基于STC12单片机液位测量系统的设计

郭星辰

（江苏联合职业技术学院南京工程分院 江苏省南京市 211135）

针对不同的需求和应用，液位测量方法的方法不尽相同，如浮力式、电容式、激光式等。随着超声波技术的发展，超声波液位测量方法也得到了广泛的应用，超声波测量的优势在于，探头可以不与被测液体接触，无机械部件，可测范围广，连续快速测量，远程遥控和获取测量信号方便等，尤其是超声波测量时可以选用多种介质作为传递媒介，因而应用较为便利[1]。

1 测量原理

当某种物质的内部发生机械扰动时，该物质内部就产生了声波。这种机械波扰动可以是各种形式的，表征振动特性的是频率，即单位时间（1s）内所完成的周期性运动的次数。人类所能听到的声波的范围介于20Hz 到20KHz 之间，当频率超过20KHz 的时候称之为超声波，而低于20Hz 的时候称之为次声波。

超声波的发射与接收是通过超声波换能器（亦称超声波传感器或超声波探头）来完成的。根据超声波换能器的工作方式可分为单探头和双探头两种方式，双探头方式计算简单、检测方便。另外，超声波测量方法多样，如相位检测、脉冲回波检测、声波幅值检测等，相位检测虽然精度高，但检测范围有限，声波幅值检测易受反射波的影响，所以本系统采用双探头脉冲回波检测法测量液位。该检测法的基本方法是：由处理器产生一定频率的脉冲信号，激励超声波换能器发射出超声波，通过媒介传递到被测液面，超声波被反射回换能器，换能器将声信号转换为电信号，处理器计算出超声波渡越时间，再根据超声波在相应媒介的传播速度，利用公式（1）可以计算出液位高度[2]：

其中，H表示探头到容器底部的高度，L表示探头到液面的高度，为超声波传输距离的一半，v 表示超声波传输速度，t 表示超声波传播时间，h 即为液面实际高度，图1 为测量原理图。

2 系统总体设计

超声波液位计主要由STC12C5A60S2 单片机电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、报警电路以及电源电路组成。其中，超声波发射电路包括放大电路和超声波发射器，超声波接收电路包括放大电路、有源全波整流电路和超声波接收器。系统总体设计框图如图2所示。

3 硬件电路设计

3.1 STC12C5A60S2单片机电路

STC12C5A60S2 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、机器周期（1T）的单片机，高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051 单片机，指令代码兼容传统8051，但速度快8 ～12 倍。内部集成MAX810专用复位电路、2 路PWM、8 路高速10 位A/D 转换(250K/S)。最小系统电路如图3所示。

3.2 系统电源电路

因为系统采用2 节1.5V 碱性电池供电，但电路需要5V 电源，所以采用LY8505-50 升压变换芯片完成3V 到5V 的DC/DC 升压。LY8505 升压变压器采用变频的方式，应用的时候只需要外接3 个元件：电感一个，电容一个，二极管一个。LY8505输入电压最低0.8V，并且可以根据实际需求调整输出电压的大小，从3V～6V 可选[3]，电源电路如图4所示。

3.3 超声波传感器驱动电路

3.3.1 超声波换能器

超声波的发射与接收是通过超声波换能器（亦称超声波传感器或超声波探头）来完成的。声波是物体机械振动状态（或者能量）的一种传播形式，这种机械波振动可以为各种形式。频率即是用来表征这一振动特性的量，即周期性运动在规定时间（一般为1s）内所完成的次数。超声波换能器采用型号为EU1640BCH 的防水型分体传感器测距探头，频率40KHz，测量距离3 米左右,发射声压≥110dB，接收灵敏度≥-75dB[4]。

3.3.2 超声波发射电路

发射电路主要由9012 和超声波发射换能器构成，单片机端口输出的40KHz 的方波信号一路经9012 送到超声波换能器的一个电极，9012 在这里起到开关作用。超声波发射电路原理图如图5所示。

