CN103697968A - 一种基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于低功耗单片机的声波液位跟踪仪系统，其包括低功耗液位记录手持PDA，低功耗液位记录手持PDA可用于采集一个与其对应的配对的低功耗液位记录仪的历史液位数据，或一个低功耗液位记录手持PDA对应于至少一个能与其配对的低功耗液位记录仪的历史液位数据。

Description

一种基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统和方法

技术领域

本发明涉及一种超声波液位跟踪，特别涉及一种可用于汽车车载的基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统和方法。 

背景技术

随着嵌入式微处理器技术的迅速发展，油量液位测量仪表从早期采用浮球等机械原理逐步向机电一体化发展。国内外液位测量仪表发展的技术动向主要有以下三个热点： 

1、智能化； 

2、非接触测量方式的液位计； 

3、新原理的小型液位开关； 

在非接触测量方式的液位计中，有很多基于不同测量原理的液位计：雷达液位计、激光液位计、γ射线液位仪、超声波液位计等。其中，超声波液位计是目前发展最为快速的一种技术，在技术、成本、精度、安装等方面具有综合优势。超声波测距技术基于超声波在介质中的传播速度及遇到被测液位表面产生反射的原理，超声换能器发射超声波脉冲信号到接收到回波所需的时间，就表示了介质与超声换能器之间的距离。 

国内外液位测量仪表在早期大多采用机械原理，随着嵌入式微处理器技术的迅速发展，液位测量仪表已从采用浮球等机械原理逐步向机电一体化发展，当前国外液位测量技术的主要发展特点为： 

1、适应国际市场需要，占领技术领域制高点； 

2、生产与市场紧密联系； 

3、高度产品质量意识，生产高度自动化； 

4、产供销网络化，全方位技术服务； 

德国Endress+Hauser(恩德斯豪斯，简称E+H公司)是世界范围内自动化领域的领导者之一，E+H公司总部位于瑞士，先后在德国、瑞士、法国、美国、日本、中国等世界工业国成立了规模庞大的生产中心，在全球有超过六万名员工进行研究、开发、生产、销售和维护等工作，拥有70多个独立的子公司分布在全球，E+H公司严格的品质管理和完整的质保体系均达到ISO9001国际标准。其投建生产的表面贴焊自动化生产线是全世界速度最快的，速度为其他公司的3倍。 

荷兰Honeywell(霍尼韦尔)公司的DCS测量系统测量精度高、运行稳定、环境适应能力 强、扩展性能好、协议灵活，被广泛应用于全世界各罐区。在该公司的智能雷达液位计性能测试中，在18米长的测量通道上，雷达探测头与激光探测头自动每隔一毫米正反测量一次，保证了测量的高精度。 

我国在液位测量技术领域与国外相比还有非常大的差距。国内计量仪表的生产和发展主要采用引进国外先进技术，仿制国外先进产品，合资代理等方式，缺乏拥有完全自主产权的核心技术。国内在计量仪表领域普遍存在着产品性能指标低、仪表可靠性能差、企业科研技术实力薄弱、企业生产设备落后、不重视产品售后服务等问题。近年来，由于我国在精确计量仪表领域的不断努力，已出现了某些高新技术液位计产品达到甚至超过国际先进水平，但在市场认可度，市场占有率等方面还远远无法与国外相比。 

北京均友欣业科技有限公司研究开发的BJLM-80伺服式液位计技术新颖，功能齐全，可同时测量液位，不同液体分界面、单点温度、平均温度、分段密度、平均密度、分段压力等。该系统测量精度高，对液位的测量精度为±1mm、分界面的精度为±2mm、温度精度±0.2℃、密度精度±0.5kg/m3。该产品性能可靠，使用简便，打破了国外产品在该领域的垄断，填补了国内的空白。 

中科院光学研究所与武汉大学均研制成功了基于光纤的液位检测系统。北京航天智控工程公司研制的UBG光导电子液位仪，其精度可达±2mm；MET-I型磁效应液位仪精度为0.05％。1995年推出的BL30雷达液位计精度为±[1+空高×3‰][1]。这些产品的相继研发成功大大推动了我国液位检测技术的发展，为赶超国际先进技术做出了贡献。 

国内外超声波测距技术的发展现状：超声波测距是利用超声波反射原理检测常压或低压容器内液体液位或固体料位的非接触式物位测量方式，可广泛应用于化工、电力、冶金、轻工、水处理等工业或民用部门的各种液体或固体物位测量，并可以对明渠、堰体中的流量进行测量。超声波液位计是非接触式液位计中发展最快的一种，国内外对超声波测距仪研究，主要在大量程测距、高精确度测距以及测距智能化，网络化等几个方向。智能化的超声波液位计通常带有一套功能强大的软件系统对其所发射出的探测超声波波及回波进行分析。 

