超声波液位探测系统的研究

1、摘 要液位检测技术在现代化工业生产中应用十分广泛，在气象水位的测量、大型油罐液位的测量等。随着智能仪器概念的提出。在电子和微控制芯片发展的基础上，液位仪器也经历着日新月异的变化。本论文介绍了一种由AT89C51单片机为主控元件的超声波液位测量系统。文中给出了系统的硬件设计各个功能机器原理图，同时给出软件系统程序设计方法，系统实现了标准液位的检测及显示功能。超声波液位测量仪应用超声回波原理技术，在硬件部分，超声波发射电路将AT89C51单片机控制的每隔20ms的方波脉冲信号放大到-300V，以满足超声波发射探头的发射需要。超声波接收电路对接收的回波进行发大整形，送回单片机。系统以AT89C51单片机为设计核心，测量得到超声波的传播时间，计算出传播的距离，从而得到所要测量的液位距离,并通过LED显示出来。软件部分，设计了中断程序、显示程序、主程序等。使得程序部分适合硬件部分，使系统功能得以实现。关键词：超声波；AT89C51；液位测量 AbstractThe technique of fluid level detect is extremely widespread in modern

2、industrial production, for example: the measurement of meteorological water level，giant oil pot fluid level, and so on. Along with the advanced intelligent instrument conception, on the basis of development the electronic and the micro control chip, the fluid level instrument is taking on daily variations.The thesis introduces an ultrasonic wave liquid measuring system that uses AT89C51 as major controlling components, and gives the principle of hardware designing of the system, and the programm

3、ing method, which achieves the measure and displaying the liquid level.The ultrasonic wave liquid meter applies the technique of ultrasonic wave back principle, in hardware, and the emission circuit controlled by 89C51 output -300v pulse every 20ms,and expiates the probe to output the signal of ultrasonic wave at 1MHZ. Electric circuit of Ultrasonic wave to receive enlarges and waves echo of received, returns to 89C51. The return signal is received by the probe of the ultrasonic wave, reads the

4、value in the the interrupt produce, then figure out the height of the liquid by the single chip micro-computer and display it through the LED. Software part designs interrupt routine, display sequence, master routine and so on. Let program division suits hardware part, and to realize enables the system function.Key words: ultrasonic wave; AT89C51; liquid depth measure 目 录摘 要IAbstractII1 绪论1液位测量综述1液位计的分类2按照原理分类2按照接触方式分类6超声波液位计的优缺点与可行性8课题的主要任务92 超声波液位检测仪的测量原理112.1 超声波的介绍11超声波基本性质11超声波的衰减11超声波的特性12

5、液体介质中的声速与温度的关系13超声波探头14压电效应14探头的结构和工作原理15超声换能器的主要参数16超声波测距的理论分析173 超声波液位探测系统的硬件设计193.1 系统总体设计思想19单片机的选择193.2.1 AT89C51功能说明20系统中AT89C51的功能说明233.3 发射电路设计23发射电路组成部件的介绍25发射电路原理分析273.4 接收电路的设计28接收电路的工作原理28接收电路的组成28接收电路原理分析33显示电路354 软件设计39软件设计思想39中断程序39显示程序40主程序43结 论45致 谢46参考文献47附录 A48附录 B54581 绪论液位测量综述目前，液位测量技术已经广泛的运用在工业部门和日常检测部门中。例如：液位测量技术在石油、化工、气象等部门的应用。在测量条件和环境来说，有的测量系统被运用在十分复杂的条件与环境中。例如:有的是高温高压，有的是低温或真空，有的需要防腐蚀、防辐射，有的从安装上提出苛刻的限制，有的从维护上提出严格的要求等。这些都大大的提高了对测量技术的要求。所以能实现测量的无接触与智能化是液位测量计现在的主要发展方向1-2。近

