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用ADuC812設(shè)計(jì)超聲波非接觸液位計(jì)

作者: 時(shí)間:2006-05-07 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:闡述了超聲波非接觸液位計(jì)測(cè)量的原理,給出了硬件電路和軟件編程的設(shè)計(jì)方法,對(duì)其應(yīng)用也作了簡(jiǎn)單介紹。

本文引用地址:http://2s4d.com/article/255658.htm

關(guān)鍵詞:ADuC812芯片、超聲波、液位、非接觸


1.概述

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及大規(guī)模集成電路芯片技術(shù)的飛速發(fā)展,超聲測(cè)距技術(shù)也日臻成熟。于九十年代初,國(guó)內(nèi)開始將超聲測(cè)距技術(shù)應(yīng)用于河流、湖泊、水、渠等水體的水位測(cè)量中及其油、漿等液體的液位測(cè)量之中,并開始發(fā)揮其重要作用。

ADuC812是ADI公司99年開發(fā)面市的新一代、帶有閃速M(fèi)CU的多通道12位A/D轉(zhuǎn)換器,用ADuC812作為核心,加上超聲波發(fā)、收電路以及存儲(chǔ)、顯示等電路所組成的超聲波非接觸液位計(jì),不僅減小了儀器的體積,更增加了儀器的可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)用性。

2.ADuC812芯片特性

圖1是ADuC812內(nèi)部功能框圖,該芯片具有與8051兼容的內(nèi)核,額定工作頻率為12MHz(最大為16MHz),3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,32條可編程的I/O口線,端口3具有高電流驅(qū)動(dòng)能力,9個(gè)中斷源并有2個(gè)優(yōu)先級(jí)。芯片內(nèi)集成有8K字節(jié)閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器,640字節(jié)閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,片內(nèi)充電泵(不需要外部Vpp );256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM,16M字節(jié)外部數(shù)據(jù)地址空間,64K字節(jié)外部程序地址空間。在摸擬輸入輸出方面:片內(nèi)集成有8通道、高精度的12位A/D,片內(nèi)40ppm/℃電壓基準(zhǔn),采樣速率達(dá)200kSPS,DMA控制的高速A/D至RAM捕獲,2個(gè)12位電壓輸出D/A,片內(nèi)溫度傳感器功能。在電源方面,芯片可用3V或5V供電,并有正常、空閑和掉電三種工作摸式。片上還集成有:UART輸入/輸出口,雙線(I2C兼容)和SPI串行I/O口,看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)控電路。

3.測(cè)量原理

超聲波非接觸液位計(jì)的測(cè)量原理如圖2所示:由CPU控制超聲發(fā)射電路,通過超聲傳感器發(fā)射超聲脈沖波,該脈沖波遇到被測(cè)液面(水面)后,反射到超聲傳感器,CPU通過測(cè)計(jì)發(fā)射、接收之間超聲波往返的傳播時(shí)間t(秒),來(lái)計(jì)算測(cè)量距離h,圖2中:

h=1/2·vt (米)

v 為空氣中的聲速,其近似公式為:

v=331.45+0.61T (米/秒)

T為測(cè)量時(shí)的氣溫(℃),可以在測(cè)量距離的同時(shí)測(cè)量氣溫來(lái)進(jìn)行對(duì)聲速的修正。

圖2中設(shè)傳感器安裝高程為H0(可在安裝傳感器時(shí)測(cè)得),則液位H可用下式算得:

H=H0-h=H0-1/2·vt (米)

本液位計(jì)時(shí)間測(cè)量精度為微秒級(jí),溫度測(cè)量精度為0.1℃,由此產(chǎn)生的液位測(cè)量誤差經(jīng)分析計(jì)算為1厘米。

4.硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)液位測(cè)量原理及ADuC812的特性, 非接觸超聲波液位計(jì)的電路組成如圖3所示:主要有單片機(jī)控制系統(tǒng),時(shí)鐘值班電路,超聲波發(fā)射、接收電路,鍵盤顯示等部分組成。

單片機(jī)控制系統(tǒng) 以ADuC812為核心,控制液位計(jì)測(cè)量、運(yùn)算處理、顯示、打印、向外傳送數(shù)據(jù)等。設(shè)計(jì)6位LCD液晶顯示器用來(lái)顯示液位和參數(shù)值,用TPup-16微型打印機(jī)記錄測(cè)量時(shí)的時(shí)間、液位;設(shè)計(jì)有256KB×8字節(jié)的自帶電池保護(hù)的非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM,用來(lái)存儲(chǔ)時(shí)間及液位;超聲傳感器的安裝高程、時(shí)鐘及測(cè)量、打印、存儲(chǔ)液位的時(shí)間間隔等參數(shù)都是通過4個(gè)功能鍵置入的。為提高液位計(jì)的可靠性,設(shè)計(jì)有上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位及自復(fù)位(利用ADuC812內(nèi)部的看門狗定時(shí)器);為了能適時(shí)向外傳送測(cè)量結(jié)果,液位計(jì)設(shè)計(jì)有與無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)及有線的RS-232接口,便于用戶配接。

