基于超声测距和射频通信的液位监测系统的设计

吴倩++钟玲玲

摘要：基于对储油容器中油量高度测量问题，文章介绍了用超声波测量液位高度，用射频通信模块实现数据传输，并针对温度对超声波的速度影响较大，在硬件上增加温度测量模块，以及利用显示模块对声速，温度和液位进行随时随地标定，方便了操作人员对油量的实时监控和管理。

关键词：单片机；超声波收发电路；温度传感器；显示模块；无线收发模块

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）30-0217-03

在日常的生产生活中，有时需要对容器里的液体进行液位测量，来了解液体的高度是否在规定的范围值内，以保障生产的正常工作。利用超声检测液位的高度和应用无线射频通信技术，是实现生产智能化，非接触测量的一种实时有效的方法[1]。

1 超声波液位测量的设计方案

在装有液体的容器壁竖直固定一根杆子到容器底部，将装有超声波发射电路的从节点置于杆底，把装有超声波接收电路的主节点装一个环套在杆上，并让其浮在液面上，如图1所示测量液位原理图。

图1 测量液位原理图

在某一时刻，从节点的超声波发生器T发出一个超声波信号，一段时间后就会被主节点的超声波接收器R收到。这时，计算出超声波从发射到接收受所用的时间，就能算出主从节点之间的距离，即液位的高度[2]。 距离计算公式：

h=s=c*t

*h为主节点与从节点的距离即液位 ，s为声波的路程，c为声速，t为声波所用的时间。

2 系统总体设计

本系统设计分为下位机和上位机2个部分[3]。整个系统是用电池维持供电，用无线通信模块维持信号短距离的无线发送和接收，这种传输方法可以不必在液体中安装太多导线器件，也可以让下位机模块的安装和使用简洁化，极大地方便系统工作。其中下位机模块的作用是测量环境温度，实现对超声波速度的修正，对当前待测液位高度进行测量，并且利用显示模块实现数据的实时显示。上位机的作用在于接收数据并传给PC机，完成液位的非接触测量。系统整体结构如图2所示。

3 系统硬件设计

系统主要有MCU控制单元、无线射频收发单元、超声波收发电路、温度传感器、显示模块组成。系统的硬件框图如图3所示。

该系统以STC12C5A32AD单片机为主控制器，采用温度传感器DS18B20对环境温度进行测量，从而修正温度对超声波速度的影响，由超声波收发电路实现超声波测距，对于信息无接触的发送和接收是利用射频通信模块实现，并有显示模块LCD1602显示两节点的距离以及当时的最优温度值。整个系统实现了测量的实时监控和管理。

3.1 温度传感电路和显示模块

本系統选用的温度传感器是接口为单总线的DS18B20芯片构成温度传感电路。它应用于温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统中，是具有报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件。DS18B20芯片的DQ与STC12C5A32AD的P1.0相连。

采用LCD1602液晶屏显示接口来实现显示电路。LCD1602将8位双向数据线分别接STC12C5A32AD的P0.0-P0.7口，再将RS接P1.5口、R/W接P1.6口、E接P1.7口、VEE接P1.3口，从而实现单片机STC12C5A32AD对LCD1602的控制。

电路如图4所示。

3.2 超声波收发电路

超声波发射部分是为了让超声波发射换能器发出40KHz左右的声波。工作过程是从节点STC12C5A32AD的P1.1端口输出40KHz的方波脉冲信号，同时打开计数器T0进行计时，因为单片机的端口输出功率较小，所以40KHz方波脉冲信号需要功率放大，以便使发射距离的足够远，从而满足测量距离的要求。超声波接收部分作用是用超声波接收探头TCT40-16R首先接受声波信号，然后把再把此声波转化为电信号，最后采用集成电路CX20106对此电信号进行信号的放大、滤除无用信号等一系列的处理后，得到一个负脉冲送给主节点MCU的中断引脚，从而产生一个中断信号。电路如图5所示。

3.3 无线射频收发电路

CC1100芯片[4]的SI（串行输入）、SO（串行输出）、SCLK（串行时钟）、SCn（片选）分别与STC12C5A32AD的P2.0、P2.2、P2.1和P2.5相连，完成射频收发芯片与单片机的电路引脚连接，从而实现单片机对其的处理控制。CC1100的GDO0、GDO2分别与STC12C5A32AD的P2.4、P2.3相连。将差分和单端RF（射频）两个单元进行信号转换是由非平衡变压器完成，它由三个电容C131、C121、C124和两个电感L121、 L131构成；电路中C122，C123，C125，L122和L123构成的是兀型的电感电容滤波器，它不仅完成了滤波选频的作用，还与非平衡变压器一起实现与50欧的天线相适配。无线射频收发电路如图6所示。

4 系统软件设计

系统软件设计主要有主程序模块、对参数初始化设置模块、CC1100芯片的信号发送模块、CC1100芯片的信号接收模块、温度传感器测量温度模块、液晶显示对数据的显示模块，这些与系统的硬件电路是一一对应的。采用这种模块化设计可以使整个软件系统中各模块相互间较独立，又使相互引脚连接明确，从而使整个系统流程清晰，也为日后的系统维护奠定基础。

图7、8为整个从、主节点软件系统的流程图。从图7中可以看出首先是初始化，然后能够实现是否发送温度数据和发送超声波信号的判断。从图8中可以看出首先也是初始化，然后通过计时测量时间，根据超声波测量原理，计算出液位高度，最后显示温度、液位等数据。

5 结论

本文设计了基于超声测距和射频通信的液位监测系统，利用超声波实现对液体液位的测量，用射频通信模块实现信号的无线发送和接收，完成数据的自动测量、显示和控制。具有实时监测，精确度高，费用低的特点，这与以前的测量相比较，是值得应用与推广的。

参考文献：

[1] 张伟亮. 液位测量仪表在化工企业中的应用[J]. 山东化工， 2014， 43（4）：76-77.

[2] 童峰，许永源，许天增. 一种高精度超声波测距处理方法[J]. 厦门大学学报，2012，4（2）：15-19.

[3] 李佩， 张红， 李新娥. 无线温度采集系统实现分析[J]. 数字技术与应用， 2012（1）：68-69.

[4] 邓专，陈维，王春麟. 射频收发芯片CC1100及其应用[J]. 机械工程与自动化，2011（6）：168-17.