专利名称：智能超声波液位变送器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量仪表，特别是一种智能的超声波测量液位的变送器。
背景技术：
随着经济高速发展，环境污染也日趋严重，其中一个重要原因是监督力度的不足和监控手段的落后，由于利益驱使，某些企业随意偷排污水和非达标排污现象时有发生，传统的监测方法靠人工进行采样分析及统计，该方法工作量大、效率低，不能及时检测企业排污流量和污染治理设施运行状况，难以达到预期的监督效果。提供一个有效、实用和先进的监控系统和解决方法，对加强环境监测力度显得极为迫切。
目前，使用较普遍的非接触式传感器为超声波液位计，其工作原理是传感器发出的超声波信号在气液交界面产生反射回波，并以与发射波相反的传播路径反射到传感器，准确测量从发射信号到接收信号之间的时间间隔，就可以计算液面高度。现在用于测量明渠流量的超声波液位计种类较多，国外的产品虽然质量可靠稳定，但价格昂贵，用户难以接受；而国内的产品价格仍然偏高，并且抗干扰能力较差。
发明内容
为了克服现有技术和产品的不足，本实用新型的目的在于提供一种测量精度高、价格低的使用方便的智能超声波液位变送器。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是智能超声波液位变送器，其特征在于微处理器MPU产生间歇的方波信号，方波信号经功率放大器后输出到超声波发射探头，产生发射波，发射波传播至被测液面经反射形成回波，回波传播到超声波接收探头，经转换的信号经接收电路的功率放大器放大后输入到超声波收发控制逻辑电路，超声波收发控制逻辑电路产生微处理器MPU中断信号，微处理器MPU停止计时，并在中断服务程序中读出计时值，完成一次测量，微处理器MPU测得自起动发射波至收到回波信号的时间，其数据通过接发控制器、通信接口与外界进行信息传输。
回波传播到超声波接收探头后，经转换的信号经接收电路的功率放大器、低通滤波器、整形和限幅电路后输入到超声波收发控制逻辑电路。
微处理器MPU连接有温度检测单元，温度检测单元检测环境温度，微处理器MPU根据从温度检测单元读出的温度值，对测量的液位值进行温度补偿。
由于液体容器内壁或边沿对超声波的反射，造成对变送器所接收的正常超声波反射信号的干扰，造成变送器的测量误差，为了减少误差，超声波接收探头套有PVC管，并且该PVC管向液面方向延伸，从而屏蔽了容器内壁所反射的超声波干扰信号，变送器的液位测量精度提高。
本实用新型的有益效果是本超声波智能变送器用超声波这种非接触方式测量液体的液位高度，准确测量从发射信号到接收信号之间的时间间隔，就可以计算液面高度，本变送器工作环境适应性强、耐腐蚀、寿命长、带测量值温度补偿，测量精度高、价格低。
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型的原理方框图；图2是本实用新型的电路原理图；图3是本实用新型的程序流程图；图4是本实用新型的安装结构图。
具体实施方式
参照图1，本实用新型的智能超声波液位变送器包括微处理器MPU、超声波输出电路的40KHz方波功率放大器、超声波发射探头、超声波接收探头、超声波接收电路的40KHz方波功率放大器、低通滤波器、整形和限幅电路、超声波收发控制逻辑电路、环境温度检测单元和RS485接发控制器和RS485通信接口。
本实用新型的变送器的工作原理是由微处理器MPU产生间歇的40KHz方波信号，方波信号经功率放大器后输出到超声波发射探头，从而产生同频率的发射波，发射波传播至被测液面经反射形成回波，回波传播到超声波接收探头，经转换的信号经接收电路的功率放大器、低通滤波器、整形和限幅电路后输入到超声波收发控制逻辑电路，超声波收发控制逻辑电路产生微处理器MPU中断信号，微处理器MPU停止计时，并在中断服务程序中读出计时值，完成一次测量，微处理器MPU测得自起动发射波至收到回波信号的时间，通过声速计算出液位到超声波发射探头和超声波接收探头的距离，进而算出液位的高度，其数据通过通信接口与外界进行信息传输。
