手持式超聲波液位測試儀的設(shè)計

摘要:文章利用超聲波測距原理，利用ATmega8單片機設(shè)計一種手持式液位測試儀，給出了系統(tǒng)構(gòu)成和軟件流程，并利用DS18B20進行溫度補償修正，該電路具有體積小，攜帶方便，精度高，易于控制等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞:單片機 液位測試儀 ATmega8

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要對液體原料的液位進行測量，特別是面對腐蝕性或高爆性原料時，測試環(huán)境比較惡劣。傳統(tǒng)測量方式是采用差位分布電極方式，利用電信號來檢測液位，但電極會長期浸沒于液體中，容易被腐蝕造成系統(tǒng)失效。

1 超聲波測距原理

超聲波測距是一種非接觸式測量方式，主要原理是:發(fā)射器定期發(fā)射超聲波，遇到障礙物產(chǎn)生反射，由接收器接收回波信號，采用單片機進行監(jiān)控，記錄發(fā)射與接收的時間差Δt，然后可用以下公式得到準確的液位高度:

L1 = L-Δt*C/2

其中L是預(yù)先輸入的罐體高度，C是超聲波傳播速度。不過超聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響較大，與溫度的關(guān)系大致可用下式來表示:

C=331.45+0.61φ(米/秒)

φ為當?shù)貧鉁亍?/p>

2 硬件電路

液位測試儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由控制電路(ATmega8)、鍵盤電路、顯示電路、溫度補償電路、超聲波發(fā)射驅(qū)動電路、發(fā)射換能器(T)、超聲波接收檢測電路和接收換能器(R)組成。

超聲波的發(fā)射頻率有25KHz，40KHz，75KHz等多種，一般說來，頻率越高，精度越好，但在空氣中衰減較大，頻率低的，衰減較慢，但精度較差，綜合考慮后決定采用諧振頻率為40KHz超聲波換能器TCT40-10F1(發(fā)射)和TCT40-10S1(接收)，該器件工作距離約10m，盲區(qū)約30cm。

顯示電路采用PCD8544液晶顯示器，單片機通過PB口與液晶顯示器相連，PD2、PD3、PC0、PC1為鍵盤接口，用于預(yù)置罐體高度數(shù)據(jù)，PD2控制單片機進入預(yù)置模式，PC0，PC1為增減控制，PD3為確認，控制單片機退出預(yù)置模式并啟動。PC6為復(fù)位電路。

超聲波發(fā)射驅(qū)動電路(如圖2所示)采用以74HC04為核心的推挽式驅(qū)動電路，單片機PC3口輸出40KHz的方波一路通過一級反向后加入換能器的一端，另一路通過兩級反向后加入換能器的另一端，這樣可以提高超聲波的發(fā)射功率，繼而增加最大測量距離。

超聲波接收檢測電路采用LM324兩級反相比例放大電路和LM393比較電路組成。放大電路用于接收并放大信號，兩級增益分別控制在40dB和20dB，LM393用于信號整形，整形后的信號將輸入PC2口。

溫度補償電路采用美國Dallas公司的DS18B20芯片，其精度可以達到0.5℃。數(shù)據(jù)通過PC2口送入單片機。

3 軟件設(shè)計

本次設(shè)計采用模塊化方式，主要包括主程序、發(fā)射子程序、計算子程序、定時子程序、溫度測量子程序、顯示子程序和鍵盤子程序等7個單元模塊。主程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)語

本測距儀的測量范圍約為0.3-10m，誤差范圍約±1 cm。在程序處理時需要引入數(shù)字濾波技術(shù)，根據(jù)多次測量計算出平均值，以提高測量精度。

以ATmega8為核心，并增加溫度補償功能的手持式液位測量儀在實際使用過程中具有較高的精度，且?guī)в蓄A(yù)置功能，較以往產(chǎn)品具有更好的適應(yīng)性。除了用于液位檢測外，經(jīng)過簡單改造還可以用于機器人定位，汽車倒車報警等場合。

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