吳倩++鐘玲玲

摘要：基于對儲油容器中油量高度測量問題，文章介紹了用超聲波測量液位高度，用射頻通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并針對溫度對超聲波的速度影響較大，在硬件上增加溫度測量模塊，以及利用顯示模塊對聲速，溫度和液位進行隨時隨地標定，方便了操作人員對油量的實時監(jiān)控和管理。

關(guān)鍵詞：單片機；超聲波收發(fā)電路；溫度傳感器；顯示模塊；無線收發(fā)模塊

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）30-0217-03

在日常的生產(chǎn)生活中，有時需要對容器里的液體進行液位測量，來了解液體的高度是否在規(guī)定的范圍值內(nèi)，以保障生產(chǎn)的正常工作。利用超聲檢測液位的高度和應(yīng)用無線射頻通信技術(shù)，是實現(xiàn)生產(chǎn)智能化，非接觸測量的一種實時有效的方法[1]。

1 超聲波液位測量的設(shè)計方案

在裝有液體的容器壁豎直固定一根桿子到容器底部，將裝有超聲波發(fā)射電路的從節(jié)點置于桿底，把裝有超聲波接收電路的主節(jié)點裝一個環(huán)套在桿上，并讓其浮在液面上，如圖1所示測量液位原理圖。

圖1 測量液位原理圖

在某一時刻，從節(jié)點的超聲波發(fā)生器T發(fā)出一個超聲波信號，一段時間后就會被主節(jié)點的超聲波接收器R收到。這時，計算出超聲波從發(fā)射到接收受所用的時間，就能算出主從節(jié)點之間的距離，即液位的高度[2]。 距離計算公式：

h=s=c*t

*h為主節(jié)點與從節(jié)點的距離即液位 ，s為聲波的路程，c為聲速，t為聲波所用的時間。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計分為下位機和上位機2個部分[3]。整個系統(tǒng)是用電池維持供電，用無線通信模塊維持信號短距離的無線發(fā)送和接收，這種傳輸方法可以不必在液體中安裝太多導(dǎo)線器件，也可以讓下位機模塊的安裝和使用簡潔化，極大地方便系統(tǒng)工作。其中下位機模塊的作用是測量環(huán)境溫度，實現(xiàn)對超聲波速度的修正，對當前待測液位高度進行測量，并且利用顯示模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示。上位機的作用在于接收數(shù)據(jù)并傳給PC機，完成液位的非接觸測量。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要有MCU控制單元、無線射頻收發(fā)單元、超聲波收發(fā)電路、溫度傳感器、顯示模塊組成。系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。

該系統(tǒng)以STC12C5A32AD單片機為主控制器，采用溫度傳感器DS18B20對環(huán)境溫度進行測量，從而修正溫度對超聲波速度的影響，由超聲波收發(fā)電路實現(xiàn)超聲波測距，對于信息無接觸的發(fā)送和接收是利用射頻通信模塊實現(xiàn)，并有顯示模塊LCD1602顯示兩節(jié)點的距離以及當時的最優(yōu)溫度值。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了測量的實時監(jiān)控和管理。

3.1 溫度傳感電路和顯示模塊

本系統(tǒng)選用的溫度傳感器是接口為單總線的DS18B20芯片構(gòu)成溫度傳感電路。它應(yīng)用于溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費品、溫度計或任何熱感測系統(tǒng)中，是具有報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度的器件。DS18B20芯片的DQ與STC12C5A32AD的P1.0相連。

采用LCD1602液晶屏顯示接口來實現(xiàn)顯示電路。LCD1602將8位雙向數(shù)據(jù)線分別接STC12C5A32AD的P0.0-P0.7口，再將RS接P1.5口、R/W接P1.6口、E接P1.7口、VEE接P1.3口，從而實現(xiàn)單片機STC12C5A32AD對LCD1602的控制。

