基于8051单片机超声波液位计的设计_张军

１　超声波液位计的工作原理
超声波液位计是一种非接触式液体液位测量仪，可用于测量各种容器或管道内液体的液位高低和流量大小，也可以用于水渠、水库、江河和湖海水位的测量中，尤其适用于污水、有腐蚀性的场合，如城市排水泵站拦污栅前后水位的测量。

由于城市污水腐蚀性强，若采用接触式压力水位计，必须将传感器探头插入污水中，探头很快被腐蚀坏，影响正常的测量。

此外，超声波液位计测量精度高，安装维护简便，可以同时测量水位、水位差和流量等，并具有计算机标准ＲＳ－４８５接口等特点，因此得到愈来愈广泛的应用。

１．１　超声波
超声波是指频率超过２万Ｈｚ即超过人耳听阈高限的声波，属于机械波。

自然界的机械波以频率可分为三大类：次声波、声波和超声波。

频率低于２０　Ｈｚ的波动称为次声；频率在２０Ｈｚ到２０ｋＨｚ之间的波动称为声波（音），频率在２０ｋＨｚ以上的波动称为超声。

人耳可听到声（音），但听不见次声与超声。

一般诊断用超声波频率为１　Ｍ￣１０　ＭＨｚ，而最常用的是２．５　Ｍ￣５　ＭＨｚ。

超声波具有许多优点。

它可在各种不同媒质中传播，且可传播足够的距离；传播时方向性强，能量易于集中；超声波与传播媒质的相互作用适中，易于携带有关超声传播的媒质状态信息或对传播媒质产生效应。

作为信息载体及能量形式，超声波技术与其他电子技术、光学技术等相结合已广泛用于生物医学领域，并迅速发展。

１．２　液位计
液位计是指对容器中液体高度的变化进行实时连续检测的传感器。

此传感器通常输出４￣２０　ｍａ或１￣５　Ｖ的标准信号与显示仪表或计算机系统连接，也可以通过ＲＳ－４８５或现场总线方式与计算系统相连接。

通常输出继电器的接点信号或集电极开路信号，输出信号一般与ＬＥＤ指示灯、报警器（蜂鸣器）或通过超声波发射、接收电路、温度测量电路、ＬＥＤ显示由微处理器进行控制。

１．３　测量原理
超声波探头安装在贮存罐正上方，距地面高度为H0，如图１所示［１］。

图１　测量原理图
由微处理器控制超声波发射电路发出超声波脉冲，超声波脉冲在空气介质内继续传播到液面，该脉冲波遇到被测液面（水面）后，经液面反射后再通过空气介质
基于８０５１单片机超声波液位计的设计
张 军 赵红梅
（广东省华立高级技工学校　广州　５１１３２５）
摘 要 本文根据超声波液位计的工作原理、特点组成、参数设置和应用等，采用了８０５１单片机控制，针对超 声波液位计进行了电路设计。

该液位计主要由微处理器部分，超声波发射、接收电路，温度测量电路， 显示部分，远距离通讯部分组成。

本设计基本上反映了超声波液位计的结构和使用功能，效果直观，可 操作性好，在污水处理等系统中有很强的实用价值。

关键词 超声波 液位计 电路设计
温度值／°Ｃ ＯＰＡ１（ｐｉｎ６）／Ｖ ＯＰＡ２（ｐｉｎ６）／Ｖ ＯＰＡ３（ｐｉｎ６）／Ｖ ０ ２．７３２ ０ ０ １０ ２．８３２ －０．１ ０．５ ２０ ２．９３２ －０．２ １．０ ３０ ３．０３２ －０．３ １．５ ４０ ３．１３２ －０．４ ２．０ ５０ ３．２３２ －０．５ ２．５ ６０ ３．３３２ －０．６ ３．０ ７０
３．４３２ －０．７ ３．５ ８０ ３．５３２ －０．８ ４．０ ９０ ３．６３２ －０．９ ４．５ １００
３．７３２
－１．０
５．０
表１　温度与３个ＯＰＡ的输入与输出关系
返回到超声波接收探头被接收；微处理器通过记录超声波从发射到接收的往返传播时间t ，根据空气介质中的声速，就可以计算出从传感器到液面之间的距离： h ＝１／２．vt ，
式中　h 为测量距离（传感器到液面之间的距离），ｍ；
v 为空气中的声速，其近似公式为　v ＝３３１．４５＋０．６１T ，
ｍ／ｓ；T 为测量时的气温，℃，测量距离时需要测量气温来进行对声速的修正。

图１中，设超声波传感器安装高度为H ０
（可在安装
传感器时测得），则液位高度Ｈ可用下式算得： H ＝H ０
－h ＝H ０
－１／２．vt 。

２ 超声波液位计的系统组成
探头是以８０Ｃ５１为核心，能完成超声波的发射、接收、超声波传输时间计算等任务。

主机和探头间使用ＲＳ－４８５通信协议进行通信。

根据液位测量原理，超声波液位计的硬件原理框图如图２所示。

主要由微处理器部分，超声波发射、接收电路，温度测量电路，显示部分，远距离通讯部分组成。

图２　系统框图
３　超声波液位计的电路设计
３．１　超声波发射、接收电路设计
图３　超声波发射、接收电路
测距系统中的超声波发射探头采用ＵＣＭ４０Ｔ压电陶瓷传感器，其工作电压是４０　ｋＨｚ的脉冲信号，由单片机执
行编程来实现。

从８０５１的Ｐ１．０端口输出一个４０　ｋＨｚ的脉冲信号，经过三级管Ｔ放大，驱动超声波发射头ＵＣＭ４０Ｔ。

接收电路采用与发射头配对的ＵＣＭ４０Ｒ，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，两级放大后加到带有锁定环的音频译码集成块ＬＭ５６７，利用了ＬＭ５６７接收到与其中心频率相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低的特性，把这个负跳变信号作为外部中断请求信号，由ＩＮＴ０端送至单片机执行中断［２］。

