馬彥亮，張從鵬，郭子靖，楊正富

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

作為基本的自然資源，水在人民生活和社會生產(chǎn)中有著不可替代的作用。但隨著人類社會的發(fā)展，水資源日益短缺，水資源問題已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了社會的進(jìn)步[1]。相較于其他國家，我國水資源問題更為嚴(yán)重。我國水資源問題主要表現(xiàn)在人均淡水分配量少和水資源污染嚴(yán)重兩個方面，污水處理能夠有效解決我國水資源短缺問題[2]。污水處理是指通過一系列操作使得污水水質(zhì)滿足再次使用或者排入某一水體的標(biāo)準(zhǔn)的過程。其中沉淀處理是污水處理過程中至關(guān)重要的一步，淤泥是污水沉淀的產(chǎn)物，實(shí)時檢測沉淀池中淤泥的高度將有利于污水處理工作的持續(xù)進(jìn)行[3]。本文研發(fā)了具有良好集成性和穩(wěn)定性的高精度超聲波泥位測量系統(tǒng)，具有重要的工程意義。

1 超聲波泥水界面檢測原理

超聲波具有指向性好、反射性強(qiáng)等特點(diǎn)，其能夠在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)之間形成的界面處發(fā)生反射（水、泥兩種介質(zhì)的聲阻抗相差很大），故可以通過測量超聲波傳播的渡越時間測量泥水界面。其基本原理為：MCU控制定時器產(chǎn)生一定頻率的PWM波，超聲波換能器將電脈沖轉(zhuǎn)換為超聲波脈沖并發(fā)射出去。超聲波脈沖經(jīng)水介質(zhì)傳播到泥水界面并反射回波，超聲波換能器接收回波并將其轉(zhuǎn)換為電信號，MCU檢測到回波信號并對其進(jìn)行信號處理，然后計(jì)算出渡越時間。超聲波在水介質(zhì)中傳播速度為定值，速度乘以渡越時間的一半即為泥水界面到超聲波換能器的距離[4]。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 超聲波測泥水界面原理框圖

2 超聲波泥位測量系統(tǒng)關(guān)鍵硬件電路

超聲波泥位測量系統(tǒng)硬件電路主要包括中央處理單元（以STM32G071K8T6芯片為核心的最小系統(tǒng)及其外圍電路）、電源模塊（由TPS5430和LT1117-3.3芯片及其外圍電路組成）、超聲波發(fā)射電路（由MOS管和變壓器及其外圍電路組成）、超聲波接收電路（采用TL074芯片組成兩級放大電路、二階帶通濾波電路和比較電路）、通信電路（采用MAX485芯片實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的串口通信）、顯示電路（采用0.96寸OLED屏實(shí)現(xiàn)泥位信息的實(shí)時顯示）、溫度補(bǔ)償電路（采用DS18B20對實(shí)時溫度進(jìn)行采集實(shí)現(xiàn)聲速補(bǔ)償）[5]。

2.1 超聲波發(fā)射電路

主控芯片發(fā)射的PWM波峰值電壓只有3.3 V，該信號無法直接驅(qū)動換能器。因此需要設(shè)計(jì)放大電路，本課題選擇采用場效應(yīng)管和變壓器相結(jié)合的方式對脈沖信號進(jìn)行功率放大[6]，其電路原理圖如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)射電路原理圖

超聲波發(fā)射電路主要由MOS管IRLU3410、變壓器及其外圍電路組成。MOS管搭建了一個開關(guān)電路，當(dāng)PWM波高電平信號到達(dá)G柵極時，晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且將PWM波信號電壓幅值放大到24 V。當(dāng)?shù)碗娖叫盘柕竭_(dá)G柵極時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。經(jīng)過MOS管初次放大后PWM波幅值達(dá)到24 V、頻率不變。然后通過變壓器的電磁效應(yīng)在次級線圈產(chǎn)生頻率為200 kHz、峰值為300 V左右的電信號。

2.2 超聲波發(fā)射電路

超聲波接收電路由限幅電路、初級回波放大電路、帶通濾波電路、次級回波放大電路和比較電路組成。電路原理圖如圖3所示。

圖3 超聲波接收電路原理圖

本課題采用的超聲波換能器為收發(fā)一體式換能器，其發(fā)射與接收共用一個端口。為避免發(fā)射波進(jìn)入接收電路對其造成破壞，設(shè)計(jì)限幅電路對信號幅值進(jìn)行限制。初級放大電路為反比例放大電路，即放大后的信號相位與原始信號相位相反，電壓增益A1=-R28/R27。帶通濾波電路為基于無限增益多路負(fù)反饋有源二階帶通濾波器，其中心頻率為198.5 kHz，品質(zhì)因子為10，中心頻率處的增益為-10[7]。次級放大電路為同向放大電路，以保證放大后的信號相位與原始信號相位相同，其電壓增益A2=R31/R31?；夭ㄐ盘柦?jīng)放大和濾波處理之后就可以對其進(jìn)行模擬量采集。為減少采集的數(shù)據(jù)量，設(shè)計(jì)了比較電路，即利用輸入捕獲確定是否有回波信號，如果捕捉到回波則進(jìn)行AD采集，否則不采集。通過電阻分壓法利用R37和R38設(shè)置比較閾值Vr，當(dāng)回波信號的閾值大于Vr時，運(yùn)放的14引腳輸出低電平，進(jìn)而控制三極管開關(guān)電路使得輸出端輸出高電平。當(dāng)回波信號值小于Vr時輸出低電平，表明無有效的回波信號。

