基于單片機(jī)的超聲波油位測量儀的研究和實(shí)現(xiàn)

黃四青+馮學(xué)軍

摘 要： 針對采油廠油位實(shí)時(shí)檢測難度大的問題，開發(fā)一種基于單片機(jī)的超聲波油位測量儀。測量儀以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，利用超聲波作為信息檢測手段，以實(shí)現(xiàn)采油廠儲油罐中的油位檢測，并使用最小二乘法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和超聲波檢測技術(shù)研制出來的超聲波油位測量儀，具有非接觸性、自動控制、測量精度高、成本低廉、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 超聲波； 油位測量； 儲油罐； 最小二乘法

中圖分類號： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）14?0150?03

Research and implementation of ultrasonic wave oil?level measurement device

based on single?chip microcomputer

HUANG Si?qing1， FENG Xue?jun2

（1. Zhongbei College， Nanjing Normal University， Nanjing 210046， China；

2. College of Computer Science and Technology， Nanjing Normal University， Nanjing 210046， China）

Abstract： An ultrasonic wave oil?level measurement device based on single?chip microcomputer was developed to overcome the difficulty of real?time oil level detection for oil production plant. The single?chip microcomputer system is the core of ultrasonic oil level detection instrument， which utilizes ultrasonic wave as information detecting means to realize oil level detection of oil tank， and adopts the least square method to analyze and process the measured data. The ultrasonic wave oil level measurement instrument based on computer technology and ultrasonic detecting technology has the advantages of non?contact， automatic control， high?precision measurement， low cost， powerful function， etc. It has a wide application prospect and use value.

Keywords： ultrasonic wave； oil?level measurement； least square method

本文所討論的超聲波油位測量儀，傳感器不直接接觸被測原油，這種測量方法有很高的應(yīng)用價(jià)值，特別是在中小型油田開采企業(yè)。安裝投入低，采油場的每一口儲油罐上都要安裝一套超聲波探測器，儲油罐的總數(shù)量很大，所以，投入低對于油田來說是很有吸引力的。其次是安全可靠，原油有很強(qiáng)的揮發(fā)性，其揮發(fā)出的有很多是可燃性氣體。測量精度高，儲油罐橫截面大，測量精度低，就會引起很大的測量誤差。安裝方便，超聲波油位測量儀體積小，現(xiàn)場安裝很方便[1]。

1 超聲波油位測量儀的設(shè)計(jì)

超聲波油位測量儀是根據(jù)“脈沖?回波測距”的原理設(shè)計(jì)的[2?3]。由超聲波的發(fā)射器發(fā)射超聲波，聲波遇到障礙物后反射，由超聲波接收器接收回波。測出從超聲波發(fā)出脈沖串至接收到回波信號的傳輸時(shí)間，由于超聲波在同一種介質(zhì)中的傳輸速度是不變的，所以根據(jù)時(shí)間和聲速，就可算出測量距離[4?6]。

超聲波油位測量儀的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 超聲波油位測量儀系統(tǒng)框圖

超聲波油位測量儀由硬件和軟件兩部分組成。其中，硬件部分的研究重點(diǎn)是怎樣提供超聲波信號的工作穩(wěn)定性；軟件部分的研究重點(diǎn)是對原始數(shù)據(jù)的處理分析，相關(guān)軟件算法的設(shè)計(jì)及運(yùn)用。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用了一些抗干擾措施[1]。

2 硬件設(shè)計(jì)[1]

硬件功能包含：主要完成模擬電路以及數(shù)字電路部分，模擬部分包括超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)以及超聲波接收電路的設(shè)計(jì)，數(shù)字電路部分包括AT89S51單片機(jī)電路、通信部分和溫度測量電路的設(shè)計(jì)。

2.1 超聲波發(fā)射電路

如圖2是超聲波的發(fā)射電路，其中T1是超聲波的發(fā)射探頭，R3是與探頭匹配的電阻，有減小超聲波發(fā)射頭的余振的作用，TRANS是升壓變壓器，初級與次級之比為1∶10。本文中使用的單片機(jī)系統(tǒng)電源電壓為5 V，單片機(jī)發(fā)出來的激勵脈沖信號為8個(gè)左右的5 V方波信號，方波信號經(jīng)過三極管Q2，再經(jīng)變壓器放大升壓以驅(qū)動超聲波探頭工作。

圖2 超聲波發(fā)射電路

2.2 超聲波接收電路

從圖3可以看到，集成芯片CX20106在接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收專用芯片。

圖3 超聲波接收電路

2.3 串口通信電路

串口通信電路采用MAX 232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換見圖4。

2.4 溫度測量電路

溫度傳感器電路相對簡單，這里使用的溫度傳感器是DS18B20，它是一種數(shù)字傳感器，直流5 V供電，單總線輸出，上拉電阻R6=4.7 kΩ，單片通過一個(gè)I/O口即可讀出數(shù)字溫度值。如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)[1]

