用ADuC812設計超聲波非接觸液位計

摘要：闡述了超聲波非接觸液位計測量的原理，給出了硬件電路和軟件編程的設計方法，對其應用也作了簡單介紹。

關鍵詞：ADuC812芯片、超聲波、液位、非接觸


1.概述

隨著電子技術、計算機技術以及大規(guī)模集成電路芯片技術的飛速發(fā)展，超聲測距技術也日臻成熟。于九十年代初，國內(nèi)開始將超聲測距技術應用于河流、湖泊、水、渠等水體的水位測量中及其油、漿等液體的液位測量之中，并開始發(fā)揮其重要作用。

ADuC812是ADI公司99年開發(fā)面市的新一代、帶有嵌入式閃速MCU的多通道12位A/D轉換器，用ADuC812作為核心，加上超聲波發(fā)、收電路以及存儲、顯示等電路所組成的超聲波非接觸液位計，不僅減小了儀器的體積，更增加了儀器的可靠性、穩(wěn)定性和實用性。

2.ADuC812芯片特性

圖1是ADuC812內(nèi)部功能框圖，該芯片具有與8051兼容的內(nèi)核，額定工作頻率為12MHz（最大為16MHz），3個16位定時器/計數(shù)器，32條可編程的I/O口線，端口3具有高電流驅動能力，9個中斷源并有2個優(yōu)先級。芯片內(nèi)集成有8K字節(jié)閃速/電擦除程序存儲器，640字節(jié)閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器，片內(nèi)充電泵（不需要外部Vpp ）；256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM，16M字節(jié)外部數(shù)據(jù)地址空間，64K字節(jié)外部程序地址空間。在摸擬輸入輸出方面：片內(nèi)集成有8通道、高精度的12位A/D，片內(nèi)40ppm/℃電壓基準，采樣速率達200kSPS，DMA控制的高速A/D至RAM捕獲，2個12位電壓輸出D/A，片內(nèi)溫度傳感器功能。在電源方面，芯片可用3V或5V供電，并有正常、空閑和掉電三種工作摸式。片上還集成有：UART輸入/輸出口，雙線（I2C兼容）和SPI串行I/O口，看門狗定時器和電源監(jiān)控電路。

3.測量原理

超聲波非接觸液位計的測量原理如圖2所示：由CPU控制超聲發(fā)射電路，通過超聲傳感器發(fā)射超聲脈沖波，該脈沖波遇到被測液面（水面）后，反射到超聲傳感器，CPU通過測計發(fā)射、接收之間超聲波往返的傳播時間t（秒），來計算測量距離h，圖2中：

h=1/2·vt （米）

v 為空氣中的聲速，其近似公式為：

v=331.45+0.61T （米/秒）

T為測量時的氣溫（℃），可以在測量距離的同時測量氣溫來進行對聲速的修正。

圖2中設傳感器安裝高程為H0（可在安裝傳感器時測得），則液位H可用下式算得：

H=H0-h=H0-1/2·vt （米）

本液位計時間測量精度為微秒級，溫度測量精度為0.1℃，由此產(chǎn)生的液位測量誤差經(jīng)分析計算為1厘米。

4.硬件電路設計

根據(jù)液位測量原理及ADuC812的特性, 非接觸超聲波液位計的電路組成如圖3所示：主要有單片機控制系統(tǒng)，時鐘值班電路，超聲波發(fā)射、接收電路，鍵盤顯示等部分組成。

單片機控制系統(tǒng) 以ADuC812為核心，控制液位計測量、運算處理、顯示、打印、向外傳送數(shù)據(jù)等。設計6位LCD液晶顯示器用來顯示液位和參數(shù)值，用TPup-16微型打印機記錄測量時的時間、液位；設計有256KB×8字節(jié)的自帶電池保護的非易失數(shù)據(jù)存儲器SRAM，用來存儲時間及液位；超聲傳感器的安裝高程、時鐘及測量、打印、存儲液位的時間間隔等參數(shù)都是通過4個功能鍵置入的。為提高液位計的可靠性，設計有上電復位、手動復位及自復位（利用ADuC812內(nèi)部的看門狗定時器）；為了能適時向外傳送測量結果，液位計設計有與無線數(shù)傳電臺及有線的RS-232接口，便于用戶配接。