为了提高该变送器的测量精度，微处理器MPU连接有温度检测单元，温度检测单元检测环境温度，微处理器MPU根据从温度检测单元读出的温度值，对测量的液位值进行温度补偿。
本实用新型的变送器采用数字输出方式，变送器的数字输出由完整的通信协议保证，由微处理器MPU通过RS485接口与外部智能设备通信，交换信息。
结合图1、图2和图3，本实用新型的具体电路及其工作过程如下+9V电源E0与二极管D4的正极相连，二极管D4的负极与电容C19和瞬间电压抑制器ZD1的一端相连，并接至集成块IC8的1脚，电容C19和瞬间电压抑制器ZD1的另外一端接地，集成块IC8的3脚与微处理器MPU的20脚、电容C17、C18相连，集成块IC8的输出电源E2为数字电路供电，电容C17、C18的另外一端及集成块IC8的2脚接地；集成块IC2的1脚与+9V电源相连，集成块IC2的3脚分别与电容C8、C9一端相连，产生电源E1为模拟电路供电，电容C8、C9的另一端及集成块IC2的3脚接地。由于模拟电路和数字电路的电源分开，可减少数字电路对模拟电路的干扰。
微处理器MPU的辅助电路有晶振电路和复位控制器及看门狗定时器，晶振电路由晶体X1、电容C15、C16组成，谐振器X1的一端与微处理器MPU的4脚及电容C15的一端相连，谐振器X1的另一端分别与微处理器MPU的5脚及电容C16的一端相连，电容C15、C16及微处理器MPU的10脚接地，它们为微处理器MPU提供工作时钟。复位控制器及看门狗定时器由型号为CSI1161的集成块IC7及电阻R27、R28、R29、R30组成，+5V电源E2与集成块IC7的8脚及电阻R28、R29、R30的一端相连，电阻R28的另一端分别与集成块IC7的6脚、微处理器MPU的17脚相连，电阻R29的另一端分别与集成块IC7的5脚、微处理器MPU的18脚相连，电阻R30的另一端分别与集成块IC7的2脚、微处理器MPU的1脚相连，集成块IC7的7脚与电阻R27的一端相连，电阻R27的另一端及集成块IC7的5脚接地。电阻R28、R29、R30分别为IC7的6、5、2脚提供上拉，其中5、6脚为I2C总线接口分别与微处理器MPU的18、17脚相接，并通过它们与微处理器MPU通信，集成块IC7的2、7脚是复位控制器的两个输出端，其中2脚为低电平复位输出，接入微处理器MPU的复位端1脚，7脚不用，为使集成块IC7正常工作，R7为其下拉电阻。
超声波收发控制逻辑电路是由集成块IC4组成，集成块IC4的8、5、3、2脚分别与微处理器MPU的6、15、7、14 脚相连，7脚接地，14脚接电源E1。其工作原理与过程如下每个测量周期开始，微处理器MPU通过15脚发出一正脉冲信号到集成块IC4的5脚，微处理器MPU并将14脚置为低电平，复位收发控制逻辑电路，使之工作于发射控制状态，起动测量周期，同时启动微处理器MPU的定时/计数器T0计时并开始产生方波输出，T0工作于GATE门方式。列方波输出后，微处理器MPU停止方波输出，延时约2mS盲区时间，微处理器MPU将14脚置为高电平，即超声波收发控制逻辑电路进入信号接收状态，等待超声波回波到来。当回波信号通过接收电路的信号放大、低通滤波、整形和限幅电路输入至微处理器MPU的6脚和7脚时，触发6脚INT0，停止T0计时，触发INT1中断，微处理器MPU在中断服务程序中读取T0寄存器的值，从而得到与液位高度相对应的时间值，完成一次测量。
