摘要：本文主要针对基于单片机的超声波液位计的设计展开分析，思考了基于单片机的超声波液位计的设计的具体方法和设计的要求，提出了设计和实现的具体措施，希望能够为今后提供参考。
关键性：单片机；超声波；液位计；设计
前言
在基于单片机的超声波液位计的设计的过程中，应该真正确保设计的效果，进一步保证基于单片机的超声波液位计的设计能够更加的科学，提升其实现的具体的质量。
1、超声波检测应用现状
随着社会的发展，人们对于距离的敏感度越来越高，生活上对距离的感知也越来越敏感，因此测距仪也受到了极大的欢迎。它主要有三类，一类是激光测距仪，是根据光电元件接收目标反射的激光束来计算出测距者到目标的距离。另一类是红外测距仪，利用红外线传播不扩散的原理进行测距，但方向性差。还有一类是超声波测距仪，但也有局限性，传播需要介质，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，碰到障碍物后就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波测距是一种非接触可直接检测技术，它对光线和被测对象的颜色等没有要求，与其它仪器相比更卫生，更耐高温、等恶劣环境，具有少维护、可靠性高、寿命长等优点。利用超声波检测往往比较快捷、性能稳定、能够实现实时检测等优点，所以它广泛的应用在全自动机器人，汽车倒车雷达等研制方面。
2、工作原理
超声波液位计的工作原理:由超声波发射探头发出超声波，在介质中传播，遇到液面后被反射，由接收探头接收反射回波。利用超声波在介质中的传播时间和超声波声速计算其传播距离，从而得到液位高度。
根据超声波换能器(又称探头)的安装位置，超声波液位计分为气介式、固介式和液介式三种。其中，气介式是指探头安装在被测液面上方，超声波的传播介质是气体;固介式是在探头和液面之间安装一个固体棒，超声波沿着此固体棒传播;液介式是探头在液面以下，超声波的传播介质是液体。三者当中又以气介式安装最能体现超声波液位计方便灵活、可实现非接触测量等优势，因此气介式超声波液位计发展前景最好。计算公式如下:h=H-v*t/2。其中:h是所求液位高度，H是超声探头与容器底的距离，v是超声波声速，t是超声波传播时间。由上式可知，液位测量精度取决于超声波声速v和超声波传播时间t的测量精度。
3、超声波液位计的工作原理
超声波液位计是一种非接触式液体液位测量仪，可用于测量各种容器或管道内液体的液位高低和流量大小，也可以用于水渠、水库、江河和湖海水位的测量中，尤其适用于污水、有腐蚀性的场合，如城市排水泵站拦污栅前后水位的测量。由于城市污水腐蚀性强，若采用接触式压力水位计，必须将传感器探头插入污水中，探头很快被腐蚀坏，影响正常的测量。此外，超声波液位计测量精度高，安装维护简便，可以同时测量水位、水位差和流量等，并具有计算机标准RS-485接口等特点，因此得到愈来愈广泛的应用。
3.1超声波
超声波是指频率超过2万Hz即超过人耳听阈高限的声波，属于机械波。自然界的机械波以频率可分为三大类：次声波、声波和超声波。频率低于20Hz的波动称为次声；频率在20Hz到20kHz之间的波动称为声波（音），频率在20kHz以上的波动称为超声。人耳可听到声（音），但听不见次声与超声。一般诊断用超声波频率为1M~10MHz，而最常用的是2.5M~5MHz。
超声波具有许多优点。它可在各种不同媒质中传播，且可传播足够的距离；传播时方向性强，能量易于集中；超声波与传播媒质的相互作用适中，易于携带有关超声传播的媒质状态信息或对传播媒质产生效应。作为信息载体及能量形式，超声波技术与其他电子技术、光学技术等相结合已广泛用于生物医学领域，并迅速发展。
3.2液位计
液位计是指对容器中液体高度的变化进行实时连续检测的传感器。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此传感器通常输出4~20ma或1~5V的标准信号与显示仪表或计算机系统连接，也可以通过RS-485或现场总线方式与计算系统相连接。通常输出继电器的接点信号或集电极开路信号，输出信号一般与LED指示灯、报警器（蜂鸣器）或通过超声波发射、接收电路、温度测量电路、LED显示由微处理器进行控制。
4、超声波液位计的系统组成
随着科学技术的飞速发展，在人们的日常生活当中，越来越多的科学技术成果得到了广泛的运用，也给人们的生活带来了诸多方便。超声波测距系统的研制，给很多领域带来了方便。比如可以应用于井深、液位和管道长度的测量等场合，也可用于建筑施工工地、汽车倒车系统以及一些工业现场的位置监控。展望未来，超声波测距系统作为一种非常重要的测量工具在各个领域都将有很大的发展空间，为了满足日益发展的社会需求，它将朝着测量精度更高的方向发展。
根据超声波液位计的工作原理、特点组成、参数设置和应用等，采用了8051单片机控制，针对超声波液位计进行了电路设计。该液位计主要由微处理器部分，超声波发射、接收电路，温度测量电路,显示部分,远距离通讯部分组成。本设计基本上反映了超声波液位计的结构和使用功能，效果直观，可操作性好，在污水处理等系统中有很强的实用价值。
探头是以80C51为核心，能完成超声波的发射、接收、超声波传输时间计算等任务。主机和探头间使用RS-485通信协议进行通信。
根据液位测量原理，超声波液位计的硬件原理主要由微处理器部分，超声波发射、接收电路，温度测量电路，显示部分，远距离通讯部分组成。
5、超声波液位计的电路设计
5.1超声波发射、接收电路设计
测距系统中的超声波发射探头采用UCM40T压电陶瓷传感器，其工作电压是40kHz的脉冲信号，由单片机执行编程来实现。从8051的P1.0端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三级管T放大，驱动超声波发射头UCM40T。接收电路采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，两级放大后加到带有锁定环的音频译码集成块LM567，利用了LM567接收到与其中心频率相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低的特性，把这个负跳变信号作为外部中断请求信号，由INT0端送至单片机执行中断。
5.2温度测量与转换电路设计
5.2.1 A/D转换电路
电压为模拟量，因此必需对其进行A/D转换，转换为数字信号，才能送入微处理器8051内进行处理。本设计采用了ADC0804组成转换电路。
5.2.2远距离通讯电路设计
与其它的串行通信标准相比，在远程通信方面RS-485标准有很明显的优势。RS-485电路由发送器，平衡连接电缆，电缆终端负载和接收器组成，它通过平衡发送器把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过差动接收器，把电位差变成逻辑电平，实现终端的信息接收。MCS-51系列单片机内部的串行口使得单片机系统与其他系统和设备通信变的简单，但是，它的串口标准与RS-485标准不同，因此需要相应的接口电路，使下位机和RS-485通信网络信号和电平的匹配。
采用半双工工作方式，利用低功率RS-485收发器MAX485E芯片，作为通信网络的信号收发器，完成信号和电平的转换，来解决主机和探头间数据远距离传输的问题。
结束语
综上所述，针对基于单片机的超声波液位计的设计的方法和设计的具体要求，我们可以为今后的设计提供一些借鉴，同时，要按照不同的需求提出更好的设计理念。
参考文献
[1]沈文，Eaglelee，詹卫前.AVR单片机C语言开发入门指导.北京.清华大学出版社.2017：56.
[2]沈文.AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京：清华大学出版社.2016：98.
论文作者:王娜
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/30
标签：超声波论文; 单片机论文; 测量论文; 超声波液位计论文; 信号论文; 电路论文; 媒质论文; 《电力设备》2018年第2期论文;