澳大利亚HAWK公司推出的基于HPAWK技术SULTAN系列高能声波非接触物位计技术使超声波测距技术有了重大的突破，该系列产品克服了声波传播过程中发生衰减的影响，优化了对复杂多样回波的识别技术，大大拓宽了超声波测距技术的应用场合，使超声波测距可适用于生产罐、粉尘干扰较多、物料较大的多种恶劣工作环境。HPAWK技术具有优秀的回波处理技术，5至50KHZ的超高发波频率使其最大量程可达到120米；适用介质温度为-20℃至+175℃；智能的全自动调节发波频率，自动的温差补偿功能使其工作更加稳定可靠。SULTAN系列产品使用智能调节技术，提高了超声波产品的可靠性及性能指标。该系列产品 在5KHz和120米(理想环境下可达195米)的测距技术上将对手远远抛在后面。目前，SULTAN高能声波物位计已经在全国电厂近800套原煤仓上投入使用，运行情况良好。 

国产同类型的超声波测距仪由于难以突破较低频率(5kHz)和发射高能量波的技术瓶颈，普遍发波能量较弱，一般应用于测量较小距离的简单场合，不能在粉尘干扰大，工作环境恶劣的情况下长期保持良好的工作状态。就市场角度而言，一般企业出于成本控制方面的考虑不会大量采用价格昂贵的尖端测距仪，在国内市场占主导地位的还是价格便宜，采用成熟技术的高性价比普通测距仪。国内测距计量仪表生产厂家需要在市场拓展与技术提升上稳打稳扎，逐步赶超世界先进技术，提高企业竞争力。 

发明内容

本发明主要介绍了一种基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统的硬件发明与其工作方法，该基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统的详细发明与其性能指标即本发明所主要阐述的内容。 

液位测量被广泛的运用于各类工业测量与控制场合中。例如在油气储运过程中，精确测定储油罐中的液位高度是正确计算储油量、确定库存、计算输量、保证安全的重要措施，若油罐液位测量控制不好，会出现溢油“冒顶”或抽空等事故，若油气分离器液位偏高或偏低会出现“跑油”、“窜气”事故，严重影响设备与生产的安全。在油气生产中，特别是在油气集输储运系统中，石油、天然气与伴生污水要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理，物位的测量与控制对保证正常生产和设备安全是至关重要的，否则会产生重大的事故。 

随着计算机技术、微电子技术、传感器技术、数字信号处理(DSP)等信号处理技术、可编程逻辑控制(PLC)等高新技术的飞速发展，液位测量技术与液位测量仪表的得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。将微处理器引进液位测量系统是液位测量技术发展过程中的一个重要里程碑，微处理器的应用使得液位计的精度达到前所未有的高度。目前，国内外液位测量仪表发展的技术动向主要有以下三个特点：1、智能化；2、非接触测量方式的液位计；3、新原理的小型液位开关。特别是基于新原理的液位测量技术在近几年发展迅猛，在已广泛运用的液位测量技术中，浮球法以及在其后出现的超声波测量法得到了最为广泛的运用。 

就测量环境而言，液位测量系统通常被运用在条件十分恶劣与复杂的环境中，液位计的安装环境通常具备例如高温、高压、低温、低压、真空、高湿度、强腐蚀、高辐射、多粉尘中的一项甚至多项条件，这对液位计的工作适应能力提出了严格的要求；就安装条件而言，复杂的工业环境对液位计的安装具有苛刻的限制，如何将精密复杂的液位计简单方便的安装 也对液位计的发明提出了要求；从设备维护及器件更换而言，越长的免维护时间以及如何在高危条件下更方便的更换器件，甚至不停机更换器件，是一项巨大的挑战。 

液位测量技术按接触方式分类可分为接触测量和非接触测量，按测量方式可以分为连续测量和定点测量，按测量原理可分为： 

1、基于人工测量方法：玻璃管法、玻璃板法、双色水位法、人工检尺法； 

2、基于液体压力差：吹气法、差压法、HTG法； 

3、基于浮力原理：浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法； 

4、基于液位传感器电参数产生变化：电容法、电阻法、电感法； 

5、基于通过检测信号传播的时间：磁致伸缩法、超声波法、调制型光学法、微波法； 

6、其它：磁翻板法、振动法、核辐射法、光纤传感器法等多种类型。 

本发明所发明的液位跟踪仪的检测机构安装于特制的汽车油箱盖内，采用非接触测量方式，要求油量检测机构测量精确、体积小、功耗低、可靠性强。由于检测机构工作于汽车油箱内部，需要承受汽车油箱内高温、高压、低温、高湿度、强腐蚀等不同的恶劣环境，检测机构在极端条件下也需要保持良好的工作状态。通过对以下表1至表3的查阅，排除接触式测量方式，本发明决定采用超声波作为液位测量方式。 

