单片机课程设计--超声波液位检测仪

《单片机原理及应用》

课程设计报告书

课题名称超声波液位检测仪

姓名

学号

专业

指导教师

机电与控制工程学院

年月日

任务书

一、课题名称

超声波液位检测仪的设计与制作

二、设计内容及要求

1、以单片机为核心，设计一个液位检测系统

2、测量数据由液晶显示

3、系统要有一定的可靠性和一定的测量精度

目录

1、绪论 (1)

2、方案论证 (2)

3、方案说明 (4)

4、硬件方案设计 (8)

5、软件方案设计 (12)

6、调试 (22)

7、技术小结 (23)

8、参考文献 (24)

1、绪论

随着各行业的快速发展，液位测量已应用到越来越多的领域，不仅用于各种容器、管道内液体

液位的测量，还用于水渠、水库、江河、湖海水位的测量。这些领域使用传统的液位测量手段已经无法满足对其精确性的要求，所以超声波液位测量这种新的测量方向已经成为一种新的手段被广泛的应用。

在目前市场上，按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型两大类。接触型液位测量主要有:人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计等。它们的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，即都存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。因此存在一定的磨损且容易被液体沾污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。

非接触型液位测量主要有微波雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等。顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不接触。因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。

超声波液位测量计就属于非接触型液位测量的一种，所以它也有不受被测介质影响，不影响被测介质，能适应粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶、高温、高压、低温、低压、有辐射性、毒性、易挥发易爆等特殊介质的测量的特点，能适应的范围比其它的测量手段更广泛。

本次课程设计，将对超声波液位检测系统进行介绍。

2、方案论证

液位计量仪表早期大多采用机械原理,但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且发展了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善、功能有了很大的提高。尤其是近二十年来，随着微处理器的引入，测量仪表更是发生了革命性的变化。液位计的量程从几米到几十米，测量精度亦大大提高。根据液位测量所涉及的液体存储容器、被测介质以及工艺过程的不同，液位计类型的选用也不同。在进行液位测量前，必须充分了解液位测量的工艺特点，以此作为液位计设计过程中的参考因素。

因此，可根据系统的工作原理的不同，设计出三种不同的液位检测方法。

方法一：

根据连通器原理，可以直接用与被测容器连通的玻璃管或玻璃板来显示容器中的液位高度，他是最原始但仍应用较多的一种液位测量仪表，另外，利用侵入式刻度钢皮尺直接测量液面高度的人工检尺法也是应用较广泛的液位计量方法，尤其是在大型油罐储油量中，也可把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。其精度一般为2mm的人为误差。

方法二：

根据悬浮物测量液位。利用浮子的比重比所测液体的比重稍小的特点，使浮子漂在液面上并随液面的升高或下降来反应液位，他也是一种应用最早并且应用范围很广的液位测量仪表；将浮子用一条多孔钢带连接至一个恒转矩装置或平衡锤上，由浮子的重量带动多于L钢带通过齿轮装置推动机械计算器作现场显示，还可连接电动变送器作现场显示，还可连接电动变送器，获得远距离显示。

方法三：

利用超声波对容器液位进行检测。超声波液位仪是非接触测量中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。可实现非接触测量、测量范围宽、并且测量不受介质密度、介电常数、导电性等的影响。

对比以上三种方法，方法一，虽然具有测量简单、直观、成本低的优点，但测量量程有限，并且不适于恶劣环境的测量，特别是在对粘稠性较高的液体进行液位检测时，就很容易出现问题。粘性液体黏在管壁内侧，容易引起读数错误；方法二，由于滑轮机械装置的摩擦力和冒带重量，测量误差较大，且当使用时间较长时，由于滑轮机械的磨损，致使测量误差越来越大；方法三，可实现非接触测量，测量范围宽，且不受测量液体的影响，也不影响被测液体，是一种较为安全、测量精度较高的测量方法，因此它的实用性也是最广的。

综上所叙，在此我们选择第三种方案，即利用超声波对容器液位进行检测。

3、方案说明

3.1超声波的介绍

简单来说，超声波就是超过人耳能听到的物体振动的声音的频率范围的声波就叫超声波。一般来说是指声音超过了20000Hz以上的声波称之为超声波。与光波不同，声波是一种弹性机械波，即机械振动在弹性媒质中的传播。

超声波有以下几个特点：1.频率高波长短定向好；2.振幅小加速度大能量集中功率高强度大；

3.在不同介质界面上大部分能量反射。因而，超声波特别适合于距离测量。

3.1.1超声波基本性质

和其他声波一样，超声波可以在气体、液体及固体中传播，并有各自的传播速度。例如，在常温下空气中的声速约为334m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000m/s。其在空气中的传播速度主要与空气的压力和温度有关正常条件下由于大气压力变化很小因此其传播速

度主要考虑温度的影响在空气中传播速度为

C=331.3+0.606T(m/s)

其中C为超声波声速，T为传播介质的温度。因此只要温度已知，就能算出超声波的速度。为了简单起见，我们直接取其速度为340m/s。

在空气中，声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小。因此，对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。另外，声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此，超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。

因此考虑到实际工程的需要，在设计超声波液位计时，选用频率等于40kHz的超声波，波长为0.85cm。

3.2超声波液位检测原理

超声波液位测量法是70年代发展起来的一种新型液位测量方法，该方法利用了超声波在相同的介质中传播速度不变的原理。超声波是机械波的一种，其最明显的一个特征是方向性好，能够定向传播，当碰到障碍物时能够反射回来。超声波测量方法有很多，如脉冲回波法、共振法、频差法以及声衰减法等，其中应用最广泛的是超声波脉冲回波法。

超声波的测距原理是通过发射声波传感器由脉冲信号激励发出超声波，通过传声媒介传到被测液面，形成反射波，反射波再通过传声介质返回到接收传感器，传感器把声信号转换成电信号，由仪表计算出超声波从发射到接收所传播的时间，再根据超声波在介质中传播的速度计算出来回的直线路径的长度，从而得到所测距离的长度。如图2-1超声波夜位检测仪示意图所示。

图3-2超声波夜位检测仪示意图

该系统中是通过超声波脉冲传播的时间来确定液位，所以必须己知超声波在传声媒质中声速。然而，对于气体介质式和液体介质式超声波液位计，声速会随媒质的组成、温度、压强的变化而变化。因此，只有当测试条件比较理想，媒质的成分、温度、压强等没有很大变化，才可把传声媒质的声速近似看成不变，直接由测量的声波传播时间来确定液位，否则就应该对传声媒质的声速进行校正。

在这个系统中，运用的是超声波往返时间检测法进行距离的测量的。即，检测从超声波发射器发出超声波的时候算起，通过介质的传播在反射回来的到接收器的时间，叫往返时间。用往返时间与介质中超声波的速度相乘，就可以得到超声波运动的距离，然而实际的距离为所得到距离的一半，如果测量高度为h、超声波在介质里的传播速度为v，传播时间为t，可以得到：

这个公式使用于自发自收单感应器方式，探头采用垂直的方式发射超声波，然后再让超声波原路返回到探头。

如果采用一发一收双感应器方式，那么探头就不在采用垂直于介质面发射的方式，因此用上面的公式计算的出来就不在是真实高度，而是超声波经过的路程。这就需要加入角α，α角为竖直方向与超声波方向的夹角。如图3-3α角示意图，

图3-3α角示意图

因此，系统要把测得超声波经过的距离换算成真实的高度。如果超声波经过的距离为L，要测量的真实高度为h，那么超声波经过的距离与真实高度之间有这样的关系：