具有語音播報(bào)功能的超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：超聲波測(cè)距相比于其它測(cè)距方法，具有非接觸、高精度、價(jià)格低、使用方便等優(yōu)越性。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的需要，設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為主控芯片的具有語音實(shí)時(shí)播報(bào)和無線收發(fā)功能的超聲波液位計(jì)系統(tǒng)。首先介紹了超聲波測(cè)距原理，然后設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)方案及各個(gè)電路模塊，包括發(fā)射電路、接收電路、語音播報(bào)電路、無線收發(fā)電路等，其次設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件程序。最后進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明在加入溫度補(bǔ)償后測(cè)量精度可以達(dá)到0.8%，語音播報(bào)和無線收發(fā)穩(wěn)定。

　　引言

　　接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是測(cè)量感應(yīng)元件和被測(cè)物體接觸，因此容易出現(xiàn)儀器測(cè)量物的磨損、堵塞或者腐蝕。非接觸式液位測(cè)量系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是測(cè)量敏感元件和被測(cè)物體不接觸，測(cè)量?jī)x器不受被測(cè)介質(zhì)的影響，但容易受到被測(cè)介質(zhì)和環(huán)境因素影響。非接觸式液位測(cè)量技術(shù)有：微波雷達(dá)測(cè)量技術(shù)、射線液位測(cè)量技術(shù)、光學(xué)測(cè)量法、超聲波測(cè)量技術(shù) 。超聲波測(cè)量技術(shù)成本低、無輻射、精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)超聲波傳感器體積小、所需硬件電路簡(jiǎn)單 。本文針對(duì)一些易爆、易揮發(fā)、強(qiáng)腐蝕及有毒液位的測(cè)量問題設(shè)計(jì)了超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)，深入討論了用超聲波作為信號(hào)源進(jìn)行液位測(cè)量的優(yōu)越性，討論了產(chǎn)生誤差的原因，并提出了相應(yīng)的解決辦法，給出了具體的軟硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容。

　　1 超聲波測(cè)距原理

　　1.1 超聲波衰減特性

　　我們一般把頻率為20kHz-500MHz的聲波稱為超聲波，超聲波是一種機(jī)械波，即是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的一種傳播過程，它的特征是頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，另外方向性好，能夠成為射線而定向傳播。

　　聲波在各種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫做超聲波的衰減。其產(chǎn)生原因可分為三個(gè)方面：(1)超聲波在介質(zhì)中散射而產(chǎn)生的能量損失，稱為散射衰減;(2)聲束擴(kuò)散產(chǎn)生的能量衰減;(3)介質(zhì)內(nèi)耗所產(chǎn)生的吸收衰減。圖1為聲壓在不同距離下的衰減特性，介質(zhì)吸收而使得聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)規(guī)律衰減。距離聲源X處的聲壓P和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律為

　　式(1)和式(2)中，X為超聲波與聲源間的距離， α為衰減系數(shù)，P₀為聲源處的聲壓，P為距聲源X處的聲壓，I₀為聲源處的聲強(qiáng)，I為距聲源X處的聲強(qiáng)。

　　本設(shè)計(jì)測(cè)量范圍為0—5.0m，經(jīng)過分析在此距離范圍內(nèi)，超聲波頻率為40kHz時(shí)最佳。

　　1.2 超聲波測(cè)距的原理

　　超聲波測(cè)距有多種方法，如聲波幅值檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、渡越檢測(cè)法等。其中，聲波幅值檢測(cè)方法簡(jiǎn)單且價(jià)格便宜，但易受反射波的干擾，測(cè)量精度不高;相位檢測(cè)法測(cè)量精度高，但適合小范圍測(cè)量環(huán)境;渡越時(shí)間檢測(cè)法的測(cè)量距離較遠(yuǎn)、測(cè)量精度較好。本設(shè)計(jì)采用渡越時(shí)間檢測(cè)法，如圖2所示。工作方式是通過換能器發(fā)射出超聲波，超聲波遇到液面后被物體反射，傳到接收器中，此過程時(shí)間為t。