手持式超声波液位测试仪的设计

手持式超声波液位测试仪的设计

丁嘉

丁嘉（宁波大红鹰学院）

摘要：文章利用超声波测距原理，利用ATmega8单片机设计一种手持式液位测试仪，给出了系统构成和软件流程，并利用DS18B20进行温度补偿修正，该电路具有体积小，携带方便，精度高，易于控制等优点。

关键词：单片机液位测试仪ATmega8

0引言

在工业生产中经常需要对液体原料的液位进行测量，特别是面对腐蚀性或高爆性原料时，测试环境比较恶劣。传统测量方式是采用差位分布电极方式，利用电信号来检测液位，但电极会长期浸没于液体中，容易被腐蚀造成系统失效。

1超声波测距原理

超声波测距是一种非接触式测量方式，主要原理是：发射器定期发射超声波，遇到障碍物产生反射，由接收器接收回波信号，采用单片机进行监控，记录发射与接收的时间差Δt，然后可用以下公式得到准确的液位高度：

L1=L-Δt*C/2

其中L是预先输入的罐体高度，C是超声波传播速度。不过超声波在空气中的传播速度受温度影响较大，与温度的关系大致可用下式来表示：

C=331.45+0.61φ（米/秒）

φ为当地气温。

2硬件电路

液位测试仪的结构框，主要由控制电路（ATmega8）、键盘电路、显示电路、温度补偿电路、超声波发射驱动电路、发射换能器（T）、超声波接收检测电路和接收换能器(R)组成。

超声波的发射频率有25KHz，40KHz，75KHz等多种，一般说来，频率越高，精度越好，但在空气中衰减较大，频率低的，衰减较慢，但精度较差，综合考虑后决定采用谐振频率为40KHz超声波换能器TCT40-10F1(发射)和TCT40-10S1（接收），该器件工作距离约10m，盲区约30cm。

显示电路采用PCD8544液晶显示器，单片机通过PB口与液晶显示器相连，PD2、PD3、PC0、PC1为键盘接口，用于预置罐体高度数据，PD2控制单片机进入预置模式，PC0，PC1为增减控制，PD3为确认，控制单片机退出预置模式并启动。PC6为复位电路。

超声波发射驱动电路采用以74HC04为核心的推挽式驱动电路，单片机PC3口输出40KHz的方波一路通过一级反向后加入换能器的一端，另一路通过两级反向后加入换能器的另一端，这样可以提高超声波的发射功率，继而增加最大测量距离。

超声波接收检测电路采用LM324两级反相比例放大电路和LM393比较电路组成。放大电路用于接收并放大信号，两级增益分别控制在40dB和20dB，LM393用于信号整形，整形后的信号将输入PC2口。

温度补偿电路采用美国Dallas公司的DS18B20芯片，其精度可以达到0.5℃。数据通过PC2口送入单片机。

3软件设计

本次设计采用模块化方式，主要包括主程序、发射子程序、计算子程序、定时子程序、温度测量子程序、显示子程序和键盘子程序等7个单元模块

4结语

本测距仪的测量范围约为0.3-10m，误差范围约±1cm。在程序处理时需要引入数字滤波技术，根据多次测量计算出平均值，以提高测量精度。

以ATmega8为核心，并增加温度补偿功能的手持式液位测量仪在实际使用过程中具有较高的精度，且带有预置功能，较以往产品具有更好的适应性。除了用于液位检测外，经过简单改造还可以用于机器人定位，汽车倒车报警等场合。

参考文献：

[1]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京:北京航空航天大学出版社.2007.

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[3]李健.便携式数字化超声波检测仪器的研究[J].西安:西安科技大学.2005:18-21.