超声波传感器在工业上的应用.docx
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超声波传感器在工业上的应用
高精度超声波测距系统设计
利用超声波测量距离的原理可简单描述为:
超声波定期发送超声波,遭遇障碍物时发生反射,发射波经由接收器接收并转化为电信号,这样测距技术只要测出发送和接收的时间差,然后按照下式计算,即可求出距离:
由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比拟迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能到达工业实用的要求,因此,广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。
目前的测距量程上能到达百米数量级,测量的精度往往能到达厘米数量级。
本文在分析现有超声波测距技术根底之上,给出了一种改良方案,测量精度可达毫米级。
2系统方案分析与论证
2.1影响精度的因素分析
根据超声波测距式
(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。
对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定,为了能够提高计时点选择的准确性,本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。
此外,当要求测距误差小于1mm时,假定超声波速度C=344m/s(20℃室温),忽略声速的传播误差。
那么测距误差s△t<0.000002907s,即2.907ms。
根据以上过计算可知,在超声波的传播速度是准确的前提下,测量距离的传播时间差值精度只要在到达微秒级,就能保证测距误差小于1mm的误差。
使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度,因此系统采用AT89S51的定一时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。
超声波的传播速度主要受空气密度所的影响,空气的密度越高那么超声波的传播速度就越快,而空气的密度又与温度有着密切的关系。
温度与超声波的速度之间的近似公式为:
式中:
C0为零度时的声波速度332m/s;T为实际温度(℃)。
由此可见,测量精度与温度有着直接的关系,本文采用DS18B20温度传感器,对外界温度进展测量,并在软件中实现温度补偿。
2.2整体方案设计
本文主要采用单片机控制技术,实现准确的超声波测距方案,整个系统由超声波收发单元、波形校准单元、温度测量单元、显示单元和控制单元5个单元组成。
其中,超声波收发单元主要实现超声波的接发送和接收;信号处理单元主要实现去除干扰、波形整形、锁相环等功能,便于实现准确计时;温度测量单元主要测量外界温度,实现温度补偿;显示单元实现测量数据的显示;单片机为控制单元,完成指令发送,接收数据,进展计算等任务。
3系统硬件设计
3.1超声波发射局部
本文中脉冲发射采用软件方式,利用AT89S51的P1.0口发射40kHz的方波信号,经过74HC04放大后输出到超声波换能器,产生超声波。
74HC04是一个高速CMOS六反相器,具有放大作用,具有对称的传输延迟和转换时间,而相对于LSTTL逻辑IC,它的功耗减少很多。
对于HC类型,其工作电压为2~6V,它具有高抗扰度,可以兼容直接输入LSTTL逻辑信号和CMOS逻辑输入等特点。
本系统将40kHz方波信号分成两路,分别由74HC04经两次和一次反向放大,从而构成推拉式反向放大。
电路图如图2所示。
3.2超声波接收局部
超声波接收局部采用集成芯片CX20106A,这是一款红外线检波接收的专用芯片。
内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。
可以利用它作为超声波检测电路。
接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器,将信号调整到适宜的幅值;再经过带通滤波器滤波得到有用信号,滤除干扰信号;最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路,实现准确的计时。
CX20106A的外部接线图如图3所示。
图3中1脚是接收信号输入端,2脚是调节接收信号灵敏度,电阻越小,灵敏度越高。
电容越大,灵敏度越高。
电容一般取1μF,电阻50~300Ω的,在干扰较大的场合增加电阻阻值可将灵敏度调低,干扰小的场合减小阻值将灵敏度调高。
