超声波液位传感器及其开发分析
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摘 要：超声波液位传感器突破了传统传感器较为单一的功能，能够满足高精度、自动测量的目的，强大的抗干扰性与外部通讯能力能够满足工业化体系的集成化、智能化发展需求。文章针对超声波液位传感器及其开发进行研究。
关键词：超声波技术;液位传感;液位传感器
中图分类号：TH816 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）11-0086-02
Abstract： The ultrasonic liquid level sensor breaks through the relatively single function of traditional sensors and can meet the purpose of high precision and automatic measurement. The strong anti-interference and external communication capabilities can meet the needs of integrated and intelligent development of industrialized systems. The article is aimed at the ultrasonic level sensor and its development.
Keywords： ultrasonic technology; level sensing; level sensor
液位测量技术被广泛应用于石油、化工、气象等领域，超声波液位计是各类液位测量技术中发展速度较快、应用领域广阔的液位测量技术。利用超声波进行液位测量能够实现非接触式测量，满足不同液位测量需求。尤其是近几年，在计算机、传感器、微电子等高新技术快速发展的背景下，超声液位传感器得到了长足的进步。
1 超声波检测原理
超声波是一种振动频率与声波相比更高的机械波，主要是换能晶片在电压的作用下形成的机械振动，其显著特点表现为频率高、波长短、绕射现象小。当超声波遇到杂质后会出现显著反射，出现反射回波。而在遇到活体物质的情况下会形成多普勒效应。超声波的优势主要表现在以下几个方面：一是超声波的方向性良好，其功率较高，波长较短，所形成的衍射现象不显著，因此具有良好的传播方向性，可以成为射线进行定向传播;二是超声波能力较大。超声波在介质传播过程中当振幅保持一致时，振幅频率越高则能量越大，因此超声波相对于普通声波来说能量更大;三是穿透力较强，超声波在液体、固体的损失较小，具有较强的穿透力，特别是在不透明的固体中，可以穿到长达几十米，在固体与液体的应用较为广泛。
当前超声波已经被普遍应用到工业、生物医学等方面。用于不同容器中液体表面高度与所在位置被称为液位，固体颗粒、粉料、块料高度被称为料位，两者可以被称为物位。其中，将超声波应用于液位测量中，由于非接触性连续测量，安装便捷，不会受到被检测介质的感染，因此被广泛应用[1]。
2 超声波传感器
超声波可以分为发射超声波与接收超声波，将接收的超声波转变为电量输出的设备被称为超声波传感器。超声波传感器主要分为以下几个类型：第一，通用型。超声波传感器频带宽通常可以达到千赫，且对频率有一定要求。通用型超声波传感器频带相对较窄，且灵敏度相对较高，具有较强的抗干扰性能[2]。如在多通道环境中，且通道之间频率接近则可以选择窄频带类型的超声波传感器。通用型超声波传感器包括接收器与发送器。第二，宽频带型。宽频带型超声波传感器在工作频率中存在两个共振点，所以使得频带更宽。宽频带型超声波传感器可以同时被用作发送与接收传感器;第三，封闭型。封闭型超声波传感器较为适合在室外环境使用，抗外界干扰能力较强;第四，高频型。高频型超声波传感器中心频率达到200kHz，具有良好的方向性，可以进行分辨率要求较高的测量。
3 超声波液位传感器的开发
3.1 超声波液位传感器系统硬件设计
（1）硬件电路整体设计
超声波液位传感器硬件部分主要由单片机系统、电源电路、超声波发送/接收模块、LED显示模块与报警模块等部分构成。根据超声波液位传感器系统使用需求以及各个要求，可以采用ATMEGA128单片机作为控制芯片，配合不同外围电路芯片来保证各项功能正常运作。本次开发的超声波液位传感器系统运用静态方式完成LED数字显示，单片机主要负责超声波液位发送与接收工作，且计时器会计算从超声波发射到接收的全过程时间，通过计算处理后在LED显示器中显示。
（2）系统电源设计
本次系统硬件中需要供电的元件包括单片机、超声波发射/接收电路与报警电路等。超声波液位传感器系统电源会直接影响到系统的正常运行，因此在进行电源设计的过程中要充分考虑输出/输入的电压、电流、输出波形、电磁干扰等。
