CN103499375A

CN103499375A - 一种基于时延法测距的高精度超声波液位计

Info

Publication number: CN103499375A
Application number: CN201310471425.6A
Authority: CN
Inventors: 陈金立; 陈宣; 李鹏; 姚无穷
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2014-01-08

Abstract

本发明公开了一种基于时延法测距的高精度超声波液位计，包括单片机控制器、键盘模块、存储模块、报警模块、显示模块、超声波收发模块、串口通信模块，所述的键盘模块、存储模块、报警模块、显示模块、超声波收发模块、串口通信模块分别与所述的单片机控制器相连接，串口通信模块还连接有PC机，所述的超声波收发模块设置有两个，所述的两个超声波收发模块设置在液面的上方，且两个超声波收发模块距液面的高度不相同。本发明设计的超声液位计利用两个布置在不同高度上的超声探头的测量结果来修正声速并消除单片机内部的硬件延时误差，并采用算术平均滤波的方法降低由于外部环境原因造成液面不够平稳而产生的误差，从而实现超声波液位的精确测量。

Description

一种基于时延法测距的高精度超声波液位计

技术领域

本发明涉及一种测距装置，特别是一种基于时延法测距的高精度超声波液位计。

背景技术

在科技日益发达的今天，随着超声波技术的飞速发展和广泛应用，超声波在日常生活以及工业等领域中得到了广泛地应用，例如雷达探测、室外工地测距、测量水库水位、测量容器深度等。液位测量在工业生产中扮演着一个相当重要的角色，通过测量容器内液位能确定液体原料的数量，对容器内液面高度的实时测量和监视可以保障工业生产的连续性、可靠性和安全性，为生产环节的物料平衡和生产预算提供依据。同时液位测量与我们日常生活也息息相关，不仅用于各种容器管道内的液体测量，甚至还用于江河湖海和水库等的水位测量。

目前无论是水库水位的测量、大型油罐液位的测量，还是小型容器液位的测量或者其它液位测量，都对其测量精度提出了越来越高的要求。例如石化部门使用的大型储油罐容量一般在1000~100000m3之间，则很小的液位测量误差都会造成很大的绝对误差。因此，高精度的液位测量在日常生活和工业生产中具有重要的地位。

超声波液位计能够通过非接触方式测量液面高度，因此无需接触液面就能达到液位测量的目的，特别适合于冶金和化工等工业中带有强腐蚀、强辐射、强污染以及强酸强碱等恶劣条件下的液位测量。超声波在不同介质中的传播速度是不一样的，即使是在同一介质，速度也受各种各样的因素影响，例如温度、压力、湿度、成分和粘度等。为了提高超声波液位计的测量精度，就必须设法获取超声波在工作环境中的精确传播速度。在传统的超声波液位系统中，大多采用通过测量温度来校正声速，从而提高液位测量精度，一般在系统中加入测温模块以获取超声波传播环境的温度T后，通过公式

Figure 2013104714256100002DEST_PATH_IMAGE002

来对声速进行校正。但是该方法只考虑了温度的影响而忽略了其他因素如湿度、压力等对超声波的传播速度的影响，而且温度测量也存在一定程度的误差，导致利用该方法的超声波液位仪的测量精度仍较低。而另一种采用自校准技术对声速补偿的方法是在系统中设置参考挡板，并使参考探头与挡板距离保持一定值，且此挡板不能挡住另一个探头到液面的超声波，超声波从参考探头发出，经参考挡板发射后回至探头而被接收，由于参考探头与挡板之间距离是精确已知的，因此利用参考探头能计算出在工作环境中的声速，这种方法可以补偿任何因素如温度、湿度和压力等引起的声速变化。但是在容器内安装挡板不仅增加了施工难度，而且挡板过小减弱了挡板反射的超声波，而挡板过大影响另一个探头到液面的超声波，因此挡板过小和过大都会对此类超声波液位计的正常工作产生一定的影响。本发明提出了一种新的自校准技术来对声速进行校正，从而实现超声波液位的精确测量。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于时延法测距的高精度超声波液位计。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于时延法测距的高精度超声波液位计，包括单片机控制器、键盘模块、存储模块、报警模块、显示模块、超声波收发模块、串口通信模块，所述的键盘模块、存储模块、报警模块、显示模块、超声波收发模块、串口通信模块分别与所述的单片机控制器相连接，串口通信模块还连接有PC机，所述的超声波收发模块设置有两个，所述的两个超声波收发模块设置在液面的上方，且两个超声波收发模块距液面的高度不相同。

