用ADUC812超声波非接触液位计.pdf

用ADuC812 设计超声波非接触液位计 作者：黄河水利委员会河南水文水资源局（450004 ）李德贵 陶金荣 来源：《电子产品世界》 摘要：阐述了超声波非接触液位计测量的原理，给出了硬件电路和软件编程的设 计方法，对其应用也作了简单介绍。 关键词：ADuC812 芯片、超声波、液位、非接触 1.概述 随着电子技术、计算机技术以及大规模集成电路芯片技术的飞速发展，超声测距 技术也日臻成熟。于九十年代初，国内开始将超声测距技术应用于河流、湖泊、 水、渠等水体的水位测量中及其油、浆等液体的液位测量之中，并开始发挥其重要 作用。 ADuC812 是ADI 公司99 年开发面市 的新一代、带有嵌入 式闪速MCU 的多通 道12 位A/D 转换 器，用ADuC812 作 为核心，加上超声波 发、收电路以及存 储、显示等电路所组 成的超声波非接触液 位计，不仅减小了仪器的体积，更增加了仪器的可靠性、稳定性和实用性。 2.ADuC812 芯片特性 图1 是ADuC812 内部功能框图，该芯片具有与8051 兼容的内核，额定工作频率 为12MHz （最大为16MHz），3 个16 位定时器/计 数器，32 条可编程的I/O 口线，端口3 具有高电流 驱动能力，9 个中断源并有2 个优先级。芯片内集 成有8K 字节闪速/ 电擦除程序存储器，640 字节闪 速/ 电擦除数据存储器，片内充电泵（不需要外部 Vpp ）；256 字节片内数据RAM ，16M 字节外部数 据地址空间，64K 字节外部程序地址空间。在摸拟 输入输出方面：片内集成有8 通道、高精度的12 位 A/D ，片内40ppm/ ℃电压基准，采样速率达200kSPS ，DMA 控制的高速A/D 至 RAM 捕获，2 个12 位电压输出D/A ，片内温度传感器功能。在电源方面，芯片可 用3V 或5V 供电，并有正常、空闲和掉电三种工作摸式。片上还集成有：UART 输入/输出口，双线（I2C 兼容）和SPI 串行I/O 口，看门狗定时器和电源监控电 路。 3.测量原理 超声波非接触液位计的测量原理如图2 所示：由CPU 控制超声发射电路，通过 超声传感器发射超声脉冲波，该脉冲波遇到被测液面（水面）后，反射到超声传感 器，CPU 通过测计发射、接收之间超声波往返的传播时间t （秒），来计算测量距 离h ，图2 中： h=1/2·vt （米） v 为空气中的声速，其近似公式为： v=331.45+0.61T （米/秒） T 为测量时的气温（℃），可以在测量距离的同时测量气温来进行对声速的修 正。 图2 中设传感器安装高程为H0 （可在安装传感器时测得），则液位H 可用下式 算得： H=H0-h=H0-1/2·vt （米） 本液位计时间测量精度为微秒级，温度测量精度为0.1℃，由此产生的液位测量 误差经分析计算为1 厘米。 4.硬件电路设计 根据液位测量原理及ADuC812 的特性, 非接触超声波液位计的电 路组成如图3 所示：主要有单片 机控制系统，时钟值班电路，超 声波发射、接收电路，键盘显示 等部分组成。 单片机控制系统 以ADuC812 为核心，控制液位计测量、运算处理、显示、打 印、向外传送数据等。设计6 位LCD 液晶显示器用来显示液位和参数值，用 TPup-16 微型打印机记录测量时的时间、液位；设计有256KB×8 字节的自带电池 保护的非易失数据存储器SRAM，用来存储时间及液位；超声传感器的安装高 程、时钟及测量、打印、存储液位的时间间隔等参数都是通过4 个功能键置入的。 为提高液位计的可靠性，设计有上电复位、手动复位及自复位（利用ADuC812 内 部的看门狗定时器）；为了能适时向外传送测量结果，液位计设计有与无线数传电 台及有线的RS-232 接口，便于用户配接。 时钟值班电路为满足水文自动化测报的需要，液位计的电源值班电路由微功耗 的电源变换器件及逻辑电路等组成，用来根据所设定的测量时间间隔，产生上电控 制信号，使除打印机以外的整个液位计得电工作，打印机只有在到达设定的打印时 间才由CPU 控制上电打印，打印完毕即关闭打印机电源；当液位计每次的测量工 作完成后即由CPU 送出掉电控制信号，使除值班电路正常供电外，其余电路全无 电能消耗。 模拟电路包括超声波的发射、接收、信号转换及温度的测量等几部