表1液面，界面测量仪表选型表 

表2常见液位计性能比较 

表3液位计对不同介质的适用情况 

查表可知，超声波测量方式精度高，在腐蚀介质及液体气化环境下测量受影响小，适合对汽油或柴油等液体的测量，但安装相对较复杂，费用相对较高。在用于例如汽车油量监测时，在本发明中超声波测量任务相对较简单，由于汽车启动，急停，加减速运行时油箱内液体晃动剧烈，顾对油箱内剩余油量的精确测量主要依靠软件判断去除无效值，对测量的精度要求不高。超声波在空气中的传播速度大约为334m/s(常温条件下)，在同一介质中的传播速度相对恒定，与激光的速度(3×108m/s)相比，超声波的传播速度要慢得多，因此通过软件对超声波脉冲信号的发射及对回波接收时间的后期处理相对于激光等测量方式要容易得多。 

与其它种类的液位测量方式相比，超声波测位具有以下特点： 

(1)非接触式测量：超声波换能器可安装在特制的汽车油箱盖内部，不与被测液体直接接触，使得可以采用更加简洁的液位计发明，方便日常维护。 

(2)可靠性高寿命长：超声波换能器没有可动部件，不存在因机械磨损所造成的机械故障，因而其可靠性与使用寿命比绝大多数采用接触型测量方式的液位计要高。 

(3)适用环境广：超声波测量方式可方便的测量具有强烈挥发性、腐蚀性、黏度较大或有毒的液体，避免被被测液体污损， 

(4)相对低成本：本发明对超声波换能器的测量精度要求不高，对测量结果的分析主要依靠软件实现，故可以采用入门级别的低成本，高性价比超声波换能器，在保证测量精确度的情况下，降低价格成本。 

机械振动在介质中的传播形成机械波，频率高于20kHz的机械波称为超声波，现代超声波技术已能获得高达109Hz频率的超声波。超声波具有很多实用的特殊性质，例如1、方向性好；2、波动频率高；3、能量集中；4、可携带功率大；5、在两种介质界面上具有高能量反射比等。由此，可以看出超声波特别适合于距离的测量。加之近几年来产生超声波的元器件在制造工艺上得到了很大的改进与提高，使得超声波技术越来越受到各方的重视，以超声波为原理的器件仪表已广泛应用于工农业，军事工业以及人们的日常生活中。 

利用电与磁的物理效应产生频率高于20kHz的高频机械振动是人工产生超声波的重要方法。 

(1)压电式超声发生器：将石英、钛酸钡等晶体切割成合适的形状后，对其表面加一交变电压，随着晶体表面正负电荷否的不断变化，晶片会随着电荷的变化快速地做机械伸缩运动。由于交变电压可以达到非常高的频率，由此电压作用于晶片所产生的高频机械振动在介质中的传播即产生超声波。 

(2)磁致伸缩超声发生器：镍、铝铁合金等具有磁致伸缩效应的某些金属材料在交变磁场的作用下会产生机械伸缩变形，将这类具有磁致伸缩效应的物质做成芯棒状放置于通有高频交变电流的线圈中会引起材料的高频机械振动，从而产生超声波。 

超声波的基本性质： 

(1)方向性好：超声波波长很短，因此衍射效应对传播的方向所产生的影响小，使得超声波能量可集中成束，超声波的这一特性使得超声波在测距等方面有广泛的应用。 

(2)可具有大强度的声强：由于超声波的频率可以达到很高(现代超声波技术已能获得高达109Hz频率的超声波)，因此，最高可获得高达5000W·cm-2的声强，该强度足以击碎金属，金刚石等坚硬的物体。 

(3)附加声压值大：超声波可以具有很大的声强，能引起较大的声压振幅。超声波的这一特性可以使得介质的附加声压值增大并造成短时间内对媒质的拉压作用，在液体中产生“空穴作用”或“空化现象”，致使液体中瞬时形成小气泡，特殊条件下的气泡可以引起共振，从而在液体内部产生升温升压与放电等效果。 

(4)穿透力强：超声波在液体、固体中传播时的衰减很小，可以较容易的穿透几十米的固体厚度。 

(5)显著的反射效果：超声波在传播过程中若遇到不同介质的分界面时会有明显的反射。这一特性为潜艇声纳的探测、无损探伤、液位测距、人体病变研究等众多应用提供了科学依据。 

声速与温度及介质的关系：超声波的传播速度受温度，介质种类等因素的影响，以下表4及表5分别为声速与温度的关系表及声波在不同介质中的声学参数。采用超声波检测油箱内液位时，由于油箱所处环境多变，油箱内温度易受外界影响而改变从而影响声速，若无合适的修正方案则会对测量的精确度造成影响。 