作为本发明的一种改进，所述的单片机控制器采用的型号为STC89C52。

作为本发明的一种改进，所述的超声波收发模块采用的型号为HC-SR04。

作为本发明的一种改进，所述的存储模块采用存储器AT24C02。

作为本发明的一种改进，所述显示模块包括1602LCD显示屏。

作为本发明的一种改进，所述报警模块主要由蜂鸣器、三极管以及电阻构成。

本发明的有益效果：

本发明设计的超声波液位计无需增加测温单元或安装挡板，就能补偿任何因素如温度、湿度和压力等引起的声速变化，而且也不存在挡板安装施工难以及挡板大小选择不当影响液位测量的问题。该超声液位计利用两个布置在不同高度上的超声探头的测量结果来修正声速并消除单片机内部的硬件延时误差，并采用算术平均滤波的方法降低由于外部环境原因造成液面不够平稳而产生的误差，从而实现超声波液位的精确测量。本系统能实现对测量数据的保存，以方便后续的制表以及测量曲线图的绘制，报警电路可以全天候地进行有效预警，并设计了串口通信模块，使得操作人员可以通过PC机对液位计进行远程监控，为操作人员在室外的测量工作带来了极大的便利。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的系统原理图；

图3为本发明的单片机控制器的电路图；

图4为本发明的超声波收发模块电路图；

图5为存储模块电路图；

图6为显示模块电路图；

图7为串口通信模块电路图；

图8为键盘模块电路图；

图9为报警电路电路图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示为本发明的一种基于时延法测距的高精度超声波液位计结构框图，包括单片机控制器、键盘模块、存储模块、报警模块、显示模块、超声波收发模块、串口通信模块，所述的键盘模块、存储模块、报警模块、显示模块、超声波收发模块、串口通信模块分别与所述的单片机控制器相连接，串口通信模块还连接有PC机，所述的超声波收发模块设置有两个，所述的两个超声波收发模块设置在液面的上方，且两个超声波收发模块距液面的高度不相同。

图3为本发明的单片机控制器的电路图，选择单片机中低功耗的STC89C52单片机，它是一种低功耗、高性能且系统内带有8KB可编程Flash存储器的8位CMOS微处理器，具有速度快、可靠性高、功耗低、价格低等优点。单片机STC89C52控制超声波收发电路发射超声波信号，并接收经超声波模块传输来的回波信号，在其内部进行声速校正和硬件延时误差补偿以实现液面高度的测量，同时也负责控制键盘电路、存储电路、报警电路、LCD显示电路以及串口通信电路等。单片机主控模块电路如图3所示，主要包括单片机时钟电路和复位电路。当单片机加电，振荡器就会一直工作，产生持续的振荡时钟。复位电路具有上电自动复位和手动复位两种功能，当晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

图4为本发明的超声波收发模块电路图，为了提高液位测量值的精度，超声波收发模块采用了两个一体化超声波模块HC-SR04，分别安装在高度相差为

Figure 2013104714256100002DEST_PATH_IMAGE004

的位置上。HC-SR04一体化超声波模块是集发送、接收、放大和解调为一体的超声波收发器。通过单片机内部定时器给出一个10us以上的脉冲触发信号给HC-SR04的TRIG引脚，则该模块内部循环发出8个40kHz 周期电平，并自动检测是否有信号返回。当检测到信号返回时，该模块把接收信号经过放大和解调后通过该模块的ECHO引脚送到单片机的IO口。

图5为存储模块电路图，要实现液位高度测量值的实时记录，本系统增加了一个串行EEPROM存储器AT24C02，将不同时刻的液面高度测量值保存在存储器中，方便使用者随时查看相应的信息，并进行数据分析。同时为了降低因液面不够平稳而产生的误差的影响，单片机可以将该存储电路保存的同一液面的测量数据每N个取一次平均值，显然有了存储电路可以更方便的实现这个功能。

图6为显示模块电路图，显示模块电路采用1602LCD显示屏，当系统刚上电或复位时显示屏显示“Ultrasonic level measuring system”，通过外部中断设定报警高度时显示屏显示“Set Alarm”，当测量到液面高度时显示“Height”并显示在当时环境下的液面高度，当液面高度超出报警高度导致蜂鸣器报警时显示屏显示“Warning！”，当串口传送数据时显示屏显示“Sending”。

图7为串口通信模块电路图，本系统具有单片机与PC机远程通讯的功能，操作人员可以进行远程监控和操作。单片机通过串口把液位测量数据传输给PC机，并保存在PC机内，可以进一步分析和打印。由于单片机与计算机所提供的电平不同，单片机提供的是TTL电平，而计算机提供的是TS232电平，两者要实现通信的话需要采用MAX232芯片来进行转换。

图8为键盘模块电路图，键盘电路主要负责设定警戒液位报警高度以及查看存储数据等操作，采用独立式键盘，每个键盘的一端与单片机的IO口相连，而另一端则接地。

图9为报警电路电路图，报警电路主要由蜂鸣器、三极管以及电阻构成，当液位达到警戒高度时，单片机的P3.5口输出高电平，驱动蜂鸣器发出警报，提醒使用者注意液面的高度。

本发明的工作原理如下：

单片机是整个系统的核心控制部分，负责控制外围电路以及计算输出。首先，单片机通过发射电路将信号传输给两个放置在不同高度的超声波探头发射超声波信号，两个探头的超声波信号遇到液面反射回来，并被各自的换能器接收并转换成电信号，经过放大、滤波、整形等处理后传输给单片机，由于两个探头的高度差是精确已知的，因此在单片机内利用两个安装在不同位置上的超声探头的回波延时测量结果，能计算出在当时工作环境下的声速，并能消除单片机内部的硬件延时误差，经过声速校正和硬件延时误差补偿之后，可由单片机利用某个探头的时延测量结果计算出液面高度，并通过显示电路显示，若当液位达到警戒高度时可以自动报警，还可以由通信接口与PC机实现远程通讯功能，从而实现对液面的远程监控。存储模块可以保存不同时刻的液位测量值，方便使用者查阅和记录分析相关数据，键盘模块主要负责设定警戒液位报警高度以及查看存储数据等操作。

