超聲波液位儀的設計與制作

王娜麗　宋光坤

摘 要 本次設計的超聲波液位儀以STC89C52RC單片機為控制核心，重點對超聲波的發送電路、回波信號接收電路、按鍵及顯示電路等硬件的設計進行了詳細的說明；軟件程序的編寫主要使用的是C語言。實現了數據采集與計算、數據轉換、數據濾波和系統抗干擾，及控制部分的邏輯判斷等功能。最后通過分別對各個硬件模塊和軟件模塊的調試，使設計的超聲波液位儀實現預計功能。

【關鍵詞】超聲波 液位儀 MCU 微控制器 PCB

在通常的工業生產工程中，液位測量的目是通過液面高度的測量來確定容器里的原材料、半成品或者產品的，用以保證生產過長的各個環節物料平衡以及給進行經濟核算提供可靠的依據。同時，在連續的生產過程中，為了維持正常生產、保證產品的質量和產量，以及保證安全生產。所以，液位的監測在工業生產過程中是相當重要的。測量液位的儀表主要分為接觸式液位儀表與非接觸式液位儀表兩部分。而超聲波液位儀表，由于其結構簡單、造價地低廉，在近些年里得到了廣泛的應用。

1 設計簡述

所謂的超聲波是指人類聽不到的聲波，一般人的聽覺范圍是20Hz～20kHz，超出這個范圍的聲波正常人是聽不到的。通過聲波在碰到液面后反彈回來的時間來計算當時液面具超聲波傳感器的距離，則液位公式為：

L為液面距超聲波傳感器的距離，c為超聲波在空氣中傳播的速度，T為從聲波發出到接收到回波的時間。

1.1 超聲波液位儀系統結構

如圖1-1所示，該超聲波液位儀包括輸入部分、輸出部分以及控制部。

1.2 超聲波液位儀系統工作原理

將該超聲波傳感器安裝于待測容器的頂部，垂直于被測液面，當發出的超聲波碰到被刺液體后回彈。這時一體化超聲波傳感器處于接受狀態，等待接受反彈回來的超聲波，通過超聲波的發送到接收的時間來計算液面距容器頂端的距離。

1.2.1 液位測量與計算

系統工作時，單片機的定時器開始計時，同時通過單片機的I/O口發送一串頻率為40kHz的信號，信號經過升壓中周發放大后通過一體化超聲波傳感器發送出去。當單片機檢測的回波信號時，停止定時器，并將定時器中的數值讀出，根據系統的機器周期計算出超聲波傳播的時間T。

1.2.2 余波的處理

超聲波探頭將超聲波脈沖發送完畢后，并不是立即停止的，而是逐漸衰減，這一段衰減過程中所發送的波被稱作余波。

使用軟件手段屏蔽掉了余波的干擾。通常收發一體化超聲波傳感器的余波衰減時間為2ms，因此，在程序中發送完40kHz波后，我們利用循環延時2ms，之后再開始讓微處理器等待接收回波信號。而在延時的2ms內返回的超聲波將被忽略，這樣一來，我們將無法檢測較近的距離，而這段無法被檢測的距離就是本液位儀的工作盲區。

2 硬件電路設計

2.1 控制部分

控制部分利用STC89C52RC單片機作為主控制芯片，負責超聲波輸出控制、超聲波回波信號接收處理、計算液面距超聲波探頭的距離、設置閥值輸出報警以及控制顯示部分輸出相關信息。

2.2 I/O口分配

P3.0和P3.1可用于串口通信、程序燒寫；而P1口則可以擴展外接其他拓展模塊。

P3.6和P3.7口分別接CSBIN（超聲波信號輸入），用來接收回波通過處理后的有效電平信號；CSBOUT（超聲波信號輸出），用來輸出脈沖信號，是超聲波傳感器發出40kHz波。

P0口連接LCD1602（液晶顯示器）的數據口，P2.0～P2.2接LCD1602的三個控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。

