基于ARM的超声波液位检测系统设计外文翻译资料

 2022-08-10 05:08

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International Conference on Civil, Materials and Environmental Sciences (CMES 2015)

The Design of Ultrasonic Liquid Level Detection System Based on ARM

摘要——为了方便、快速、准确地检测出日常生活和工业生产中的液位值，本系统采用ARM作为控制器。超声波发射接收电路保证了超声波的可靠传输时间。通过适当的ARM转换过程，可以得到反映实际液位的数据，并将其发送到TFT触摸屏电路中显示，绘制液位变化曲线。实验数据表明，该系统具有合理的测距能力，良好的测量效率和精度。

关键词: 液位检测; 超声波; ARM

  1. 介绍

随着电子测量技术的发展，超声波测距技术在人们的工作和生活中得到了广泛的应用[1]。它是一种非接触式检测技术，不受光线和被测物体颜色的影响，比其他工具更卫生，能在潮湿、粉尘、高温、腐蚀性气体等恶劣环境中正常工作。它需要的维修少，无污染，可靠性高，寿命长[2]。基于ARM控制器的超声波测距具有处理速度快、稳定性好的特点，它充分利用了自身优点，为设备提供了可靠的核心处理系统和高速实时测量特性。结合超声波检测的广泛应用和ARM潜在的市场前景，本设计以ARM为基础，试图挖掘ARM在液位检测和市场前景方面的独特优势。

  1. 系统硬件结构设计

控制芯片产生40khz的控制信号，经功率放大信号放大后满足要求。图1超声波液位检测装置结构图。确保放大后的信号能驱动超声波发射端的逆压电传感器产生超声波。然后发射的超声波被反射，反射波由接收端检测。接收端的压电传感器相应地产生具有一定规律的电信号，由于该信号微弱且容易受干扰，需要通过预放大放大到足够大的幅度，然后通过窄带滤波器和信号比较处理，输出可被控制器识别的适用信号。控制芯片将检测适用的信号并计算测量的距离，最后将距离数据和温度一起显示在液晶触摸屏上

Fig.1. The structural frame of ultrasonic liquid level detection device

  1. 超声波发射模块

超声波发射端电路的Multisim仿真图如图2所示。外部信号源产生40khz的脉冲信号，使三极管Q1产生V（OUT）交流电压，驱动超声波探头输出40khz的超声波，从而实现了传输系统。其工作电压为12V，Q1共射结构放大信号。R1和R2的选择是为了获得适当幅度的驱动电压信号。

Fig.2. Multisim simulation diagram of ultrasonic transmitting end circuit

图3是发送端的驱动信号示波图，从中可以看出波形基本满足要求。毛刺出现在跳跃瞬间。高频处有大量的小杂波。但波形的整体性能达到了设计要求当信号被施加到超声发射探头的发射端时，杂波被超声传感器吸收，在实际电路验证中效果良好。

Fig.3. The driving signal oscillogram at the transmitting end

  1. 超声波接收模块

超声波接收模块是整个硬件设计的重要组成部分。它可以对超声波接收端的传感器信号进行放大、滤波、检测和比较。本系统采用索尼公司生产的超声波发射模块芯片CX20106A。该芯片具有高频选择能力，保证了发射端信号频率的精确性。当CX20106A接收到40kHz的信号时，在第7管脚会产生一个低电平下降脉冲，该信号可以与控制芯片的外部中断引脚连接作为中断信号输出。根据发生信号到接收到中断的时间跨度，可以计算出被测距离。 CX20106A具有8个管脚，单列直插式塑料封装，包括自动偏压控制电路、前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、峰值检测、积分比较和施密特整形输出电路以及一些外部元件[3,4]。它可以完成超声波接收和处理的所有功能。典型电压为5V，典型功率为9mW。由于CX20106A不使用电感，不受磁场干扰，所以使用方便，调试麻烦少。

  1. 系统程序设计

Fig.4. The flow chart of ultrasonic transmitting and receiving module program

B. 数据处理模块程序设计

数据处理模块的设计是该系统软件设计的核心。

系统程序设计包括超声波发射、接收模块程序设计和数据处理模块程序设计。超声发射接收模块是系统的核心硬件模块，也是系统的重要软件模块。

A.超声波发射、接收模块程序设计

图4所示为超声波传输和接收模块程序的流程图。首先，通过分频器，STM32可以产生40 KHz的脉冲信号，同时通过功率放大电路和定时器驱动超声波探头来传输超声波。当超声波到达液位后被反射回来时，超声波接收探头将把声压转换成电信号。通过放大该信号可以得到合适的电压。滤波电路可以选择40KHz的有用信号。比较输出脉冲。当ALIENTEK Ministm32检测到回声时，定时器将关闭，并可获得超声波传输时间[5]。用DS18B20测得的实际环境中的超声波声速进行计算，得到超声波探头到液位的距离[6,7]。然后将结果转换为液位高度，最后将代码转换并显示在触摸屏上。

温度补偿模块和超声波发射接收模块的数据都需要经过该模块的处理后发送到触摸屏显示模块。该模块的数据处理精度直接影响测量结果的精度。所以这是非常重要的。首先，从温度传感器获得的外部环境T的实时温度作为当前温度T发送到触摸屏。然后从近似公式C=C0 0.607*T℃得到实时温度下的实时超声速度C，并在触摸屏上显示。超声波发射接收模块可以得到超声波的传播时间t。根据公式S=C*t/2，便可得到液位高度或距离。最后，触摸屏将显示距离。

  1. 结论

通过软件仿真和硬件电路测试，表明该系统性价比高，稳定性好，使用方便。在20mm-4.5m的液位范围内，可以获得较好的测量精度。

Ⅴ致谢

这项工作得到了西南民族大学基础研究基金（编号

2014NZYQN10）的资助。

参考文献

  1. ZhangHai-Ying,GaoYan-Li.TheResearchofUltrasonicRanging Technique. InstrumentationTechnology,9,pp.58-60,2011.
  2. Li Peng. Application of Ultrasonic Ranging. Technology and Life, 23,pp.115,2010.
  3. Fang Zheng-Chao, Yao Shan-Xue. Design of ultrasonic ranging based on CX20106A.International Electronic Elements. 30, pp.151-153,2012.
  4. Qing Wei, Yan Wen-Jun. Design of Ultrasonic Car Reversing Radar for Parking Based on CX20106A, Piezoelectrics amp;Acoustooptics,33, pp.161-164,2011.
  5. Wang Xiao. touch-screen experimentation based on ALIENTKE MiniSTM32developmentboard.PCFan,3,pp.1-2,pp.31,2014.
  6. Zhang Jun. Smart Temperature Sensor DS18B20 and Its Application. Instrumentation Technology. 4, pp.68-70,2010.
  7. Tang Kai-Jie, etc..Design of digital temperature collection and alarm system based on DS18B20.Transducer and Microsystem Technology,33, pp.99-102,2014.

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