基于单片机技术设计的水塔液位测距仪概要.doc

第２０卷第３期 ２０１４年３月  水利科技与经济 Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｙ  Ｖ０１．２０ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．，２０１４  基于单片机技术设计的水塔液位测距仪 刘 威１，周琳博２ （１．哈尔滨市江北水城调度中心，哈尔滨１５００００；２．哈尔滨市水务科学研究院，哈尔滨１５０００１） ［摘要］本设计选择５ｌ系列单片机为控制核心，采用超声波测距模块ＨＣ—ＳＲ０４设计了一种 可以实现２—４００ ｅｍ范围内的水塔液位测量仪表。该仪表的硬件部分主要由单片机控制模块、 液位测量模块、温度补偿模块及显示模块组成。软件程序采用单片机Ｃ５１语言进行编写，主要 包括了主程序、发射子程序、接收子程序、计算子程序、温度补偿子程序及显示子程序构成。经 实验证明，本测距仪电路简单，工作可靠，算法合理，测量数据准确。 ［关键词］液位测量；超声波；测距仪；温度补偿 ［中图分类号］ＴＰ３９ ［文献标识码］ Ｂ ［文章编号］ １００６—７１７５（２０１４）０３—０１５７—０４  Ｏ 引 言 水塔供水的主要问题是应始终保持塔内水位在一定 范围内，以避免“空塔”、“溢塔”现象发生。目前，实现水 塔液位测量方法主要是采用非接触式测量，较为成熟的 测量技术主要包括激光测距、电磁波测距、超声波测距 等。其中，利用激光测距和电磁波测距原理设计的仪表， 普遍存在装置结构复杂、价格昂贵的缺点，而利用超声波 测距原理开发的测距仪表成本较低，且具有指向性强，穿 透能力强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等优 点。本文将介绍一种基于单片机技术开发的超声波液位 测量仪表。 １ 系统设计 １．１系统结构设计 首先将液位检测传感器安装在靠近水塔的顶部，距 离水塔底部高日处，安装设计好的液位检测传感器水平 垂直发出超声，当超声波遇到水面经液面向上发射到水 位测量仪，测距仪接收到发射回的超声波时，由单片机控 制器算出超声波往返一次所用的时间，即可算出测距仪 到水面的距离Ｌ，水位高度ｈ可以用以下公式算出： ｈ＝日一ｖｔ／２ 式中：秒为超声波的传播速度，在空气中传播约为 ３４０ ｍ／ｓ；ｆ为超声波由测距仪到水面往返一次的时间。 利用４０ ｋＨｚ的超声波发声器，实现４０ＫＨｚ的振荡是 很容易的，并且方法很多种。取测距仪与水面的距离为 适当的高度，可令超声波发出去后能有效地返回，让接收 器接到信号到单片机，利用单片机处理所得的数据即可  很大，测量结果不会有太大的误差，见图１。 本设计选择了一种脉冲填充计时型超声波传感器为 接口部件，结合单片机控制技术设计了一套水塔液位检 测装置。该装置主要由主控制器模块ＡＴ８９Ｃ５２单片机、 液位检测模块ＨＣ—ＳＲ０４型超声波传感器、温度补偿模块 ＤＳｌ８８２０数字式温度传感器和显示模块等５个模块构成， 见图２。 １．２硬件设计 １．２．１液位检测单元 ＨＣ—ＳＲ０４超声波模块有两个探头，一个（ＴＲＩＧ）用 来发射并接收超声波，而另一个探头（ＥＣＨＯ）是输出回响 信号的。本设计将超声波模块的ＴＲＩＧ引脚与单片机Ｐ０— ２引脚连接，将ＥＣＨＯ引脚与单片机Ｐ０－ｌ连接。开机后 单片机Ｐ０—１只需要提供一个１０ｕｓ以上脉冲触发信号，与 单片机Ｐｏ一２连接的ＴＲＩＧ探头在每８００ ｍｓ发射一组（８ 个）４０ ｋＨｚ周期超声波脉冲并检测回波。若在该时间段内 位检测到回波，则重新发射；若ＴＲＩＧ探头当在８００ ｍｓ内 检测到回波时，ＥＣＨＯ立即输出高电平回响信号；同时单 片机开始计时，直到高电平结束，停止计时。高电平的长 短与距离的远近成正比，由单片机内部定时器测出时间 ｒ，再根据公式Ｓ＝ＶＴ／２可计算出距离，超声波时序图见 图３。 １．２．２温度补偿单元 众所周知，声波的传播速度与空气密度有关，而空气 密度又与温度紧密相连。为了提高测量精确度，减小误 差，本设计中添加了温度补偿模块，温度传感器选用了单 总线数字式温度传感器ＤＳｌ８８２０。波速与温度关系表见 表１。 算出水位高度。超声波在空气中一般可以实现有效传 播，只要外部的环境不是特别的恶劣，所受的干扰并不是 ［收稿日期］２０１３—１ｌ—１８ ［作者简介］刘威（１９８６一），男，吉林扶余人，助理工程师，学士；周琳博（１９８２一），男，黑龙江木兰人，工程师． ．－－——１５７?－－—— 万方数据 第２０卷第３期  Ｖ０１．２０ Ｎｏ．３ ２０１４年３月 Ｗ｛耋 ＆ 斯 Ⅳ  Ｖ／ 水＆ 利．至科㈣ 技扑与扩 经、∽ 济＿薹 盼 殴 Ｍａｒ．．２０１４  图ｌ 超声波传感器安装效果示意图  触发信号  图２液位测量仪系统组成框图 １０础ｇｒｒｒＬ 厂］