傳感器課程設計--超聲波液位傳感器在工業(yè)中的應用

1、<p><b>　　傳感器與測試技術</b></p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　課題名稱：超聲波液位傳感器</p><p><b>　　在工業(yè)中的應用</b></p><p><b>　　傳感器與測試技術</b&g

2、t;</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　1課程設計的性質(zhì)和任務</p><p>　　傳感器與測試技術系統(tǒng)地論述了測試系統(tǒng)及其基本特性；介紹了測試系統(tǒng)中傳感器的結構、基本原理和典型應用，以及傳感器的發(fā)展趨勢、選用原則等；講解了“信號處理”，包括測試系統(tǒng)中的信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集，信號處理和數(shù)字信號處理基礎等；還專

3、門講述了“典型測試系統(tǒng)”，包括振動、噪聲、機械參量、工業(yè)自動化等測試系統(tǒng)的構建與應用。</p><p><b>　　2 課程設計的目的</b></p><p>　　通過課程設計，使學生學生加深理解所學的理論知識，提高運用所學知識的能力，按照給定的設計資料和設計要求，使學生掌握電氣控制系統(tǒng)設計的基本技能，增強獨立分析與解決問題的能力。</p><p&

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

5、（液位計）是基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用國外先進的隔離型擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉換為電信號，再經(jīng)過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號。</p><p>　　基于上述原因，我選擇液位傳感器在水處理工業(yè)中的應用。</p><p>　　3.2 設計的內(nèi)容與要求</p><p>　　3.2.1 設計內(nèi)容</p>&

6、lt;p>　　液位傳感器在水處理工業(yè)中的應用</p><p>　　3.2.1 設計要求</p><p>　　能感受液位(液位，料位)并轉換成可用輸出信號的傳感器。 液位傳感器可分兩類：一類是連續(xù)測量液位變化的連續(xù)式液位傳感器；另一類是以點測為目的的開關式液位傳感器即液位開關。目前，開關式液位傳感器比連續(xù)式液位傳感器應用得廣。它主要用于過程自動控制的門限、溢流和空轉防止等。連續(xù)式液位傳

7、感器主要用于連續(xù)控制和倉庫管理等方面，有時也可用于多點報警系統(tǒng)中。</p><p><b>　　4.設計過程</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)方案設計</p><p>　　液位傳感器的種類繁多，本設計選擇超聲波傳感器。超聲波液位傳感器它是一種非接觸式的液位傳感器，應用領域十分廣泛。其工作原理是，工作時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。設聲速一定，根據(jù)聲波往返的時間就可以計算出傳吸器到液面（粉體表面）的距離，即測量出液面（粉體表面）位置。其敏感元件有二種，一種是由線圈、磁鐵和膜構成的，另一種是由壓電式磁致伸縮材料構成的。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，應根據(jù)測量范圍、液位表面狀況和周圍環(huán)境條件來決定所使用的超聲波傳感器。高性能的超聲波液位

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

10、反射，接收到回波信號后計算其超聲波往返的傳播時間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點：（1）無任何機械傳動部件，也不接觸被測液體，屬于非接觸式測量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長；（2）其響應時間短可以方便的實現(xiàn)無滯后的實時測量。 </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，測出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時間，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)境溫度對超聲波傳播速度的影響，通過溫度補償?shù)姆椒▽鞑ニ俣扔枰孕Ｕ?，以提高測量精度。計算公式為： </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為被測距離；t為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時間差；t1為超聲回波接收時刻；t0為超聲脈沖發(fā)射時刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測量t0時刻和t1時刻，根據(jù)以上公式，用軟件編程即可得到被測距離S。由于本系統(tǒng)的MCU選用了具有SOC特點的混合信號處理器，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現(xiàn)對傳感器的溫度補償。</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</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。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，制成各種超聲測量儀器及裝置，并在通迅，

16、醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應用。 </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?，它可以將電能轉變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，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）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關用，它的性能較好。超聲波應用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報警器、自動門、接近開關等；

18、分離式反射型用于測距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等。 </p><p>　　圖2超聲波測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構設計</p><p>　　超聲波測距儀硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用AT

19、89S52，采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波發(fā)射器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的四位共陰LED動態(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構成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級與非門后送到超聲波發(fā)射器的一個電極，另一路經(jīng)兩級與非門后送到超聲波發(fā)射器的另一個電極，用

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

21、><p>　　超聲波檢測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，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。</p><p>　　軟件分為兩部分，主程序和中斷服務

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。 定時中斷服務子程序完成超聲波的發(fā)射，外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。</p><p>　　程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器T0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2置位（本設計采用四位共陽LED動態(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)，需要延時約0.1 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12 MHz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1μs，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（2）計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設計時取20℃時的聲速為344 m/s則有：</p>

24、<p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中，T0為計數(shù)器T0的計算值。</p><p>　　測出距離后結果將以十進制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離，主程序采用C語言編寫，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，便可將測試程序下載到單片機試運行，檢查電路是否能夠正常運行，在電路正常的情況下將超聲波測距程序下載到單片機中運行。根據(jù)實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量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。根據(jù)所設計的電路參數(shù)和程序，測距

27、儀能測的范圍為20cm～2m，測距儀最大誤差不超過3mm。系統(tǒng)調(diào)試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。單片機測試程序如下:</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 .設計總結</b></p><p>　　設計的最終結果是讓大家知道液位傳感器的工作原理和工作性能，證實它的技術成熟。讓傳感器在水處理工業(yè)中得到更廣泛的應用。</p><p>　　在畢業(yè)設計的短短幾個月里，我學到了很多，實質(zhì)

32、性的了解到了超聲波傳感器的原理及其應用方法和應該注意的事項，同時也讓我對單片機方面的知識了解的更加深刻，懂得融會貫通，將理論結合到實際的電路設計上來。 </p><p>　　最后感謝老師在畢業(yè)設計中對我給予的悉心指導和嚴格要求，及其他專業(yè)的老師給我提供了種種專業(yè)知識和文本格式上的指導，同時也感謝有經(jīng)驗的同學在作業(yè)設計期間所給予我得幫助。</p><p><b>　　參考資料<

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