電路如圖4所示。

3.2 超聲波收發(fā)電路

超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器發(fā)出40KHz左右的聲波。工作過程是從節(jié)點STC12C5A32AD的P1.1端口輸出40KHz的方波脈沖信號，同時打開計數(shù)器T0進行計時，因為單片機的端口輸出功率較小，所以40KHz方波脈沖信號需要功率放大，以便使發(fā)射距離的足夠遠，從而滿足測量距離的要求。超聲波接收部分作用是用超聲波接收探頭TCT40-16R首先接受聲波信號，然后把再把此聲波轉(zhuǎn)化為電信號，最后采用集成電路CX20106對此電信號進行信號的放大、濾除無用信號等一系列的處理后，得到一個負脈沖送給主節(jié)點MCU的中斷引腳，從而產(chǎn)生一個中斷信號。電路如圖5所示。

3.3 無線射頻收發(fā)電路

CC1100芯片[4]的SI（串行輸入）、SO（串行輸出）、SCLK（串行時鐘）、SCn（片選）分別與STC12C5A32AD的P2.0、P2.2、P2.1和P2.5相連，完成射頻收發(fā)芯片與單片機的電路引腳連接，從而實現(xiàn)單片機對其的處理控制。CC1100的GDO0、GDO2分別與STC12C5A32AD的P2.4、P2.3相連。將差分和單端RF（射頻）兩個單元進行信號轉(zhuǎn)換是由非平衡變壓器完成，它由三個電容C131、C121、C124和兩個電感L121、 L131構(gòu)成；電路中C122，C123，C125，L122和L123構(gòu)成的是兀型的電感電容濾波器，它不僅完成了濾波選頻的作用，還與非平衡變壓器一起實現(xiàn)與50歐的天線相適配。無線射頻收發(fā)電路如圖6所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要有主程序模塊、對參數(shù)初始化設(shè)置模塊、CC1100芯片的信號發(fā)送模塊、CC1100芯片的信號接收模塊、溫度傳感器測量溫度模塊、液晶顯示對數(shù)據(jù)的顯示模塊，這些與系統(tǒng)的硬件電路是一一對應(yīng)的。采用這種模塊化設(shè)計可以使整個軟件系統(tǒng)中各模塊相互間較獨立，又使相互引腳連接明確，從而使整個系統(tǒng)流程清晰，也為日后的系統(tǒng)維護奠定基礎(chǔ)。

圖7、8為整個從、主節(jié)點軟件系統(tǒng)的流程圖。從圖7中可以看出首先是初始化，然后能夠?qū)崿F(xiàn)是否發(fā)送溫度數(shù)據(jù)和發(fā)送超聲波信號的判斷。從圖8中可以看出首先也是初始化，然后通過計時測量時間，根據(jù)超聲波測量原理，計算出液位高度，最后顯示溫度、液位等數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了基于超聲測距和射頻通信的液位監(jiān)測系統(tǒng)，利用超聲波實現(xiàn)對液體液位的測量，用射頻通信模塊實現(xiàn)信號的無線發(fā)送和接收，完成數(shù)據(jù)的自動測量、顯示和控制。具有實時監(jiān)測，精確度高，費用低的特點，這與以前的測量相比較，是值得應(yīng)用與推廣的。

參考文獻：

[1] 張偉亮. 液位測量儀表在化工企業(yè)中的應(yīng)用[J]. 山東化工， 2014， 43（4）：76-77.

[2] 童峰，許永源，許天增. 一種高精度超聲波測距處理方法[J]. 廈門大學(xué)學(xué)報，2012，4（2）：15-19.

[3] 李佩， 張紅， 李新娥. 無線溫度采集系統(tǒng)實現(xiàn)分析[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用， 2012（1）：68-69.

[4] 鄧專，陳維，王春麟. 射頻收發(fā)芯片CC1100及其應(yīng)用[J]. 機械工程與自動化，2011（6）：168-17.