傳感器課程設(shè)計(jì)--超聲波液位傳感器在工業(yè)中的應(yīng)用

1、<p><b>　　傳感器與測(cè)試技術(shù)</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　課題名稱：超聲波液位傳感器</p><p><b>　　在工業(yè)中的應(yīng)用</b></p><p><b>　　傳感器與測(cè)試技術(shù)</b&g

2、t;</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　1課程設(shè)計(jì)的性質(zhì)和任務(wù)</p><p>　　傳感器與測(cè)試技術(shù)系統(tǒng)地論述了測(cè)試系統(tǒng)及其基本特性；介紹了測(cè)試系統(tǒng)中傳感器的結(jié)構(gòu)、基本原理和典型應(yīng)用，以及傳感器的發(fā)展趨勢(shì)、選用原則等；講解了“信號(hào)處理”，包括測(cè)試系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集，信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)等；還專

3、門講述了“典型測(cè)試系統(tǒng)”，包括振動(dòng)、噪聲、機(jī)械參量、工業(yè)自動(dòng)化等測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用。</p><p><b>　　2 課程設(shè)計(jì)的目的</b></p><p>　　通過課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生學(xué)生加深理解所學(xué)的理論知識(shí)，提高運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，按照給定的設(shè)計(jì)資料和設(shè)計(jì)要求，使學(xué)生掌握電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本技能，增強(qiáng)獨(dú)立分析與解決問題的能力。</p><p&

4、gt;　　3 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求</p><p>　　3.1設(shè)計(jì)題目的選擇</p><p>　　1．設(shè)計(jì)題目：液位傳感器在水處理中的應(yīng)用。</p><p><b>　　2．題目的選擇：</b></p><p>　　液位傳感器（靜壓液位計(jì)/液位變送器/液位傳感器/水位傳感器）是一種測(cè)量液位的壓力傳感器．靜壓投入式液位變送器

5、（液位計(jì)）是基于所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用國(guó)外先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。</p><p>　　基于上述原因，我選擇液位傳感器在水處理工業(yè)中的應(yīng)用。</p><p>　　3.2 設(shè)計(jì)的內(nèi)容與要求</p><p>　　3.2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容</p>&

6、lt;p>　　液位傳感器在水處理工業(yè)中的應(yīng)用</p><p>　　3.2.1 設(shè)計(jì)要求</p><p>　　能感受液位(液位，料位)并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。 液位傳感器可分兩類：一類是連續(xù)測(cè)量液位變化的連續(xù)式液位傳感器；另一類是以點(diǎn)測(cè)為目的的開關(guān)式液位傳感器即液位開關(guān)。目前，開關(guān)式液位傳感器比連續(xù)式液位傳感器應(yīng)用得廣。它主要用于過程自動(dòng)控制的門限、溢流和空轉(zhuǎn)防止等。連續(xù)式液位傳

7、感器主要用于連續(xù)控制和倉(cāng)庫(kù)管理等方面，有時(shí)也可用于多點(diǎn)報(bào)警系統(tǒng)中。</p><p><b>　　4.設(shè)計(jì)過程</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　液位傳感器的種類繁多，本設(shè)計(jì)選擇超聲波傳感器。超聲波液位傳感器它是一種非接觸式的液位傳感器，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。其工作原理是，工作時(shí)向液面或粉體表面發(fā)射一束超聲波，被

8、其反射后，傳感器再接收此反射波。設(shè)聲速一定，根據(jù)聲波往返的時(shí)間就可以計(jì)算出傳吸器到液面（粉體表面）的距離，即測(cè)量出液面（粉體表面）位置。其敏感元件有二種，一種是由線圈、磁鐵和膜構(gòu)成的，另一種是由壓電式磁致伸縮材料構(gòu)成的。前者產(chǎn)生的是10KHz的超聲波，后者產(chǎn)生的是20~40Khz的超聲波。超聲波的頻率愈低，隨著距離的衰減愈小，但是反射效率也小。因此，應(yīng)根據(jù)測(cè)量范圍、液位表面狀況和周圍環(huán)境條件來(lái)決定所使用的超聲波傳感器。高性能的超聲波液位

9、傳感器由微機(jī)控制。以緊湊的硬件進(jìn)行特性調(diào)整和功能檢測(cè)。它可以準(zhǔn)確地區(qū)別信號(hào)波和噪聲，因此，可以在攪拌器工作的任況下測(cè)量液位。此外，在高溫或吹風(fēng)時(shí)也可檢測(cè)液位，特別是可以檢測(cè)高粘度液體和粉狀體的液位。</p><p><b>　　4.2 工作過程</b></p><p>　　超聲波測(cè)量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被

10、反射，接收到回波信號(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測(cè)量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）無(wú)任何機(jī)械傳動(dòng)部件，也不接觸被測(cè)液體，屬于非接觸式測(cè)量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng)；（2）其響應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后的實(shí)時(shí)測(cè)量。 </p><p>　　一般水處理工業(yè)系統(tǒng)采用的超聲波傳感器的工作頻率為40kHz左右。由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈

11、沖，傳到液面經(jīng)反射后返回接收傳感器，測(cè)出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時(shí)間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而確定液面?？紤]到環(huán)境溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度予以校正，以提高測(cè)量精度。計(jì)算公式為： </p><p>　　V=331.5+0.607T （1） </p><p>　　式中：V為超聲波在空氣中傳播速度；T為環(huán)境溫度。 </p