３．２　温度测量与转换电路设计３．２．１ 温度／电压转换
图４　温度／电压转换电路
各ＯＰＡ功能：ＯＰＡ１为阻抗匹配；ＯＰＡ２为减２．７３　Ｖ，（经ＶＲ２）并反相；ＯＰＡ３为放大５倍并反相。

各温度与３个ＯＰＡ的输入与输出关系如表１所示。

３．２．２ Ａ／Ｄ转换电路
电压为模拟量，因此必需对其进行Ａ／Ｄ转换，转换为数字信号，才能送入微处理器８０５１内进行处理。

本设计
相对电压值ＶＲＥＦ＝２．５６０Ｖ 高４位字节电压 低４位字节电压 Ｆ １１１１４．８００ ０．３００ Ｅ １１１０４．４８０ ０．２８０ Ｄ １１０１４．１６０
０．２６０
Ｃ １１００３．８４０ ０．２４０ Ｂ １０１１３．５２０ ０．２２０ Ａ １０１０３．２００ ０．２００ ９ １００１２．８８０ １０１８０ ８ １０００２．５６０ ０．１６０ ７ ０１１１２．２４０ ０．１４０ ６ ０１１０１．９２０ ０．１２０ ５ ０１０１１．６００ ０．１００ ４ ０１００１．２８０ ０．０８０ ３ ００１１０．９６０ ０．０６０ ２ ００１００．６４０ ０．０４０ １ ０００１０．３２０ ０．０２０ ０
００００
０
０
十六进制 二进制
采用了ＡＤＣ０８０４组成转换电路。

Ａ／Ｄ转换电路与微处理器的连接电路如图５所示：
图５ Ａ／Ｄ转换电路与微处理器的连接电路
ＡＤＣ０８０４电压输入与数字输出关系如表２所示。

表２ ＡＤＣ０８０４电压输入与数字输出关系表
例：ＶＩＮ＝３Ｖ，由上表可知：２．８８０＋０．１２０＝３Ｖ，即ＡＤＣ０８０４的输出应为１００１０１１０Ｂ＝９６Ｈ。

３．２．３　显示电路设计 液位计显示电路见图６。

图６ 液位计显示电路
３．２．４ 远距离通讯电路设计
与其它的串行通信标准相比，在远程通信方面ＲＳ－４８５标准有很明显的优势。

ＲＳ－４８５电路由发送器，平衡连接电缆，电缆终端负载和接收器组成，它通过平衡发送器把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过差动接收器，把电位差变成逻辑电平，实现终端的信息接收。

ＭＣＳ－５１系列单片机内部的串行口使得单片机系统与其他系统和设备通信变的简单，但是，它的串口标准与ＲＳ－４８５标准不同，因此需要相应的接口电路，使下位机和ＲＳ－４８５通信网络信号和电平的匹配。

采用半双工工作方式，利用低功率　ＲＳ－４８５收发器ＭＡＸ４８５Ｅ芯片，作为通信网络的信号收发器，完成信号和电平的转换，来解决主机和探头间数据远距离传输的问题。

电路设计如图７所示［３］
：
图７　液位计通讯电路
４　结束语
本文采用了８０５１单片机控制，系统的对超声波液位计的电路进行了设计，基本上反映了超声波液位计的结构和使用功能，效果直观，可操作性好，该设计将事先编制的控制程序输入单片机，在污水处理等系统中有很强的实用价值；在教学上，对学生的课题设计提供了良好的训练平台，形成了教学设计产品化，为项目教学设计训练和科研提供了较理想的实验平台，具有实用和推广价值。

参考文献
［１］　李德贵，陶金荣．用ＡＤｕＣ８１２设计超声波非接触液位计．电子产品世界，２０００（１１）．
［２］　雷建龙．ＬＭ５６７及其在超声波检测中的应用．电子技术，２００４（２）．
［３］　左　森，郭晓松．分布式非接触超声波液位监测系统．
工程地质计算机应用，２００２（２）．
连铸连轧生产线ＷＩＮＣＣ监控系统是对ＣＳＰ（薄板坯连铸连轧）中的铸轧过程进行实时监测与操作的人机界面
基于ＷＩＮＣＣ的连铸连轧监控系统的
设计及实现
黄晓红
１＇２
（１．广东轻工职业技术学院　广州　５１０３００；２．华南理工大学自动化学院　广州　５１０６４１）
摘 要　本文介绍一种基于ＷＩＮＣＣ的连铸连轧的监控系统的设计方法。

该系统采用西门子的ＷＩＮＣＣ作为组态和运 行平台，与下位机ＰＬＣ进行通讯，完成对连铸连轧过程的生产数据、状态、报警消息等的采集，以表格、 图形、曲线的形式动态显示生产过程，并提供对ＰＬＣ发出操作指令、数据归档、报表输出、消息故障确 认等功能。

关键词　ＷＩＮＣＣ　连铸连轧　监控系统
面（ＨＭＩ）系统。

该系统采用西门子的ＷＩＮＣＣ作为组态和运行平台，与下位机ＰＬＣ（ＳＩＭＡＤＹＮＤ）进行通讯，完成对连铸连轧过程的生产数据、状态、报警消息等的采集，以表格、图形、曲线的形式动态显示生产过程，并
提供对ＰＬＣ发出操作指令、数据归档、报表输出、消息故障确认等功能。

图１为某厂ＣＳＰ连铸连轧生
作者简介：黄晓红（１９６９－），女，江西九江人，硕士，副教授，研究方向：工业控制、计算机应用。