（3）液位信息采集电路
液位信息采集电路由超声波发射电路、超声波接收电路与温度测量电路构成。本次开发系统的超声波发射器与接收设备位于液面上方，超声波在空气中传播，如图1所示。一体式传感器是由于如发射与接收为相同探头，则当探头发射完成后会有一定余震，需要在余震消失后再接收超声波，从而增加盲区距离。因此，本次所用超声波探头为分体式，能够避免这一问题出现。
其中，超声波发射电路探头型号为T40-16，该探头要接收从测量液面所形成的超声波。超声波在空气中进行传播，在接触到液面后反射会使得超声波出现能量损耗。为了进一步提升超声波接收的精准度，不仅要选择灵敏度加高的探头，同时还需要增加发射功率。因此，本系统运用了三极管搭配反相器用于提升驱动功率;超声波接收电路主要用于将接收到回波声能转变为电信号，以完成超声波回波的接收过程。如被测液面距離较长，超声波回波相对较弱，则需要将信号进行多次放大处理。在进行放大后的信号整形输出方波信号，方波信号则会要求中断。在中断服务过程中会录入计数器的计数数据，进而计算与被测液面之间的距离;温度测量电路：声波在空气中传播会受到空气温度、湿度等因素影响，其中温度的影响最为显著。因此，为了最大程度降低空气温度带来的测量影响，则需要对温度进行实时检测，且通过计算过程来减少环境温度所导致的偏差。在测量环境温度的过程中选用“一线总线”的数字方式传输，能够有效提升系统的抗干扰作用。本系统选择了DA18B20温度传感器芯片进行空气温度检测[3]。 （4）硬件抗干扰设计
干扰因素大部分情况下不会对单片机硬件造成影响，但是会影响软件的正常工作，主要表现为指令码或数据码的部分被干扰而出现变化，从而导致混淆指令码与数据码。错误执行程序会导致RAM存储器的数据被破坏，且有可能由于部分偶然因素导致死循环，从而使得系统失灵。所以，需要进行硬件抗干扰设计来消除干扰源，打乱干扰通道，降低电路对噪音干扰的敏感性，从而改善单片机的抗干扰能力。消除干扰源可以利用干扰源两端的并联电容或在感染源回路串联电感/电阻来增加续流二极管实现。打扰干扰通道方面可以分离数字电路与模拟电路部分，将超声波接收器与发射器隔离8cm距离摆放以切断辐射传播路径。另外，还可以通过减少回路环面积，降低感应噪声、减少晶振、使用低速数字电路等方式来提升敏感元件的抗干扰性能。
3.2 超声波液位传感器系统软件设计
（1）主程序设计
本次开发系统所运用的为LED静态显示，数据显示系统在经过初始化后，系统对缓存UART进行扫描检测是否有数据输出;如未发现数据则继续扫描，如发现数据则引出数据且进行输出显示。主要通过持续添加74HC595来实现静态显示，可以有效节约系统单片机的应用资源。
（2）液位信息采集程序
液位信息采集程序是依照超声波传感器原理，在系统单片机与外围硬件电路装设的基础上利用软件对超声波发射、接收进行控制，并且测量发射、接收超声波的时间以及当下温度，利用相关算法计算液位值。液位信息采集程序是超声波液位传感器中最重要的程序之一。液位信息采集器利用单片机的捕捉功能进行计时，计时精准度较高，使用便捷。当系统发送超声波，为了使得超声波传感器接收探头能够接收到正确回波，需要在一段时间的延时后进入外部中断子程序。在这一过程同时，单片机会持续扫描INTO，如INTO接收信号出现从高电平转为低电平的变化，则表示超声波信号已经返回，则单片机停止计时开始计算[4]。同时，在利用温度传感器所检测的环境温度数据的基础上调用计算子程序，精确计算出声速与传感器到目标体之间的距离，以完成检测。其中，计算分程序则是针对获取的数据进行处理，对超声波探头到液面之间的距离进行精确计算。经过一定的温度补偿计算探头到液面的距离。
4 结束语
在科学技术快速发展的背景下，自动化工艺的精确程度也不断升高，这对测控系统的精度也提出了更高的要求。近几年来，由微控制器构成的测控系统已经在众多领域得到了普及与应用。在工业化发展背景下传感器技术也得到了快速发展，超声波传感器的出现同时拥有检测与数据处理功能，其在工业领域中的应用能够显著提升工业生产效率与质量，在建筑行业、石油化工行业中有着广泛的应用，具有良好的市场前景。
参考文献：
[1]武锋，赵明.超声波液位计的选型及其在原型水位自动检测系统中的实际应用[J].治淮，2011（08）：13-15.
[2]非接触测量——JCS系列超声波液位计、流量计、热量计及其应用[J].电子元器件应用，2002（6）：58.
[3]盧伟，王杨，赵红东.高精度超声波液位测量系统的设计与实现[J].仪表技术与传感器，2013（7）：50-52.
[4]宋继红.基于单片机的高精度超声波液位检测系统[J].机电产品开发与创新，2009（3）：156-158.
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