超声波输出电路的方波功率放大器的电路是微处理器MPU的12脚与电阻R20及电容C14的一端相连，电阻R20的另一端接电源E1，电容C14的另一端与电阻R19相连，电阻R19的另一端与电阻R18的一端及三极管TR3的基极相连，电阻R18的另一端及三极管TR3的发射极接电源E1，三极管TR3的集电极与电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端与三极管TR2的基极相连，三极管TR2的集电极与变压器T1的初级线圈N1的一端相连，初级线圈N1的另一端及电阻R6的一端、电容C4的一端相连，电阻R6的另一端接电源E0，电容C4的另一端及三极管TR2的发射极接地，变压器T1的次级线圈N2的一端与电阻R1的一端及超声波发射探头S1的一端相连，次级线圈N2、电阻R1、超声波发射探头S1的另一端接地。
超声波接收电路是超声波接收探头S2的一端与电阻R2的一端相连，超声波接收探头S2的另一端接地，电阻R2的另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端分别与二极管D1的负极、三极管TR1的基极及电阻R4的一端相连，三极管TR1的发射极与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端及二极管D1的正极接地，电阻R4的另一端分别与三极管TR1的集电极及电阻R3、电容C3的一端相连，电阻R3的另一端分别与电阻R12、电容C2的一端相连，电容C2的另一端接地，电阻R12的另一端及运算放大器IC1A接电源E1，电容C3的另一端接电阻R7，电阻R7的另一端分别接电阻R10及电容C5、C6的一端，电容C5的另一端分别接运算放大器IC1A的1脚及电阻R13及电容C7的一端，电阻R13的另一端分别接运算放大器IC1A的2脚及电容C6的另一端，电阻R8的一端接E1，电阻R8的另一端分别接电阻R9、运算放大器IC1A的3脚及运算放大器IC1B的5脚，电阻R9、电阻R10的另一端及运算放大器IC1A的4脚接地，电容C7的另一端接电阻R14的一端，电阻R14的另一端分别接电阻R15及电容C10、C11的一端，电容C10的另一端分别接运算放大器IC1B的7脚及电阻R16及电容C12的一端，电阻R16的另一端分别接运算放大器IC1B的6脚及电容C11的另一端，电容C12的另一端分别接二极管D2的正极及二极管D3的负极，二极管D3的正极分别接电阻R17、电容C13及三极管TR4的基极，电容C13、电阻R15的另一端接地，三极管TR4的发射极分别接电阻R21、R23的一端，电阻R21、R17及二极管D2的负极接电源，三极管TR4的集电极分别接电阻R22的一端及集成块IC4的1脚，电阻R22、R23的另一端接地。
变送器的超声波信号是通过对其型号为89C2051的微处理器MPU编程面产生的，微处理器MPU通过它的12脚输出约40KHz的方波至功率放大器，功率放大器是这样工作的方波信号通过耦合电容C14输出到电阻R19，信号通过电阻R19到三极管TR3的基极，三极管TR3工作在开关状态，起驱动作用，电阻R18、R19分别起偏置和限流作用，电阻R20为微处理器MPU的12脚的上拉电阻。从三极管TR3集电极输出的方波信号通过电阻R11驱动三极管TR2工作，三极管TR2也工作在开关状态，通过变压器T1对方波信号进行功率放大，N1为变压器T1的初级线圈，电阻R6、R11为限流电阻，电容C4起滤波作用。在变压器T1的次级线圈N2得到的具有功率驱动能力的方波信号驱动超声波发射探头S1，产生发射超声波，电阻R1起功率匹配作用。
