【文章內(nèi)容簡介】 。當(dāng)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(jīng)過二次儀表顯示出液位的數(shù)值。浮子式液位裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但是浮子會隨著液面的波動而波動，從而造成讀數(shù)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(shè)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(jī)驅(qū)動體積較小的浮子，能精確地測出液位等參數(shù)?，F(xiàn)代伺服液位計的測量精度己達(dá)到 40m 范圍內(nèi)小于士 1 mm。但是，由于伺服式液位計仍屬于機(jī)械測量裝置，存在機(jī)械磨損，影響了測量的精度，因此需要定期維 修和重新定標(biāo)且安裝困難。 ：電容液位傳感器是利用被測對象物質(zhì)的導(dǎo)電率，將液位變化轉(zhuǎn)換成電容變化來進(jìn)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(yīng)好、無自熱現(xiàn)象、對惡劣環(huán)境的適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。常見的電容傳感器測量電路有變壓器電橋式、運(yùn)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(shù)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(biāo)，工作壽命較長。其測量精度較高，測量的重復(fù)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(dǎo)管的護(hù)導(dǎo)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(dá)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(diǎn)是測量的敏感元件與被測液體不接觸，因此不受被測介質(zhì)影響，也不影響被測介質(zhì)，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(qiáng)、污染性強(qiáng)、易結(jié)晶的介質(zhì)。 ：超聲波液位計是由微處理器控制的數(shù)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(jīng)液體表面反射后被同一種傳感器接收，轉(zhuǎn)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(zhì) 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?qū)邮招盘栕鼍_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(qiáng)度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息。這樣即便在有外界干擾的情況下，也能夠進(jìn)行精確的測量。超聲波液位計不僅能定點(diǎn)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(hù)上相應(yīng)比較方便。超聲測位技術(shù)可適用于氣體、液體或固體等多種測量介質(zhì)，因而具有較大的適應(yīng)性且價格較為便宜。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 超聲波傳感器可測量高達(dá) 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(diào)制的連續(xù)波，當(dāng)回波被天線接收到時，天線發(fā)射頻率已經(jīng)改變。根據(jù)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(fù)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(fù)雜且價格不菲。 ：核輻射放出的射線 (如丫射線等 )具有較強(qiáng)的穿透能力，且穿過不同厚度的介質(zhì)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(diǎn)式或狹長型結(jié)構(gòu)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(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(diǎn)是對液面的波動很敏感，大罐內(nèi)的油蒸汽，水氣等微粒對測量不利，且光學(xué)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(shù)。根據(jù)光導(dǎo)纖維中光在不同介質(zhì)中傳輸特性的改變對液位進(jìn)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(diǎn)、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(jù)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(shè)計采用反射波方式 ,超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計主要包括單片機(jī)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(jī)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(jī)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(shù)碼管 。 本科生畢業(yè)設(shè)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(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)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(qiáng)度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)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(qū)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(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當(dāng)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(chǎn)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(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)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(jī)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(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)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(shè)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(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計算程序運(yùn)行的時間，而超聲波測距儀的程序有較復(fù)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(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)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(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測距不成功。 超聲波測距的 算法設(shè)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(dāng)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(jī)內(nèi)部的定時器 T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在 INT0 端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第 2章 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容和功能 本設(shè)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(jī)的控制， I/O 口輸出控制信號從 NE555 振蕩 器輸入到 CD4069 驅(qū)動電路驅(qū)動超聲波發(fā)射電路， 超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生40KHz 的調(diào)制脈沖，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。經(jīng)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(jī)進(jìn)行處理。輸出由 LED 數(shù)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(guān)系，采用 AT89C51 單片機(jī)進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計出了能精確測量兩點(diǎn)間距離的超聲波液位檢測系統(tǒng)。利用所設(shè)計出的超聲波液位檢測系統(tǒng)，對液面進(jìn)行了測試，采集當(dāng)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(diǎn)，可實時檢測液位。 設(shè)計具體內(nèi)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(bǔ)償電路 (5)報警及顯示電路 課題設(shè)計的任務(wù)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(bǔ)償； (4) 顯示方式為數(shù)碼管顯示； (5) 具有較強(qiáng)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(shè)計（論文） 8 系統(tǒng)方案選擇 為使基于單片機(jī)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(shè)計。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用了模塊化的設(shè)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(jī)是整個電路的核心，它控制其他模塊來完成各種復(fù)雜的操作。外圍電路包括溫度補(bǔ)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(chǎn)生 40KH 的方波信號，它是基于硬件的基礎(chǔ)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(diǎn)，有利于電路的檢測。 方案二 :我們可以通過單片機(jī)產(chǎn)生 40KH的脈沖信號，在通過 CD4069驅(qū)動，將 40KH的 脈沖信號發(fā)射出去，由于是軟件控制，準(zhǔn)確度比較高。 經(jīng)過比較我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射電路中方案一的設(shè)計是比較經(jīng)濟(jì)實惠而且比較方便，但方案二中的軟件設(shè)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(zhǔn)確度比較高，本設(shè)計要求測量精度在 1cm 以內(nèi)，在方案二中我們通過采用 CX20206 可以將信號進(jìn)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(shè)計中，我們選用的是方案二，以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，并且在整個系統(tǒng)中我們都會采用單片機(jī)做計算和顯示。 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計 本設(shè)計 基于單片機(jī)的超聲波液位測量系統(tǒng)主要由單片機(jī)、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(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，以單片機(jī) AT89C51 為核心，將其他模塊有機(jī)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(shè)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(xué)家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為 20～ 20200 赫茲。當(dāng)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(shù)： 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(jìn)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(qiáng)達(dá)到一個大氣壓時，其功率密度為 ，這時超聲波的音波壓強(qiáng)峰值就可達(dá)到真空或負(fù)壓，但實際上無負(fù)壓存在，因此在液體中產(chǎn)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(qiáng)反向達(dá)到最大時破裂，由于破裂而產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊將物體表面的污物撞擊下來。這種由無數(shù)細(xì)小的空化氣泡破裂而產(chǎn)生的沖擊波現(xiàn)象稱為 ―空化 ‖現(xiàn)象。 太小的 聲強(qiáng) 無法產(chǎn)生空化效應(yīng)。 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(zhì)中有效傳播。 （ 2） 超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。 （ 3） 超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 （ 4） 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和 空化現(xiàn)象 。 二 、超聲波的特點(diǎn) （ 1） 超聲波在傳播時，方向性強(qiáng)，能量易于集中。 （ 2） 超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