超聲波液位測量計(jì)的設(shè)計(jì).ppt

1、2020/8/11，畢業(yè)答辯PPT，1081自動化班，信息工程系，超聲波液位計(jì)設(shè)計(jì)，2020/8/11，1.1課題背景，隨著第二代超聲波液位計(jì)的產(chǎn)生，液位測量達(dá)到了一個新的應(yīng)用水平。第二代超聲波液位測量儀采用先進(jìn)技術(shù)，建立了工業(yè)領(lǐng)域的最新標(biāo)準(zhǔn)。超聲波液位測量儀的最初設(shè)計(jì)是為水凈化和廢水處理行業(yè)提供單一測量點(diǎn)的解決方案。它可以用來控制污水泵站的工作泵，記錄明渠測量中的流量，控制液位差測量中的隔離柵。它是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的超聲波液位計(jì)。超聲波液位測量儀具有非常簡單的程序設(shè)置模式，用戶只需在鍵盤上操作就可以完成所有的功能設(shè)置。同時(shí)，它還具有程序鎖定功能，使得未經(jīng)授權(quán)的人無法進(jìn)入設(shè)置模式進(jìn)行程序

2、修改，從而保證了用戶界面的安全性。超聲波液位測量儀具有多路供電系統(tǒng)，可自動切換到交流115伏/50赫茲或230伏/60赫茲，同時(shí)系統(tǒng)接收24V DC電源，可充分保證使用安全，避免突然斷電對系統(tǒng)的影響。超聲波液位測量儀可以顯示許多物理量，包括液位、距離、體積和百分比。每組繼電器可通過程序獨(dú)立設(shè)置為正向/反向動作、保持/復(fù)位和異常信號報(bào)警。模擬信號達(dá)到滿量程連續(xù)輸出。1.2 2020年8月11日，本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。目前市場上的超聲波液位計(jì)種類繁多，大多采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉硇Ｕ暡ǖ膫鞑ニ俣龋蕴岣邇x器的測量精度。這種方法需要在系統(tǒng)中增加一個溫度測量單元，通過測量環(huán)境溫度來獲得實(shí)際的聲速；

3、因此，溫度測量誤差的引入，限制了系統(tǒng)精度的進(jìn)一步提高。在我國，由于歷史原因，液位傳感器的研發(fā)技術(shù)相對落后，各基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的資金投入不協(xié)調(diào)，某一時(shí)期人才匱乏，導(dǎo)致相關(guān)配套領(lǐng)域發(fā)展緩慢甚至停滯不前，使得我國液位測量技術(shù)的測量方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他發(fā)達(dá)國家。測量系統(tǒng)的自動化程度不高，其精度、可靠性和功能都不如國外同類產(chǎn)品。近年來，隨著改革開放的深入，中國的經(jīng)濟(jì)和科技水平發(fā)展迅速。中國也加大了在這方面的投入，測量技術(shù)得到了全面的發(fā)展和更新，這使得中國的液位測量技術(shù)發(fā)展迅速。中國許多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了與液位測量相關(guān)的傳感器。與以前的產(chǎn)品相比，這些產(chǎn)品的性能指標(biāo)和功能都有了很大的提高，但與國外同類技術(shù)相比，

4、仍有進(jìn)一步提高的空間。2020/8/11，1.3超聲波傳感器概述，1.3.1超聲波是物體機(jī)械振動狀態(tài)的傳播形式。超聲波是指振動頻率在20000赫茲以上的聲波，其每秒振動頻率很高，超過了人耳聽覺的上限。人們把這種聽不見的聲波稱為超聲波。超聲波是彈性介質(zhì)中的一種機(jī)械振動，它有兩種形式：橫向振動(橫波)和縱向振動(縱波)?？v向振蕩主要用于工業(yè)應(yīng)用。超聲波可以在氣體、液體和固體中傳播，其傳播速度是不同的。此外，它還具有折射和反射現(xiàn)象，并在傳播過程中有衰減。超聲波在介質(zhì)中的反射、折射、衍射和散射規(guī)律與可聽聲波的規(guī)律沒有本質(zhì)區(qū)別。與可聽聲波相比，超聲波有許多奇怪的特性。超聲波的衍射能力很差，在均勻介質(zhì)中可

5、以直線傳播首先，處理單元用電壓激勵超聲換能器，激勵后以脈沖形式發(fā)出超聲波，然后超聲換能器進(jìn)入接收狀態(tài)。處理單元分析接收到的超聲波脈沖，并判斷接收到的信號是否是超聲波的回波。如果是，測量超聲波的傳播時(shí)間，并將測量的時(shí)間轉(zhuǎn)換除以2，即反射超聲波的物體的距離。物體表面和傳感器之間的距離可以通過將超聲波傳感器安裝在合適的位置并針對物體的變化方向發(fā)射超聲波來測量。超聲波傳感器有發(fā)射器和接收器，但是一個超聲波傳感器也可以具有發(fā)射和接收聲波的雙重功能。超聲波傳感器利用壓電效應(yīng)原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)換，即在發(fā)射超聲波時(shí)，它轉(zhuǎn)換電能并發(fā)射超聲波；當(dāng)接收到回波時(shí)，超聲振動被轉(zhuǎn)換成電信號。2020/8/11，1.

