无线超声波液位测量仪的设计

张 文

(南京理工大学泰州科技学院，江苏泰州 225300)

0 引言

在现代工业生产中，常常需要测量容器中液体的液位。随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。近年来，计算机、微电子、传感器等高新技术不断进步，液位仪表的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。随着各行业的快速发展，液位测量已应用到越来越多的领域，不仅用于各种容器、管道内液体液位的测量，还用于水渠、水库、江河、湖海水位的测量。这些领域使用传统的液位测量手段已经无法满足对其精确性的要求，所以超声波液位测量这种新的测量方向已经成为一种新的手段被广泛地应用。

1 系统总体设计

该设计以超声波测距原理为理论基础，以 STC89C52单片机作为控制核心。超声波检测模块通过TRIG、ECHO端口与单片机相连，从而驱动模块内部电路，实现超声波的发射和接收。同时，温度检测模块检测出当时的空气环境温度，把采集的温度数据传送给单片机，然后通过使用温度补偿程序对超声波的传播速度进行调整，从而可以提高检测精度，使之能够达到要求。单片机将温度补偿后的测距结果以及实时环境温度输出并显示。能够实现实时检测液位的功能。

该系统主要由电源电路模块，超声波检测模块，温度检测模块，LCD显示模块，GSM通信模块和控制模块组成。整个系统框图如图1所示。

图1 总体设计框图

2 硬件系统设计

一个完整的系统中，硬件电路和软件程序是不可缺少的2个组成部分。而硬件的正确与否，也将会直接影响整个程序的可实现性。

2．1超声波检测模块

图2中，H是整个水箱的高度，即超声波探头到水箱底部的距离，需要提前测定出来。S是超声波测距模块和水箱液体液面之间的距离，这个距离就是这次设计中所要检测的核心距离。这样，h=H-S，待测液体的高度就可以计算出来。由此可见，检测关键就是对模块与液面的间距的进行检测。所用到的核心就是超声波测距理论[1]。

图2 超声波液位检测原理图

超声波是一种频率比较高的声音，它的指向性很强。测距的公式表示为：

L=c×T

式中：c为空气中超声波的传播速度，c=344 m/s(20 ℃室温)；T为从发射到接收时间量的1/2；L为检测的实际距离长度。

超声波传播速度的误差：空气密度会影响超声波的传播速度，密度越高，传播速度相应的会越快。而环境温度又会影响空气密度，公式为：

c=c0+0.607×T

式中:c0为在0 ℃时的声波速度，c0=332 m/s；T为实际温度，℃．

如果要确保超声波的测距精度在1 mm左右，就必须要考虑环境温度的影响。测距原理图见图3。

图3 系统原理图

2．2温度检测及补偿模块

传统的模拟信号在远距离温度检测系统会产生一定的引线误差、多点检测切换误差以及放大电路零点漂移误差。为了确保达到较高的检测精度，这些问题都需要解决好[2]。因此，在温度检测系统中，采用抗干扰能力强的温度传感器是解决这些问题的最有效方案。

2．3LCD显示模块

为了便于现场调试和检测，该次设计中包含了显示模块，综合各种因素，选择LCD1602作为显示模块，模块工作电压为5 V，可直接由电源模块提供，显示模块硬件结构较为简单。

2．4GSM通信模块

由于GSM技术在近几年发展迅速，有很多种GSM模块的典型代表[3-5]，例如TC35系列的模块，GTM900系列的模块，Zigbee系列模块。文中采用的是TC35系列中的一款TC35i。图4为TC35i通信模块图。

图4 TC31i通信模块图

TC35i新版西门子工业级GSM模块是一个支持中文短信息的GSM模块，电源范围为直流3.3～4.8 V，电流消耗——休眠状态为3.5 mA，空闲状态为25 mA，发射状态为300 mA(平均)，2.5 mA峰值；可传输语音和数据信号，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。SIM电压为3 V/1.8 V，TC35i的数据接口(CMOS电平)通过AT命令可双向传输指令和数据，可选波特率为300 b/s～115 kb/s，一般默认为9 600 kb/s，自动波特率为142 ～115 kb/s．Text和PDU是它的2种发送或者接收模式，可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。

3 系统软件设计

无线超声波液位测量系统软件包括超声波液位测量程序，温度检测程序，GSM通信程序等。总体设计流程图如图5所示。

4 设计成果

为了检验设计的结果，通过硬件的选择与软件程序的编译之后，制作出具体的硬件系统如图6所示。

测量仪器箱的前面板上有两个按钮和LCD液晶显示屏，后面板上引出了电源线，仪器箱右侧引出超声波测量探头。为了检测系统功能，采用了一个纸杯作为一个假想的容器。通过向纸杯中加水不间断地改变水的液位，纸杯里的水位便会不断更新显示在LCD上。同时通过面板上的控制按钮可以将数据无线发射出去，实现数据通信的功能。

图5 总体设计思想流程图

图6 基于GSM无线收发的液位测量仪

5 结束语

该设计给出了具体的系统的硬件和软件的设计思路方案，利用超声波测距原理，通过硬件的调试和软件程序的编写，最终实现了液位检测功能，当液位改变的时候，该测量仪能够稳定的运行，测量精度高，并能够实现无线通信。将GSM无线通信技术应用于液位测量领域，能够降低现场布线成本，同时可以解决一些复杂地形不易布线的问题。

参考文献：

[1]卜英勇，王纪婵，赵海鸣，等．基于单片机的高精度超声波测距系统．仪表技术与传感器，2007 (3)：66-68．

[2]贾莉娜．超声物位检测系统中的误差来源及补偿方法．仪器仪表用户，2005．12(1)：91-92．

[3]李家福．基于GSM网络的智能监控模块设计：[学位论文]．成都：西南交通大学，2006．

[4]程全，李向东．基于GSM模块与AT89C51的接口设计及应用．微计算机信息，2006(9-2)：293-295．

[5]王浩．单片机利用GSM系统收发短消息．中国新通信，2008，10(7)：31-33．

作者简介：张文(1982—)，讲师，硕士研究生，主要研究领域为自动化、计算机测控技术等方面的教学和研究。

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