超聲波液位計的設計，采用了ADC0804組成轉換電路，A/D轉換電路與微處理器的連接電路，A/D轉換電路與微處理器的連接電路ADC0804電壓輸入與數字輸出關系如表2所示。表2 ADC0804電壓輸入與數字輸出關系表例：VIN=3V，由上表可知：2.880+0.120=3V，即ADC0804的輸出應為10010110B=96H。3.2.3 顯示電路設計液位計顯示電路見圖，液位計顯示電路3.2.4 遠距離通訊電路設計與其它的串行通信標準相比，在遠程通信方面RS-485標準有很明顯的優勢。RS-485電路由發送器，平衡連接電纜，電纜終端負載和接收器組成，它通過平衡發送器把邏輯電平變換成電位差，完成始端的信息傳送；通過差動接收器，把電位差變成邏輯電平，實現終端的信息接收。
基于8051單片機超聲波液位計的設計
1 超聲波液位計的工作原理
超聲波液位計是一種非接觸式液體液位測量儀, 可用于測量各種容器或管道內液體的液位高低和流量大小, 也可以用于水渠、水庫、江河和湖海水位的測量中, 尤其適用于污水、有腐蝕性的場合, 如城市排水泵站攔污柵前后水位的測量。由于城市污水腐蝕性強, 若采用接觸式壓力水位計, 必須將傳感器探頭插入污水中, 探頭很快被腐蝕壞, 影響正常的測量。此外, 超聲波液位計測量精度高, 安裝維護簡便, 可以同時測量水位、水位差和流量等, 并具有計算機標準RS-485接口等特點, 因此得到愈來愈廣泛的應用。
1.1 超聲波
超聲波是指頻率超過2萬Hz即超過人耳聽閾高限的聲波, 屬于機械波。自然界的機械波以頻率可分為三大類:次聲波、聲波和超聲波。頻率低于20 Hz的波動稱為次聲;頻率在20Hz到20kHz之間的波動稱為聲波 (音) , 頻率在20 kHz以上的波動稱為超聲。人耳可聽到聲 (音) , 但聽不見次聲與超聲。一般診斷用超聲波頻率為1 M~10 MHz, 而*常用的是2.5 M~5 MHz。
超聲波具有許多優點。它可在各種不同媒質中傳播, 且可傳播足夠的距離;傳播時方向性強, 能量易于集中;超聲波與傳播媒質的相互作用適中, 易于攜帶有關超聲傳播的媒質狀態信息或對傳播媒質產生效應。作為信息載體及能量形式, 超聲波技術與其他電子技術、光學技術等相結合已廣泛用于生物醫學領域, 并迅速發展。
1.2 液位計
液位計是指對容器中液體高度的變化進行實時連續檢測的傳感器。此傳感器通常輸出4~20 ma或1~5 V的標準信號與顯示儀表或計算機系統連接, 也可以通過RS-485或現場總線方式與計算系統相連接。通常輸出繼電器的接點信號或集電極開路信號, 輸出信號一般與LED指示燈、報警器 (蜂鳴器) 或通過超聲波發射、接收電路、溫度測量電路、LED顯示由微處理器進行控制。
1.3 測量原理
超聲波探頭安裝在貯存罐正上方, 距地面高度為H0, 如圖1所示[1]。
圖1 測量原理
由微處理器控制超聲波發射電路發出超聲波脈沖, 超聲波脈沖在空氣介質內繼續傳播到液面, 該脈沖波遇到被測液面 (水面) 后, 經液面反射后再通過空氣介質返回到超聲波接收探頭被接收;微處理器通過記錄超聲波從發射到接收的往返傳播時間t, 根據空氣介質中的聲速, 就可以計算出從傳感器到液面之間的距離:
式中h為測量距離 (傳感器到液面之間的距離) , m;v為空氣中的聲速, 其近似公式為v=331.45+0.61T, m/s;T為測量時的氣溫, ℃, 測量距離時需要測量氣溫來進行對聲速的修正。
圖1中, 設超聲波傳感器安裝高度為H0 (可在安裝傳感器時測得) , 則液位高度H可用下式算得:
