水箱液位测量系统方案设计报告

核工程检测技术项目研究

水箱液位测量系统方案设计报告

目 录

第一章 方案设计 ............................................................................................................................. 3 第二章 设计计算 ............................................................................................................................. 4 第三章 设备仪表选型 ..................................................................................................................... 6

3.1单片机ATC51 ................................................................................................................. 6 3.2超声波液位传感器 ............................................................................................................ 6 第四章 安装要求 ............................................................................................................................. 7 第五章 工程预算 ............................................................................................................................. 7 参考文献........................................................................................................................................... 7

第一章 方案设计

根据设计要求，本系统主要由水位信号采集模块、A/D转换模块、显示模块等模块构成，其系统方案框图如下图：

信号检测A/D转换图片 1 系统框图

单片机显示模块（1）信号采集，采集液位数据。

（2）A/D转换模块，将采集的水位信号传输给A/D转化器，经转换后传输给单片机。

（3）单片机模块，使用51单片机，作为电路控制的核心。 （4）显示模块，用数码管显示液位高度。

传感器选择超声波水位传感器，超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化的量的水位测量仪器。由收发共用换能器发射一声脉冲，经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。

第二章 设计计算 水位测量原理如图所示， LoL600mm水面SH水位零点600mm 图片 2 水箱液位测量示意图

由收发共用声学探头发射一声脉冲，经声管传声L声程遇水界面产生反射，反射波又经L声程由同一声学探头接收，只要测得声波（由发射至接收到回波）在空气中的传播时间t及现场声速c，就可测算出声学探头发射至水面的距离，即：

Lct/2 （1）

在此设计上采用自校准技术对声速进行补偿，即在连接声学探头的第一节声管的已知距离L0处开有一校准用的小圆孔。声学探头发射的声脉冲首先遇小孔这一界面产生反射回波，这一回波传播的声程2L0为已知，传播时间T0可测出，传播声速若为C0则有：

L0=C0T0/2 (2)

取校准孔回波与水面回波传播声程的比值则有：

Lct (3） L0C0T0由（1）知声程L是传播声速c、C0，传播时间t、T0和校准孔距L0的函数。

如果在声管中传播声速由发射面至水面间变化很小，这样（1）式就可以简化为：

LtL0/T0 （4） 发射声脉冲后，测得T0、t即可算出声程L。

由原理图可知，探头安装基准面至水位零点高度为S，则水位值H为：

H=S-L （5） 式中：H为水位值；S为探头发射面至水位零点距离；L为探头发射面至水面间距离。

第三章 设备仪表选型

3.1单片机ATC51

ATC51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。ATC51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。

ATC51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，ATC51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

3.2超声波液位传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方超声波液位传感器向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

第四章 安装要求

将超声传感器和水箱地面平行安装，距离水箱最高液面不远处，防止水溅射到传感器。

将传感器采集的水位信号传输给A/D转化器，经转换后传输给单片机，经单片机显示到显示屏上。

第五章 工程预算

表格 1 预算表

名称 价格/元 ATC51单片机 30 超声波液位传感器 1180 各类杂物 500 总计 1710

参考文献

[1]彭军.传感器与检测技术[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2003. [2]李萍.51系单片机丛书AT80C51单片机原理、开发与应用实例[M].北京：中国电力出版社，2008