6、3.4超聲波傳感器在測距系統(tǒng)中的應(yīng)用，超聲波測距一般有以下幾種方法：取輸出脈沖的平均電壓，其電壓(其幅值基本固定)與距離成正比，而距離可以通過測量電壓來測量；測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波和接收超聲波之間的時(shí)間間隔t，因此測量的距離為S=1/2vt。如果測距精度很高，應(yīng)通過溫度補(bǔ)償進(jìn)行校正。超聲波測距適用于中長距離高精度測量，2020/8/11，1.4本工程設(shè)計(jì)的主要工作及結(jié)構(gòu)布置，1)超聲波發(fā)射與接收通過查閱相關(guān)資料可知，頻率過低，外界噪聲干擾較多，頻率過高，探測距離較短。9.根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，可采用40KHz分體式超聲波傳感器。利用軟件產(chǎn)生40KHz脈沖信號，針對單片機(jī)輸出端口驅(qū)動能

7、力弱的特點(diǎn)，在發(fā)射電路中應(yīng)增加功率放大電路，以提高測量距離，滿足課題要求。接收傳感器探頭發(fā)射的超聲波回波很弱(幾十毫伏)，并且有很強(qiáng)的噪聲，所以接收電路必須包括前置放大電路和濾波電路，以便放大有用信號，抑制其他噪聲和干擾。1.4本課題設(shè)計(jì)的主要工作和結(jié)構(gòu)安排，2)提高精度的過程由于超聲波的傳播速度與溫度有關(guān)，要想提高精度，就要通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行修正。根據(jù)測量精度的分析，如果可以知道局部溫度，則可以根據(jù)公式C=331.50.607T計(jì)算出局部聲速，從而可以獲得10的較高測量精度。使用熱敏電阻、熱電偶和集成溫度傳感器可以獲得更精確的溫度值?？紤]到性價(jià)比和易用性，使用數(shù)字溫度傳感器獲取系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)

8、境的溫度是最佳方案。2020/8/11，3)上位機(jī)與單片機(jī)之間的通信包括串行通信或并行通信。單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信涉及兩個方面。一方面，單片機(jī)的C51程序完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；二是串口通信程序和PC機(jī)接口的編程。根據(jù)數(shù)據(jù)，利用VB、labview、VC、Delphi、C Builder等軟件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的通信。根據(jù)您自己的學(xué)習(xí)情況和熟悉程度，可以使用C Builder應(yīng)用程序接口來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)之間的通信。4)查閱相關(guān)資料，分析超聲波液位測量儀的組成，確定超聲波液位測量儀的總體方案。5)完成超聲波液位測量儀的硬件和軟件設(shè)計(jì)。6)系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波

9、接收模塊、鍵盤顯示模塊和溫度測量模塊組成。2020/8/11，1.5超聲波測量原理和方案。超聲波(15千赫以上)可以在氣體中傳播，超聲波的傳播在一定程度上是線性的，遇到障礙物時(shí)會發(fā)生反射。如圖1所示：設(shè)置一個超聲波發(fā)射器和一個接收器(頻率相同)。發(fā)射器用于發(fā)射超聲波信號，而接收器用于接收障礙物反射的超聲波信號。如果兩個波之間的夾角遠(yuǎn)小于發(fā)射器和接收器與障礙物之間的距離h，那么從超聲波的發(fā)射到接收的時(shí)間t與h成比例，即h=c 3 (t/2)(1)，其中c是超聲波速度，在空氣中約為344米/秒。在這個過程中，我們可以通過測量超聲波的傳播時(shí)間t來計(jì)算物距h。2020/8/11，1.5超聲波測量原理和

10、方案。根據(jù)超聲波物距測量的原理，可以增加一些裝置來達(dá)到測量液位的目的，從而形成超聲波液位計(jì)。工作原理如圖2所示。超聲波發(fā)送器和接收器安裝在離液體底部H的位置，液面高度設(shè)定為H.利用超聲波測距原理測量液位計(jì)到液位的距離h，液位的高度(深度)為33，360 h=h-h (2)。使用合適的電路來實(shí)現(xiàn)這種操作，可以制成液位計(jì)。圖1為2020/8/11年度超聲波發(fā)射示意圖，1.5超聲波測量原理及方案，圖2為2020/8/11、2年度液位計(jì)、系統(tǒng)組成及說明示意圖。超聲波反射式液位計(jì)主要由發(fā)射、接收和計(jì)數(shù)/顯示電路組成。整機(jī)電路框圖如圖3所示。整個液位計(jì)的電路框圖見圖3，2020/8/11，系統(tǒng)組成及說明。

