基于單片機(jī)控制兼具溫度補(bǔ)償和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)拿髑y(cè)液位儀的研究

賈冬義

摘要：本文研究在明渠上使用測(cè)液位儀表的精度選擇以及相對(duì)兼顧精度、性價(jià)比、使用靈活等因素而選擇的超聲波作為發(fā)射組件，考慮溫度對(duì)結(jié)果的影響，進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。能夠精確測(cè)量明渠液位，同時(shí)把數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信方式顯示到遠(yuǎn)程終端。實(shí)現(xiàn)既可以用部分功能也可以使用全部功能分體式測(cè)量?jī)x表。

關(guān)鍵詞：明渠；單片機(jī)；超聲波；無(wú)線通信

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）41-0076-02

在明渠電子測(cè)量中，測(cè)距方案有電磁波、超聲波、激光、紅外等，電磁波波段適合明渠測(cè)量的雷達(dá)的也只有微波了，否則波長(zhǎng)比液位都大，其精度無(wú)法保證明渠測(cè)量要求；激光和紅外，檢測(cè)面太小，探頭需要光學(xué)窗口，在近距離上發(fā)揮不理想，因此被排除；超聲波同時(shí)具有非接觸測(cè)量屬性和相對(duì)較高的精度，成本低，其測(cè)距精度大約是1—3cm左右（其精度取決于后端電路和數(shù)據(jù)處理性能），越來(lái)越被人們所重視。在明渠測(cè)距的方案中，是最容易被使用者接受的。

一、測(cè)距原理

通常液位計(jì)在液化氣球罐上的應(yīng)用見(jiàn)表1。

現(xiàn)在明渠液位計(jì)使用上也借鑒在其他領(lǐng)域的技術(shù)手段，如在液化氣球罐上的應(yīng)用技術(shù)，如傳統(tǒng)的浮筒，可靠性低、精度低、維護(hù)工作量高，安裝量較大。雷達(dá)在明渠上使用，雖然精度達(dá)到要求，但其成本高昂，使用不夠靈活。在很多場(chǎng)合使用超聲波測(cè)量明渠液位，既方便又成本低廉。

超聲波液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和局限性[1]：

1.通用性好。超聲波液位計(jì)既可測(cè)量明渠液面到測(cè)量橋之間的距離，也可測(cè)量渠底到測(cè)量位位置的距離，也可移植到儲(chǔ)罐等的液體液位測(cè)量。有金屬材質(zhì)的探頭，重量輕。

2.經(jīng)過(guò)多次檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，長(zhǎng)期可靠，穩(wěn)定性好。

超聲波液位計(jì)的局限性：超聲波一個(gè)發(fā)射端，一個(gè)接收端，發(fā)射端發(fā)出超聲波，明渠水面有較大波浪時(shí)，接收端不易接收到回波信號(hào)；此外，超聲波是一種聲波，聲波在空氣傳播受溫度的影響在后端電路處理能力提高后，溫度對(duì)超聲波的影響作用會(huì)影響測(cè)量的精度，在數(shù)據(jù)處理中要把溫度因素加上；最后，超聲波測(cè)量明渠液位時(shí)有無(wú)法避免的盲區(qū)，因此小距離測(cè)量比較困難。超聲波的傳播速度考慮溫度的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]：

擬合公式：y=0.5712x+174.04 （1）

利用式（1）溫度補(bǔ)償進(jìn)行速度，式中x為溫度，單位K，y為速度的單位m/s。

超聲波以速度y在空氣中傳播，到達(dá)水面被反射返回，其往返時(shí)間為t，就有：

s=（0.5712x+174.04）t/2 （2）

式中s為距離，x為溫度，t為時(shí)間，單位皆為SI，利用式（2）即可算出被測(cè)物體的距離。

二、超聲波發(fā)生器選擇

超聲波發(fā)生器大致分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是用機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生波；另一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生波。明渠液位測(cè)量屬于近距測(cè)量，一般使用集成壓電式超聲波換能器模塊。超聲波傳感器的選擇決定該系統(tǒng)的分辨率，根據(jù)以上分析超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器。此外由于超聲波在空氣傳播時(shí)其耗散大小與超聲波頻率（一般選擇4.4×104Hz的波段）的平方成正比例，而頻率f大超聲波分辨率也高，頻率高于2×104Hz就成為超聲波，測(cè)量明渠液位的超聲波選擇4.4×104Hz的傳感器，比較恰當(dāng)?shù)脑诙咂胶狻?/p>

