【文章內容簡介】 。當浮力的大小發(fā)生變化時，變化值通過浮子傳遞給傳感器，經過二次儀表顯示出液位的數值。浮子式液位裝置具有結構簡單、價格便宜等優(yōu)點，但是浮子會隨著液面的波動而波動，從而造成讀數誤差。浮子測量裝置的適用范圍為非腐蝕液體的測量。 本科生畢業(yè)設計（論文） 4 ：伺服式液位計基于浮力平衡的原理，由微伺服電動機驅動體積較小的浮子，能精確地測出液位等參數?，F(xiàn)代伺服液位計的測量精度己達到 40m 范圍內小于士 1 mm。但是，由于伺服式液位計仍屬于機械測量裝置，存在機械磨損，影響了測量的精度，因此需要定期維 修和重新定標且安裝困難。 ：電容液位傳感器是利用被測對象物質的導電率，將液位變化轉換成電容變化來進行測量的一種液位計。與其他液位傳感器相比，電容液位傳感器具有靈敏性好、輸出電壓高、誤差小、動態(tài)響應好、無自熱現(xiàn)象、對惡劣環(huán)境的適用性強等優(yōu)點。常見的電容傳感器測量電路有變壓器電橋式、運算放大器式及脈沖寬度式等。這類儀表適用于腐蝕性液體、沉淀性液體以及其它化工工藝液體液面的連續(xù)測量與位式測量，或單一液面的液位測量。 ：磁致伸縮液位計采用磁致伸縮技術來測量大罐的油水界面和油氣界面。 通常情況下，磁致伸縮液位計安裝有兩個浮子，其中一個浮子的密度小一于油品的密度，另一個浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它們分別用來檢測油氣界面和油水界面。磁致伸縮液位計安裝容易，不需要定期維修和重新定標，工作壽命較長。其測量精度較高，測量的重復精度也較高，是比較理想的接觸型液位計。但是磁致伸縮液位計與被測液體接觸，儀器容易受到腐蝕，且液體的密度變化會帶來測量誤差。此外，浮子裝置沿著波導管的護導管上下移動，容易被卡死，從而影響液位的止確測量。 二、非接觸型液位儀表： 非接觸型測量儀表主要包括超聲波液位計 、雷達液位計、射線液位計、激光液位計以及光纖液位計等。這類液位測量儀表的共同特點是測量的敏感元件與被測液體不接觸，因此不受被測介質影響，也不影響被測介質，因而適用范圍較為廣泛，可用于接觸式測量儀表不能滿足的特殊場合，如粘度高、腐蝕性強、污染性強、易結晶的介質。 ：超聲波液位計是由微處理器控制的數字物位儀表。在測量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經液體表面反射后被同一種傳感器接收，轉換成電信號。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時間來計算傳感器到被測物體的距離。 由于采用非接觸的測量，被測介質 幾乎不受限制，可廣泛用于各種液體和固體物料高度的測量。目前，智能化的超聲波液位計能夠對接收信號做精確的處理和分析：可以將各種干擾信號過濾出來 。識別多重回波；分析信號強度和環(huán)境溫度等有關信息。這樣即便在有外界干擾的情況下，也能夠進行精確的測量。超聲波液位計不僅能定點和連續(xù)測量，而且能方便地提供遙測和遙控所需的信號。同時，超聲波液位計不存在可動部件，所以在安裝和維護上相應比較方便。超聲測位技術可適用于氣體、液體或固體等多種測量介質，因而具有較大的適應性且價格較為便宜。新型氣密結構、耐腐蝕的 本科生畢業(yè)設計（論文） 5 超聲波傳感器可測量高達 15m 的液位。 ：在罐頂安裝天線，天線發(fā)射的微波是頻率波線性調制的連續(xù)波，當回波被天線接收到時，天線發(fā)射頻率已經改變。根據回波與發(fā)射波的頻率差可以計算出物料面的距離。 FMCW 方式測量線路較復雜，從而測量精確度較高，同時干擾回波也較易去除，一般用于較高端的測量方案，但是安裝比較復雜且價格不菲。 ：核輻射放出的射線 (如丫射線等 )具有較強的穿透能力，且穿過不同厚度的介質有不同的衰減特性，核輻射式液位計正是利用這一原理來測量液位的。核輻射式液位計的核輻射源用點式或狹長型結構安裝在油罐的外 面，狹長型核輻射源檢測元件也安裝在油罐外面，可實現(xiàn)對液位動態(tài)變化的檢測。除利用核輻射射線來測量之外，還可采用中子射線來測量液位。射線液位計安裝非常方便，測量精度較高。因為它沒有任何部件與被測物體直接接觸，特別適用于傳統(tǒng)測量儀表不能解決的測量問顆。 ：其測量原理類似于超聲波液位計，只是采用光波代替了超聲波。發(fā)射傳感器發(fā)射出激光，照射到被測液面，在液面處發(fā)生反射，接收傳感器接收反射光，將從發(fā)射至接收的時間換算成液位。激光的光束很窄，在液位計中通過光學系統(tǒng)轉換成約 20mm 寬的光束，這樣即使被測物面很 粗糙，漫反射光也能被傳感器接收。