油箱内所存储的汽油，柴油等均为易挥发性液体，若温度较高，燃油挥发严重，油箱内液面与换能器之间的气体并非空气而是密度比空气大许多的混合气体，此时可以等同于超声波传输的介质已改变，为保证测量精度，需要讨论超声波在不同介质中的传播速度。 

表4声速与温度的关系 

温度(℃)	14	16	20	23	26
						速度(m／s)	339.84	341.02	343.37	345.12	346.87

表5不同介质中的声学参数 

在本发明实际工作时所用的计算公式应在理论计算公式基础上，通过不断调试和修正获得。经分析大量测试数据，最终获得油量计算公式为(以长方体容器为例)： 

理论计算：h1＝t×((331+T×0.6)/2)                        (1-1) 

实际校正计算：h＝h1-h1/50-h1/15   (h1＜50) 

              h＝h1-h1/25-h1/15   (h1≥50)               (1-2) 

液量计算：V＝(H-h)×L×W                                 (1-3) 

其中：h1：理论计算值(mm)； 

       t：时间(s)； 

       T：温度(℃)； 

       h：校正值(mm)； 

       L：液箱长度(mm)； 

       W：液箱宽度(mm)； 

       V：液箱体积(mm3) 

硬件发明： 

一种基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统，其由两部分组成，包括安装于被测物体内的低功耗液位记录仪以及一用于收集液位记录仪的历史数据，进而可以导入计算机数据库后进行程序统计分析，以可视化的方式便捷地监测液位变化情况的低功耗液位记录手持PDA。 

低功耗液位记录仪，其具有以下功能模块： 

最小系统： 

最小系统包括电源电路，低功耗液位记录仪采用三节干电池串联供电，提供4.5V的输入电压，输入电压对超声波模块，温度补偿等模块直接供电。对单片机及对记录仪进行检测的 液晶显示模块采用3.3V供电，采用两节干电池串联供电；晶振电路，单片机的基础时钟模块主要由数字控制振荡器DCO、低频晶体振荡器LFXT1、高频晶体振荡器LFXT2等部件组成，用以输出3种不同频率的时钟：MCLK(主系统时钟)、SMCLK(子系统时间)、ACLK(辅助时钟)。发明多个时钟源是为了解决处理速度与低功耗之间的矛盾关系，在不同工作模式时使系统工作在不同的时钟源下可在满足系统需要的情况下降低系统功耗，本发明所采用的低功耗单片机已在内部集成数字控制振荡器DCO，所以在系统发明中需发明低频晶体振荡器和高频晶体振荡器两部分电路。低频晶体振荡器LFXT1支持超低功耗，它在低频模式下使用一个32.768kHz的晶体。该晶体可不通过任何电容直接连接在XIN和XOUT引脚上。低频晶体振荡器LFXT1一般工作在默认的32.768kHz低频模式，也可以通过外加电容来支持高频模式和高速晶体，在本发明中我们使用低频模式，晶振直接经过XIN和XOUT连接到单片机上。高频晶体振荡器LFXT2也称为第二振荡器XT2，它为单片机工作在高频模式时提供时钟信号XT2CLK，低功耗单片机外接高频振荡器的频率为450kHz至8MHz。在本系统中第二振荡器XT2采用8MHz的晶体，XT2外接2个33pF的电容连接到XT2IN和XT2OUT；复位电路，在包含控制器的电路系统中一般都应有与其相对应的复位电路，这样才能在系统上电后很好地复位，使系统处于稳定的运行状态。简单的复位电路一般可分为RC复位和芯片复位，芯片复位方式具有很高的稳定性和可靠性，RC复位价格低廉但是较不稳定，可靠性不高，不能在高速和庞大的系统采用。本发明较为简单，RC复位和芯片复位两种方式均可以采用，为了节约成本，本系统采用RC复位方式。 

超声波模块： 

超声波模块是本发明中测量功能的核心组成部分，一般分为发射器和接收器两部分。本发明所采用的是DYP-ME007超声波测距模块，其工作频率为40Hz，最远探测距离3.5m，最近探测距离3cm，绝对误差±3mm。 

T/R40-16型超声波传感器性能参数如表6所示： 

表6T/R40-16型超声波传感器性能参数表 

超声波传感器在不同的工作频率下具有不同的声压能级及灵敏度，一般将传感器的工作范围控制在各性能指标最佳状态。T/R40-16超声波传感器在输入频率为40kHz时，各特性都处于最佳工作状态，因此为了得到最佳使用效果必须使单片机输出波的频率为40kHz。 