P2.4～P2.6口分別接三個按鍵輸入；P2.7口作為控制繼電器的信號輸出口，用于控制繼電器的開、閉。

2.3 按鍵與繼電器控制電路

按鍵、繼電器控制電路，獨立按鍵的按下將低電平引入單片機I/O口。而當KA為“0”時，PNP管導通，繼電器線圈得電，觸點動作。

這里選用PNP型三極管是因為單片機復位后，I/O口為高電平，如果使用NPN型三極管則會照成系統上電后繼電器會閉合一下，這樣對設備有害同時可能照成安全事故。

在繼電器線圈的兩端并入二極管DK1（1N4007）起到了對繼電器的保護作用。

2.4 超聲波信號發送及接收部分

發送部分電路主要用到了超聲波專用中周變壓器將單片機I/O口發出的激勵脈沖升壓后供給超聲波探頭，使其發送出與激勵脈沖相同頻率的超聲波。接受部分的電路中用了NE5532高性能低噪聲雙運算放大器。由于NE5532的工作電壓至少為6V時，才能穩定的工作，由于超聲波是一個交流信號，D5的作用就是將負半周期的信號通過GND消除，只保留正信號。信號通過BG2放大后進入NE5532，又經過濾波放大、比例微分后輸出。

3 軟件設計

首先由單片機發出 50KHz 的脈沖串，每八個脈沖為一組，脈沖串通過超聲波發射電路驅動超聲波換能器發出超聲波，單片機在發送脈沖的同時開始計時；超聲波遇到障礙物后的回波經過放大、轉化等處理傳回單片機，這樣就得到了超聲波在空氣中的傳輸時間，然后在中斷程序中根據測出的時間計算出距離。完成后發出下一組脈沖。利用定時器計算出采樣時間，通過前后兩次液位差值與前后兩次檢測的時間，可以算出液位增長的速度。

從實際產品的角度來看，本文設計的超聲波測距儀還有需要進一步完善和改進的地方，主要表現在以下幾個方面：

（1）由于溫度對超聲波的傳播有一定的影響，所以如果加入溫度傳感器，測得儲蓄罐內的溫度，在通過所得的溫度對超聲波進行溫度補償，這樣能提高儀表的精確度。

（2）為了使超聲波液位計能夠檢測到從較遠處反射回來的超聲波，需要進一步完善修改硬件電路，提高硬件電路的抗干擾能力和對微弱信號的放大倍數，提高超聲波液位計的測量范圍和測量的精度。

（3）如果將本設計中的儀表用于工業控制上，可能出現問題，比如，現在的工業控制基本上是現場和人員分離的，為了方便使用，在本設計余留的I/O接口上可以接上無線模塊，和模塊間的通信盡量使用SPI，因為這樣不占用串口資源，而串口這可以用來和上位機通信。

作者單位

天津現代職業技術學院機電工程系 天津市 300350endprint

摘 要 本次設計的超聲波液位儀以STC89C52RC單片機為控制核心，重點對超聲波的發送電路、回波信號接收電路、按鍵及顯示電路等硬件的設計進行了詳細的說明；軟件程序的編寫主要使用的是C語言。實現了數據采集與計算、數據轉換、數據濾波和系統抗干擾，及控制部分的邏輯判斷等功能。最后通過分別對各個硬件模塊和軟件模塊的調試，使設計的超聲波液位儀實現預計功能。

【關鍵詞】超聲波 液位儀 MCU 微控制器 PCB

在通常的工業生產工程中，液位測量的目是通過液面高度的測量來確定容器里的原材料、半成品或者產品的，用以保證生產過長的各個環節物料平衡以及給進行經濟核算提供可靠的依據。同時，在連續的生產過程中，為了維持正常生產、保證產品的質量和產量，以及保證安全生產。所以，液位的監測在工業生產過程中是相當重要的。測量液位的儀表主要分為接觸式液位儀表與非接觸式液位儀表兩部分。而超聲波液位儀表，由于其結構簡單、造價地低廉，在近些年里得到了廣泛的應用。

1 設計簡述

所謂的超聲波是指人類聽不到的聲波，一般人的聽覺范圍是20Hz～20kHz，超出這個范圍的聲波正常人是聽不到的。通過聲波在碰到液面后反彈回來的時間來計算當時液面具超聲波傳感器的距離，則液位公式為：