激光液位計非常適用于開口很狹窄的容器以及高溫、高粘度的測量對象。而缺點是對液面的波動很敏感，大罐內的油蒸汽，水氣等微粒對測量不利，且光學鏡頭必須定期保持清潔。 ：光纖液位檢測是近年來出現(xiàn)的一種新技術。根據光導纖維中光在不同介質中傳輸特性的改變對液位進行測量。這類檢測儀表一般具有體積小、重量輕、無動作部件、安裝方便等優(yōu)點、大多可適用于任何液體液位高度的檢測與控制，特別適用于易燃、易爆、腐蝕性液體的檢測。這類檢測儀表檢測精度高但正處于發(fā)展階段尚未成熟。 本文的主要工 作 本文主要是針對類似油罐等封閉式液體的液位的測量，在考慮了各種液位測量方式后，根據前文所述，決定要超聲波作為主要手段，采用脈沖回波測量法。 此次設計采用反射波方式 ,超聲波測距儀硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 LED 數碼管 。 本科生畢業(yè)設計（論文） 6 超聲波發(fā)射電路主要由反相器 CD4069 和超聲波發(fā)射換能器 T 構成，單片機 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。 上位電阻 R R3 一方面可以提高反相器 CD4069 輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩時間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體管的諧振來工作的。 超聲波 換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。 超聲波檢測接收電路主要是由集成電路 CX20206A 組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用 的載波頻率38kHz 與測距的超聲波頻率 40kHz 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用 CX20206A 接收超聲波 (無信號時輸出高電平 )，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容 C16 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 超聲波測距儀的軟件設計主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序有較復雜的計算（計算距離時），所以控制程序可采用 C 語言編程。超聲波測距儀 主程序利用外中斷 1 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關閉，并將測距成功標志字賦值 2 以表示此次測距不成功。 超聲波測距的 算法設計 原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的 時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器 T0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在 INT0 端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。 本科生畢業(yè)設計（論文） 7 第 2章 系統(tǒng)的總體方案設計 系統(tǒng)設計內容和功能 本設計中采用反射式的方式，超聲波傳感器發(fā)射超聲波，遇到液面后超聲波被反射回來，超聲波接收探頭接收超聲波。其間通過單片機的控制， I/O 口輸出控制信號從 NE555 振蕩 器輸入到 CD4069 驅動電路驅動超聲波發(fā)射電路， 超聲波發(fā)生電路產生40KHz 的調制脈沖，經換能器轉換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。經過液面反射后超聲波接收探頭將接收到的超聲波送到單片機進行處理。輸出由 LED 數碼管顯示 ，通過盲區(qū)的消除以及環(huán)境溫度的采樣，提高了測距的精確度。利用超聲波傳輸中距離與時間的關系，采用 AT89C51 單片機進行控制及數據處理，設計出了能精確測量兩點間距離的超聲波液位檢測系統(tǒng)。利用所設計出的超聲波液位檢測系統(tǒng)，對液面進行了測試，采集當時的環(huán)境溫度獲得精確的速度，計算出液面距離。此系統(tǒng)具有易 控制、工作可靠、測量精度高的優(yōu)點，可實時檢測液位。 