低功耗单片机通过Trig端口输入10ms的脉冲，触发超声波模块准备工作，当收到高电平时捕获寄存器CCR0开始计时，发射器同时向介质发送超声波，当收到回波信号时，ECHO端口立即变为低电平，寄存器停止计时，因此高电平的时间就是传输的时间。CJ_PW引脚为低功耗单片机对超声波模块开关的控制脚。 

红外模块： 

低功耗液位记录仪所记录的液位数据存储于自带的E2PROM存储器中，当存储数据已满或需要导出数据时，用户可以通过车载油量记录仪及红外抄表PDA所自带的红外数据通信功能收集各被检车辆油耗记录仪的历史数据。 

当进行数据传输时，车载油量记录仪通过收发器将数据传输给红外发射头，再通过红外发射头将数据发射到外部接收设备。在本发明中，我们采用MAXIM公司的通用异步收发器MAX3100CEE芯片及美国Vishay(威世)公司的串行红外收发模块TFDU4100。 

MAX3100通用异步收发器： 

MAX3100的特点： 

1、支持高速通信，最高通信波特率可达230kbps； 

2、能工作于较高频率的系统中； 

3、支持低电压，低功耗； 

4、芯片体积小，可节省印制版空间； 

5、支持红外通信； 

MAX3100芯片有DIP，QSOP和TQFN-EP三种封装形式，本发明可以采用MAX3100CEE为QSOP封装：TFDU4100串行红外收发模块： 

红外发射部分采用美国Vishay(威世)公司推出的TFDU4100串行红外收发模块。该模块符合IrDA1.2串行红外传输标准，其最高的红外传输速度可达115.2Kbit/s，该红外传输模块内部集成了红外发射、传输、控制IC等部分。 

TFDU4100红外收发模块的特性有： 

1、符合IrDA1.2串行红外传输标准； 

2、较大范围的工作电压(2.7V-5.5V)； 

3、通过Vcc1/SD端口可控制模块进入低功耗休眠状态； 

4、较大的传输范围(在115.2Kbit/s时可达3m)； 

5、内部带有过压保护装置，不需要附件； 

低功耗单片机通过SHDN引脚控制MAX3100芯片是否进入待机模式，IRQ引脚由低电平触发中断，MAX3100芯片的DIN、DOUT、SLCK、CS四个引脚负责信息传输及控制，其作用分别为数据输入、数据输出、通信时钟控制及MAX3100的片选信号。 

温度补偿模块： 

温度对车载油量记录仪测量精度的影响主要体现在两个方面。一是温度对超声波传播速度的影响；二是传输介质对超声波传输速度的影响。汽油，柴油等燃油均为易挥发液体，在温度较高的情况下燃油挥发严重，此时超声波传输的介质即油箱内液面与换能器之间的气体并非空气而是密度比空气大许多的混合气体。 

超声波的传播速度与温度有着密切的关系，其换算的近似公式为式(3-1)： 

C＝Co+0.607×T           (3-1) 

式中Co为0℃时的声波速度332m/s，T为实际温度(℃)。 

若可获得当前测量环境的温度即可通过软件对数据结果进行修正，所以我们在车载油量记录仪中加入温度补偿模块。 

本发明所采用的是National Semiconductor(美国国家半导体公司)所生产的LM35温度传感器。LM35温度传感器所输出的电压线性地与摄氏温度对应，使用方便，比按绝对温标校准的线性温度传感器要优越许多。该传感器灵敏度为10.0mV/℃，精度在0.4℃至0.8℃(-55℃至+150℃温度范围内)，在静止温度中自热效应为0.08℃，，工作电压较宽，可在4至20V的电压范围内正常工作，重复性好，低输出阻抗，可单电源和正负电源工作。另外，LM35在单电源模式时25℃下静止电流约50μA，非常省电，符合本发明低功耗的发明要求。 

LM35管脚描述如下： 

1、Vout：数字信号输入输出端； 

2、GND：电源地； 

3、+Vs：外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)； 

温度补偿模块，其中TEM_PW引脚为单片机对温度补偿模块开关的控制脚，TEM脚接低功耗单片机的A/D引脚P6.3/A3。 

时钟模块： 

本发明所采用的PCF8563是PHILIPS(飞利浦)公司推出的一款具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。PCF8563是一款工业级产品，具有报警、定时器、时钟输出等多种功能，是一款性价比极高的时钟芯片。该芯片目前已被广泛应用于各生产领域。 

PCF8563有16个8位寄存器，其中包括：可自动增量的地址寄存器、内置32.768kHz振荡器(带一个内部集成电容)、分频器、可编程时钟输出、定时器、报警器、掉电检测器和400kHz的12C总线接口。 