L為液面距超聲波傳感器的距離，c為超聲波在空氣中傳播的速度，T為從聲波發出到接收到回波的時間。

1.1 超聲波液位儀系統結構

如圖1-1所示，該超聲波液位儀包括輸入部分、輸出部分以及控制部。

1.2 超聲波液位儀系統工作原理

將該超聲波傳感器安裝于待測容器的頂部，垂直于被測液面，當發出的超聲波碰到被刺液體后回彈。這時一體化超聲波傳感器處于接受狀態，等待接受反彈回來的超聲波，通過超聲波的發送到接收的時間來計算液面距容器頂端的距離。

1.2.1 液位測量與計算

系統工作時，單片機的定時器開始計時，同時通過單片機的I/O口發送一串頻率為40kHz的信號，信號經過升壓中周發放大后通過一體化超聲波傳感器發送出去。當單片機檢測的回波信號時，停止定時器，并將定時器中的數值讀出，根據系統的機器周期計算出超聲波傳播的時間T。

1.2.2 余波的處理

超聲波探頭將超聲波脈沖發送完畢后，并不是立即停止的，而是逐漸衰減，這一段衰減過程中所發送的波被稱作余波。

使用軟件手段屏蔽掉了余波的干擾。通常收發一體化超聲波傳感器的余波衰減時間為2ms，因此，在程序中發送完40kHz波后，我們利用循環延時2ms，之后再開始讓微處理器等待接收回波信號。而在延時的2ms內返回的超聲波將被忽略，這樣一來，我們將無法檢測較近的距離，而這段無法被檢測的距離就是本液位儀的工作盲區。

2 硬件電路設計

2.1 控制部分

控制部分利用STC89C52RC單片機作為主控制芯片，負責超聲波輸出控制、超聲波回波信號接收處理、計算液面距超聲波探頭的距離、設置閥值輸出報警以及控制顯示部分輸出相關信息。

2.2 I/O口分配

P3.0和P3.1可用于串口通信、程序燒寫；而P1口則可以擴展外接其他拓展模塊。

P3.6和P3.7口分別接CSBIN（超聲波信號輸入），用來接收回波通過處理后的有效電平信號；CSBOUT（超聲波信號輸出），用來輸出脈沖信號，是超聲波傳感器發出40kHz波。

P0口連接LCD1602（液晶顯示器）的數據口，P2.0～P2.2接LCD1602的三個控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。

P2.4～P2.6口分別接三個按鍵輸入；P2.7口作為控制繼電器的信號輸出口，用于控制繼電器的開、閉。

2.3 按鍵與繼電器控制電路

按鍵、繼電器控制電路，獨立按鍵的按下將低電平引入單片機I/O口。而當KA為“0”時，PNP管導通，繼電器線圈得電，觸點動作。

這里選用PNP型三極管是因為單片機復位后，I/O口為高電平，如果使用NPN型三極管則會照成系統上電后繼電器會閉合一下，這樣對設備有害同時可能照成安全事故。

在繼電器線圈的兩端并入二極管DK1（1N4007）起到了對繼電器的保護作用。

2.4 超聲波信號發送及接收部分

發送部分電路主要用到了超聲波專用中周變壓器將單片機I/O口發出的激勵脈沖升壓后供給超聲波探頭，使其發送出與激勵脈沖相同頻率的超聲波。接受部分的電路中用了NE5532高性能低噪聲雙運算放大器。由于NE5532的工作電壓至少為6V時，才能穩定的工作，由于超聲波是一個交流信號，D5的作用就是將負半周期的信號通過GND消除，只保留正信號。信號通過BG2放大后進入NE5532，又經過濾波放大、比例微分后輸出。