3 超聲波泥位測量系統(tǒng)軟件算法

本課題軟件算法按模塊化設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)初始化配置、主程序、回波采集、信號處理、溫度補(bǔ)償、通信和顯示模塊。系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序運(yùn)行流程圖

3.1 ADC采樣區(qū)間確定

本課題采用比較電路通過輸入捕獲來確定ADC采集的時間，即當(dāng)回波幅值大于設(shè)置的閾值時，開啟ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。若將ADC采樣的時刻記為T0，CAP捕捉到連續(xù)高電平的時間即為T1，回波起點(diǎn)到達(dá)的時間記為T2，那么捕獲到高電平的時間前移大于T1-T2，才能捕捉到回波起點(diǎn)。測量距離的不同會導(dǎo)致回波信號幅值變化的陡峭程度不同，距離越近則回波幅值變化越陡峭，距離越遠(yuǎn)則回波從最小值到達(dá)最大值所用的時間越多。因此本課題采用最大量程下測得的（T0-T2）max值確定采集區(qū)間，這樣就能夠保證采集到的數(shù)據(jù)包含回波起點(diǎn)[8]。

3.2 回波起點(diǎn)識別

當(dāng)ADC將回波信號采集并由DMA搬運(yùn)至內(nèi)存后，主控芯片需要通過算法識別回波起點(diǎn)。本課題采用包絡(luò)特征識別法得到回波起點(diǎn)。具體流程如下：1）由于在設(shè)計(jì)電路時，回波信號的幅值被抬升了2.5 V，因此在對回波進(jìn)行處理之前需要將其幅值向下偏移2.5 V。2）對偏移后的信號進(jìn)行希爾伯特變換，求其包絡(luò)線。3）采用平均值法對希爾伯特變換求得的包絡(luò)線進(jìn)行濾波。本課題采用七點(diǎn)一次線性濾波，該濾波法既能使得濾波的曲線更為光滑，又不會造成數(shù)據(jù)失真。4）對濾波后的回波包絡(luò)求導(dǎo)數(shù)。若無回波信號，則包絡(luò)曲線接近于0；若有回波信號，則包絡(luò)曲線會向上增大。故對包絡(luò)曲線求導(dǎo)后，若接收到回波，則導(dǎo)數(shù)應(yīng)由0向正值增大。5）采用閾值法確定回波起點(diǎn)。設(shè)置電壓和時間閾值，通過實(shí)際測量確定閾值大小，然后將采集的數(shù)據(jù)與閾值相比較，就可得到回波起點(diǎn)[9]。

3.3 死區(qū)設(shè)置

將因?yàn)閾Q能器余震影響而無法測量的區(qū)域稱之為死區(qū)。死區(qū)距離與超聲波換能器固有屬性和發(fā)射的超聲波個數(shù)有關(guān)。鑒于上述問題，本課題采用不同量程對應(yīng)不同發(fā)波個數(shù)的方法解決死區(qū)過大和超聲波回波能量不足的問題。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：主控芯片先發(fā)射一個PWM波脈沖，利用示波器觀察其回波幅值，保證回波信號能夠被輸入捕獲和ADC采集且不影響測量精度。然后改變泥位高度，確定一個PWM波脈沖能夠測量的最大距離，將該距離記為h1。然后增加PWM波脈沖個數(shù)，并且通過示波器觀察其死區(qū)，據(jù)此找到某一合適的發(fā)波個數(shù)，使其死區(qū)最接近h1且小于h1，并根據(jù)前面的方法測量得到其最大測量距離，記為h2。以此類推，直至測量距離達(dá)到預(yù)定量程為止。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

由于條件所限，超聲波泥位測量系統(tǒng)的測試工作在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)平臺如圖5所示。實(shí)際泥位高度由卷尺測量得到，測量高度由串口助手讀取，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 精度測試數(shù)據(jù)mm

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該超聲波泥位測量系統(tǒng)絕對誤差≤4 mm，相對誤差≤0.2%，具有較高的測量精度。

5 結(jié)語

該投入式超聲波泥位測量系統(tǒng)具有體積小、安裝簡單、可視化等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)際測量，該系統(tǒng)絕對誤差≤4 mm，相對誤差≤0.2%，有較高的精度，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足沉淀池泥位測量的工程應(yīng)用需求。