目录
3.液位计的设计
3.1设计要求
3.2硬件设计
3.3用LM567作为回波检测电路
3.4实验中出现的问题解决
3.5测量距离的计算及误差的消除
结束语 对于中小型加油站等小型油库、贮油罐的业主来说，需要随时得知贮油量，以利于保持油料进出的基本平衡。在我国，测量油位采用的渚如磁致伸缩式液位测量仪，一方面价格太高，中小企业主不愿意承担;另一方面，安装、维护、使用不方便，带来了不必要的麻烦，因此需要一种使用方便、具有一定精度的液位测量仪。为满足贮油罐业主的这种需求，本文介绍了一种低成本、便携式的实用型液位计;此液位计采用了超声波检测技术，以超声波换能器作为传感器件，以廉价的集成锁相环音频解码器LM567作为回波的捕获器件，以单片机作为主控器。文中还给出了硬件设计电路及单片机软件程序流程图，对液位计出现的测量误差也进行了详细的分析并提出了解决的方法。
1.液位计介绍
在容器中液体介质的高低叫做液位，测量液位的仪表叫液位计。液位计为物位仪表的一种。液位计的类型有音叉振动式、磁浮式、压力式、超声波、声呐波，磁翻板、雷达等。其特点：
(1)稳定性好，满度、零位长期稳定性可达 0.1%FS/ 年。在补偿温度 0 ～ 70 ℃范围内，温度飘移低于 0.1%FS ，在整个允许工作温度范围内低于 0.3%FS 。
(2)具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限流在 35MA 以内。
(3)固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。
(4)安装方便、结构简单、经济耐用。
图1 液位计
2.LM567的内部结构及功能
LM567是一种常见的低价解码集成电路，其内部结构如图2a所示。LM567内部包含了两个鉴相器、放大器、电压控制振荡器VCO等单元件。其典型的应用电路如图2b所示。
图2 LM567内部结构厦典型电路困
锁相环路输出信号由电压控制振荡器VCO产生，电压控制振荡器的自由振荡频率(即无外加控制电压时的振荡频率)与脚5～脚6外接定时元件R1、C1的关系式为：f0≈(1/1.1)R1C1。选用适当的定时元件，可使LM567的振荡频率在0.01Hz～500 kHz范围内连续变化。脚l～脚2外接滤波电容C2、C3。LM567—般作为锁相环路解码器，即当从脚3输入的信号的频率在f0附近的带宽BW范围内时信号被捕捉到，从输出脚8输出低电平(未捕捉时为高电平)。带宽BW可由式(1)计算得到：
式中：ui为输入信号的幅值，r/rain，ui<200 mV;C2为滤波电容，μF可调节带宽。
实际上。由上式计算得出的并不是环路带宽BW的实际值，而是环路带宽BW与环路中心频率工的百分比，其值再乘上100%才是锁相环路的实际捕获带宽。
对输入信号的要求是ui>20mV，式(1)是ui<200mV时的近似计算公式，捕捉带宽与ui的关系如图3所示。可见ui>200mV时带宽仅由f0与C2的积决定。
图3 带宽与输入电压度c2的关系
3.液位计的设计
3.1设计要求
小型加油站、油库等业主对液位计的价格比较敏感，并且要求液位计方便携带、方便操作，同时对测量精度也有一定要求。为此研制了手持式液位计，其具体的技术参数如下：测量方式为非接触式;测量范围<5 m;测量误差<1 cm;测量温度范围为0～85℃;测量环境压强为1个标准大气压;供电方式为干电池;液位计尺寸为15cm×5cm×3cm。
3.2硬件设计
综合考虑技术参数的要求决定采用通用的40kHz超声波换能器作为测量液位的传感器件，并用单片机作为主控器件。液位计的硬件组成如图4所示。
图4 液位计硬件框图
当声波从液体或固体传播到气体，或从气体传播到固体或液体时，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。由此，当置于容器顶部的换能器向液面发射短促的声脉冲时，经过时间t，换能器便可以接收到从液面反射回来的回波声脉冲。设换能器发射面到液面的距离为h1，声波在空气中的传播速度为v，则存在如下关系：
由于声波在空气中的传播速度v已知，因此可用测时间的方法确定距离h1。设换能器发射面到容器底部的距离为h2，则被测液位H计算如下：
3.3用LM567作为回波检测电路
超声波检测一般采用超声波检测专用集成电路LM1812，虽然效果较好，但价格较贵，且要用到电感等既笨重又易引入干扰的元件。用作液位测量的超声波其频率一般在40 kHz左右，正好落在LM567可捕捉的范围内，完全可用它作为超声波检测集成电路。图5是LM567超声波检测电路。单片机从输出引脚输出约40 kHz的方波，经三极管T后从超声波发射头发出超声波，同时单片机内的定时器开始计时，超声波碰到液面后反射回来被接收头接收，经过两级运放放大后送到LM567的输入端(脚3)，LM567捕捉到超声波后输出低电平(脚8未捕捉时为高电平)，此负跳变可作为中断输人引起单片机中断，定时器停止计时，定时器计时时问即为超声波从发射到接收的时间t。
图5 超声波检测电路
3.4实验中出现的问题解决
LM567存在着输出延时，如果不予以考虑将产生较大的测量误差。L51567的最大输出延时与带宽的关系如图6所示。由图6可见最大延时在27个以上超声波周期之间，本设计中延时选定为27个超声波周期。延时并不影响测量，在测量程序设计时可将其忽略，但要求延时较固定。为使延时比较固定，就要求有较固定的捕捉带宽，这就要求运放要有足够大的放大倍数。以使输入信号足够大。但输入LM567的信号又不能太大，否则易引入干扰信号造成LM567输出不稳定。本设计中运放的总放大倍数小于200;带宽BW也不能太宽，否则干扰信号的影响较大，BW=5%左右为好。单片机测量程序流程图如图7所示。
图6 最大输出延时与带宽的关系
图7 程序流程图
3.5测量距离的计算及误差的消除
测得的距离：
式中：T为定时器的计数值;T=1μs为机器周期。从公式可以看出影响测距的两个重要因素为超声波的速度及计数值。声速主要与温度有关，另外还与气体密度等现场条件有关。声速与温度的关系为：
通过离线计算出各温度下的声速值，预先存放到系统的串行存储器24C01中，温度传感器得到测量现场的温度值，查找存储于24C01中与各温度值对应的值得到超声波的声速，将此值传回单片机。如果v以344 m/s左右的整数代人，对声速的最小调整量为l m/s，则由于声速调整不准造成的误差为0.5×1/344≈0.15%。对公式作如下改造：
由于声速调不准造成的误差减少为原来的1/30。V及60000都为双字节数，由于T为双字节(TH、TL)，故计算h1分两步进行：①双字节乘法V×T;②4字节除2字节除法VT/60000，结果为2字节数。对应的程序如下：
结束语
本设计的实验测量距离与实际距离比较结果如表1所示。由表1可见用LM567作为超声波检测电路不仅价格很低且具有较高的测量精度，达到了设计的技术要求。本液位计已应用于小型储油罐油位测量及锅炉水位检测中。由于本液位计由干电池供电，不需要安装，使用方便，且为非接触式测量，作为便携式液位计，可广泛应用于野外无交流电源的情况下测量液位的场所及有化学污染等人体不便于接触的场所。