超声波油位测量计的设计

　　1 引 言

　　设计超声波测距仪常使用专用集成电路 ( 如LM1812), 但专用集成电路的成本很高, 并且显示驱动复杂, 操作使用很不方便。本油位测量计由于使用了廉价的集成锁相环解码器 LM567[1-6]及单片机,因而具有价格低、直观、使用方便的特点。

　　2 超声波测距原理

　　当声波从液体或固体传播到气体, 或从气体传播到固体或液体时, 由于两种介质的密度相差悬殊,声波几乎全部被反射[7]。因此, 当置于容器顶部的换能器向液面发射短促的声脉冲时, 经过时间 t, 换能器便可以接收到从液面反射回来的回波声脉冲。设换能器发射面到液面的距离为 h1, 声波在空气中的传播速度为 v, 则存在如下关系

　　由于声波在空气中的传播速度 v 已知, 因此可用测时间的方法确定出距离 h1。设换能器发射面到容器底部的距离为 h2, 则被测油位

　　3 测量计的硬件组成及工作原理

　　测量计的硬件组成如图 1 所示。单片机从管脚P1.2 输出约 40kHz 的方波, 经高速光电耦合器隔离、放大电路驱动后从超声波发射头发出超声波, 同时单片机内的定时器开始计时; 超声波传播到液面后反射回来被接收头接收; 经过两级运放 A1(同相放大)、A2( 反相放大) 放大后送到 LM567 的输入端(3 脚); 解码器 LM567 捕捉到超声波信号后输出低电平(8 脚在未捕捉信号时为高电平), 此负跳变引起单片机中断, 定时器停止计时, 定时器定时时间即为超声波从发射到接收的时间 t; 单片机计算出的距离送 LCD 显示。光电耦合器的作用是隔断超声波发射时对单片机的干扰, 驱动电路采用+15V 电源供电, 以提高测量距离。

　　为使测量计能用干电池供电,电路中采用了一节+15V干电池, 通过高效率 DC-DC 转换芯片 ICL7663 降压后给单片机供电。ICL7663具有高达90%的转换效率,输出电压波动只有1%, 不外加驱动可提供 40mA 输出电流, 供电变换电路如图 2 所示。由于声速与温度密切相关, 设计中对温度进行了检测[2], 并用一片 I2C 串口芯片 24C01 存储各种温度下的声速的值。

　　显示电路采用了类似 LED 数字显示的 LCD 集成模块 SMS0403[3], 它的供电电压为+5V, 只需要 1根数据线及 1 根时钟线即可与单片机相接, 驱动程序非常简单[4]。

　　4 单片机测量控制软件设计

　　单片机测量控制程序流程图如图 3 所示。程序采用 C 语言编程, 用 Keil C51 编译, 生成目标代码。为了产生 40kHz 的方波( 晶振频率为 12MHz, 低电平 13 个机器周期, 高电平 12 个机器周期, 输出矩形波频率为 40kHz), 超声波发射程序采用内汇编的方式用汇编语言编程, 供 C 语言主程序调用, 发射子程序如下: