超聲波液位傳感器及其開發分析

李祖君

摘? 要：超聲波液位傳感器突破了傳統傳感器較為單一的功能，能夠滿足高精度、自動測量的目的，強大的抗干擾性與外部通訊能力能夠滿足工業化體系的集成化、智能化發展需求。文章針對超聲波液位傳感器及其開發進行研究。

關鍵詞：超聲波技術;液位傳感;液位傳感器

中圖分類號：TH816? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0086-02

Abstract： The ultrasonic liquid level sensor breaks through the relatively single function of traditional sensors and can meet the purpose of high precision and automatic measurement. The strong anti-interference and external communication capabilities can meet the needs of integrated and intelligent development of industrialized systems. The article is aimed at the ultrasonic level sensor and its development.

Keywords： ultrasonic technology; level sensing; level sensor

液位測量技術被廣泛應用于石油、化工、氣象等領域，超聲波液位計是各類液位測量技術中發展速度較快、應用領域廣闊的液位測量技術。利用超聲波進行液位測量能夠實現非接觸式測量，滿足不同液位測量需求。尤其是近幾年，在計算機、傳感器、微電子等高新技術快速發展的背景下，超聲液位傳感器得到了長足的進步。

1 超聲波檢測原理

超聲波是一種振動頻率與聲波相比更高的機械波，主要是換能晶片在電壓的作用下形成的機械振動，其顯著特點表現為頻率高、波長短、繞射現象小。當超聲波遇到雜質后會出現顯著反射，出現反射回波。而在遇到活體物質的情況下會形成多普勒效應。超聲波的優勢主要表現在以下幾個方面：一是超聲波的方向性良好，其功率較高，波長較短，所形成的衍射現象不顯著，因此具有良好的傳播方向性，可以成為射線進行定向傳播;二是超聲波能力較大。超聲波在介質傳播過程中當振幅保持一致時，振幅頻率越高則能量越大，因此超聲波相對于普通聲波來說能量更大;三是穿透力較強，超聲波在液體、固體的損失較小，具有較強的穿透力，特別是在不透明的固體中，可以穿到長達幾十米，在固體與液體的應用較為廣泛。

當前超聲波已經被普遍應用到工業、生物醫學等方面。用于不同容器中液體表面高度與所在位置被稱為液位，固體顆粒、粉料、塊料高度被稱為料位，兩者可以被稱為物位。其中，將超聲波應用于液位測量中，由于非接觸性連續測量，安裝便捷，不會受到被檢測介質的感染，因此被廣泛應用[1]。

2 超聲波傳感器

超聲波可以分為發射超聲波與接收超聲波，將接收的超聲波轉變為電量輸出的設備被稱為超聲波傳感器。超聲波傳感器主要分為以下幾個類型：第一，通用型。超聲波傳感器頻帶寬通?？梢赃_到千赫，且對頻率有一定要求。通用型超聲波傳感器頻帶相對較窄，且靈敏度相對較高，具有較強的抗干擾性能[2]。如在多通道環境中，且通道之間頻率接近則可以選擇窄頻帶類型的超聲波傳感器。通用型超聲波傳感器包括接收器與發送器。第二，寬頻帶型。寬頻帶型超聲波傳感器在工作頻率中存在兩個共振點，所以使得頻帶更寬。寬頻帶型超聲波傳感器可以同時被用作發送與接收傳感器;第三，封閉型。封閉型超聲波傳感器較為適合在室外環境使用，抗外界干擾能力較強;第四，高頻型。高頻型超聲波傳感器中心頻率達到200kHz，具有良好的方向性，可以進行分辨率要求較高的測量。

3 超聲波液位傳感器的開發

3.1 超聲波液位傳感器系統硬件設計

（1）硬件電路整體設計

超聲波液位傳感器硬件部分主要由單片機系統、電源電路、超聲波發送/接收模塊、LED顯示模塊與報警模塊等部分構成。根據超聲波液位傳感器系統使用需求以及各個要求，可以采用ATMEGA128單片機作為控制芯片，配合不同外圍電路芯片來保證各項功能正常運作。本次開發的超聲波液位傳感器系統運用靜態方式完成LED數字顯示，單片機主要負責超聲波液位發送與接收工作，且計時器會計算從超聲波發射到接收的全過程時間，通過計算處理后在LED顯示器中顯示。

（2）系統電源設計

本次系統硬件中需要供電的元件包括單片機、超聲波發射/接收電路與報警電路等。超聲波液位傳感器系統電源會直接影響到系統的正常運行，因此在進行電源設計的過程中要充分考慮輸出/輸入的電壓、電流、輸出波形、電磁干擾等。

（3）液位信息采集電路

液位信息采集電路由超聲波發射電路、超聲波接收電路與溫度測量電路構成。本次開發系統的超聲波發射器與接收設備位于液面上方，超聲波在空氣中傳播，如圖1所示。一體式傳感器是由于如發射與接收為相同探頭，則當探頭發射完成后會有一定余震，需要在余震消失后再接收超聲波，從而增加盲區距離。因此，本次所用超聲波探頭為分體式，能夠避免這一問題出現。