3.3.3 超声波接收电路

由于接收到的超声波信号非常微弱，需要返回的信号进行放大。接收信号加到Q2、Q3 组成的两级放大器上，通过检波电路得到解调后的超声波信号，即把多个超声波脉冲解调成多个大脉冲波，使用1N4148 检波二极管，输出的直流信号即为二极管之间电容电压。超声波接收电路原理图如图6所示。

3.4 回波信号处理电路

采用时间增益补偿电路后，回波信号幅度相对稳定。但由于各种障碍物反射率的不同，对超声波的吸收程度不一样，影响时间检测的精度，所以需要对回波信号进行处理以消除误差。回波信号处理电路主要是指包络检波电路，包络检波电路没有采用一般的二极管线性电路，主要是由于二极管的正向导通电压很小，在检波1V以下的小信号时误差很大，所以该检测电路采用有源全波整流电路，也就是把二极管放在运算放大器的反馈回路中，这样即使输入电压值小于0.1V，检波性能仍可以比较精确。电容C1 的作用是滤波，实现了线性包络检波，相当于把超声频率提高1 倍，即增大了时间分辨率，并克服了普通二极管存在着非线性等缺点[5]，有源全波整流电路如图7所示。

图1：测量原理图

图2：系统总体设计框图

图3：STC12C5A60S2 最小系统电路

图4：电源电路

3.5 显示电路

图5：超声波发射电路原理图

图6：超声波接收电路原理图

图7：有源全波整流电路图

作为超声波液位测量系统，需要将当前的测量值交付给用户，选择LCD1602 液晶显示器作为显示输出设备，具有价格便宜、体积小、显示内容丰富等诸多优点。LCD1602 可以两行显示，每行16 个字符，每个字符由5×7 个点构成，可组合成各种输入、显示、移位方式满足不同要求。采用单+5V 电源供电，内置含128 个字符的ASCII 字符集字库，并行接口，外围电路简单。1602 液晶电路原理图如图8所示。

3.6 报警电路

报警信号由单片机控制输出，提供声响报警信号，电路由电阻R6、三极管Q1、蜂鸣器BY组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响。报警输出电路如图9所示。

4 软件设计

图8：1602 液晶电路原理图

图9：报警输出电路

4.1 主程序

超声波液位计的程序结构主要为系统初始化子程序、超声波发射子程序、定时器初始化子程序、超声波接收子程序、数据处理子程序、液晶显示子程序以及报警子程序。主程序流程图如图10所示。

4.2 系统初始化子程序

系统初始化主要包括以下部分：定时器工作方式初始化，1602液晶显示初始化、端口初始化子程序、蜂鸣器初始化。

4.3 液晶初始化子程序

4.4 超声波发射子程序

图10：主程序流程图

系统产生激励脉冲的频率是由延时程序来实现。脉冲频率为40KHz，则周期T 为25us，也就是要求每12.5us 发生翻转动作，则超声波发射程序如下：

4.5 回波信号处理

超声波液位计利用外中断0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回信号（即INT0 引脚出现低电平），立即进入中断程序。同时停止定时器0 计时，并将测量成功标志字赋值1。如果长时间未检测到返回信号，则定时器0 溢出中断将外中断0 关闭，并将测量成功标志字赋值2，以表示此次测量不成功。测量不成功则重新进行测量，直至成功。成功测量5 次后，进行平均值滤波并进行数据处理[6-8]。

5 结论

本系统采用的微控制器具有丰富的软、硬件资源,易于扩展各种功能接口；用防水型收/发一体式超声波换能器,采用发射、接收一体式电路设计；采用峰值检测电路，提高回波信号的接收处理，并采用平均值滤波方法，提高测量精度。系统整体设计合理，方案易于实现，性能稳定，测量精度较高。不足之处是应该加入温度补偿电路，进一步提高测量精度。