变送器的超声波接收电路的信号放大、低通滤波、整形和限幅电路是这样工作的超声波接收探头S2将超声信号转换为电信号经限流电阻R2与耦合电容C1输入至三极管TR1的基极，经初级放大后从三极管TR1的集电极输出。电阻R3、R4、R5为偏置电阻，二极管D1起保护作用，电阻R12和电容C2起去耦作用。经初级放大的信号经耦合电容C3及电阻R7输入到由运算放大器IC1A、IC1B构成的两级信号放大器输入端，第一级放大器的电容C6为耦合电容，R13为反馈电阻，放大器的放大倍数由电阻R13和电阻R10决定。电阻R8、R9组成分压电路，其分压输入至两级放大器的同相输入端。第一级放大器输出信号经耦合电容C7及限流电阻R14输入至第二级放大器的输入端，第一级放大器和第二级放大器原理相同，第二级放大器的输出信号经耦合电容C12及二极管D3输入到三极管TR4的基极，二极管D2起限幅作用，电阻R12、R17、R22、R23起偏置作用，滤波电容C13对信号进一步滤波。三极管TR4对超声回波信号进行缓冲和进一步整形，从集电极输出到集成块IC4的1脚，即超声波收发控制逻辑电路的信号输入端。
温度检测单元电路是型号为DS18B20的数字温度传感器IC3的2脚及电阻R25的一端与微处理器MPU的8脚相连，数字温度传感器IC3的1脚及电阻R25的另一端与电源E1相连，数字温度传感器IC3的3脚接地。其工作原理与过程如下MPU微处理器MPU的8脚与数字温度传感器IC3的2脚相连，进行通信启动测温度和读取温度值，R25为上拉电阻，数字温度传感器IC3的1脚接电源E1、3脚接地。
变送器的RS485收发控制器是这样工作的微处理器MPU的2脚、3脚与集成RS485收发控制器IC6的1脚、4脚相接，微处理器MPU的11脚与集成RS485收发控制器IC6的2、3脚相接，控制集成RS485收发控制器IC6的收/发工作状态，集成RS485收发控制器IC6的6脚和7脚则为RS485的A、B信号端，引出至RS485接口，电阻R6为RS485总线驱动电阻。
参照图1、图2、图3，变送器微处理器MPU是这样工作的变送器上电后微处理器MPU进行初始化，并启动环境温度测量单元测温，接下来进入检测工作循环。测量周期从产生超声波发射信号方波开始，同时启动定时/计数器T0计时，并通过微处理器MPU的14脚置为低电平、15脚发出一正脉冲信号到收发控制逻辑电路，使之工作于发射控制状态，起动测量周期。一列超声波发出后，微处理器MPU停止超声波发射，延时约2mS盲区时间后，微处理器MPU将14脚置为高电平，将超声波收发控制逻辑电路控制为信号接收状态，等待超声波回波到来，测量周期进入接收超声波回波信号阶段。当回波信号通过接收电路的信号放大、低通滤波、整形和限幅电路输入至集成块IC4的1脚时，超声波收发控制逻辑电路触发MPU的6脚和7脚，因为定时/计数器T0工作于GATE方式，INT0被触发时，停止T0计时。INT1被触发产生中断。微处理器MPU在中断服务程序读取中T0寄存器的值，从而得到与液位高度相对应的时间值，保存本次测量值，给出接收有效标志，然后从中断返回主程序，完成一次测量。值得注意的是，在接收超声波回波信号阶段，微处理器MPU在给定的时间内，通过对接收有效标志的检查，不断判断有无回波到来，如在给定的时间内没有收到回波，即测量超时，微处理器MPU则放弃本次测量，并启动新的测量周期，这样可以有效防止因干扰造成系统“死锁”情况的发生。
按照通信协议，在通常情况下，变送器的微处理器MPU通过11脚控制RS485收发控制器工作在接收状态，微处理器的串行口工作于中断方式。当外部智能设备通过RS485通信接口发出通信命令时，变送器的微处理器MPU进入中断服务程序，并根据命令的涵义，将数据发送到外部智能设备。此时变送器的微处理器MPU通过11脚控制RS485接发控制器工作在发送状态，而外部智能设备工作在接收状态，并将数据发出，数据发完后，微处理器MPU又通过11脚控制RS485接发控制器回到接收状态，然后中断返回，如此反复，直到一次通信过程完成。