時鐘值班電路 為滿足水文自動化測報的需要，液位計的電源值班電路由微功耗的電源變換器件及邏輯電路等組成，用來根據(jù)所設定的測量時間間隔，產(chǎn)生上電控制信號，使除打印機以外的整個液位計得電工作，打印機只有在到達設定的打印時間才由CPU控制上電打印，打印完畢即關閉打印機電源；當液位計每次的測量工作完成后即由CPU送出掉電控制信號，使除值班電路正常供電外，其余電路全無電能消耗。

模擬電路 包括超聲波的發(fā)射、接收、信號轉換及溫度的測量等幾部分電路組成。

由ADuC812的P3.3、P3.4產(chǎn)生出一定頻率的經(jīng)調制好的矩形超聲波脈沖，送入超聲波發(fā)射電路，經(jīng)功放、轉換電路后由超聲傳感器發(fā)向被測液面，當超聲波遇到液面后被反射回來，在通過超聲波傳感器接收至轉換電路并進入接收電路。在接收電路中，回波信號經(jīng)放大、解調、檢波、整形等后送入ADuC812的P3.2 口，并產(chǎn)生中斷信號，由計時電路記錄下從發(fā)射超聲波至接收到回波的時間，即完成了一次的時間測量。

溫度的測量是采用ADI公司的集成溫度傳感器AD590來實現(xiàn)的，AD590為線性電流輸出：1μA/οK，正比于絕對溫度；測溫范圍為-55～+150℃；電源范圍為+4V～+30V。根據(jù)AD590的特性及ADuC812的A/D轉換精度計算、測試得出，本電路可測溫度的靈敏度為0.1℃。

5.軟件編程設計

軟件設計采用摸塊化結構，整機軟件由主程序、鍵處理子程序、計算子程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序、打印子程序、數(shù)據(jù)傳送子程序等組成。

主程序 如圖4所示，液位計在第一次上電時要進行系統(tǒng)初始化并自檢，正常后判是否調試狀態(tài)，是則通過鍵盤顯示輸入有關參數(shù)，然后依次完成測量、計算、顯示、存儲、打印、傳送數(shù)據(jù)等子程序，最后控制掉電。

子程序 在鍵處理子程序中，將依次對功能鍵、移位鍵、數(shù)字鍵進行相應的處理，并存入對應單元。測量子程序中，首先由ADuC812控制產(chǎn)生一頻率、寬度、幅度一定的超聲脈沖波，發(fā)向液面，并開計時器，對接收到的液面反射回波還要進行頻率、寬度、幅度判別，為消除液面波動及偶然因素的影響，采用一定時間內(nèi)多次測量，計算處理上采用數(shù)字濾波、程序限幅等技術，以提高測量的正確和準確性。在數(shù)據(jù)存儲子程序中，是將需要存入的時間、液位數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮后存入256KB×8字節(jié)的SRAM中，按6分鐘測量并存儲一次，則可存儲一年的液位數(shù)據(jù)。其它子程序及各子程序框圖限于篇幅不再給出。

6.應用

本液位計在測量過程中無任何部件觸及液面，實現(xiàn)了非接觸測量，所以無論液面是流動、波動或是有漂浮物以及有化學反應等都可應用。

該液位計的主要性能指標為：測距1.0～12.0米，精度±2厘米，分辨率1厘米。測量、存儲、打印的間隔為1分鐘～12小時，可由鍵盤設定。測量數(shù)據(jù)可用有線、無線向外傳送，電源用12V蓄電池加太陽能（或交流電）浮充，整機功耗小于0.1瓦（6分鐘測一次）。

該液位計是非接觸測量的理想儀器，現(xiàn)已經(jīng)分別安裝在黃河的干支流及大中型水庫上多處，用于水位的自動測報，運行工作正常，性能穩(wěn)定可靠，受到用戶好評。