本方明的声速校正和硬件延时误差补偿原理：如图2所示，探头1和探头2分别安装在两个不同高度的位置上，两探头的高度差为

，为了保证两个探头能够独立进行超声的发射和接收，而互不干扰各自工作，则要求两个探头在横向上也要相距一段距离。在工作时，两个探头同时发射超声波并独立接收各自的回波信号，假设测量得到探头1从发射超声波到接收到回波所经历的时间为t ₁，探头2从发射超声波到接收到回波所经历的时间为t ₂。由于硬件电路处理存在一定延时的，这是因为在使用时延法测距时，需要使用单片机的外部中断来检测回波信号，中断响应需要一定处理时间，而在进入中断子程序后还要执行若干条指令，因此单片机内部的硬件延时也是不可忽略的，即回波时延测量值t ₁和t ₂中包含了硬件延时误差，由于两个探头的时延测量方法相同，因此在两者测量过程中的硬件延时误差也可近似认为相同，假设硬件延时误差为Δt以及在系统工作时的声速为c，那么根据时延测距原理，探头1到液面的垂直距离为

Figure 2013104714256100002DEST_PATH_IMAGE006

(1)

探头2到液面的垂直距离为

(2)

式（2）和式（1）相减，可以得到：

Figure 2013104714256100002DEST_PATH_IMAGE010

(3)

由于式（3）中

、t ₁和t ₂是已知的，因此可以求得声速c为

Figure 2013104714256100002DEST_PATH_IMAGE012

(4)

在式（4）中，两个探头的高度差

是精确已知的，而时延测量值t ₂和 t ₁本来是包含了单片机内部的硬件延时误差的，但两者相减后，硬件延时误差Δt能够相互抵消，因此根据公式（4）计算得到的声速c是非常精确的。

液位测量值不仅与声速有关，而且还与时延测量值有关，因此要获得高精度的液位测量值，需要消除时延测量值中的硬件延时误差Δt，可通过下面的方法来对这个固有的硬件延时误差进行修正：在本超声液位计的两个探头可以用于测量一个已知的固定位置，假设

和分别为探头1和探头2从发射超声波到接收到从已知的固定位置反射的回波所经历的时间，那么根据式（4）可以计算此时超声波的传播速度

，由于在此场合中探头1和探头2分别离固定位置的距离和

Figure 2013104714256100002DEST_PATH_IMAGE022

也是已知的，因此液位计的固定硬件延时误差

Figure 2013104714256100002DEST_PATH_IMAGE024

为

Figure 2013104714256100002DEST_PATH_IMAGE026

（5）

在实际测量中，把探头1的时延测量值t ₁减去硬件固有延时误差

，就能消除延时误差，再结合由式（4）计算的声速c就可以得到高精度的液位测量值，则容器内液位H的计算公式为

Figure 2013104714256100002DEST_PATH_IMAGE028

(6)

式中，

Figure 2013104714256100002DEST_PATH_IMAGE030

为超声波换能器探头1到液面底部的距离。

在实际的测量过程中，特别是在室外测量，由于受天气条件限制，很难保证液面达到完全静止的状态。当液面上下波动时，测量结果会在某一个数值的附近上下波动，仅测量一次的话随机干扰太大，所以本液位计通过数字平均滤波的方法来进一步提高精度，通过对同一液面连续进行N次的测量并求其平均值，把平均值作为最后的有效测量值。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims

1.一种基于时延法测距的高精度超声波液位计，其特征在于：包括单片机控制器、键盘模块、存储模块、报警模块、显示模块、超声波收发模块、串口通信模块，所述的键盘模块、存储模块、报警模块、显示模块、超声波收发模块、串口通信模块分别与所述的单片机控制器相连接，串口通信模块还连接有PC机，所述的超声波收发模块设置有两个，所述的两个超声波收发模块设置在液面的上方，且两个超声波收发模块距液面的高度不相同。

2.根据权利要求1所述的一种基于时延法测距的高精度超声波液位计，其特征在于：所述的单片机控制器采用的型号为STC89C52。

3.根据权利要求1所述的一种基于时延法测距的高精度超声波液位计，其特征在于：所述的超声波收发模块采用的型号为HC-SR04。

4.根据权利要求1所述的一种基于时延法测距的高精度超声波液位计，其特征在于：所述的存储模块采用存储器AT24C02。

5.根据权利要求1所述的一种基于时延法测距的高精度超声波液位计，其特征在于：所述显示模块包括1602LCD显示屏。

6.根据权利要求1所述的一种基于时延法测距的高精度超声波液位计，其特征在于：所述报警模块主要由蜂鸣器、三极管以及电阻构成。