6、年来，随着工业的发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，液位仪表的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。在现代工业生产中，常常需要测量容器中液体的液位。在一般的生产过程中，液位测量的目的主要是通过液位测量来确定容器里的原料、半成品或产品的数量，以保证生产过程各环节物料平衡以及为进行经济核算提供可靠的依据;另外还为了在连续生产的情况下，通过液位测量，了解液位是否在规定的范围内，从而维持正常生产、保证产品的产量和质量以及保证安全生产。液位的测量在工业生产过程中的作用已经相当重要。随着各行业的快速发展，液位测量已应用到越来越多的领域，不仅用于各种容器、管道内液体液位的测量，还用于水渠、水库、江河、湖海水位的测量。这些领域使用传统的液位测量手段已经无法满足对其精确性的要求，所以超声波液位测量这种新的测量方向已经成为一种新的手段被广泛的应用。在目前市场上，按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型两大类3。接触型液位测量主要有:人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计等。它们的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，

7、即都存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。因此存在一定的磨损且容易被液体沾污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。非接触型液位测量主要有微波雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等。顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不接触。因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。超声波液位测量计就属于非接触型液位测量的一种，所以它也有不受被测介质影响，不影响被测介质，能适应粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶、高温、高压、低温、低压、有辐射性、毒性、易挥发易爆等特殊介质的测量的特点，能适应的范围比其它的测量手段更广泛4。液位计的分类液位计量仪表早期大多采用机械原理,但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且发展了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善、功能有了很大的提高。尤其是近二十年来，随着微处理器的引入，测量仪表更是发生了革命性的变化。液位计的量程从几米到几十米，测量精度

8、亦大大提高。根据液位测量所涉及的液体存储容器、被测介质以及工艺过程的不同，液位计类型的选用也不同。在进行液位测量前，必须充分了解液位测量的工艺特点，以此作为液位计设计过程中的参考因素5。按照原理分类随着工业自动化的发展，发展了许多新的测量原理，一批具有智能控制功能、可实现非接触测量、精度高、稳定性好的液位计相继问世，并应用到越来越多的工业测量领域，如基于超声波、雷达、光纤等技术的液位测量仪。根据工作原理的不同液位计可分为如下几种6：1、直读液位计：如图1.1所示。其中，1-被测容器;2-玻璃管;3-标尺;4、5-阀;6、7-连通管。图1.1 直读式液位测量方法直读式液位测量方法：是一种直接用与被测容器连通的玻璃管或玻璃板来显示容器中的液位高度，它是最原始但仍应用较多的一种液位测量仪表;另外，利用浸入式刻度钢皮尺直接测量液位高度的人工检尺法也是应用较广泛的液位计量方法，尤其是在大型油罐储油量的测量中，也可把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。其精度一般为2mm的人为误差。此种方法有测量简单、直观、成本低的优点，但测量量程有限，且不适于恶劣环境中的测量。2、浮子液位计：如图1.2所示。其

9、中，1-浮球;2-连杆;3-转轴;4-平衡重;5-杠杆。图 1.2 浮子式液位测量方法(内、外浮球方式)利用浮子的比重比所测液体的比重稍小的特点，使浮子漂在液面上并随液面的升高或下降来反映液位，它也是一种应用最早并且应用范围很广的液位测量仪表;将浮子用一条多孔钢带连接至一个恒转矩装置或平衡锤上，由浮子的重量带动多于L钢带通过齿轮装置推动机械计数器作现场显示，还可连接电动变送器，获得远距离显示。由于滑轮机械装置的摩擦力和铆带重量，测量误差一般约为士(4一10)mm。3、静压液位计：如图1.3所示。其中，1-过滤器;2-减压阀;3-节流元件;4-转子流量计;5-变送器。图 1.3 静压式液位测量方法利用液柱对某定点产生压力，测量该定点压力或测量该点与另一参考点的压差而间接测量液位的仪表，液体压力的大小取决于液位高度;这种方法主要应用于测量精度要求不高的场合。4、电磁液位计：如图1.4所示。其中，1-内电极；2-外电极；3-绝缘套管。这种测量方式是将液位的变化转换为电量的变化，从而对液位进行间接测量，如电容式、电感式和电阻式液位计等。图1-4a非导电液体电容式测量原理图1-4b导电液体电容式测量原理电磁液位计中电容由两块同心的圆柱面极板组成，电容式液位测量是根据电容量与被测液体和气相介质的相对介电常数、电容传感器浸入液体的深度、电容传感器垂直高度、内外极板圆柱底面半径之间的关系，由已知的其他数值得出所测液位高度值。电容式液位计价格低，安装容易，且可以应用于高

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