摘 要：液位是现代工业生产中最基本和最常见的参数之一，尤其在饮料、发酵、溶液过滤等产业中，液位必须要实现精确控制和实时监控。超声波液位测控装置是利用超声波精确测距，经超声波传感器将信号反馈给控制系统，由控制系统通过调节调节阀开度来实现液位控制的装置。单片机作为现代自动控制的核心技术之一，在现代工业生产中的应用越来越广泛。本文阐述了如何将以AT89S51单片机为核心的控制系统应用到超声波液位测控装置中，旨在提高装置的可靠性和自控精度，从而提高整个系统的工作效率。
关键词：单片机控制系统 超声波液位测控装置 可靠性 自控精度 工作效率
中图分类号: TH6文献标识码：A文章编号：1007-9416(2011)08-0153-01
1、引言
长期以来，如何实现生产中液位的准确控制，一直困扰着人们。传统的液位测控装置，由于工艺陈旧、技术水平低下等因素，导致测控精度很差，控制调节反应滞后，结果影响了整个系统的工作流程，造成大量废料输出，使得原料大量浪费。
将单片机应用到液位测控装置不仅可以提高整个系统运行可靠性而且可以使整个系统的设计简化，方便安装，功耗减小等。
2、超声波液位测控装置介绍
2.1 超声波测距
利用超声波检测或感知物体时，具有非破坏性、遥控性、实时性、可穿透性等优点，因此利用超声波测距十分方便。通常工程中用到的方法主要有两种：直接测距法和反射测距法。
(1)直接测距法；直接测距法是将超声波发射器置于容器顶部，接收器置于液面位置，记录超声波发射器发射信号时的时间t1和接收器收到信号的时间t2，得到时间差t0，利用公式：
S=vt0(1)
得到液面到容器顶部的距离，其中t0=t1-t2,v=340m/s(超声波在空气中的传播速度)。
(2)反射测距法；反射测距法的基本原理是将超声波发射器和接收器同时装于容器顶部的同一高度，利用超声波遇到不同物质界面反射的特性，记录超声波发射器发出信号和接收器收到信号的时间t2、t3，得到时间差t0，利用公式：
S=vt0/2 (2)
得到液面到容器顶端的距离，其中t0=t3-t2。
对比两种方法，我们不难看出，方法1比方法2难以实现，方法1要求超声波接收器时刻在液面位置，方法2则不需要，只要将发射器和接收器安装在容器顶部的同一高度，通过公式（2）就可以得到我们需要的液位高度。
1.2 超声波传感器
利用超声波完成测距得到的信号，需要反馈给控制系统，控制系统经判断后决定是否对液位进行调节。如何将测距信号反馈至控制系统呢，这就需要超声声波传感器来发挥作用了。超声波传感器即超声波换能器，它的主要功能是将其他形式的能量转换为超声波信号或将超声波信号转化为其他容易检测到的能量信号。在液位测控装置中，它主要是完成电能和超声波能量的相互转换。
2、单片机控制技术在超声波液位测控系统中的应用
在进行液位调节时，控制系统的主要目的是保持液位恒定，而液位是否恒定是由容器内的压强是否恒定决定的，而压强的恒定与否则是由容器的开关阀开度大小决定的，因此可以说阀门一定开度对应着液位一定高度。若想保持液位恒定，只要将实测液位值与设定值进行必较，利用两者偏差并且经一定算法来控制管道阀门的开度即可。值得一提是只有当偏差超过一定设定值时，控制系统才会发出控制信号，对阀门开度进行调节。
2.1 基于单片机的控制系统
整个液位测控系统的结构可以分为超声波液位检测电路、液位控制电路、键盘电路和显示电路。系统的结构流程如图1所示。
2.2 单片机控制系统的软件流程分析
该控制系统的单片机软件程序主要由整机主程序和超声波测距程序组成。超声波测距程序主要由两个部分组成：超声波的接收与发送控制程序和超声波传播时间计算程序。(1)超声波的接收与发送；前面的测距电路输出端和单片机INT0端口相连，终端优先级最高，左右端测距电路输出通过放大器的输出和单片机INT1端口连接，与此同时，单片机的P1.1和P1.5接到放大器的输入端，中断源的识别由识别查询处理，中断优先级先右后左。(2)超声波传播时间；启动超声波发射电路的同时启动单片机内部定时器T1，利用其计数功能，记录超声波发射的时间和受到回波的时间。当收到回波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端口产生一个中断请求信号，单片机相应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算出手距离。
3、系统调试
3.1 硬件部分
超声波测距装置安装时应保持两个换能器中心轴线平行，相距4～8厘米为宜。系统运行时将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，以提高其抗干扰能力。适当调整与换能器并接的滤波电容大小，可以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
3.2 软件部分
硬件部分调试好以后，将程序编译好以后下载到单片机试运行。根据实际情况，修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的时间间隔。调试完成以后，对测量误差和重复性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。
4、结语
超声波液位测控系统由于应用了先进的单片机控制技术，经过验证该系统是合理的液位检测自动控制系统，这种合理性还表现在能耗小，安装方便等方面，正是由于这种合理性保证了超声波液位测控系统的高可靠性。
参考文献
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