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  • 基于單片機的超聲波液位計設計中的功能說明_淮安潤中儀表科技有限公司

    基于單片機的超聲波液位計設計中的功能說明

    基于單片機的超聲波液位計是依據“時差法超聲波測距”的原理設計而成。時差法超聲波測距是一種普遍的液位檢測方法。該方法利用測量傳播時間最終獲得測量距離,關鍵是得到精確的超聲波實時聲速。圖3-1 為系統總體設計框圖?;趩纹瑱C的超聲波液位計的主要功能模塊有:超聲波模塊、單片機模塊、溫濕度補償模塊、通信模塊、顯示與鍵盤模塊。

    圖3-1 系統總體設計框圖
    超聲波液位計
    超聲波液位計由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要包括IAP15F2K61S2 單片機最小系統、供電電源、溫濕度傳感器、超聲波發射傳感器、超聲波接收傳感器、鍵盤、液晶顯示器、報警指示燈、遠程通訊等部分。
    3.2 單片機的選擇
    本文使用高性能61K 字節的片內Flash 程序存儲器IAP15F2K61S2 作為核心處理器來控制外圍模塊,并利用IAP15F2K61S2 單片機對超聲波回波信號進行處理,以提高液位計的測量精度。
    IAP15F2K61S2 單片機是STC 生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機,是高速、高可靠、低功率、超強抗干擾的新一代51 系列單片機,指令代碼完全兼容傳統51 單片機,但速度快8-12 倍。內部集成高精度R/C 時鐘(±0.3%),±1%溫漂(-40℃~+80℃),常溫下溫漂±0.6%(-20℃~+65℃),5MHz-35MHz 寬范圍可設置,可徹底省掉外部高昂的晶振和外部復位電路(內部已集成高可靠復位電路,ISP編程時8 級復位門檻電壓可選)。3 路CCP/PWM/PCA,8 路高速10 位A/D 轉換(30萬次/ 秒), 內置2K 字節大容量SRAM, 2 組超高速異步串行通信端口
    超聲波液位計

    超聲波液位計

    3.3 抗干擾設計
    干擾通常會對軟件造成影響但不會對硬件造成損壞。主要表現是:指令碼或數據碼受到干擾而發生跳變,結果可能造成數據碼和指令碼執行上的混亂?;靵y的執行程序會破壞 RAM 存儲器中的數據,還可能造成程序進入死循環,使整個系統崩潰。因此,抗干擾設計非常重要。
    3.3.1 硬件抗干擾
    超聲波液位計是一個復雜的電路,包含了數電、模電等。為了提高液位計的穩定性,能夠可靠的工作,主要從以下幾方面做抗干擾措施。
    1.抑制干擾源
    盡量減小干擾源的電壓變化率和電流變化率是抑制干擾源的主要措施。在干擾源兩端并聯電容來可以減小干擾源的電壓變化率。減小干擾源的電流變化率則是在干擾源回路串聯電感或電阻以及增加續流二極管來實現。本文抑制干擾源的主要措施如下:
    1)穩壓芯片輸入端接一個二極管。二極管用于防止電源反接燒壞控制電路,穩壓芯片輸入端和輸出端均并聯有一個100μF電解電容,大電容能夠在電源有紋波時有效濾掉局部紋波,減小電壓變化率。電路原理圖如圖3-3 所示。
    2)本系統在每個 IC 并接一個0.01μF~0.1μF 的高頻電容,減小了IC 對電源的影響。如圖3-4 所示,24C64 存儲芯片和MAX485 芯片均在電源和GND 之間并聯有0.1uF 的去耦電容。
    圖3-4 24C64 和max485 電路的抗干擾設計
    3)本系統布線時避免直角折線,以減少高頻噪聲發射,一般采用45 度折線。

    超聲波液位計
    2.切斷干擾傳播路徑
    按干擾的傳播路徑可分為傳導干擾和輻射干擾兩類。切斷干擾源采用了如下措施:
    1)本系統將數字電路與模擬電路徹底分開,電源接入處與地線接出處一點相接地。
    2)本系統將晶振與單片機引腳盡量靠近,用地線把時鐘區隔離起來,晶振外殼接地并固定。此措施可解決多數電磁干擾對晶振高頻震蕩時鐘的影響。由于本文采用增強型單片機,其內部擁有高頻RC 震蕩電路,使用內部高頻震蕩更能減少外接電磁干擾影響。
    3)本系統用地線把數字區與模擬區隔離,數字地與模擬地要分離,最后再匯合于電源地。數字地和模擬地一般采用磁珠(零歐電阻)隔離,或者用電感進行隔離。本文中采用10mH 電感將數字地和模擬地進行隔離,從而減小電流變化率。3.提高敏感器件的抗干擾性能
    在本系統中,敏感元件是超聲波的接收端。因其接收信號稍有變化,經過放大后即為嚴重的干擾信號。本文采用了如下措施提高敏感器件抗干擾性:
    1)本文中所有的網絡線均無環路布線,以盡可能低的降低環路電磁感應噪聲。
    2)本文中布線時選用較粗的電源線和地線,不僅減小壓降外,還會有很好的容性,容性能夠降低高頻噪聲。
    3)本系統閑置的I/O 口均使用10K 電阻上拉到VCC。
    4)在速度滿足要求前提下,降低單片機的晶振和選用低速數字電路。例如本系統采用11.0592 MHz 內部晶振。本系統所選用單片機內部晶振高達33.1776MHz,但是由于11.0592 MHz 足可滿足系統需要,故采用11.0592 MHz 內部晶振。RS485通訊波特率最高可以達到1Mbps,但是考慮到液位數據比較小,本液位計采用頻率9600bps。
    3.3.2 對電路板進行合理設計
    在PCB 的設計中,應根據電路的布局規則和相關原理首先對元器件進行合理的布局,才能起到減小干擾的作用。在實際PCB 設計中,通過分析干擾產生的原理和可能的干擾途徑,主要采取了以下措施:
    1)本系統將電路按功能劃分為幾個模塊,減少了模塊間的相互干擾。
    2)本系統在靠近集成芯片的電源引腳附近與地之間并接0.1μF 的旁路電容,以抑制電源線上的電壓波動。
    3)本系統將地線和電源線盡量加寬,走線減短,電路板上空余不用的地方都鋪地,使其抗噪性能得到提高。
    4)本系統使用的單片機的數據線也盡量減短,目的是減少對地電容。
    3.4 電源及充電電路設計
    超聲波液位儀在長期固定于容器外部實現長期連續測量時,可采用交流供電,但在便攜式安裝進行短時間測量時,交流供電很不方便。因此,系統采用雙電供電方式:220V 交流供電和鋰電池。
     

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