時(shí)鐘值班電路 為滿足水文自動(dòng)化測(cè)報(bào)的需要,液位計(jì)的電源值班電路由微功耗的電源變換器件及邏輯電路等組成,用來(lái)根據(jù)所設(shè)定的測(cè)量時(shí)間間隔,產(chǎn)生上電控制信號(hào),使除打印機(jī)以外的整個(gè)液位計(jì)得電工作,打印機(jī)只有在到達(dá)設(shè)定的打印時(shí)間才由CPU控制上電打印,打印完畢即關(guān)閉打印機(jī)電源;當(dāng)液位計(jì)每次的測(cè)量工作完成后即由CPU送出掉電控制信號(hào),使除值班電路正常供電外,其余電路全無(wú)電能消耗。

模擬電路 包括超聲波的發(fā)射、接收、信號(hào)轉(zhuǎn)換及溫度的測(cè)量等幾部分電路組成。

由ADuC812的P3.3、P3.4產(chǎn)生出一定頻率的經(jīng)調(diào)制好的矩形超聲波脈沖,送入超聲波發(fā)射電路,經(jīng)功放、轉(zhuǎn)換電路后由超聲傳感器發(fā)向被測(cè)液面,當(dāng)超聲波遇到液面后被反射回來(lái),在通過超聲波傳感器接收至轉(zhuǎn)換電路并進(jìn)入接收電路。在接收電路中,回波信號(hào)經(jīng)放大、解調(diào)、檢波、整形等后送入ADuC812的P3.2 口,并產(chǎn)生中斷信號(hào),由計(jì)時(shí)電路記錄下從發(fā)射超聲波至接收到回波的時(shí)間,即完成了一次的時(shí)間測(cè)量。

溫度的測(cè)量是采用ADI公司的集成溫度傳感器AD590來(lái)實(shí)現(xiàn)的,AD590為線性電流輸出:1μA/οK,正比于絕對(duì)溫度;測(cè)溫范圍為-55~+150℃;電源范圍為+4V~+30V。根據(jù)AD590的特性及ADuC812的A/D轉(zhuǎn)換精度計(jì)算、測(cè)試得出,本電路可測(cè)溫度的靈敏度為0.1℃。

5.軟件編程設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用摸塊化結(jié)構(gòu),整機(jī)軟件由主程序、鍵處理子程序、計(jì)算子程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序、打印子程序、數(shù)據(jù)傳送子程序等組成。

主程序 如圖4所示,液位計(jì)在第一次上電時(shí)要進(jìn)行系統(tǒng)初始化并自檢,正常后判是否調(diào)試狀態(tài),是則通過鍵盤顯示輸入有關(guān)參數(shù),然后依次完成測(cè)量、計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)、打印、傳送數(shù)據(jù)等子程序,最后控制掉電。

子程序 在鍵處理子程序中,將依次對(duì)功能鍵、移位鍵、數(shù)字鍵進(jìn)行相應(yīng)的處理,并存入對(duì)應(yīng)單元。測(cè)量子程序中,首先由ADuC812控制產(chǎn)生一頻率、寬度、幅度一定的超聲脈沖波,發(fā)向液面,并開計(jì)時(shí)器,對(duì)接收到的液面反射回波還要進(jìn)行頻率、寬度、幅度判別,為消除液面波動(dòng)及偶然因素的影響,采用一定時(shí)間內(nèi)多次測(cè)量,計(jì)算處理上采用數(shù)字濾波、程序限幅等技術(shù),以提高測(cè)量的正確和準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序中,是將需要存入的時(shí)間、液位數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮后存入256KB×8字節(jié)的SRAM中,按6分鐘測(cè)量并存儲(chǔ)一次,則可存儲(chǔ)一年的液位數(shù)據(jù)。其它子程序及各子程序框圖限于篇幅不再給出。

6.應(yīng)用

本液位計(jì)在測(cè)量過程中無(wú)任何部件觸及液面,實(shí)現(xiàn)了非接觸測(cè)量,所以無(wú)論液面是流動(dòng)、波動(dòng)或是有漂浮物以及有化學(xué)反應(yīng)等都可應(yīng)用。

該液位計(jì)的主要性能指標(biāo)為:測(cè)距1.0~12.0米,精度±2厘米,分辨率1厘米。測(cè)量、存儲(chǔ)、打印的間隔為1分鐘~12小時(shí),可由鍵盤設(shè)定。測(cè)量數(shù)據(jù)可用有線、無(wú)線向外傳送,電源用12V蓄電池加太陽(yáng)能(或交流電)浮充,整機(jī)功耗小于0.1瓦(6分鐘測(cè)一次)。

該液位計(jì)是非接觸測(cè)量的理想儀器,現(xiàn)已經(jīng)分別安裝在黃河的干支流及大中型水庫(kù)上多處,用于水位的自動(dòng)測(cè)報(bào),運(yùn)行工作正常,性能穩(wěn)定可靠,受到用戶好評(píng)。

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