5脚主要用来调节中心频率,这里取200kΩ,7脚接上拉电阻,这里取1kΩ左右。
3.3显示局部
显示局部采用共阴极数码管,由单片机实现控制,单片机的P0口输出段码,P2口用作位码,用PNP型三极管驱动(本设计采用9018),由于单片机I/O口的驱动能力非常小,P0口需外接上拉电阻来增加驱动能力,应用时要注意,在低电平时,可能由于电流直接经电阻流进I/O的灌流太大而烧毁单片机,所以提升电阻一般取600~1000Ω。
实验证明,数码管亮度适宜。
其原理图如图4所示。
3.4温度测量局部
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,将其数据线与单片机的P1.3相连,就可以实现温度测量。
测量的温度精度可以到达0.1℃,测量的温度的范围在-20~+100℃。
电路如图5所示。
4系统软件设计
测距系统软件采用汇编语言,由发射脉冲子程序、用中断实现回波接收子程序、计算距离子程序、数码管显示子程序和计时单元延时子程序几局部组成,采用模块化编程。
其软件流程图如图6所示。
程序首先初始化需要用到的存放器,内存单元,设置中断触发方式,并初始化DS18B20,然后控制P1.0口输出12μs的高电平,再输出13μs的低电平,循环10次便可发射10个频率为40kHz的脉冲信号。
经过一段延时后,CPU开放中断,开场计数,将计数器初值设为延时所经过的距离,计数器每过一个计时单元加一。
中断产生,停顿计数,最后将计数器中的值数据处理后显示到数码管上。
如果计数器中的值小于预定值就由软件产生一定频率的信号到蜂鸣器报警,并启动报警灯。
当需要所存数据时,由外部中断判断键盘是否按下,通过不断显示上次测量数据来锁定数据。
当检测到键盘再一次按下时,按取消锁存,并继续测量距离。
5结语
应用本系统3mm~20m内的目标做了屡次测量,测量结果为,其最大误差为1.5mm,且重复性好。
可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件构造简单、工作可靠、测量误差小等特点。
因此,它可用于许多对测量要求精度高,测量范围适当的设备和各种检测系统中
多用途的超声波雾化器
该雾化器具有以下特点:
分体式,即超声雾化头与电源和电路局部完全别离;便携式,体积小、即插即用、设有自保功能;高可靠,可全天候工作;雾化量大,与别墅的山水盆景配套可发生云雾缭绕的动感;特别适合过分枯燥的环境对空气加湿,以利人的呼吸;在水中参加适量的某种溶剂,给被污染的居住环境消毒,以预防疾病(如把生活用醋定时雾化,可预防流感);雾化器(成品)售价低、性价比高,欲自制雾化器,仅器材和工时费也难敌上述的性价比。
一、电路工作原理
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该雾化器电路如图1所示,电源经变压器B〔AC220V/30W〕降压(36V)送D1-D4整流和C5、C6滤波后给电路提供工作电压。
雾化器工作电路由振荡器、换能器和水位控制电路等组成。
1.振荡器和换能器,电路中的振荡器是一种由高频压电陶瓷片TD(超声换能器)组成的工作振荡器,其振荡频率为1.65MHz(决定于选定的TD)。
晶体三极管BG1和电容器C1、C2等构成电容三点式振荡器电路。
C1和电感L1等效并联的谐振频率比工作频率低,其作用是决定工作振荡器的振荡幅度;C2和电感L2等效串联的谐振频率比工作频率高,其作用是决定工作振荡器的反应量,以保证振荡器起振和维持电路的可靠振荡。
压电陶瓷片TD具有很大的等效电感,它除决定电路的工作频率外,同时又是雾化器的工作负载。
假设更换压电陶瓷片TD,无需调整电路其他参数,其振荡器频率也能自动跟踪新的压电陶瓷片的频率而工作。
2.水位控制和偏置电路电路中的超声换能器TD(又称雾化头)和其上安装的两根水位控制触针,他们是浸没在浅水水溶液中工作的。
假设长期雾化,一旦液面降低而使雾化头的水位控制触针露出水面时,振荡器会自动停顿工作,这也防止了雾化头因发热而损坏。
图1电路中的BG2、BG3管、触针A、B以及相关的电阻,共同组成水位控制电路。
电路工作时,电源通过触针A、B和水溶液给BG3的射极提供电源。
BG3管导通工作。
BG2管起开关作用。
当BG3工作时,BG2管也导通,电源通过BG3、BG2、R3、L3向BG1管提供偏置电流,使BG1管振荡工作。
一旦液面降低、控制触针露出水面,电源到BG3管的通路被切断,BG3管截止,BG2开关也断开,此时BG1因无偏置电流而迅速停顿振荡。
调整电阻R3的阻值,可以直接改变BG1管的偏置电流,所以振荡器的调试十分简单和方便。
电路中的D7是BG1管be结的保护二极管。
