、串口通信模塊分別與所述的單片機(jī)控制器相連接，串口通信模塊還連接有PC機(jī)，所述的超聲波收發(fā)模塊設(shè)置有兩個(gè)，所述的兩個(gè)超聲波收發(fā)模塊設(shè)置在液面的上方，且兩個(gè)超聲波收發(fā)模塊距液面的高度不相同。
[0025]圖3為本發(fā)明的單片機(jī)控制器的電路圖，選擇單片機(jī)中低功耗的STC89C52單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能且系統(tǒng)內(nèi)帶有8KB可編程Flash存儲(chǔ)器的8位CMOS微處理器，具有速度快、可靠性高、功耗低、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)STC89C52控制超聲波收發(fā)電路發(fā)射超聲波信號(hào)，并接收經(jīng)超聲波模塊傳輸來的回波信號(hào)，在其內(nèi)部進(jìn)行聲速校正和硬件延時(shí)誤差補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)液面高度的測(cè)量，同時(shí)也負(fù)責(zé)控制鍵盤電路、存儲(chǔ)電路、報(bào)警電路、LCD顯示電路以及串口通信電路等。單片機(jī)主控模塊電路如圖3所示，主要包括單片機(jī)時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。當(dāng)單片機(jī)加電，振蕩器就會(huì)一直工作，產(chǎn)生持續(xù)的振蕩時(shí)鐘。復(fù)位電路具有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種功能，當(dāng)晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 [0026]圖4為本發(fā)明的超聲波收發(fā)模塊電路圖，為了提高液位測(cè)量值的精度，超聲波收發(fā)模塊采用了兩個(gè)一體化超聲波模塊HC-SR04，分別安裝在高度相差為td的位置上。HC-SR04 一體化超聲波模塊是集發(fā)送、接收、放大和解調(diào)為一體的超聲波收發(fā)器。通過單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器給出一個(gè)IOus以上的脈沖觸發(fā)信號(hào)給HC-SR04的TRIG引腳，則該模塊內(nèi)部循環(huán)發(fā)出8個(gè)40kHz周期電平，并自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)返回時(shí)，該模塊把接收信號(hào)經(jīng)過放大和解調(diào)后通過該模塊的ECHO引腳送到單片機(jī)的IO 口。
[0027]圖5為存儲(chǔ)模塊電路圖，要實(shí)現(xiàn)液位高度測(cè)量值的實(shí)時(shí)記錄，本系統(tǒng)增加了一個(gè)串行EEPROM存儲(chǔ)器AT24C02，將不同時(shí)刻的液面高度測(cè)量值保存在存儲(chǔ)器中，方便使用者隨時(shí)查看相應(yīng)的信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。同時(shí)為了降低因液面不夠平穩(wěn)而產(chǎn)生的誤差的影響，單片機(jī)可以將該存儲(chǔ)電路保存的同一液面的測(cè)量數(shù)據(jù)每N個(gè)取一次平均值，顯然有了存儲(chǔ)電路可以更方便的實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。
[0028]圖6為顯示模塊電路圖，顯示模塊電路采用1602IXD顯示屏，當(dāng)系統(tǒng)剛上電或復(fù)位時(shí)顯示屏顯示“Ultrasonic level measuring system”,通過外部中斷設(shè)定報(bào)警高度時(shí)顯示屏顯示“Set Alarm”，當(dāng)測(cè)量到液面高度時(shí)顯示“Height”并顯示在當(dāng)時(shí)環(huán)境下的液面高度，當(dāng)液面高度超出報(bào)警高度導(dǎo)致蜂鳴器報(bào)警時(shí)顯示屏顯示“Warning ! ”，當(dāng)串口傳送數(shù)據(jù)時(shí)顯示屏顯示“Sending”。
[0029]圖7為串口通信模塊電路圖，本系統(tǒng)具有單片機(jī)與PC機(jī)遠(yuǎn)程通訊的功能，操作人員可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。單片機(jī)通過串口把液位測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，并保存在PC機(jī)內(nèi)，可以進(jìn)一步分析和打印。由于單片機(jī)與計(jì)算機(jī)所提供的電平不同，單片機(jī)提供的是TTL電平，而計(jì)算機(jī)提供的是TS232電平，兩者要實(shí)現(xiàn)通信的話需要采用MAX232芯片來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
[0030]圖8為鍵盤模塊電路圖，鍵盤電路主要負(fù)責(zé)設(shè)定警戒液位報(bào)警高度以及查看存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等操作，采用獨(dú)立式鍵盤，每個(gè)鍵盤的一端與單片機(jī)的IO 口相連，而另一端則接地。
[0031]圖9為報(bào)警電路電路圖，報(bào)警電路主要由蜂鳴器、三極管以及電阻構(gòu)成，當(dāng)液位達(dá)到警戒高度時(shí)，單片機(jī)的P3.5 口輸出高電平，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，提醒使用者注意液面的高度。
