具有語音播報功能的超聲波液位測量系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要：超聲波測距相比于其它測距方法，具有非接觸、高精度、價格低、使用方便等優(yōu)越性。針對實際應(yīng)用的需要，設(shè)計了一種以單片機為主控芯片的具有語音實時播報和無線收發(fā)功能的超聲波液位計系統(tǒng)。首先介紹了超聲波測距原理，然后設(shè)計了系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)方案及各個電路模塊，包括發(fā)射電路、接收電路、語音播報電路、無線收發(fā)電路等，其次設(shè)計了系統(tǒng)軟件程序。最后進行了系統(tǒng)測試。測試結(jié)果表明在加入溫度補償后測量精度可以達到0.8%，語音播報和無線收發(fā)穩(wěn)定。

　　引言

　　接觸式液位測量系統(tǒng)的共同特點是測量感應(yīng)元件和被測物體接觸，因此容易出現(xiàn)儀器測量物的磨損、堵塞或者腐蝕。非接觸式液位測量系統(tǒng)的共同特點是測量敏感元件和被測物體不接觸，測量儀器不受被測介質(zhì)的影響，但容易受到被測介質(zhì)和環(huán)境因素影響。非接觸式液位測量技術(shù)有：微波雷達測量技術(shù)、射線液位測量技術(shù)、光學測量法、超聲波測量技術(shù) 。超聲波測量技術(shù)成本低、無輻射、精度高等優(yōu)點，同時超聲波傳感器體積小、所需硬件電路簡單 。本文針對一些易爆、易揮發(fā)、強腐蝕及有毒液位的測量問題設(shè)計了超聲波液位測量系統(tǒng)，深入討論了用超聲波作為信號源進行液位測量的優(yōu)越性，討論了產(chǎn)生誤差的原因，并提出了相應(yīng)的解決辦法，給出了具體的軟硬件設(shè)計內(nèi)容。

　　1 超聲波測距原理

　　1.1 超聲波衰減特性

　　我們一般把頻率為20kHz-500MHz的聲波稱為超聲波，超聲波是一種機械波，即是機械振動在彈性介質(zhì)中的一種傳播過程，它的特征是頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，另外方向性好，能夠成為射線而定向傳播。

　　聲波在各種介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，其強度會逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫做超聲波的衰減。其產(chǎn)生原因可分為三個方面：(1)超聲波在介質(zhì)中散射而產(chǎn)生的能量損失，稱為散射衰減;(2)聲束擴散產(chǎn)生的能量衰減;(3)介質(zhì)內(nèi)耗所產(chǎn)生的吸收衰減。圖1為聲壓在不同距離下的衰減特性，介質(zhì)吸收而使得聲壓和聲強按指數(shù)規(guī)律衰減。距離聲源X處的聲壓P和聲強I的衰減規(guī)律為

　　式(1)和式(2)中，X為超聲波與聲源間的距離， α為衰減系數(shù)，P₀為聲源處的聲壓，P為距聲源X處的聲壓，I₀為聲源處的聲強，I為距聲源X處的聲強。

　　本設(shè)計測量范圍為0—5.0m，經(jīng)過分析在此距離范圍內(nèi)，超聲波頻率為40kHz時最佳。

　　1.2 超聲波測距的原理

　　超聲波測距有多種方法，如聲波幅值檢測法、相位檢測法、渡越檢測法等。其中，聲波幅值檢測方法簡單且價格便宜，但易受反射波的干擾，測量精度不高;相位檢測法測量精度高，但適合小范圍測量環(huán)境;渡越時間檢測法的測量距離較遠、測量精度較好。本設(shè)計采用渡越時間檢測法，如圖2所示。工作方式是通過換能器發(fā)射出超聲波，超聲波遇到液面后被物體反射，傳到接收器中，此過程時間為t。