二、超声雾化器构造 1.雾化器构造,该雾化器外形如图2所示。
雾化头外壳是铜质材料的铸件,铜壳外表镀铬抛光,其外形尺寸为442mm×l5mm,铜壳内封装有换能器(镍或钛高频压电片)和功率管BG1,换能器紧贴BG1管以利工作时在溶液中散热。
铸件铜壳是可拆卸的,只需旋转壳面上的定位口,即可更换压电片。
此外两根水位控制触针紧固在铜壳内,并按一定距离排列再垂直伸出壳外一定高度,以便控制被雾化溶液的最低水位。
雾化器电源和工作电路都单独装在一个工程塑料壳内,当该装置的输入插入电源后,输出会通过导线给雾化头供电工作。
据称该雾化器厂家,不仅提供雾化器成品,也提供全套散件出售。
基于超声波传感器的水位自动控制系统研究
1引言目前国内在液位自动控制方面缺少长期可靠的使用范例,还没有适用于液位测量和自动控制的定型产品。
因此,开展液位自动控制的研究工作十分必要。
系统为一个水位监测与控制装置,通过键盘可以设定瓶内液位〔0~25cm内的任意值〕,并通过控制电磁阀〔或类似于电磁阀的装置〕使瓶内的液位到达设定值,液位超过25cm或低于2cm时会发出警报。
显示器能实时显示当前液位状态和瓶内液体重量以及阀门状态。
2系统功能概述及框图本设计利用MCS-51单片机结合数字芯片、模拟电路,完成对水位的检测和自动控制。
根本工作流程为:
主机通过键盘设定自己和从机的液位,超声波传感器测出当前水位对应的电压值,再经过ICL7135模数转化送入控制器与设定值比拟,单片机通过控制电磁阀调节主机液位,并把设定值与当前值显示在LCD上;主机控制器通过485通讯对从机控制器传输设定值,从机控制器也可以如主机控制器一样对液位进展控制,并通过LCD显示主机给定值与当前液位值;并利用485通讯把从机当前液位传送给主机显示出来。
系统由单片机系统数据处理模块、A/D数据输入模块、485通讯模块、液位控制及报警模块及键盘和显示模块等几局部组成。
系统总框图如图1所示。
3方案论证与比拟考虑系统的要求,在对器件的选择过程中,侧重于对传感器和模数转换芯片的选择。
3.1传感器系统设计过程中,主要对以下三种传感器进展了选择比拟。
方案一:
压力传感器
图1系统框图
目前的液位压力传感器大局部是投入式静压液位变送器,而投入式静压液位传感器只有参考大气压才能进展准确测量,然而连接电缆中的通气会受到环境的影响,造成气管内壁冷凝,结露。
露水滴到电子器件和传感器上,会影响精度或者输出漂移。
同时,结露过快,变送器的使用寿命也会大大缩短。
此压力传感器容易受到环境的影响而造成测量不准确,并且安装不方便。
方案二:
压阻式压力传感器压阻式传感器是用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制作扩散压敏电阻;硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性,当硅片受压后,膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化;此变阻器容易受外部环境的影响,如温度,从而造成测量不准确,而且体积一般比拟大,不易安装、不易携带;一般其准确度也比拟低。
不能满足设计的需要,所以不选择。
方案三:
超声波传感器超声波传感器是工业领域内第一款在产品上带有按键设定功能和自诊断功能的小型传感器。
它虽然体积小,但是具有其它大型传感器所具有的功能,安装使用方便而且不受被测物体的颜色影响,有许多特设功能,如:
具有自诊断LED显示和按键设定功能、温度补偿功能、可选择模拟量或开关量输出等;其供电电压为10~30V,测量范围为30mm~300mm,输出电压0V~10V,输出电流为4mA~20mA,最小负载阻抗2.5欧,精度可到达0.5mm,外形分为直线型和直角型。
感应口径为18mm。
超声波传感器所具有的条件满足设计所需要0~25cm的液位控制,以及液位误差不超过±0.3cm的要求,并且解决了安装不方便的难题。
所以本设计选择了精度高,体型小的超声波传感器。
3.2A/D转换器所采用的A/D转换器的精度和性能直接影响后端单片机接收数据的精度,在此我们对以下两种AD转换器进展比拟分析。
方案一:
采用8位ADC0809A/D转换器ADC0809是常用的8位A/D转换器,属逐次逼近型,ADC0809由单一+5V供电,片内含带有锁存功能的8路模拟电子开关,可对0~+5V8路的模拟电压信号分时进展转换,完成一次转换约需100us,所以速度较快,但是ADC0809芯片分辨率低,精度不够,不能满足本系统要求,不予采用。
方案二:
采用4位半双积分A/D转换器ICL7135ICL7135是应用广泛的4位半双积分A/D转换器,动态BCD码输出的积分型A/D转换器。