参照图4，以上所述的各电路的电路板2安装在壳体1内，超声波发射探头5、超声波接收探头6通过固定板3安装在壳体1的端上，该变送器通过四芯屏蔽电缆7与外部设备连接，在壳体1上有紧固螺钉8和防水接头9。本实用新型当被测液体容器的边界尺寸与变送器的超声波探头到液面的距离之比大于某定值，如大于2∶1时，壳体1及其它部件可直接应用于对液位的测量。当被测液体容器边界尺寸与超声波探头到液面的距离之比小于定值时，如2∶1时，由于液体容器内壁或边沿对超声波的反射，造成对变送器所接收的正常超声波反射信号的干扰，造成测量误差。为消除容器内壁对超声波信号的干扰，提高测量精度，在超声波接收探头上套有PVC管10，并且该PVC管10向液面方向延伸，从而屏蔽了容器内壁所反射的超声波的干扰信号，变送器的液位测量精度提高。当然，无论被测液体容器的边界尺寸与变送器的超声波探头到液面的距离的比值为多少，都可以在超声波接收探头上安装有PVC管。
权利要求1.智能超声波液位变送器，其特征在于微处理器MPU产生间歇的方波信号，方波信号经功率放大器后输出到超声波发射探头，产生发射波，发射波传播至被测液面经反射形成回波，回波传播到超声波接收探头，经转换的信号经接收电路的功率放大器放大后输入到超声波收发控制逻辑电路，超声波收发控制逻辑电路产生微处理器MPU中断信号，微处理器MPU停止计时，并在中断服务程序中读出计时值，完成一次测量，微处理器MPU测得自起动发射波至收到回波信号的时间，其数据通过接发控制器、通信接口与外界进行信息传输。
2.根据权利要求1所述的智能超声波液位变送器，其特征在于回波传播到超声波接收探头后，经转换的信号经接收电路的功率放大器、低通滤波器、整形和限幅电路后输入到超声波收发控制逻辑电路。
3.根据权利要求1所述的智能超声波液位变送器，其特征在于微处理器MPU连接有温度检测单元，温度检测单元检测环境温度，微处理器MPU根据从温度检测单元读出的温度值，对测量的液位值进行温度补偿。
4.根据权利要求1所述的智能超声波液位变送器，其特征在于超声波接收探头套有PVC管，并且该PVC管向液面方向延伸。
5.根据权利要求1所述的智能超声波液位变送器，其特征在于+9V电源E0与二极管D4的正极相连，二极管D4的负极与电容C19和瞬间电压抑制器ZD1的一端相连，并接至集成块IC8的1脚，电容C19和瞬间电压抑制器ZD1的另外一端接地，集成块IC8的3脚与微处理器MPU的20脚、电容C17、C18相连，产生电源E2，电容C17、C18的另外一端及集成块IC8的2脚接地；+9V电源与集成块IC2的1脚相连，集成块IC2的3脚分别与电容C8、C9一端相连，产生电源E1，电容C8、C9的另一端及集成块IC2的3脚接地。
6.根据权利要求1所述的智能超声波液位变送器，其特征在于超声波收发控制逻辑电路是由集成块IC4组成，集成块IC4的8、5、3、2脚分别与微处理器MPU的6、15、7、14脚相连，7脚接地，14脚接电源E1。
7.根据权利要求1所述的智能超声波液位变送器，其特征在于微处理器MPU的12脚与电阻R20及电容C14的一端相连，电阻R20的另一端接电源E1，电容C14的另一端与电阻R19相连，电阻R19的另一端与电阻R18的一端及三极管TR3的基极相连，电阻R18的另一端及三极管TR3的发射极接电源E1，三极管TR3的集电极与电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端与三极管TR2的基极相连，三极管TR2的集电极与变压器T1的初级线圈N1的一端相连，初级线圈N1的另一端及电阻R6的一端、电容C4的一端相连，电阻R6的另一端接电源E0，电容C4的另一端及三极管TR2的发射极接地，变压器T1的次级线圈N2的一端与电阻R1的一端及超声波发射探头S1的一端相连，次级线圈N2、电阻R1、超声波发射探头S1的另一端接地。
8.根据权利要求2所述的智能超声波液位变送器，其特征在于超声波接收探头S2的一端与电阻R2的一端相连，超声波接收探头S2的另一端接地，电阻R2的另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端分别与二极管D1的负极、三极管TR1的基极及电阻R4的一端相连，三极管TR1的发射极与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端及二极管D1的正极接地，电阻R4的另一端分别与三极管TR1的集电极及电阻R3、电容C3的一端相连，电阻R3的另一端分别与电阻R12、电容C2的一端相连，电容C2的另一端接地，电阻R12的另一端及运算放大器IC1A接电源E1，电容C3的另一端接电阻R7，电阻R7的另一端分别接电阻R10及电容C5、C6的一端，电容C5的另一端分别接运算放大器IC1A的1脚及电阻R13及电容C7的一端，电阻R13的另一端分别接运算放大器IC1A的2脚及电容C6的另一端，电阻R8的一端接电源E1，电阻R8的另一端分别接电阻R9、运算放大器IC1A的3脚及运算放大器IC1B的5脚，电阻R9、电阻R10的另一端及运算放大器IC1A的4脚接地，电容C7的另一端接电阻R14的一端，电阻R14的另一端分别接电阻R15及电容C10、C11的一端，电容C10的另一端分别接运算放大器IC1B的7脚及电阻R16及电容C12的一端，电阻R16的另一端分别接运算放大器IC1B的6脚及电容C11的另一端，电容C12的另一端分别接二极管D2的正极及二极管D3的负极，二极管D3的负极分别接电阻R17、电容C13及三极管TR4的基极，电容C13、电阻R15的另一端接地，三极管TR4的发射极分别接电阻R21、R23的一端，电阻R21、R17及二极管D2的负极接地，三极管TR4的集电极分别接电阻R22的一端及集成块IC4的1脚，电阻R22、R23的另一端接地。
9.根据权利要求1所述的智能超声波液位变送器，其特征在于+5V电源E2与集成块IC7的8脚及电阻R28、R29、R30的一端相连，电阻R28的另一端分别与集成块IC7的6脚、微处理器MPU的17脚相连，电阻R29的另一端分别与集成块IC7的5脚、微处理器MPU的18脚相连，电阻R30的另一端分别与集成块IC7的2脚、微处理器MPU的1脚相连，集成块1C7的7脚与电阻R27的一端相连，电阻R27的另一端及集成块IC7的4脚接地。
10.根据权利要求1所述的智能超声波液位变送器，其特征在于温度检测单元电路是数字温度传感器IC3的2脚及电阻R25的一端与微处理器MPU的8脚相连，数字温度传感器IC3的1脚及电阻R25的另一端与电源E1相连，数字温度传感器IC3的3脚接地。
专利摘要本实用新型公开了一种智能超声波液位变送器；包括微处理器MPU，微处理器MPU产生间歇的方波信号，方波信号经功率放大器后输出到超声波发射探头，产生发射波，发射波传播至被测液面经反射形成回波，回波传播到超声波接收探头，微处理器MPU测得自起动发射波至收到回波信号的时间，其数据通过接发控制器、通信接口与外界进行信息传输；超声波接收探头套有PVC管，并且该PVC管向液面方向延伸，从而屏蔽了容器内壁所反射的超声波干扰信号，有效的提高测量精度；本实用新型成本低、测量精度高，广泛适用于普通液位流量监测和企业单位的排污流量监测。
文档编号G01F23/296GK2618151SQ0322518
公开日2004年5月26日 申请日期2003年4月10日 优先权日2003年4月10日
发明者刘智勇, 罗军, 尹征琦, 李庆, 刘焕成, 李烨, 廖华, 贺敏佛, 刘兴林, 陈天瑜 申请人:五邑大学, 江门市侨绿环保技术开发中心
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