設計具體內容： (1)AT89C51 主控單元電路 (2)超聲波發(fā)射電路 (3)超聲波接收電路 (4)溫度補償電路 (5)報警及顯示電路 課題設計的任務和要求： (1) 測量距離范圍要求為≤ m； (2) 精度要求 1 cm； (3) 有溫度補償； (4) 顯示方式為數碼管顯示； (5) 具有較強的抗干擾能力。 (6) 盲區(qū)問題有一定的解決方法。 本科生畢業(yè)設計（論文） 8 系統(tǒng)方案選擇 為使基于單片機的超聲波液位測量控制系統(tǒng)具有較好的實用性，并且具有較高的性能 /價格比， 對該系統(tǒng)的硬件電路作了精心設計。該系統(tǒng)的硬件設計采用了模塊化的設計方法。按實現(xiàn)的功能來分可分為以下幾個部分。其中 AT89C51 單片機是整個電路的核心，它控制其他模塊來完成各種復雜的操作。外圍電路包括溫度補償電路、超聲波發(fā)射及接收電路、報警及顯示電路等等。 方案一 :我們可以用 NE555 振蕩產生 40KH 的方波信號，它是基于硬件的基礎上，便于我們可以通過示波器觀察到 40KH 的方波，具有直觀且易于觀察的特點，有利于電路的檢測。 方案二 :我們可以通過單片機產生 40KH的脈沖信號，在通過 CD4069驅動，將 40KH的 脈沖信號發(fā)射出去，由于是軟件控制，準確度比較高。 經過比較我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射電路中方案一的設計是比較經濟實惠而且比較方便，但方案二中的軟件設計使發(fā)射超聲波時間比較容易控制，而且超聲波的頻率準確度比較高，本設計要求測量精度在 1cm 以內，在方案二中我們通過采用 CX20206 可以將信號進行放大和整形處理，在 CX20206 的 5 腳和 7 腳串聯(lián)一個 200K 的電阻可以將頻率穩(wěn)定在 40KH。因此在本次設計中，我們選用的是方案二，以提高測量結果的準確度，并且在整個系統(tǒng)中我們都會采用單片機做計算和顯示。 系統(tǒng)總體方案的設計 本設計 基于單片機的超聲波液位測量系統(tǒng)主要由單片機、溫度檢測電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、 LED 顯示電路、報警電路等組成 。 本設計采用模塊化設計思想，以單片機 AT89C51 為核心，將其他模塊有機的整合在一起，形成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)的框圖如圖 所示。 本科生畢業(yè)設計（論文） 9 圖 超聲波液位測量系統(tǒng)框圖 超聲波和超聲波傳感器 科學家們將每秒鐘振動的次數稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們人類耳朵能聽到的聲波頻率為 20～ 20200 赫茲。當聲波的振動頻率大于 20200 赫茲或小于 20赫茲時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于 20200 赫茲的聲波稱為 ―超聲波 ‖。 超聲波的兩個主要參數： 頻率： F≥20K/Hz； 功率密度： p=發(fā)射功率 (W)/發(fā)射面積 (cm2)。通常 p≥。 在液體中傳播的超聲波能對物體表面的污物進行清洗，其原理可用 ―空化 ‖現(xiàn)象來解釋：超聲波振動在液體中傳播的音波壓強達到一個大氣壓時，其功率密度為 ，這時超聲波的音波壓強峰值就可達到真空或負壓，但實際上無負壓存在，因此在液體中產生一個很大的壓力，將液體分子拉裂成空洞 — 空化核。 此空洞非常接近真空，它在超聲波壓強反向達到最大時破裂，由于破裂而產生的強烈沖擊將物體表面的污物撞擊下來。這種由無數細小的空化氣泡破裂而產生的沖擊波現(xiàn)象稱為 ―空化 ‖現(xiàn)象。 太小的 聲強 無法產生空化效應。 一 、超聲波的特性 （ 1） 超 聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播。 （ 2） 超聲波可傳遞很強的能量。 （ 3） 超聲波會產生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 （ 4） 超聲波在液體介質中傳播時，可在界面上產生強烈的沖擊和 空化現(xiàn)象 。 二 、超聲波的特點 （ 1） 超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中。 （ 2） 超聲波能在各種不同媒質中傳播，且可傳