3 軟件設計

首先由單片機發出 50KHz 的脈沖串，每八個脈沖為一組，脈沖串通過超聲波發射電路驅動超聲波換能器發出超聲波，單片機在發送脈沖的同時開始計時；超聲波遇到障礙物后的回波經過放大、轉化等處理傳回單片機，這樣就得到了超聲波在空氣中的傳輸時間，然后在中斷程序中根據測出的時間計算出距離。完成后發出下一組脈沖。利用定時器計算出采樣時間，通過前后兩次液位差值與前后兩次檢測的時間，可以算出液位增長的速度。

從實際產品的角度來看，本文設計的超聲波測距儀還有需要進一步完善和改進的地方，主要表現在以下幾個方面：

（1）由于溫度對超聲波的傳播有一定的影響，所以如果加入溫度傳感器，測得儲蓄罐內的溫度，在通過所得的溫度對超聲波進行溫度補償，這樣能提高儀表的精確度。

（2）為了使超聲波液位計能夠檢測到從較遠處反射回來的超聲波，需要進一步完善修改硬件電路，提高硬件電路的抗干擾能力和對微弱信號的放大倍數，提高超聲波液位計的測量范圍和測量的精度。

（3）如果將本設計中的儀表用于工業控制上，可能出現問題，比如，現在的工業控制基本上是現場和人員分離的，為了方便使用，在本設計余留的I/O接口上可以接上無線模塊，和模塊間的通信盡量使用SPI，因為這樣不占用串口資源，而串口這可以用來和上位機通信。

作者單位

天津現代職業技術學院機電工程系 天津市 300350endprint

摘 要 本次設計的超聲波液位儀以STC89C52RC單片機為控制核心，重點對超聲波的發送電路、回波信號接收電路、按鍵及顯示電路等硬件的設計進行了詳細的說明；軟件程序的編寫主要使用的是C語言。實現了數據采集與計算、數據轉換、數據濾波和系統抗干擾，及控制部分的邏輯判斷等功能。最后通過分別對各個硬件模塊和軟件模塊的調試，使設計的超聲波液位儀實現預計功能。

【關鍵詞】超聲波 液位儀 MCU 微控制器 PCB

在通常的工業生產工程中，液位測量的目是通過液面高度的測量來確定容器里的原材料、半成品或者產品的，用以保證生產過長的各個環節物料平衡以及給進行經濟核算提供可靠的依據。同時，在連續的生產過程中，為了維持正常生產、保證產品的質量和產量，以及保證安全生產。所以，液位的監測在工業生產過程中是相當重要的。測量液位的儀表主要分為接觸式液位儀表與非接觸式液位儀表兩部分。而超聲波液位儀表，由于其結構簡單、造價地低廉，在近些年里得到了廣泛的應用。

1 設計簡述

所謂的超聲波是指人類聽不到的聲波，一般人的聽覺范圍是20Hz～20kHz，超出這個范圍的聲波正常人是聽不到的。通過聲波在碰到液面后反彈回來的時間來計算當時液面具超聲波傳感器的距離，則液位公式為：

L為液面距超聲波傳感器的距離，c為超聲波在空氣中傳播的速度，T為從聲波發出到接收到回波的時間。

1.1 超聲波液位儀系統結構

如圖1-1所示，該超聲波液位儀包括輸入部分、輸出部分以及控制部。

1.2 超聲波液位儀系統工作原理

將該超聲波傳感器安裝于待測容器的頂部，垂直于被測液面，當發出的超聲波碰到被刺液體后回彈。這時一體化超聲波傳感器處于接受狀態，等待接受反彈回來的超聲波，通過超聲波的發送到接收的時間來計算液面距容器頂端的距離。

1.2.1 液位測量與計算

系統工作時，單片機的定時器開始計時，同時通過單片機的I/O口發送一串頻率為40kHz的信號，信號經過升壓中周發放大后通過一體化超聲波傳感器發送出去。當單片機檢測的回波信號時，停止定時器，并將定時器中的數值讀出，根據系統的機器周期計算出超聲波傳播的時間T。

