基于单片机的超声波液位计设计中的功能说明_淮安润中仪表科技有限公司

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基于单片机的超声波液位计设计中的功能说明

基于单片机的超声波液位计是依据“时差法超声波测距”的原理设计而成。时差法超声波测距是一种普遍的液位检测方法。该方法利用测量传播时间最终获得测量距离,关键是得到精确的超声波实时声速。图3-1 为系统总体设计框图。基于单片机的超声波液位计的主要功能模块有:超声波模块、单片机模块、温湿度补偿模块、通信模块、显示与键盘模块。

图3-1 系统总体设计框图
超声波液位计
超声波液位计由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括IAP15F2K61S2 单片机最小系统、供电电源、温湿度传感器、超声波发射传感器、超声波接收传感器、键盘、液晶显示器、报警指示灯、远程通讯等部分。
3.2 单片机的选择
本文使用高性能61K 字节的片内Flash 程序存储器IAP15F2K61S2 作为核心处理器来控制外围模块,并利用IAP15F2K61S2 单片机对超声波回波信号进行处理,以提高液位计的测量精度。
IAP15F2K61S2 单片机是STC 生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速、高可靠、低功率、超强抗干扰的新一代51 系列单片机,指令代码完全兼容传统51 单片机,但速度快8-12 倍。内部集成高精度R/C 时钟(±0.3%),±1%温漂(-40℃~+80℃),常温下温漂±0.6%(-20℃~+65℃),5MHz-35MHz 宽范围可设置,可彻底省掉外部高昂的晶振和外部复位电路(内部已集成高可靠复位电路,ISP编程时8 级复位门槛电压可选)。3 路CCP/PWM/PCA,8 路高速10 位A/D 转换(30万次/ 秒), 内置2K 字节大容量SRAM, 2 组超高速异步串行通信端口
超声波液位计

超声波液位计

3.3 抗干扰设计
干扰通常会对软件造成影响但不会对硬件造成损坏。主要表现是:指令码或数据码受到干扰而发生跳变,结果可能造成数据码和指令码执行上的混乱。混乱的执行程序会破坏 RAM 存储器中的数据,还可能造成程序进入死循环,使整个系统崩溃。因此,抗干扰设计非常重要。
3.3.1 硬件抗干扰
超声波液位计是一个复杂的电路,包含了数电、模电等。为了提高液位计的稳定性,能够可靠的工作,主要从以下几方面做抗干扰措施。
1.抑制干扰源
尽量减小干扰源的电压变化率和电流变化率是抑制干扰源的主要措施。在干扰源两端并联电容来可以减小干扰源的电压变化率。减小干扰源的电流变化率则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。本文抑制干扰源的主要措施如下:
1)稳压芯片输入端接一个二极管。二极管用于防止电源反接烧坏控制电路,稳压芯片输入端和输出端均并联有一个100μF电解电容,大电容能够在电源有纹波时有效滤掉局部纹波,减小电压变化率。电路原理图如图3-3 所示。
2)本系统在每个 IC 并接一个0.01μF~0.1μF 的高频电容,减小了IC 对电源的影响。如图3-4 所示,24C64 存储芯片和MAX485 芯片均在电源和GND 之间并联有0.1uF 的去耦电容。
图3-4 24C64 和max485 电路的抗干扰设计
3)本系统布线时避免直角折线,以减少高频噪声发射,一般采用45 度折线。

超声波液位计
2.切断干扰传播路径
按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。切断干扰源采用了如下措施:
1)本系统将数字电路与模拟电路彻底分开,电源接入处与地线接出处一点相接地。
2)本系统将晶振与单片机引脚尽量靠近,用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳接地并固定。此措施可解决多数电磁干扰对晶振高频震荡时钟的影响。由于本文采用增强型单片机,其内部拥有高频RC 震荡电路,使用内部高频震荡更能减少外接电磁干扰影响。
3)本系统用地线把数字区与模拟区隔离,数字地与模拟地要分离,最后再汇合于电源地。数字地和模拟地一般采用磁珠(零欧电阻)隔离,或者用电感进行隔离。本文中采用10mH 电感将数字地和模拟地进行隔离,从而减小电流变化率。3.提高敏感器件的抗干扰性能
在本系统中,敏感元件是超声波的接收端。因其接收信号稍有变化,经过放大后即为严重的干扰信号。本文采用了如下措施提高敏感器件抗干扰性:
1)本文中所有的网络线均无环路布线,以尽可能低的降低环路电磁感应噪声。
2)本文中布线时选用较粗的电源线和地线,不仅减小压降外,还会有很好的容性,容性能够降低高频噪声。
3)本系统闲置的I/O 口均使用10K 电阻上拉到VCC。
4)在速度满足要求前提下,降低单片机的晶振和选用低速数字电路。例如本系统采用11.0592 MHz 内部晶振。本系统所选用单片机内部晶振高达33.1776MHz,但是由于11.0592 MHz 足可满足系统需要,故采用11.0592 MHz 内部晶振。RS485通讯波特率最高可以达到1Mbps,但是考虑到液位数据比较小,本液位计采用频率9600bps。
3.3.2 对电路板进行合理设计
在PCB 的设计中,应根据电路的布局规则和相关原理首先对元器件进行合理的布局,才能起到减小干扰的作用。在实际PCB 设计中,通过分析干扰产生的原理和可能的干扰途径,主要采取了以下措施:
1)本系统将电路按功能划分为几个模块,减少了模块间的相互干扰。
2)本系统在靠近集成芯片的电源引脚附近与地之间并接0.1μF 的旁路电容,以抑制电源线上的电压波动。
3)本系统将地线和电源线尽量加宽,走线减短,电路板上空余不用的地方都铺地,使其抗噪性能得到提高。
4)本系统使用的单片机的数据线也尽量减短,目的是减少对地电容。
3.4 电源及充电电路设计
超声波液位仪在长期固定于容器外部实现长期连续测量时,可采用交流供电,但在便携式安装进行短时间测量时,交流供电很不方便。因此,系统采用双电供电方式:220V 交流供电和锂电池。
 

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