張 文

(南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇泰州 225300)

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測量容器中液體的液位。隨著國家工業(yè)的迅速發(fā)展，液位測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用到石油、化工、醫(yī)藥、食品等各行各業(yè)中。近年來，計算機、微電子、傳感器等高新技術(shù)不斷進步，液位儀表的研制得到了長足的發(fā)展，以適應(yīng)越來越高的應(yīng)用要求。隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，液位測量已應(yīng)用到越來越多的領(lǐng)域，不僅用于各種容器、管道內(nèi)液體液位的測量，還用于水渠、水庫、江河、湖海水位的測量。這些領(lǐng)域使用傳統(tǒng)的液位測量手段已經(jīng)無法滿足對其精確性的要求，所以超聲波液位測量這種新的測量方向已經(jīng)成為一種新的手段被廣泛地應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該設(shè)計以超聲波測距原理為理論基礎(chǔ)，以 STC89C52單片機作為控制核心。超聲波檢測模塊通過TRIG、ECHO端口與單片機相連，從而驅(qū)動模塊內(nèi)部電路，實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。同時，溫度檢測模塊檢測出當(dāng)時的空氣環(huán)境溫度，把采集的溫度數(shù)據(jù)傳送給單片機，然后通過使用溫度補償程序?qū)Τ暡ǖ膫鞑ニ俣冗M行調(diào)整，從而可以提高檢測精度，使之能夠達到要求。單片機將溫度補償后的測距結(jié)果以及實時環(huán)境溫度輸出并顯示。能夠?qū)崿F(xiàn)實時檢測液位的功能。

該系統(tǒng)主要由電源電路模塊，超聲波檢測模塊，溫度檢測模塊，LCD顯示模塊，GSM通信模塊和控制模塊組成。整個系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

一個完整的系統(tǒng)中，硬件電路和軟件程序是不可缺少的2個組成部分。而硬件的正確與否，也將會直接影響整個程序的可實現(xiàn)性。

2．1超聲波檢測模塊

圖2中，H是整個水箱的高度，即超聲波探頭到水箱底部的距離，需要提前測定出來。S是超聲波測距模塊和水箱液體液面之間的距離，這個距離就是這次設(shè)計中所要檢測的核心距離。這樣，h=H-S，待測液體的高度就可以計算出來。由此可見，檢測關(guān)鍵就是對模塊與液面的間距的進行檢測。所用到的核心就是超聲波測距理論[1]。

圖2 超聲波液位檢測原理圖

超聲波是一種頻率比較高的聲音，它的指向性很強。測距的公式表示為：

L=c×T

式中：c為空氣中超聲波的傳播速度，c=344 m/s(20 ℃室溫)；T為從發(fā)射到接收時間量的1/2；L為檢測的實際距離長度。

超聲波傳播速度的誤差：空氣密度會影響超聲波的傳播速度，密度越高，傳播速度相應(yīng)的會越快。而環(huán)境溫度又會影響空氣密度，公式為：

c=c0+0.607×T

式中:c0為在0 ℃時的聲波速度，c0=332 m/s；T為實際溫度，℃．

如果要確保超聲波的測距精度在1 mm左右，就必須要考慮環(huán)境溫度的影響。測距原理圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)原理圖

2．2溫度檢測及補償模塊

傳統(tǒng)的模擬信號在遠距離溫度檢測系統(tǒng)會產(chǎn)生一定的引線誤差、多點檢測切換誤差以及放大電路零點漂移誤差。為了確保達到較高的檢測精度，這些問題都需要解決好[2]。因此，在溫度檢測系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強的溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案。

2．3LCD顯示模塊

為了便于現(xiàn)場調(diào)試和檢測，該次設(shè)計中包含了顯示模塊，綜合各種因素，選擇LCD1602作為顯示模塊，模塊工作電壓為5 V，可直接由電源模塊提供，顯示模塊硬件結(jié)構(gòu)較為簡單。

2．4GSM通信模塊

由于GSM技術(shù)在近幾年發(fā)展迅速，有很多種GSM模塊的典型代表[3-5]，例如TC35系列的模塊，GTM900系列的模塊，Zigbee系列模塊。文中采用的是TC35系列中的一款TC35i。圖4為TC35i通信模塊圖。

圖4 TC31i通信模塊圖

TC35i新版西門子工業(yè)級GSM模塊是一個支持中文短信息的GSM模塊，電源范圍為直流3.3～4.8 V，電流消耗——休眠狀態(tài)為3.5 mA，空閑狀態(tài)為25 mA，發(fā)射狀態(tài)為300 mA(平均)，2.5 mA峰值；可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。SIM電壓為3 V/1.8 V，TC35i的數(shù)據(jù)接口(CMOS電平)通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為300 b/s～115 kb/s，一般默認為9 600 kb/s，自動波特率為142 ～115 kb/s．Text和PDU是它的2種發(fā)送或者接收模式，可通過AT命令或關(guān)斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

無線超聲波液位測量系統(tǒng)軟件包括超聲波液位測量程序，溫度檢測程序，GSM通信程序等。總體設(shè)計流程圖如圖5所示。

4 設(shè)計成果

為了檢驗設(shè)計的結(jié)果，通過硬件的選擇與軟件程序的編譯之后，制作出具體的硬件系統(tǒng)如圖6所示。

測量儀器箱的前面板上有兩個按鈕和LCD液晶顯示屏，后面板上引出了電源線，儀器箱右側(cè)引出超聲波測量探頭。為了檢測系統(tǒng)功能，采用了一個紙杯作為一個假想的容器。通過向紙杯中加水不間斷地改變水的液位，紙杯里的水位便會不斷更新顯示在LCD上。同時通過面板上的控制按鈕可以將數(shù)據(jù)無線發(fā)射出去，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的功能。

圖5 總體設(shè)計思想流程圖

圖6 基于GSM無線收發(fā)的液位測量儀

5 結(jié)束語

該設(shè)計給出了具體的系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計思路方案，利用超聲波測距原理，通過硬件的調(diào)試和軟件程序的編寫，最終實現(xiàn)了液位檢測功能，當(dāng)液位改變的時候，該測量儀能夠穩(wěn)定的運行，測量精度高，并能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信。將GSM無線通信技術(shù)應(yīng)用于液位測量領(lǐng)域，能夠降低現(xiàn)場布線成本，同時可以解決一些復(fù)雜地形不易布線的問題。

參考文獻：

[1]卜英勇，王紀(jì)嬋，趙海鳴，等．基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2007 (3)：66-68．

[2]賈莉娜．超聲物位檢測系統(tǒng)中的誤差來源及補償方法．儀器儀表用戶，2005．12(1)：91-92．

[3]李家福．基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控模塊設(shè)計：[學(xué)位論文]．成都：西南交通大學(xué)，2006．

[4]程全，李向東．基于GSM模塊與AT89C51的接口設(shè)計及應(yīng)用．微計算機信息，2006(9-2)：293-295．

[5]王浩．單片機利用GSM系統(tǒng)收發(fā)短消息．中國新通信，2008，10(7)：31-33．

作者簡介：張文(1982—)，講師，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為自動化、計算機測控技術(shù)等方面的教學(xué)和研究。

E-mail：18814219@qq．com