1.2.2 余波的處理

超聲波探頭將超聲波脈沖發送完畢后，并不是立即停止的，而是逐漸衰減，這一段衰減過程中所發送的波被稱作余波。

使用軟件手段屏蔽掉了余波的干擾。通常收發一體化超聲波傳感器的余波衰減時間為2ms，因此，在程序中發送完40kHz波后，我們利用循環延時2ms，之后再開始讓微處理器等待接收回波信號。而在延時的2ms內返回的超聲波將被忽略，這樣一來，我們將無法檢測較近的距離，而這段無法被檢測的距離就是本液位儀的工作盲區。

2 硬件電路設計

2.1 控制部分

控制部分利用STC89C52RC單片機作為主控制芯片，負責超聲波輸出控制、超聲波回波信號接收處理、計算液面距超聲波探頭的距離、設置閥值輸出報警以及控制顯示部分輸出相關信息。

2.2 I/O口分配

P3.0和P3.1可用于串口通信、程序燒寫；而P1口則可以擴展外接其他拓展模塊。

P3.6和P3.7口分別接CSBIN（超聲波信號輸入），用來接收回波通過處理后的有效電平信號；CSBOUT（超聲波信號輸出），用來輸出脈沖信號，是超聲波傳感器發出40kHz波。

P0口連接LCD1602（液晶顯示器）的數據口，P2.0～P2.2接LCD1602的三個控制口，P2.3接LCD1602的背光控制。

P2.4～P2.6口分別接三個按鍵輸入；P2.7口作為控制繼電器的信號輸出口，用于控制繼電器的開、閉。

2.3 按鍵與繼電器控制電路

按鍵、繼電器控制電路，獨立按鍵的按下將低電平引入單片機I/O口。而當KA為“0”時，PNP管導通，繼電器線圈得電，觸點動作。

這里選用PNP型三極管是因為單片機復位后，I/O口為高電平，如果使用NPN型三極管則會照成系統上電后繼電器會閉合一下，這樣對設備有害同時可能照成安全事故。

在繼電器線圈的兩端并入二極管DK1（1N4007）起到了對繼電器的保護作用。

2.4 超聲波信號發送及接收部分

發送部分電路主要用到了超聲波專用中周變壓器將單片機I/O口發出的激勵脈沖升壓后供給超聲波探頭，使其發送出與激勵脈沖相同頻率的超聲波。接受部分的電路中用了NE5532高性能低噪聲雙運算放大器。由于NE5532的工作電壓至少為6V時，才能穩定的工作，由于超聲波是一個交流信號，D5的作用就是將負半周期的信號通過GND消除，只保留正信號。信號通過BG2放大后進入NE5532，又經過濾波放大、比例微分后輸出。

3 軟件設計

首先由單片機發出 50KHz 的脈沖串，每八個脈沖為一組，脈沖串通過超聲波發射電路驅動超聲波換能器發出超聲波，單片機在發送脈沖的同時開始計時；超聲波遇到障礙物后的回波經過放大、轉化等處理傳回單片機，這樣就得到了超聲波在空氣中的傳輸時間，然后在中斷程序中根據測出的時間計算出距離。完成后發出下一組脈沖。利用定時器計算出采樣時間，通過前后兩次液位差值與前后兩次檢測的時間，可以算出液位增長的速度。

從實際產品的角度來看，本文設計的超聲波測距儀還有需要進一步完善和改進的地方，主要表現在以下幾個方面：

（1）由于溫度對超聲波的傳播有一定的影響，所以如果加入溫度傳感器，測得儲蓄罐內的溫度，在通過所得的溫度對超聲波進行溫度補償，這樣能提高儀表的精確度。

（2）為了使超聲波液位計能夠檢測到從較遠處反射回來的超聲波，需要進一步完善修改硬件電路，提高硬件電路的抗干擾能力和對微弱信號的放大倍數，提高超聲波液位計的測量范圍和測量的精度。

（3）如果將本設計中的儀表用于工業控制上，可能出現問題，比如，現在的工業控制基本上是現場和人員分離的，為了方便使用，在本設計余留的I/O接口上可以接上無線模塊，和模塊間的通信盡量使用SPI，因為這樣不占用串口資源，而串口這可以用來和上位機通信。

作者單位

天津現代職業技術學院機電工程系 天津市 300350endprint