本发明选用该款芯片主要是因为其极低的功耗及优异的性能表现。 

PCF8563时钟芯片各管脚功能如下： 

表7PCF8563时钟芯片管脚功能简表 

符号	管脚号	功能
			OSCI	1	振荡器输入
OSCO	2	振荡器输出
			INT	3	中断输出(开漏；低电平有效)
VSS	4	电源地
			SDA	5	串行数据I/O
SCL	6	串行时钟输入
			CLKOUT	7	时钟输出(开漏)
VDD	8	正电源

PCF8563时钟芯片的特性： 

表8PCF8563时钟芯片的特性简表 

PCF8563时钟芯片通过低电平触发INT脚开启定时，用12C总线P_SCLK、P_SDA传输信息。 

E2PROM存储模块： 

车载油量跟踪仪定时检测被检车辆的油箱液位状态后会将油箱液位信息存储于本地E2PROM存储器，以用于导入电脑进行数据分析。本发明采用美国ATMEL(爱特梅尔)公司的AT24C04芯片作为存储器。 

AT24C04是一种CMOS制造工艺的串行E2PROM存储器，拥有4K的存储空间。在发明中可采用AT24C16等存储空间更大的存储器，以增加存储量，延长数据导出周期，使得跟踪仪性能更理想。鉴于AT24C04的存储空间过小不能满足需要，在实验板上采取低功耗单片机自带60K的FLASH存储空间与E2PROM存储模块配合使用。经计算，50K的存储空间可满足三个月的存储需要。 

AT24C04各管脚功能如下表9所示： 

表9AT24C04管脚功能简表 

管脚名称	管脚号	功能
			A0、A1、A2	1、2、3	器件地址选择
SDA	5	串行数据输入/输出端
			SCL	6	串行时钟输入端
WP	7	写保护输入端
			Vcc	8	电源正端(+1.8V至6.0V工作电压)
Vss	4	电源地

E2PROM存储模块的硬件发明，EEP_PW脚为低功耗单片机对该模块开关的控制脚。 EEP_SDA与EEP_SCL脚接单片机脚P3.6与P3.7两引脚。 

按键模块： 

本发明所需要用到的按键数目较少，采用独立式按键发明，一个按键单独占有一个I/O口。在电路发明中按键一端接地，另一端与单片机的某个I/O口相连，开始工作后给I/O口赋一高电平，单片机不断检测该I/O口是否变为低电平，当按键闭合时，即相当于该I/O口通过按键与地相接，变成低电平，程序一旦检测到I/O口变为低电平则说明按键被按下，然后执行相应的指令。在所发明电路中可在I/O口直接连接一个LED发光二极管来显示系统的工作状态。 

若本发明中增加无线模块等其它功能，需要更多按键操作时，可采用行列式(矩阵式)键盘发明。矩阵键盘两端都与单片机I/O口相连，检测时，先送某一列为低电平，其余几列均为高电平，然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，若检测到某一行为低电平便可确认被按下的按键是第几行第几列的。这种发明方式在按键数目较多时可大大减少I/O口使用量。 

低功耗液位记录手持PDA： 

低功耗液位记录手持PDA具有以下功能模块：基于低功耗单片机的根据实际情况结构与上述最小系统结构不同的最小系统，红外通信模块，按键控制模块，本地液晶显示模块，SD卡接口模块，RS232通信模块。红外通信模块负责与油量检测仪通信，接收油量检测仪存储的液位数据，同时可对油量检测仪的系统参数进行设置；数据处理存储模块将红外接收到的数据存储到本地SD卡；电脑可通过RS232接口对红外抄表仪进行配置。低功耗液位记录仪以及低功耗液位记录手持PDA中的低功耗单片机可以采用MSP430单片机。 

本发明可以提供一种基于上述“基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统”的框架模型发展而来的一种非接触箱盖式车辆油量跟踪仪，例如： 

一种非接触箱盖式车辆油量跟踪仪，其发明构造及性能指标如下： 

液位测量深度可达1.3m，油量数据存储时间可达3个月，休眠工作电流小于0.1mA，3节1.5V干电池使用时间可达3个月，红外通信速率可达115200bps，红外通信距离可达1.5m，红外抄表仪具有1G SD卡存储，与电脑RS232接口连接进行配置，上位机采用MS SQL-Server数据库进行数据存储。 

其主要内容包括以下几部分： 

(1)车载油量记录仪 

车载油量记录仪以低功耗单片机为处理核心，外扩超声波测量电路，油量记录存储E2PROM电路，温度测量补偿电路，红外通信模块，实时时钟模块，电源管理模块。温度补偿模块用来测量温度值对超声波速度进行修正，实时时钟模块用来记录测量液位时的时间， 红外通信模块用于将测量的油量数据发送到红外抄表PDA。 

