船用超声波液位检测器设计

王志坤，杨　录

(中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051)



船用超声波液位检测器设计

王志坤，杨录

(中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051)

摘要：以PIC18F26K80为核心，采用105 kHz超声波换能器，设计一种游艇内部使用的液位检测器。该液位检测器能够准确检测游艇中各液体的储量，其结果以CAN总线的方式传送到上位机，该电路主要包括超声波收发模块、温度补偿模块以及CAN通信模块。在0.05 m~1 m范围内，精度可达到0.01 m。

关键词：超声波；PIC单片机；CAN

游艇上油量、饮用水以及污水的储量对安全航行起着重要参考作用。游艇中液体液位数据的实时获取和数据的实时传输对船舶续航能力，对游艇安全具有重大意义。超声波液位检测器作为一种典型的测量仪器，具有非接触性，精度较高，通用性好，适应性强等优点，在很多场合有着广泛的应用。本设计采用105 kHz的超声换能器，测量范围在0.05 m~1 m，测量精度在±0.01 m。

1工作原理

超声波测液位的基本原理[1]是：发射传感器在脉冲信号激励下发出超声波，声波通过传声媒介传到被测液体表面，在液体表面形成反射波；通过计算得到超声波从发射到接受所传播的时间，再根据超声波在介质中的传播速度，可计算出液位的高度。

2硬件电路

超声波检测系统由超声波发射与接收探头、放大滤波电路、微处理器、温度补偿电路以及CAN通信电路组成。本设计选用PIC18F26K80单片机作为主控芯片，该单片机具有功耗低，开发简单，可靠性高，自身带有CAN通信模块以及驱动能力强等优点。

2.1发送模块

超声波发射电路是在探头上施加与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲，驱动超声波换能器发出具有一定能量的超声波。发射电路采用PIC单片机发出频率为105 kHz的脉冲，三极管和变压器对其升压放大，驱动超声波换能器发射出能量足够大的超声波。

2.2接收模块

超声波信号在传播过程中，由于介质吸收、声束扩散等原因会发生衰减，接收到的回波信号很弱，而且回波信号中伴随噪声信号，因此接收电路要对回波信号进行放大、滤波。

接收电路如图1，当回波信号经过三极管组成的放大电路后，信号幅值放大15倍，其中二极管D8起保护作用。因回波信号中包含超声波之外的其他干扰信号，接收的信号会带有噪音，因此需要带通滤波器滤波，抑制噪声放大信号，提高信噪比。本设计采用“无限制增益多路反馈”带通滤波器对前级信号进行放大滤波，中心频率处放大2倍，带通滤波器的频率带宽10.5 kHz，品质因数Q=10。运算放大器的型号选择NE5532，此放大器具有更好的噪声性能，信号带宽窄，并且可以单电源供电，满足测量需要。为进一步防止噪声信号对测量的干扰，设计一个比较器电路，当信号超过阈值时，判断为有效回波。

图1　检测器接收电路

3软件设计

软件设计框图如图2所示。软件设计运用模块化程序设计思想，对不同功能的程序进行分别编程，这样不但使整个软件的层次和结构比较清晰，而且有利于软件的调试和修改。

图2　软件设计框图

4误差分析

1) 声波衰减误差[4]

空气介质本身不是完全纯净，空气中超声波传播的波动方程为：

A=A0e-2whcos(wt+kt) .

随着测量距离h的增加，声波的振幅衰减不断增加，收到的回波可能十分微弱，要捕获第一个回波信号，必须对回波进行足够的放大。如果不能准确判断第一个回波信号，将会对测量的精度产生影响。在接收电路中采用三极管和运算放大器两级放大电路，有助于减少此类误差。

2) 液面波动误差[5]

由于液体声阻抗比较大，从空气射入液体表面的超声波会发生很强烈的反射[6]。但是游艇位于水面面上，容器内部液体不断波动，发射的超声波不一定会按照设定的方向返回，可能造成测量误差。因此需要在容器内部放置一个浮子，从而减少液面波动带来的波动的影响以提高测量的精度。

5结论

随着科技的进步，高精度并稳定液位检测器的需求不断扩大，基于PIC单片机的超声波液位检测器采用105kHz的超声波探头，通过温度补偿和滤波分析，实现了精度高，可靠性强的要求，在游艇智能航行与监控领域中获得广泛的应用。

参考文献

[1]丁辉.计算超声学:声场分析及应用[M].北京:科学出版社,2010.

[2]李扬.基于超声波测距的船舶液位检测系统[D].重庆:重庆大学，2012.

[3]王占选.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计[J].电声技术,2014，38(2):35-38.

[4]王丽娜，赵东娥.基于小波变换高精度在线超声波测距技术研究[D].长春：长春理工大学,2007.

[5]张珂，刘钢海.提高超声波测距精度的研究[J].现代电子技术,2007(15):13-14.

[6]支高飞，李斌.基于AR模型对超声波液位检测信号的特征提取[J].电声技术,2009，33(5):48-50.

The Design of Ultrasonic Liquid Level Detector for Marine

Wang Zhikun, Yang Lu

(NationalKeyLabofElectronicMeasurementTechnology,SchoolofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China)

Abstract:Taking the Pic18f26K80 as the system core, a liquid level detector is designed using 105 kHz ultrasonic transducer. The detector can examine the reserve volume of all kinds of liquid and transmits the data to upper monitor by CAN. The system mainly includes the ultrasonic transceiver module, temperature compensation module and CAN communicating module. It meets the requirement with the precision accuracy at 0.01 m within the range of 0.05 m~1 m.

Key words:ultrasonic; PIC; CAN

中图分类号：TP212.9

文献标识码：A

文章编号：1674- 4578(2016)01- 0033- 02

作者简介：王志坤(1990- )，男，黑龙江人，硕士研究生，研究方向：超声无损检测。

收稿日期：2015-10-04修回日期：2015-11-13