其特点是:
精度高、极性自动转换输出、自动校零、单一电源工作、动态BCD码输出。
由于双积分方法的二次积分时间比拟长,所以A/D转换速度慢,通常为〔3~10〕次/s,此外,对周期变化的干扰信号积分为零,抗干扰性能也比拟好。
在同等精度的情况下,价格低于逐次逼近式A/D转换器,因而在对速度要求不高的场合,更宜于采用这类A/D转换器。
考虑系统的要求,本设计采用控制精度较高的ICL7135A/D转换器。
4硬件电路及软件设计本设计的硬件电路包括最小系统电路、液位控制及报警电路、ICL7135信号采集传输电路、键盘和显示模块等。
4.1最小系统〔电源供电电路与I/O扩展及选通电路〕本设计使用的最小系统板是以80C52单片机为内核,并且具有良好的扩展性。
CPU外接11.0592MHz的晶振,主要由74LS373锁存电路、74LS138译码电路以及按键、显示器件、ICL7135及其外围典型电路组成,并用8255外扩了I/O接口。
最小系统电路如图2所示。
图2最小系统电路图
本电路需外接一个AC220/9V的变压器,变压器的二次侧通过整流滤波后输入CW7805便可得到+5V电压,此电压做最小系统的电源。
系统中通过8255外扩了PA、PB、PC共24个I/O口,以便作为系统的输入输出通道。
用74LS138的输出作为各个芯片的译码选择端,除最小系统中使用的Y0~Y3外,还有Y4~Y7可供其它扩展使用。
4.2液位控制及报警电路本设计的液位控制电路是一闭环电路,传感器把液位传给单片机与设定值比拟,单片机通过对电磁阀的控制来控制液位。
用9V电源对继电器供电,使用了24V电源对传感器供电,用220V交流电对电磁阀供电;在报警电路中,利用9V电源对蜂鸣器供电,当液位超过25cm或低于2cm时发出报警。
在供水回路中,用电动机进展循环供水,保证程序的连续运行。
4.3ICL7135信号采集传输电路本电路由一个小型集成电路来实现,采样后的信号经过电位器送到ICL7135进展处理,将处理后信号直接送到单片机最小系统。
ICL7135量程为0~2V,基准电压由MC1403输出〔2.5V〕分压获得1V电压。
HC240是八位缓冲线/线驱动器,内含八个具有三态输出反相缓冲器。
三态输出的反相缓冲器,输出允许控制端〔ENA、ENB〕,每一个EN控制四个缓冲器,1A、2A数据输入,1Y、2Y输出。
输出分别送出个、十、百、千、万位。
HC157是四路二选一开关,1为选择输入端,S为低电平时,选择A输出;S为高电平时,选择B输出ICL7135的BCD码的位选通输出端D1-D5分别接8位可编程逻辑接口电路8255的PA0~PA3和PB0~PB4。
CPU可读取各个位的状态并判断,从而在ICL7135的B1~B8输出端读取BCD数据。
ICL7135信号采集传输电路如图3所示。
图3ICL7135信号采集传输电路
4.4软件设计软件局部主要是利用51系列单片机作控制器,传感器输出电压进展采样,将采样值与设定值比拟,单片机对电磁阀控制来调节液位,主机通过485通讯给分机设定数值,分机控制器对分机液位进展控制。
软件局部包括ICL7135采样局部、485通讯局部、数字处理局部、显示局部、键盘局部等。
为了防止在传感器移动造成测量数据不准确,特别增加了调零功能,进一步提高了系统的准确性。
主程序流程图如图4所示。
图4主程序流程图
5实验结果及分析需要的测试设备有4位1/2高精度数字万用表、刻度尺、100M双踪数字示波器。
测试结果如表4-1所示。
表4-1测试数据
由以上数据我们可以看出,系统的各个检测单元的测试数据精度很高、液晶显示值和测量值与设定值非常接近,与传感器输出电压成线性关系,与重量也成一定的比例关系,这与硬件的选择及其参数的匹配以及软件控制算法的选择是不可分割的。
6设计总结本设计在硬件上,使用S18UUA超声波传感器,ICL7135等高精度芯片和仪器进展液位测量,使所测量的液位精度远高于液位误差不超过±0.3cm的要求。
此外,本设计还应用了MAX485通讯,OCM4X8C液晶显示LCD等芯片和元件,使设计更符合实际应用的要求,也相应的降低了软件设计的难度。
在软件上,采用标准化的编程方法,有效的减少了程序所需要的存储空间。
目前本课题主要用于地下水位的检测,工程经济效益接近15万元。
本文作者创新点:
〔1〕采用超声波传感器进展测量,提高了系统精度。
〔2〕主站能测量并显示主站自己和任何一个分站的液位高度、液体质量和阀的状态。
〔3〕主站能设定自己的入水阀和出水阀状态。
〔4〕分站能显示该分站的液位高度,液体重量,显示和设定入水阀出水阀状态。
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