(2)红外抄表PDA 

红外抄表PDA用于采集多个车载油量记录仪的历史油量数据，同样以低功耗单片机为处理核心，外扩红外通信模块，按键控制模块，本地液晶显示模块，SD卡接口模块，RS232通信模块。红外通信模块负责与油量检测仪通信，接收油量检测仪存储的液位数据，同时可对油量检测仪的系统参数进行设置；数据处理存储模块将红外接收到的数据存储到本地SD卡；电脑可通过RS232接口对红外抄表仪进行配置。 

一种可以被运用的技术方案如下： 

一种低功耗液位记录仪，其被安装于被测物体上方，一个低功耗液位记录手持PDA对应于与其配对的一个低功耗液位记录仪，或一个低功耗液位记录手持PDA对应于至少一个能与其配对的低功耗液位记录仪，其特征在于，低功耗液位记录仪包括： 

最小系统，所述最小系统至少包括电源电路，晶振电路，复位电路，所述最小系统用于使得低功耗单片机可以至少被提供电能，振荡以及复位信号；以及 

声波模块，所述声波模块分为发射器和接收器两部分，用于发射以及接收声波信号，以用于提供给低功耗单片机；以及 

红外模块，用于低功耗液位记录仪与低功耗液位记录手持PDA之间进行数据传输，同时，红外模块也可采用公知的任何一种数据传输手段替代，例如蓝牙，无线网络，有线网络；以及 

温度补偿模块，由于温度，声波传输速度及传输介质三者之间存在不可分割的紧密联系，低功耗液位记录仪中包括温度补偿模块，用于对测距进行校正；以及 

时钟模块，用于提供时钟信号；以及 

存储模块，用于存储低功耗液位记录仪监测到的数据，并存储；以及 

按键模块，用于对功耗液位记录仪进行控制。其中 

一个低功耗液位记录手持PDA可以对一个或多个低功耗液位记录仪所记录的信息进行采集与存储。 

上述一种低功耗液位记录仪，其特征在于，基于低功耗单片机的声波液位跟踪仪系统中的电力电子器件优先选用基于忆阻器的器件，其中，存储模块采用基于忆阻器的存储器。 

上述一种低功耗液位记录仪，，其特征在于，每一个低功耗液位记录仪与每一个低功耗液位记录手持PDA均具有不同的数据编码，该编码用于使得低功耗液位记录仪与低功耗液位记录手持PDA进行数据传输时，低功耗液位记录手持PDA可以判断与其连接的低功耗液位记录仪为哪一台，或为什么编码，以使得每一个低功耗液位记录仪可以被判断识别，不被混淆。 

上述一种低功耗液位记录仪，其特征在于，低功耗液位记录仪或低功耗液位记录手持PDA上可以人工设定声波传输的介质，在未进行人工设置时，介质默认为油气混合体。 

另一种可以被运用的技术方案如下： 

一种基于低功耗单片机的声波液位跟踪仪系统，其包括低功耗液位记录手持PDA，低功耗液位记录手持PDA可用于采集一个与其对应配对的低功耗液位记录仪的历史液位数据，或一个低功耗液位记录手持PDA对应于至少一个能与其配对的低功耗液位记录仪的历史液位数据，低功耗液位记录手持PDA可以采用与低功耗液位记录仪不同型号的低功耗单片机为处理核心，其特征在于，低功耗液位记录手持PDA还具有最小系统，所述最小系统至少包括电源电路，晶振电路，复位电路，所述最小系统用于使得低功耗单片机可以至少被提供电能，振荡以及复位信号，低功耗液位记录手持PDA所采用的电源电路，晶振电路，复位电路可以与低功耗液位记录仪中的电源电路，晶振电路，复位电路不同；以及 

红外模块，用于低功耗液位记录手持PDA与低功耗液位记录仪之间进行数据传输；以及 

按键控制模块，用于对低功耗液位记录手持PDA进行控制，控制其与低功耗液位记录仪的链接及数据传输，也可用于低功耗液位记录手持PDA与上位机进行连接与数据传输；以及 

本地液晶显示模块，用于显示低功耗液位记录手持PDA的工作状态及数据信息，以及其与低功耗液位记录仪，或上位机之间的连接关系与信息数据；以及 

SD卡接口模块，用于存储来自于至少一个低功耗液位记录仪的数据信息，并存储经低功耗单片机数据处理与校正后的校正值；以及 

RS232通信模块，用于低功耗液位记录手持PDA与上位机的通信连接；以及 

红外模块负责与低功耗液位记录仪通信，接收低功耗液位记录仪存储的液位数据，同时可对低功耗液位记录仪的系统参数进行设置；SD卡接口模块将通过红外接收到的数据存储到本地SD卡，电脑可通过RS232接口对红外抄表仪进行配置。 