[0032]本發(fā)明的工作原理如下:
[0033]單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，負(fù)責(zé)控制外圍電路以及計(jì)算輸出。首先，單片機(jī)通過發(fā)射電路將信號(hào)傳輸給兩個(gè)放置在不同高度的超聲波探頭發(fā)射超聲波信號(hào)，兩個(gè)探頭的超聲波信號(hào)遇到液面反射回來，并被各自的換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波、整形等處理后傳輸給單片機(jī)，由于兩個(gè)探頭的高度差是精確已知的，因此在單片機(jī)內(nèi)利用兩個(gè)安裝在不同位置上的超聲探頭的回波延時(shí)測(cè)量結(jié)果，能計(jì)算出在當(dāng)時(shí)工作環(huán)境下的聲速，并能消除單片機(jī)內(nèi)部的硬件延時(shí)誤差，經(jīng)過聲速校正和硬件延時(shí)誤差補(bǔ)償之后，可由單片機(jī)利用某個(gè)探頭的時(shí)延測(cè)量結(jié)果計(jì)算出液面高度，并通過顯示電路顯示，若當(dāng)液位達(dá)到警戒高度時(shí)可以自動(dòng)報(bào)警，還可以由通信接口與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液面的遠(yuǎn)程監(jiān)控。存儲(chǔ)模塊可以保存不同時(shí)刻的液位測(cè)量值，方便使用者查閱和記錄分析相關(guān)數(shù)據(jù)，鍵盤模塊主要負(fù)責(zé)設(shè)定警戒液位報(bào)警高度以及查看存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等操作。
[0034]本方明的聲速校正和硬件延時(shí)誤差補(bǔ)償原理:如圖2所示，探頭I和探頭2分別安裝在兩個(gè)不同高度的位置上，兩探頭的高度差為^ ,為了保證兩個(gè)探頭能夠獨(dú)立進(jìn)行超聲的發(fā)射和接收，而互不干擾各自工作，則要求兩個(gè)探頭在橫向上也要相距一段距離。在工作時(shí)，兩個(gè)探頭同時(shí)發(fā)射超聲波并獨(dú)立接收各自的回波信號(hào)，假設(shè)測(cè)量得到探頭I從發(fā)射超聲波到接收到回波所經(jīng)歷的時(shí)間為G，探頭2從發(fā)射超聲波到接收到回波所經(jīng)歷的時(shí)間為t2。由于硬件電路處理存在一定延時(shí)的，這是因?yàn)樵谑褂脮r(shí)延法測(cè)距時(shí)，需要使用單片機(jī)的外部中斷來檢測(cè)回波信號(hào)，中斷響應(yīng)需要一定處理時(shí)間，而在進(jìn)入中斷子程序后還要執(zhí)行若干條指令，因此單片機(jī)內(nèi)部的硬件延時(shí)也是不可忽略的，即回波時(shí)延測(cè)量值U和t2中包含了硬件延時(shí)誤差，由于兩個(gè)探頭的時(shí)延測(cè)量方法相同，因此在兩者測(cè)量過程中的硬件延時(shí)誤差也可近似認(rèn)為相同，假設(shè)硬件延時(shí)誤差為Λ ?以及在系統(tǒng)工作時(shí)的聲速為c，那么根據(jù)時(shí)延測(cè)距原理，探頭I到液面的垂直距離為
【權(quán)利要求】
1.一種基于時(shí)延法測(cè)距的高精度超聲波液位計(jì)，其特征在于:包括單片機(jī)控制器、鍵盤模塊、存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、超聲波收發(fā)模塊、串口通信模塊，所述的鍵盤模塊、存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、超聲波收發(fā)模塊、串口通信模塊分別與所述的單片機(jī)控制器相連接，串口通信模塊還連接有PC機(jī)，所述的超聲波收發(fā)模塊設(shè)置有兩個(gè)，所述的兩個(gè)超聲波收發(fā)模塊設(shè)置在液面的上方，且兩個(gè)超聲波收發(fā)模塊距液面的高度不相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)延法測(cè)距的高精度超聲波液位計(jì)，其特征在于:所述的單片機(jī)控制器采用的型號(hào)為STC89C52。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)延法測(cè)距的高精度超聲波液位計(jì)，其特征在于:所述的超聲波收發(fā)模塊采用的型號(hào)為HC-SR04。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)延法測(cè)距的高精度超聲波液位計(jì)，其特征在于:所述的存儲(chǔ)模塊采用存儲(chǔ)器AT24C02。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)延法測(cè)距的高精度超聲波液位計(jì)，其特征在于:所述顯示模塊包括1602IXD顯示屏。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)延法測(cè)距的高精度超聲波液位計(jì)，其特征在于:所述報(bào)警模塊主要由蜂鳴器、三極管以及電阻構(gòu)成。
【文檔編號(hào)】G01F23/296GK203519112SQ201320625236
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】陳金立, 陳宣, 李鵬, 姚無窮 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)