其中，超聲波發射電路探頭型號為T40-16，該探頭要接收從測量液面所形成的超聲波。超聲波在空氣中進行傳播，在接觸到液面后反射會使得超聲波出現能量損耗。為了進一步提升超聲波接收的精準度，不僅要選擇靈敏度加高的探頭，同時還需要增加發射功率。因此，本系統運用了三極管搭配反相器用于提升驅動功率;超聲波接收電路主要用于將接收到回波聲能轉變為電信號，以完成超聲波回波的接收過程。如被測液面距離較長，超聲波回波相對較弱，則需要將信號進行多次放大處理。在進行放大后的信號整形輸出方波信號，方波信號則會要求中斷。在中斷服務過程中會錄入計數器的計數數據，進而計算與被測液面之間的距離;溫度測量電路：聲波在空氣中傳播會受到空氣溫度、濕度等因素影響，其中溫度的影響最為顯著。因此，為了最大程度降低空氣溫度帶來的測量影響，則需要對溫度進行實時檢測，且通過計算過程來減少環境溫度所導致的偏差。在測量環境溫度的過程中選用“一線總線”的數字方式傳輸，能夠有效提升系統的抗干擾作用。本系統選擇了DA18B20溫度傳感器芯片進行空氣溫度檢測[3]。

（4）硬件抗干擾設計

干擾因素大部分情況下不會對單片機硬件造成影響，但是會影響軟件的正常工作，主要表現為指令碼或數據碼的部分被干擾而出現變化，從而導致混淆指令碼與數據碼。錯誤執行程序會導致RAM存儲器的數據被破壞，且有可能由于部分偶然因素導致死循環，從而使得系統失靈。所以，需要進行硬件抗干擾設計來消除干擾源，打亂干擾通道，降低電路對噪音干擾的敏感性，從而改善單片機的抗干擾能力。消除干擾源可以利用干擾源兩端的并聯電容或在感染源回路串聯電感/電阻來增加續流二極管實現。打擾干擾通道方面可以分離數字電路與模擬電路部分，將超聲波接收器與發射器隔離8cm距離擺放以切斷輻射傳播路徑。另外，還可以通過減少回路環面積，降低感應噪聲、減少晶振、使用低速數字電路等方式來提升敏感元件的抗干擾性能。

3.2 超聲波液位傳感器系統軟件設計

（1）主程序設計

本次開發系統所運用的為LED靜態顯示，數據顯示系統在經過初始化后，系統對緩存UART進行掃描檢測是否有數據輸出;如未發現數據則繼續掃描，如發現數據則引出數據且進行輸出顯示。主要通過持續添加74HC595來實現靜態顯示，可以有效節約系統單片機的應用資源。

（2）液位信息采集程序

液位信息采集程序是依照超聲波傳感器原理，在系統單片機與外圍硬件電路裝設的基礎上利用軟件對超聲波發射、接收進行控制，并且測量發射、接收超聲波的時間以及當下溫度，利用相關算法計算液位值。液位信息采集程序是超聲波液位傳感器中最重要的程序之一。液位信息采集器利用單片機的捕捉功能進行計時，計時精準度較高，使用便捷。當系統發送超聲波，為了使得超聲波傳感器接收探頭能夠接收到正確回波，需要在一段時間的延時后進入外部中斷子程序。在這一過程同時，單片機會持續掃描INTO，如INTO接收信號出現從高電平轉為低電平的變化，則表示超聲波信號已經返回，則單片機停止計時開始計算[4]。同時，在利用溫度傳感器所檢測的環境溫度數據的基礎上調用計算子程序，精確計算出聲速與傳感器到目標體之間的距離，以完成檢測。其中，計算分程序則是針對獲取的數據進行處理，對超聲波探頭到液面之間的距離進行精確計算。經過一定的溫度補償計算探頭到液面的距離。

4 結束語

在科學技術快速發展的背景下，自動化工藝的精確程度也不斷升高，這對測控系統的精度也提出了更高的要求。近幾年來，由微控制器構成的測控系統已經在眾多領域得到了普及與應用。在工業化發展背景下傳感器技術也得到了快速發展，超聲波傳感器的出現同時擁有檢測與數據處理功能，其在工業領域中的應用能夠顯著提升工業生產效率與質量，在建筑行業、石油化工行業中有著廣泛的應用，具有良好的市場前景。

參考文獻：

[1]武鋒，趙明.超聲波液位計的選型及其在原型水位自動檢測系統中的實際應用[J].治淮，2011（08）：13-15.

[2]非接觸測量——JCS系列超聲波液位計、流量計、熱量計及其應用[J].電子元器件應用，2002（6）：58.

[3]盧偉，王楊，趙紅東.高精度超聲波液位測量系統的設計與實現[J].儀表技術與傳感器，2013（7）：50-52.

[4]宋繼紅.基于單片機的高精度超聲波液位檢測系統[J].機電產品開發與創新，2009（3）：156-158.