超聲波液位計(jì)的設(shè)計(jì)，采用了ADC0804組成轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路與微處理器的連接電路，A/D轉(zhuǎn)換電路與微處理器的連接電路ADC0804電壓輸入與數(shù)字輸出關(guān)系如表2所示。表2 ADC0804電壓輸入與數(shù)字輸出關(guān)系表例：VIN=3V，由上表可知：2.880+0.120=3V，即ADC0804的輸出應(yīng)為B=96H。3.2.3 顯示電路設(shè)計(jì)液位計(jì)顯示電路見圖，液位計(jì)顯示電路3.2.4 遠(yuǎn)距離通訊電路設(shè)計(jì)與其它的串行通信標(biāo)準(zhǔn)相比，在遠(yuǎn)程通信方面RS-485標(biāo)準(zhǔn)有很明顯的優(yōu)勢(shì)。RS-485電路由發(fā)送器，平衡連接電纜，電纜終端負(fù)載和接收器組成，它通過(guò)平衡發(fā)送器把邏輯電平變換成電位差，完成始端的信息傳送；通過(guò)差動(dòng)接收器，把電位差變成邏輯電平，實(shí)現(xiàn)終端的信息接收。
基于8051單片機(jī)超聲波液位計(jì)的設(shè)計(jì)
1 超聲波液位計(jì)的工作原理
超聲波液位計(jì)是一種非接觸式液體液位測(cè)量?jī)x, 可用于測(cè)量各種容器或管道內(nèi)液體的液位高低和流量大小, 也可以用于水渠、水庫(kù)、江河和湖海水位的測(cè)量中, 尤其適用于污水、有腐蝕性的場(chǎng)合, 如城市排水泵站攔污柵前后水位的測(cè)量。由于城市污水腐蝕性強(qiáng), 若采用接觸式壓力水位計(jì), 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(cè)量。此外, 超聲波液位計(jì)測(cè)量精度高, 安裝維護(hù)簡(jiǎn)便, 可以同時(shí)測(cè)量水位、水位差和流量等, 并具有計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口等特點(diǎn), 因此得到愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。
1.1 超聲波
超聲波是指頻率超過(guò)2萬(wàn)Hz即超過(guò)人耳聽閾高限的聲波, 屬于機(jī)械波。自然界的機(jī)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(dòng)稱為次聲;頻率在20Hz到20kHz之間的波動(dòng)稱為聲波 (音) , 頻率在20 kHz以上的波動(dòng)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(yōu)點(diǎn)。它可在各種不同媒質(zhì)中傳播, 且可傳播足夠的距離;傳播時(shí)方向性強(qiáng), 能量易于集中;超聲波與傳播媒質(zhì)的相互作用適中, 易于攜帶有關(guān)超聲傳播的媒質(zhì)狀態(tài)信息或?qū)鞑ッ劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)。作為信息載體及能量形式, 超聲波技術(shù)與其他電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等相結(jié)合已廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域, 并迅速發(fā)展。
1.2 液位計(jì)
液位計(jì)是指對(duì)容器中液體高度的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)的傳感器。此傳感器通常輸出4~20 ma或1~5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與顯示儀表或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接, 也可以通過(guò)RS-485或現(xiàn)場(chǎng)總線方式與計(jì)算系統(tǒng)相連接。通常輸出繼電器的接點(diǎn)信號(hào)或集電極開路信號(hào), 輸出信號(hào)一般與LED指示燈、報(bào)警器 (蜂鳴器) 或通過(guò)超聲波發(fā)射、接收電路、溫度測(cè)量電路、LED顯示由微處理器進(jìn)行控制。
1.3 測(cè)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(cè)量原理
由微處理器控制超聲波發(fā)射電路發(fā)出超聲波脈沖, 超聲波脈沖在空氣介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播到液面, 該脈沖波遇到被測(cè)液面 (水面) 后, 經(jīng)液面反射后再通過(guò)空氣介質(zhì)返回到超聲波接收探頭被接收;微處理器通過(guò)記錄超聲波從發(fā)射到接收的往返傳播時(shí)間t, 根據(jù)空氣介質(zhì)中的聲速, 就可以計(jì)算出從傳感器到液面之間的距離:
式中h為測(cè)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(cè)量時(shí)的氣溫, ℃, 測(cè)量距離時(shí)需要測(cè)量氣溫來(lái)進(jìn)行對(duì)聲速的修正。
圖1中, 設(shè)超聲波傳感器安裝高度為H0 (可在安裝傳感器時(shí)測(cè)得) , 則液位高度H可用下式算得:
2 超聲波液位計(jì)的系統(tǒng)組成
探頭是以80C51為核心, 能完成超聲波的發(fā)射、接收、超聲波傳輸時(shí)間計(jì)算等任務(wù)。主機(jī)和探頭間使用RS-485通信協(xié)議進(jìn)行通信。
根據(jù)液位測(cè)量原理, 超聲波液位計(jì)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(fā)射、接收電路, 溫度測(cè)量電路, 顯示部分, 遠(yuǎn)距離通訊部分組成。