11、在圖3中，發(fā)射電路是一個40千赫多諧振蕩器，當(dāng)與超聲波發(fā)射換能器連接時(shí)，它可以發(fā)射一系列間歇的40千赫超聲波信號。在傳輸每個序列后，它向計(jì)數(shù)器發(fā)送一個脈沖以觸發(fā)計(jì)數(shù)的開始，假設(shè)時(shí)間是t0。接收電路與接收器相連，用于接收障礙物反射的超聲波信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號。在接收到一系列完整的信號后，會產(chǎn)生一個脈沖。假設(shè)這個時(shí)間是t1，此時(shí)脈沖用于讀取解碼器中的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)(時(shí)間差)是超聲波傳播時(shí)間t=t0-t1。解碼電路負(fù)責(zé)將計(jì)數(shù)器發(fā)送的BCD碼轉(zhuǎn)換成七個L-ED碼，然后驅(qū)動L-ED數(shù)碼管顯示結(jié)果。計(jì)數(shù)電路中的時(shí)基電路用于產(chǎn)生計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖，其頻率決定了計(jì)數(shù)和顯示數(shù)值的單位。在此基礎(chǔ)上，增加減法運(yùn)算電路

12、，并減去計(jì)數(shù)器計(jì)算的液位距離H，使計(jì)數(shù)結(jié)果符合h=H-h，并顯示結(jié)果液位高度(液位)。2020/8/11，2.1發(fā)射振蕩電路，超聲波發(fā)射機(jī)的基本振蕩電路由時(shí)基電路555、R3、W2、C10等組成。其振蕩頻率為： fT=1.44/(R3 2 W2)C10。調(diào)整W2可以使振蕩頻率與所選超聲波發(fā)射器的振蕩頻率(40千赫)一致。圖4中的555振蕩器振蕩與否由IC4 C和IC4 D組成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路控制，雙穩(wěn)態(tài)電路的輸出狀態(tài)由IC4A和IC4 B組成的低頻振蕩器和IC1 (4017)組成的8分頻電路控制。555振蕩器的振蕩方波作為時(shí)鐘加到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/脈沖分配器IC3的引腳14上，IC3的引腳6 (Q

13、7)與其復(fù)位端的引腳15相連。2020/8/11，傳輸振蕩電路，IC3在40千赫時(shí)鐘的作用下，Q0 Q7高電平脈沖依次出現(xiàn)在其對應(yīng)的引腳上，Q7脈沖出現(xiàn)在第六個引腳上，一直送到第十五個引腳(RST端)復(fù)位IC3，實(shí)現(xiàn)8分頻；同時(shí)，另一個通道加到IC4 D的輸入端，使IC4 D的輸出變?yōu)榈碗娖剑枞?55時(shí)基電路的復(fù)位端(第四個管腳)，并停止555振蕩電路的振蕩。另一個作為復(fù)位信號發(fā)送到計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。2020/8/11，在電路中，T1和T2構(gòu)成高增益共發(fā)射極放大器，它放大由接收tr接收的反射超聲信號圖5接收電路，2.2接收電路，2020/8/11，2.3探頭電路超聲波發(fā)射換能器和接收換能器組裝

14、在一起(使用方便)，與其他電路分開，通過多芯信號線與電路板連接。該電路如圖7所示。從發(fā)射振蕩電路555的第三引腳發(fā)送的40千赫方波信號經(jīng)過一階RC低通濾波，然后進(jìn)行電壓放大。電壓放大的目的是使發(fā)射換能器有足夠的能量，增加有效測量范圍。2.4當(dāng)施加的電壓超過額定電壓時(shí)，解碼顯示電路發(fā)光二極管(發(fā)光二極管)擊穿并發(fā)出可見光，發(fā)光二極管的工作電壓通常為220mA。工作電壓降約為2V，使用時(shí)應(yīng)增加限流電阻。顯示電路采用發(fā)光二極管數(shù)碼管顯示，具有低能耗、低損耗、低電壓、對外界環(huán)境要求低、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。雖然它只能顯示非常有限的符號和數(shù)字文字，但它完全可以滿足設(shè)計(jì)。顯示部分采用了發(fā)光二極管動態(tài)顯示技術(shù)，節(jié)

15、省了單片機(jī)的空間，動態(tài)顯示電流很小，可以由單片機(jī)提供。2020/8/11/3。目前，我國對超聲波液位計(jì)沒有專門的檢定規(guī)程，檢定/校準(zhǔn)工作可以按照J(rèn)JG 971-2002液位計(jì)檢定規(guī)程的相關(guān)條款進(jìn)行。液位計(jì)的檢定周期一般不超過一年，也可根據(jù)使用環(huán)境、頻率和重要性確定。根據(jù)自身?xiàng)l件，參照國家計(jì)量檢定規(guī)程，制定相應(yīng)的企業(yè)內(nèi)部校準(zhǔn)規(guī)范。感謝您從2020年8月到11月。本論文是在導(dǎo)師張丹紅教授的悉心指導(dǎo)和幫助下完成的。張老師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的學(xué)術(shù)態(tài)度和認(rèn)真踏實(shí)的工作作風(fēng)對我影響很大。感謝張老師這學(xué)期的教學(xué)和訓(xùn)練，我在硬件設(shè)計(jì)和論文寫作方面的能力有了很大的提高，教會了我們?nèi)绾巫鋈?，如何面對激烈的社會競爭，如何?yīng)對生活中的困難和挫折，這讓我們受益匪淺，獲