基于无线收发的超声波液位测量仪

收稿日期：２０１３－０２－

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基金项目：陕西省教育厅专项科研基金资助项目（２０１３ＪＫ１０６０） 作者简介：卢超（１９７９－），男，陕西省汉中人，讲师，硕士，主要从事测控技术方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：２７３０４４８７＠ｑｑ

．ｃｏｍ。 文章编号：１００４－２４７４（２０１４）０１－０１５０－

０６基于无线收发的超声波液位测量仪

卢　超

（陕西理工学院物电学院，陕西汉中７２３０００

） 摘　要：

利用无线通信设计了一种超声波液位测量仪，以ＳＴＣ８９Ｃ５２为核心控制器，选用超声波测距模块作为液位测量传感器，利用ＮＲＦ２４Ｌ０１无线模块对数据进行实时无线发送与接收，再将接收到的数据实时处理后送至液晶屏显示，同时通过串口经ＭＡＸ２３２电平转换后送至ＰＣ机实时显示并绘制数据曲线。该仪表实现了远距离无线液位实时测量，取代了传统的浮力式和电缆式液位测量仪，数据结果精度高，控制方便。

关键词：超声波测距；单片机；无线；串口中图分类号：ＴＨ１３；ＴＰ３９ 文献标识码：Ｂ

Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｌｅｖｅｌ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬＵ　

Ｃｈａｏ（Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｚｈｏｎｇ　

７２３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｅｖｅｌ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　

ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｔａｋｉｎｇＳＴＣ８９Ｃ５２ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒａｎｇｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｅｖｅｌ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ．ＮＲＦ２４Ｌ０１ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｍｏｄｕｌｅ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｆｏｒ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　

ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｔａ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ｄａｔａ　ｗａｓｓｅｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ＬＣＤ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｓｃｒｅｅｎ　ａｆｔｅｒ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｗａｓ　ｓｅｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ＰＣ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙ　ｂｙ　

ＭＡＸ２３２ｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｅｒｉａｌ　ｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ｃｕｒｖｅ　ｗａｓ　ｄｒａｗｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｃｏｕｌｄ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｌｏｎｇ－ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｅｖｅｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｒｅｐｌａｃｅｄ　ｔｈｅ　ｂｕｏｙａｎｃｙ　ａｎｄｃａｂｌｅ　ｔｙｐｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｅｖｅｌ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　

ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎ．Ｉｔ　ｈａｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｄａｔａ　

ｃｏｎｔｒｏｌ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒａｎｇｉｎｇ；ＭＣＵ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ；ｓｅｒｉａｌ　ｐｏｒｔ　

０　引言

目前，国内外在液位测量方面采用的技术和产品很多，传统的液位传感器按其采用的测量技术及使用方法有人工检尺测量、浮体式测量、伺服式测量、差压式测量和超声波测量。超声波液位测量是非接触式测量发展最快的一种，其易定向发射，方向性好，强度好控制，解决了差压式、伺服式、浮体式等测量方式带来的缠绕、接触介质、维护贵等麻烦。同时传统液位监测装置还具有不能实时监控液位的当前高度，耐用性差，可靠性低等缺点。设计一种造价低，使用方便且测量准确的液位测量仪器，同时把无线通信技术应用到测量中，再将采集到的液位信息传入电脑，再利用ＰＣ机的分析软件对其进行实时监控、分析和处理，显示水位曲线，建立出一种管理方便，操作简便，运行可靠的高效率控制系统将是极为有意义的，也是当今测试仪器高速、便捷、网络化

发展的一个重要方向［

１－

３］。１　系统设计

系统分为下位机数据采集部分和上位机数据实时监测处理部分，下位机主要完成液位信息的采集、数据处理、数据传送和驱动水泵供水电路，上位机主要完成液位高度上、下限数据的设置，超过阈值报警，接收数据，数据显示及通过送入ＰＣ机完成数据的实时显示，液位曲线图的绘制等功能，系统框图如图１所示。将超声波探头安装在液位上方，与液位正对，系统通过液位采集电路即超声波测距模块测量出液面到顶部距离Ｓ，将Ｓ送到单片机进行数据转换，