圖2 系統(tǒng)框
3 超聲波液位計(jì)的電路設(shè)計(jì)
3.1 超聲波發(fā)射、接收電路設(shè)計(jì)
圖3 超聲波發(fā)射、接收電路
測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波發(fā)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(hào), 由單片機(jī)執(zhí)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。從8051的P1.0端口輸出一個(gè)40 kHz的脈沖信號(hào), 經(jīng)過(guò)三級(jí)管T放大, 驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T。接收電路采用與發(fā)射頭配對(duì)的UCM40R, 將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào), 兩級(jí)放大后加到帶有鎖定環(huán)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(hào)后 (8) 腳電壓由高變低的特性, 把這個(gè)負(fù)跳變信號(hào)作為外部中斷請(qǐng)求信號(hào), 由INT0端送至單片機(jī)執(zhí)行中斷[2]。
3.2 溫度測(cè)量與轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
3.2.1 溫度/電壓轉(zhuǎn)換
圖4 溫度/電壓轉(zhuǎn)換電路
各OPA功能:OPA1為阻抗匹配;OPA2為減2.73 V, (經(jīng)VR2) 并反相;OPA3為放大5倍并反相。
各溫度與3個(gè)OPA的輸入與輸出關(guān)系如表1所示。
3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路
電壓為模擬量, 因此必需對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換, 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào), 才能送入微處理器8051內(nèi)進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)采用了ADC0804組成轉(zhuǎn)換電路。
表1 溫度與3個(gè)OPA的輸入與輸出關(guān)系
A/D轉(zhuǎn)換電路與微處理器的連接電路如圖5所示:
圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路與微處理器的連接電路
ADC0804電壓輸入與數(shù)字輸出關(guān)系如表2所示。
表2 ADC0804電壓輸入與數(shù)字輸出關(guān)系表
例:VIN=3V, 由上表可知:2.880+0.120=3V, 即ADC0804的輸出應(yīng)為B=96H。
3.2.3 顯示電路設(shè)計(jì)
液位計(jì)顯示電路見圖6。
圖6 液位計(jì)顯示電路
3.2.4 遠(yuǎn)距離通訊電路設(shè)計(jì)
與其它的串行通信標(biāo)準(zhǔn)相比, 在遠(yuǎn)程通信方面RS-485標(biāo)準(zhǔn)有很明顯的優(yōu)勢(shì)。RS-485電路由發(fā)送器, 平衡連接電纜, 電纜終端負(fù)載和接收器組成, 它通過(guò)平衡發(fā)送器把邏輯電平變換成電位差, 完成始端的信息傳送;通過(guò)差動(dòng)接收器, 把電位差變成邏輯電平, 實(shí)現(xiàn)終端的信息接收。
MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部的串行口使得單片機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)和設(shè)備通信變的簡(jiǎn)單, 但是, 它的串口標(biāo)準(zhǔn)與RS-485標(biāo)準(zhǔn)不同, 因此需要相應(yīng)的接口電路, 使下位機(jī)和RS-485通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和電平的匹配。
采用半雙工工作方式, 利用低功率RS-485收發(fā)器MAX485E芯片, 作為通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)收發(fā)器, 完成信號(hào)和電平的轉(zhuǎn)換, 來(lái)解決主機(jī)和探頭間數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯?wèn)題。電路設(shè)計(jì)如圖7所示[3]:
圖7 液位計(jì)通訊電路
4 結(jié)束語(yǔ)
本文采用了8051單片機(jī)控制, 系統(tǒng)的對(duì)超聲波液位計(jì)的電路進(jìn)行了設(shè)計(jì), 基本上反映了超聲波液位計(jì)的結(jié)構(gòu)和使用功能, 效果直觀, 可操作性好, 該設(shè)計(jì)將事先編制的控制程序輸入單片機(jī), 在污水處理等系統(tǒng)中有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值;在教學(xué)上, 對(duì)學(xué)生的課題設(shè)計(jì)提供了良好的訓(xùn)練平臺(tái), 形成了教學(xué)設(shè)計(jì)產(chǎn)品化, 為項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)訓(xùn)練和科研提供了較理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 具有實(shí)用和推廣價(jià)值。/goodsid/fenleiyi/2720844/1.html