三、系統(tǒng)總體框圖

測(cè)量距離0.20m—5.00m測(cè)距精度±0.01m。

四、硬件電路的設(shè)計(jì)

1.單片機(jī)選擇。單片機(jī)采用STC89C52，可以直接替換AT89C52，而且內(nèi)部多了一個(gè)E2PROM空間，可以串口下載程序，指令執(zhí)行速度快一倍，晶振頻率有兩種1.10592×107H和1.2×107Hz兩種，前一種方便串口通訊的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，后一種可獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率。這樣STC89C52可用P1.0口輸出超聲波發(fā)射端4.4×104Hz方波信號(hào)，STC89C52在自然優(yōu)先級(jí)中，外部中斷0的優(yōu)先級(jí)最高，利用外部中斷0[（INT0）P3.0]口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的回波信號(hào)。

2.顯示電路。顯示電路采用4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，由于AT89S52只有4個(gè)TTL門(mén)的驅(qū)動(dòng)能力，因此需外接驅(qū)動(dòng)電路。每一位數(shù)碼管的段信號(hào)都需用鎖存器進(jìn)行鎖存，段碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，或者直接把模塊加上去就行。

3.溫度補(bǔ)償電路。采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。獨(dú)特的一線接口，減少了外部的硬件電路，DS18B20是常用的溫度傳感器，具有體積小、硬件開(kāi)銷(xiāo)低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)。需要注意的是STC89C52還有接的外部晶振是1.2×107Hz，-10℃～+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃。

4.語(yǔ)音播報(bào)電路。唯創(chuàng)的WTV系列語(yǔ)音芯片，按鍵控制的話可以錄制4段，SSOP20封裝的可以到8段，如果用串口控制，可以達(dá)到207段，時(shí)間長(zhǎng)度分別有20s，40s，80s，170s。如果需要更長(zhǎng)的可以使用WT588D模塊，不但可以錄制多段，還可以更換語(yǔ)音內(nèi)容，時(shí)間長(zhǎng)度有200s，500s，1000s。語(yǔ)音播報(bào)電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

5.無(wú)線通信模塊。無(wú)線收發(fā)模塊都已經(jīng)進(jìn)行了封裝設(shè)計(jì)（集成了單片機(jī)控制和無(wú)線編碼），跟單片機(jī)直接通過(guò)異步串行口連接就可以。現(xiàn)在市面上的無(wú)線收發(fā)模塊，其工作方式由模塊內(nèi)部的單片機(jī)控制，與用戶單片機(jī)的連接一般就只有電源和收、發(fā)等幾根線。建議使用串口無(wú)線收發(fā)模塊，PP2000太貴，像si4432無(wú)線模塊，寫(xiě)順序就像寫(xiě)單片機(jī)有線串口通信順序一樣。

在軟件編寫(xiě)時(shí)注意系統(tǒng)時(shí)鐘分頻問(wèn)題；使用該系統(tǒng)最好用模塊化的設(shè)計(jì)理念，例如電源模塊、超聲波模塊、時(shí)鐘電路、顯示電路、語(yǔ)音播報(bào)模塊，可以大大降低開(kāi)發(fā)周期和提高穩(wěn)定性。應(yīng)用本系統(tǒng)在3mm—5m內(nèi)做了多次測(cè)量，重復(fù)性好，測(cè)量結(jié)果最大誤差為1.5mm。該系統(tǒng)可用于許多對(duì)測(cè)量要求精度高的明渠液位等距離測(cè)量環(huán)境，也可移植到大型液灌的測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭廣亮.新型超聲波液位計(jì)的開(kāi)發(fā)研究[D].河北工業(yè)大學(xué)，2011.

[2]潘天放.高精度超聲波液位計(jì)的研究[D].南京理工大學(xué)，2010.