单片机将采集到的数据转换成字符型，同时对考虑温度测量模块中测量的温度给予温度补偿，然后通过ｎＲＦ２４Ｌ０１无线模块发送至上位机，上位机接收到下位机发送的字符数组后，送入单片机并将其转换成数值型，以便和按键模块电路输入的水塔

第３６卷第１期压　电　与　声　光

Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．１２０１４年０２月

ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ　＆ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳ　

Ｆｅｂ．２０１４

高度、最高水位、最低水位进行计算和比较，单片机将数据再次转换成字符型送入液晶模块进行显示，同时将差值和最大值进行比较，若大于最高水位时则启动报警模块，当水位低于最小水位时则通过ｎＦＲ２４Ｌ０１向下位机发送指令，

用于驱动继电器控制水泵实现自动蓄水功能。该系统也可扩展成多点采集，即在不同地方安装相同的下位机，由主位机采用主从式通信进行统一管理和控制，可以测量多地

点液位数据［

２－

４］

。图１　系统框图

２　主要硬件电路设计

２．１　超声波液位采集模块电路

超声波测距是利用声波具有反射特性，且其在空气中的传播速度已知，

通过计算出从发射－接收的回波时间（Ｔ）就可计算出测试点到障碍物的距离。微控制器控制脉冲产生电路产生４０ｋＨｚ信号后，经功率幅值放大电路和超声波探头连接，超声波探头发出回波信号经放大电路、滤波电路、Ａ／Ｄ转换电路后将数据送回微控制器，如图２所示。由于传播速度与温度有关，为了精确测距，系统加入了温度测量模块，采用单总线数字式温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０测量实时温度进行温度补偿。通过液面到顶部距

离［１，３，６］

Ｓ＝Ｖ·Ｔ／２，

其中Ｖ为超声波在空气中的传播速度，Ｔ为测量距离传播的时间差。设计中利用超声波测距模块测量出Ｓ，然后用水塔高度Ｌ减去Ｓ，

即可得到液位高度Ｈ。图２　超声波液位采集模块框图

２．２　无线收发模块电路

无线模块选用ＮＲＦ２４Ｌ０１无线发射接收模块，由于ＮＲＦ２４Ｌ０１无线发射接收模块采用３．３Ｖ电源，而单片机采用５Ｖ电源，因此使用ＡＭＳ１１１７稳

压管进行稳压，以得到３．３Ｖ稳定电压。使用单片机的Ｐ１口与ＮＲＦ２４Ｌ０１无线发射接收模块连接，

具体电路如图３所示，上、下位机无线收发模块的硬件连接方式均相同。设计中ＮＲＦ２４０１的所有配置工作都是通过ＳＰＩ完成，共有３０字节的配置字，ＮＲＦ２４０１采用工作于Ｅｎｈａｎｃｅｄ　

ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ收发模式［

４－

５］

。图３　无线模块接口电路

２．３　ＲＳ２３２接口电路

ＲＳ２３２接口采用ＭＡＸ２３２芯片完成ＴＴＬ和

ＲＳ２３２接口电平的匹配，其内部有一个电源转化器，可把输入的＋５Ｖ电源电压变换成为ＲＳ－

２３２Ｃ输出电平所需的＋１０Ｖ电压［４－５］

。电路如图４所示，

ＭＡＸ２３２芯片Ｔ１ＩＮ连接ＴＴＬ电平的ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机的串口发送端ＴＸＤ，Ｒ１ＯＵＴ连接ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机的串口接收端ＲＸＤ。两个ＬＥＤ作为数据传送指示灯，当有数据传送时指示灯会被点亮，Ｃ６～Ｃ１０均为１μＦ极性钽电解电容，用以提高抗干扰能力，在连接时必须尽量靠近器件

。

图４　ＲＳ２３２串口通信电路

２．４　液晶显示电路

设计采用的液晶屏是ＨＪ１６０２Ａ图形点阵型液

　第１期卢超：基于无线收发的超声波液位测量仪

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