12、><p>　　S=V ×t/2=V×（t1－t0）/2 （2） </p><p>　　式中：S為被測(cè)距離；t為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時(shí)間差；t1為超聲回波接收時(shí)刻；t0為超聲脈沖發(fā)射時(shí)刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測(cè)量t0時(shí)刻和t1時(shí)刻，根據(jù)以上公式，用軟件編程即可得到被測(cè)距離S。由于本系統(tǒng)的MCU選用了具有SOC特點(diǎn)的混合信號(hào)處理器，其內(nèi)部集成了溫度傳感器，因此

13、可利用軟件很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的溫度補(bǔ)償。</p><p><b>　　超聲波傳感器</b></p><p><b>　　超聲波傳感器</b></p><p>　　超聲波傳感器詞條圖冊(cè)</p><p><b>　　詞條圖片(15張)</b></p><p&g

14、t;<b>　　圖1 工作模式圖</b></p><p><b>　　4.3 工作原理</b></p><p>　　人們能聽到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。</p><p>　　超聲波是一種在彈

15、性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測(cè)量?jī)x器及裝置，并在通迅，

16、醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。 </p><p>　　超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣

17、中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點(diǎn)是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關(guān)用，它的性能較好。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；

18、分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚等。 </p><p>　　圖2超聲波測(cè)液位距離電路原理圖</p><p>　　4.4）主程序流程圖、</p><p>　　超聲波傳感器的軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用AT

19、89S52，采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波發(fā)射器所需的40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的四位共陰LED動(dòng)態(tài)掃描顯示。超聲波發(fā)射電路主要由74LS00和超聲波發(fā)射器T-40構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)與非門后送到超聲波發(fā)射器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)與非門后送到超聲波發(fā)射器的另一個(gè)電極，用

20、這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。</p

21、><p>　　超聲波檢測(cè)接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。</p><p>　　軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)

22、程序，主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成超聲波的發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。</p><p>　　程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2置位（本設(shè)計(jì)采用四位共陽(yáng)LED動(dòng)態(tài)顯示，P0為段選口，P2為位選口，均低電平有效）。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出

23、一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1 ms（這也就是超聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12 MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1μs，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按式（2）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取20℃時(shí)的聲速為344 m/s則有：</p>

24、<p><b>　　（2）</b></p><p>　　其中，T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)算值。</p><p>　　測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用C語(yǔ)言編寫，主程序流程圖如下（圖5-1）：</p><p><b>　　圖

25、3主程序流程圖</b></p><p>　　4.5系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試</p><p>　　硬件調(diào)試具體過程如下：</p><p>　　(1).檢查電路是否存在虛短的情況；</p><p>　　(2).將電路聯(lián)通后，用示波器觀察發(fā)射端是否產(chǎn)生40K超聲波；</p><p>　　(3).在發(fā)射電路正常的情況下，用

26、示波器觀察接收端波形，并與發(fā)射端波形進(jìn)行比較觀察；</p><p>　　(4).調(diào)試顯示部分。</p><p>　　硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將測(cè)試程序下載到單片機(jī)試運(yùn)行，檢查電路是否能夠正常運(yùn)行，在電路正常的情況下將超聲波測(cè)距程序下載到單片機(jī)中運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)射子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距

27、儀能測(cè)的范圍為20cm～2m，測(cè)距儀最大誤差不超過3mm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。單片機(jī)測(cè)試程序如下:</p><p>　　unsigned code table[]={0x01,0x03,0x07,0x0f,0x1f,0x3f,0x7f,0xff};</p><p>　　void delay(int z)</p&

28、gt;<p><b>　　{int x,y;</b></p><p>　　for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main()</p><p><b>　　{

29、int i;</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{i++;</b></p><p><b>　　if(i==8)</b></p><p><b>　　{i=0;}</b></p>

30、;<p>　　P0=table[i];</p><p>　　delay(50);</p><p>　　P1=table[i];</p><p>　　delay(50);</p><p>　　P2=table[i];</p><p>　　delay(50);</p><p>　　P3

31、=table[i];</p><p>　　delay(50);}}</p><p><b>　　5 .設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是讓大家知道液位傳感器的工作原理和工作性能，證實(shí)它的技術(shù)成熟。讓傳感器在水處理工業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　在畢業(yè)設(shè)計(jì)的短短幾個(gè)月里，我學(xué)到了很多，實(shí)質(zhì)

32、性的了解到了超聲波傳感器的原理及其應(yīng)用方法和應(yīng)該注意的事項(xiàng)，同時(shí)也讓我對(duì)單片機(jī)方面的知識(shí)了解的更加深刻，懂得融會(huì)貫通，將理論結(jié)合到實(shí)際的電路設(shè)計(jì)上來(lái)。 </p><p>　　最后感謝老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)我給予的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，及其他專業(yè)的老師給我提供了種種專業(yè)知識(shí)和文本格式上的指導(dǎo)，同時(shí)也感謝有經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)在作業(yè)設(shè)計(jì)期間所給予我得幫助。</p><p><b>　　參考資料<

33、;/b></p><p>　　[1] 華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.</p><p>　　[2] 邊春元.C51單片機(jī)典型模擬設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　[3] 何希才.傳感器及其應(yīng)用電路[M].北京:電子工業(yè)出版社，2001.</p><p>　　[4] 楊

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