2 超聲波液位計的系統組成
探頭是以80C51為核心, 能完成超聲波的發射、接收、超聲波傳輸時間計算等任務。主機和探頭間使用RS-485通信協議進行通信。
根據液位測量原理, 超聲波液位計的硬件原理框圖如圖2所示。主要由微處理器部分, 超聲波發射、接收電路, 溫度測量電路, 顯示部分, 遠距離通訊部分組成。
圖2 系統框
3 超聲波液位計的電路設計
3.1 超聲波發射、接收電路設計
圖3 超聲波發射、接收電路
測距系統中的超聲波發射探頭采用UCM40T壓電陶瓷傳感器, 其工作電壓是40 kHz的脈沖信號, 由單片機執行編程來實現。從8051的P1.0端口輸出一個40 kHz的脈沖信號, 經過三級管T放大, 驅動超聲波發射頭UCM40T。接收電路采用與發射頭配對的UCM40R, 將超聲波調制脈沖變為交變電壓信號, 兩級放大后加到帶有鎖定環的音頻譯碼集成塊LM567, 利用了LM567接收到與其中心頻率相同頻率的載波信號后 (8) 腳電壓由高變低的特性, 把這個負跳變信號作為外部中斷請求信號, 由INT0端送至單片機執行中斷[2]。
3.2 溫度測量與轉換電路設計
3.2.1 溫度/電壓轉換
圖4 溫度/電壓轉換電路
各OPA功能:OPA1為阻抗匹配;OPA2為減2.73 V, (經VR2) 并反相;OPA3為放大5倍并反相。
各溫度與3個OPA的輸入與輸出關系如表1所示。
3.2.2 A/D轉換電路
電壓為模擬量, 因此必需對其進行A/D轉換, 轉換為數字信號, 才能送入微處理器8051內進行處理。本設計采用了ADC0804組成轉換電路。
表1 溫度與3個OPA的輸入與輸出關系
A/D轉換電路與微處理器的連接電路如圖5所示:
圖5 A/D轉換電路與微處理器的連接電路
ADC0804電壓輸入與數字輸出關系如表2所示。
表2 ADC0804電壓輸入與數字輸出關系表
例:VIN=3V, 由上表可知:2.880+0.120=3V, 即ADC0804的輸出應為10010110B=96H。
3.2.3 顯示電路設計
液位計顯示電路見圖6。
圖6 液位計顯示電路
3.2.4 遠距離通訊電路設計
與其它的串行通信標準相比, 在遠程通信方面RS-485標準有很明顯的優勢。RS-485電路由發送器, 平衡連接電纜, 電纜終端負載和接收器組成, 它通過平衡發送器把邏輯電平變換成電位差, 完成始端的信息傳送;通過差動接收器, 把電位差變成邏輯電平, 實現終端的信息接收。
MCS-51系列單片機內部的串行口使得單片機系統與其他系統和設備通信變的簡單, 但是, 它的串口標準與RS-485標準不同, 因此需要相應的接口電路, 使下位機和RS-485通信網絡信號和電平的匹配。
采用半雙工工作方式, 利用低功率RS-485收發器MAX485E芯片, 作為通信網絡的信號收發器, 完成信號和電平的轉換, 來解決主機和探頭間數據遠距離傳輸的問題。電路設計如圖7所示[3]:
圖7 液位計通訊電路
4 結束語
本文采用了8051單片機控制, 系統的對超聲波液位計的電路進行了設計, 基本上反映了超聲波液位計的結構和使用功能, 效果直觀, 可操作性好, 該設計將事先編制的控制程序輸入單片機, 在污水處理等系統中有很強的實用價值;在教學上, 對學生的課題設計提供了良好的訓練平臺, 形成了教學設計產品化, 為項目教學設計訓練和科研提供了較理想的實驗平臺, 具有實用和推廣價值。http://www.anonamyss.com/goodsid/fenleiyi/2720844/1.html
