基于超声波传感技术的群罐液位监控系统的设计

1、引 言

　　目前，较常用的罐体液位测量根据测量方式的不同可分为接触式与非接触式两种类型，接触式测量是指用传感器直接与罐内液体介质相接触的测量方法，由于所用传感器与罐内液体相接触，因此在设计和安装传感器时必须要考虑耐渗漏、耐腐蚀等问题。而在本设计中采用了非接触式的超声波测量技术对罐体的液位进行检测，由于传感器不直接接触被测液体，因此稍加防护措施该方式就具有可靠性高、易维护、检修周期长、可以实现不停产检修等优点。另外由于工程布线等方面的原因，给线路的检修和维护带来极大的不便。在一些具有腐蚀性液体的测试现场，往往会因为环境中的腐蚀性气体的存在和侵害，而导致信号传输线路的故障或损害所造成的停产时有发生。随着无线通信模块技术性能的不断提高和价格的不断下降，采用无线数据传输方式，无疑将对系统的信号传输带来极大的方便，一方面可省去工程布线，另一方面可大大简化线路维护和检修工作。又可免除线路的检修和维护带来极大的不便。

2、系统硬件设计

　　2.1 系统硬件组成结构和工作原理

　　本设计主要有超声波传感器、流量传感器、电磁阀、微控制器MCU、无线收发模块、LCD显示器、键盘等组成，其系统硬件结构如图1所示。

　　本系统中的液位传感器采用的是超声波传感器，利用超声波传感器采集信号并结合相应的测试算法，实现对液罐内液位进行测试，并由高性能单片机MSP430完成对信号进行采集、处理、分析、显示、存储以及与上位机进行通信等。超声波发射电路能在单片机的控制下发出超声波。接收电路接收到信号之后送入单片机进行处理，然后计算罐底到液面的距离即当前液位，将测试结果在现场显示器显示的同时还可通过无线传输方式将获得的液位等数据传送给上位机，以便对测试数据作进一步分析处理或实现数据库管理。系统的总体组成结构见图1。

图1 系统的总体组成结构图

　　2.2 超声波传感器测试原理及接口设计

　　2.2.1 超声波传感器及液位测试原理

　　超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点：（1）无任何机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触式测量，不怕电磁干扰，不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；（2）其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。

　　本系统采用的超声波传感器的工作频率为40kHz左右。由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液面。考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以提高测量精度。计算公式为：

　　V＝331.5＋0.607T     （1）

　　式中：V为超声波在空气中传播速度；T为环境温度。

　　S＝V ×t/2＝V×（t1－t0）/2     （2）

　　式中：S为被测距离；t为发射超声脉冲与接收其回波的时间差；t1为超声回波接收时刻；t0为超声脉冲发射时刻。利用MCU的捕获功能可以很方便地测量t0时刻和t1时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测距离S。由于本系统的MCU选用了具有SOC特点的混合信号处理器，其内部集成了温度传感器，因此可利用软件很方便的实现对传感器的温度补偿。

　　2.2.2 超声波传感器与MSP430的接口

　　本系统选用的是SCS-401系列超声波传感器，谐振频率为40KHZ左右，其信号处理电路由两部分组成：即超声波发射电路和超声波接收电路。为了便于调试，超声波振荡器采用硬件电路设计，利用MCU进行发射控制。由于罐体液位的测量范围一般不超过5米，因此超声波接收电路的灵敏度不必太高，为了简化设计，本系统中采用了两级放大和比较电路，超声波发射和接收电路及其与MCU的接口见图2所示（信号从P25发射，从P24接收）。

　　2.2.3 流量传感器信号与MSP430的连接

　　为简化系统的维护和检修，本系统中的流量传感器采用的是无机械传动部件的涡街流量传感器，由于该传感器可直接输出当量脉冲信号，因此其信号处理电路的设计较为简单，仅需利用施密特触发器对其进行整形即可送作为MCU的中断请求信号对其进行处理即可。见图2，流量传感器从图中的JIN1接入。

图2 下位机电路原理图

　　2.2.4 无线数据传输模块及其与系统的连接

　　本系统采用的无线数据传输模块为SRWF-108（或SRWF-1），该模块采用FSK调制方式，工作频率为429MHZ～433.3MHZ，其通信信道为半双工模式，比较适合点对多点的通信传输系统，可直接支持RS-232标准的串行通信，但由于该模块的输出信号为TTL，因此与上位机连接的模块须设计一个TTL——-EIA电平转换电路，本系统中采用的是MAX232。见图2，无线数据传输模块与下位机的P34、P35相连。

　　2.3 微控制器MCU的选型

　　为尽可能简化和方便系统设计并降低下位机的功耗，本设计采用TI公司的具有SOC特点的MSP430系列MCU，这是一种超低功耗的16位混合信号控制器，其内部集成了大量的外围模块和温度传感器。MSP430单片机采用最新的低功耗技术，工作电压范围为1.8～3.6V，有正常工作模式（AM）和多种低功耗工作模式；当电源电压为3V 时，其最低功耗模式下的功耗仅0.1μA。它的超低功耗性在实际应用中，尤其是在电池供电的便携式设备中表现尤为突出。本设计所采用的是MSP430F1232微控制器，具有非常高的集成度，片内集成了10通道的10位A/D转换、具有PWM功能的定时器、温度传感器、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器（DCO）、大量的具有中断功能的I/O 端口、大容量的片内Flash 和RAM 以及信息Flash 存储器。其中Flash 存储器可以实现掉电保护和软件升级。

　　综合以上特点可见： 采用MSP430单片机作为测试仪器的处理器，可简化系统电路设计、缩短开发周期，降低系统功耗、同时又能提高系统性能。