軟件部分主要包括初始化模塊、超聲波激勵信號的產(chǎn)生，回波信號的獲取，原始數(shù)據(jù)的采樣，多級數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)通信等功能。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可使程序設(shè)計(jì)思路清晰，便于調(diào)試。

圖4 串口通信電路

圖5 溫度測量電路

在連續(xù)N次測量之后，主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理模塊。首先對N個(gè)測量值按照測量值的大小進(jìn)行排序，然后從N個(gè)測量值中剔除越界數(shù)據(jù)，N個(gè)測量被剔除了越界數(shù)據(jù)之后，只剩下了M個(gè)有效值，對這M個(gè)有效值進(jìn)行平均值算法，從而獲得一個(gè)優(yōu)化后的測量值。把這個(gè)優(yōu)化后的測量值代入最小二乘法的經(jīng)驗(yàn)公式中，計(jì)算得到最后的理想值，并通過串口發(fā)出如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4 超聲波油位測量儀實(shí)際測量效果[1]

4.1 超聲波發(fā)射信號

超聲波驅(qū)動電路激發(fā)超聲波探頭發(fā)出的超聲波信號如圖7所示。

圖7 超聲波發(fā)射信號示意圖

4.2 發(fā)射信號與返回波信號疊加后的實(shí)驗(yàn)效果

超聲波發(fā)射信號與返回波信號疊加后的實(shí)驗(yàn)效果示意圖8所示。

5 結(jié) 論[1]

油位測量儀從串口發(fā)出的測量結(jié)果如下：

CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E6 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD

從串口發(fā)出的測量結(jié)果可以看出，測量的數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定，根據(jù)軟件中定義的串口協(xié)議可知，CF為數(shù)據(jù)包頭，06為數(shù)據(jù)包總長，02為指令號，03 E8 為測量數(shù)據(jù)，F(xiàn)D為數(shù)據(jù)包尾。以上數(shù)據(jù)包中的兩字節(jié)數(shù)據(jù)基本上在03 E8左右波動一個(gè)單位，測量實(shí)際位置在1 m左右，根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算出來的實(shí)際距離在1 m上下幾個(gè)mm波動（十六進(jìn)制03 E8轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制為1 000，單位為mm）。符合實(shí)際測量要求。

圖8 超聲波發(fā)射信號與返回波信號疊加后的

實(shí)驗(yàn)效果示意圖

參考文獻(xiàn)

[1] 黃四青.基于單片機(jī)的超聲波油位測量儀的研究和實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2011.

[2] 崔艷.超聲波油量測量儀的研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2003.

[3] 白雪皎.超聲波油量測量儀的研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2006.

[4] 田曉娟.基于單片機(jī)的超聲波淤泥界面檢測系統(tǒng)的開發(fā)[D].濟(jì)南：山東輕工業(yè)學(xué)院，2008.

[5] 沙愛軍.基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].電子科技，2009，22（11）：57?61.

[6] 李星.淺談AT89C52單片機(jī)在超聲波測距儀當(dāng)中的應(yīng)用[J].河南科技，2010（16）：147.

圖3 超聲波接收電路

2.3 串口通信電路

串口通信電路采用MAX 232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換見圖4。

2.4 溫度測量電路

溫度傳感器電路相對簡單，這里使用的溫度傳感器是DS18B20，它是一種數(shù)字傳感器，直流5 V供電，單總線輸出，上拉電阻R6=4.7 kΩ，單片通過一個(gè)I/O口即可讀出數(shù)字溫度值。如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)[1]

軟件部分主要包括初始化模塊、超聲波激勵信號的產(chǎn)生，回波信號的獲取，原始數(shù)據(jù)的采樣，多級數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)通信等功能。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可使程序設(shè)計(jì)思路清晰，便于調(diào)試。

圖4 串口通信電路

圖5 溫度測量電路

在連續(xù)N次測量之后，主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理模塊。首先對N個(gè)測量值按照測量值的大小進(jìn)行排序，然后從N個(gè)測量值中剔除越界數(shù)據(jù)，N個(gè)測量被剔除了越界數(shù)據(jù)之后，只剩下了M個(gè)有效值，對這M個(gè)有效值進(jìn)行平均值算法，從而獲得一個(gè)優(yōu)化后的測量值。把這個(gè)優(yōu)化后的測量值代入最小二乘法的經(jīng)驗(yàn)公式中，計(jì)算得到最后的理想值，并通過串口發(fā)出如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4 超聲波油位測量儀實(shí)際測量效果[1]

4.1 超聲波發(fā)射信號

超聲波驅(qū)動電路激發(fā)超聲波探頭發(fā)出的超聲波信號如圖7所示。

圖7 超聲波發(fā)射信號示意圖

4.2 發(fā)射信號與返回波信號疊加后的實(shí)驗(yàn)效果

超聲波發(fā)射信號與返回波信號疊加后的實(shí)驗(yàn)效果示意圖8所示。

5 結(jié) 論[1]

油位測量儀從串口發(fā)出的測量結(jié)果如下：

CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E6 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD

從串口發(fā)出的測量結(jié)果可以看出，測量的數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定，根據(jù)軟件中定義的串口協(xié)議可知，CF為數(shù)據(jù)包頭，06為數(shù)據(jù)包總長，02為指令號，03 E8 為測量數(shù)據(jù)，F(xiàn)D為數(shù)據(jù)包尾。以上數(shù)據(jù)包中的兩字節(jié)數(shù)據(jù)基本上在03 E8左右波動一個(gè)單位，測量實(shí)際位置在1 m左右，根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算出來的實(shí)際距離在1 m上下幾個(gè)mm波動（十六進(jìn)制03 E8轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制為1 000，單位為mm）。符合實(shí)際測量要求。

圖8 超聲波發(fā)射信號與返回波信號疊加后的

實(shí)驗(yàn)效果示意圖

參考文獻(xiàn)

[1] 黃四青.基于單片機(jī)的超聲波油位測量儀的研究和實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2011.

[2] 崔艷.超聲波油量測量儀的研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2003.

[3] 白雪皎.超聲波油量測量儀的研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2006.

[4] 田曉娟.基于單片機(jī)的超聲波淤泥界面檢測系統(tǒng)的開發(fā)[D].濟(jì)南：山東輕工業(yè)學(xué)院，2008.

[5] 沙愛軍.基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].電子科技，2009，22（11）：57?61.

[6] 李星.淺談AT89C52單片機(jī)在超聲波測距儀當(dāng)中的應(yīng)用[J].河南科技，2010（16）：147.

圖3 超聲波接收電路

2.3 串口通信電路

串口通信電路采用MAX 232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換見圖4。

2.4 溫度測量電路

溫度傳感器電路相對簡單，這里使用的溫度傳感器是DS18B20，它是一種數(shù)字傳感器，直流5 V供電，單總線輸出，上拉電阻R6=4.7 kΩ，單片通過一個(gè)I/O口即可讀出數(shù)字溫度值。如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)[1]

軟件部分主要包括初始化模塊、超聲波激勵信號的產(chǎn)生，回波信號的獲取，原始數(shù)據(jù)的采樣，多級數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)通信等功能。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可使程序設(shè)計(jì)思路清晰，便于調(diào)試。

圖4 串口通信電路

圖5 溫度測量電路

在連續(xù)N次測量之后，主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理模塊。首先對N個(gè)測量值按照測量值的大小進(jìn)行排序，然后從N個(gè)測量值中剔除越界數(shù)據(jù)，N個(gè)測量被剔除了越界數(shù)據(jù)之后，只剩下了M個(gè)有效值，對這M個(gè)有效值進(jìn)行平均值算法，從而獲得一個(gè)優(yōu)化后的測量值。把這個(gè)優(yōu)化后的測量值代入最小二乘法的經(jīng)驗(yàn)公式中，計(jì)算得到最后的理想值，并通過串口發(fā)出如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4 超聲波油位測量儀實(shí)際測量效果[1]

4.1 超聲波發(fā)射信號

超聲波驅(qū)動電路激發(fā)超聲波探頭發(fā)出的超聲波信號如圖7所示。

圖7 超聲波發(fā)射信號示意圖

4.2 發(fā)射信號與返回波信號疊加后的實(shí)驗(yàn)效果

超聲波發(fā)射信號與返回波信號疊加后的實(shí)驗(yàn)效果示意圖8所示。

5 結(jié) 論[1]

油位測量儀從串口發(fā)出的測量結(jié)果如下：

CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E6 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD

從串口發(fā)出的測量結(jié)果可以看出，測量的數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定，根據(jù)軟件中定義的串口協(xié)議可知，CF為數(shù)據(jù)包頭，06為數(shù)據(jù)包總長，02為指令號，03 E8 為測量數(shù)據(jù)，F(xiàn)D為數(shù)據(jù)包尾。以上數(shù)據(jù)包中的兩字節(jié)數(shù)據(jù)基本上在03 E8左右波動一個(gè)單位，測量實(shí)際位置在1 m左右，根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算出來的實(shí)際距離在1 m上下幾個(gè)mm波動（十六進(jìn)制03 E8轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制為1 000，單位為mm）。符合實(shí)際測量要求。

圖8 超聲波發(fā)射信號與返回波信號疊加后的

實(shí)驗(yàn)效果示意圖

參考文獻(xiàn)

[1] 黃四青.基于單片機(jī)的超聲波油位測量儀的研究和實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2011.

[2] 崔艷.超聲波油量測量儀的研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2003.

[3] 白雪皎.超聲波油量測量儀的研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2006.

[4] 田曉娟.基于單片機(jī)的超聲波淤泥界面檢測系統(tǒng)的開發(fā)[D].濟(jì)南：山東輕工業(yè)學(xué)院，2008.

[5] 沙愛軍.基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].電子科技，2009，22（11）：57?61.

[6] 李星.淺談AT89C52單片機(jī)在超聲波測距儀當(dāng)中的應(yīng)用[J].河南科技，2010（16）：147.