上述一种低功耗液位记录仪，其特征在于，低功耗液位记录仪与低功耗液位记录手持PDA中的电力电子器件优先选用基于忆阻器的器件，其中，存储模块采用基于忆阻器的存储器。 

上述一种低功耗液位记录仪，其特征在于，每一个低功耗液位记录仪与每一个低功耗液位记录手持PDA均具有不同的数据编码，该编码用于使得低功耗液位记录仪与低功耗液位记录手持PDA进行数据传输时，低功耗液位记录手持PDA可以判断与其连接的低功耗液位记录仪为哪一台，或为什么编码，以使得每一个低功耗液位记录仪可以被判断识别，不被混淆。 

上述一种低功耗液位记录仪，其特征在于，低功耗液位记录仪或低功耗液位记录手持PDA上可以人工设定声波传输的介质，在未进行人工设置时，介质默认为油气混合体；以及，低功耗液位记录手持PDA的电源电路可以被冗余设置，即可以通过电池与外接电源进行供电， 在两个电源均有输入时，外接电源比电池具有更高的优先级。 

以及，一种可以被运用的技术方案的计算方法如下： 

一种用于液位跟踪的方法，其特征在于，液位跟踪方法包括理论计算与实际校正计算两部分，其中， 

理论计算公式为： 

h1＝t×((331+T×0.6)/2)       (1-1) 

实际校正计算公式为： 

h＝h1-h1/50-h1/15   (h1＜50) 

h＝h1-h1/25-h1/15   (h1≥50)   (1-2) 

液量计算： 

V＝(H-h)×L×W                 (1-3) 

其中： 

h1：理论计算值(mm)； 

t：时间(s)； 

T：温度(℃)； 

h：校正值(mm)； 

L：液箱长度(mm)； 

W：液箱宽度(mm)； 

V：液箱体积(mm3) 

如上述的一种用于液位跟踪的方法，其特征在于，在计算液位理论值，液位实际校正值，液量值，或任何涉及数据计算时，若发生数据溢出，死机等导致液位跟踪失常的情况时，结束进程，并自动重启进行。 

本发明可用于例如以下场合：目前车辆的油量检测装置一般内置于车辆内油管，通过流过油管的油量检测机构进行实时油耗计算，进而反馈测量值到控制台。这种油量检测装置在车辆停止发动后就关闭了，无法实现油量使用情况的不中断监督。本发明可以变型为一种利用非接触式超声测距的工程车辆油量跟踪仪，置于油箱的箱盖内，以低功耗唤醒方式定时检测车辆油箱的液位状态，根据预先设置的油箱模型计算耗油量并存储于本地存储器。运行一段时间后，可以通过手持式PDA收集各个车辆油耗记录仪的历史数据，导入计算机数据库后进行程序统计分析，以可视化的方式便捷地监测车辆的使用燃油情况，防治恶意盗油事件。油耗记录仪还可以配置无线模块，油耗记录可实时传输到车载GPRS服务中心。 

非接触箱盖式车辆油量跟踪仪可广泛适用于车辆运输队、炼钢厂车队、工程车出租公司、 建筑施工队等单位进行工程车辆的燃油使用情况监管。具有广泛的应用场合，也具有一定的经济效益。 

附图说明

图1是超声波测距原理示意图。 

具体实施方式

一种基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统，其由两部分组成，包括安装于被测物体内的低功耗液位记录仪以及一用于收集液位记录仪的历史数据，进而可以导入计算机数据库后进行程序统计分析，以可视化的方式便捷地监测液位变化情况的低功耗液位记录手持PDA。 

低功耗液位记录仪，其具有以下功能模块： 

最小系统： 

最小系统包括电源电路，低功耗液位记录仪采用三节干电池串联供电，提供4.5V的输入电压，输入电压对超声波模块，温度补偿等模块直接供电。对单片机及对记录仪进行检测的液晶显示模块采用3.3V供电，采用两节干电池串联供电；晶振电路，单片机的基础时钟模块主要由数字控制振荡器DCO、低频晶体振荡器LFXT1、高频晶体振荡器LFXT2等部件组成，用以输出3种不同频率的时钟：MCLK(主系统时钟)、SMCLK(子系统时间)、ACLK(辅助时钟)。发明多个时钟源是为了解决处理速度与低功耗之间的矛盾关系，在不同工作模式时使系统工作在不同的时钟源下可在满足系统需要的情况下降低系统功耗，本发明所采用的低功耗单片机已在内部集成数字控制振荡器DCO，所以在系统发明中需发明低频晶体振荡器和高频晶体振荡器两部分电路。低频晶体振荡器LFXT1支持超低功耗，它在低频模式下使用一个32.768kHz的晶体。该晶体可不通过任何电容直接连接在XIN和XOUT引脚上。低频晶体振荡器LFXT1一般工作在默认的32.768kHz低频模式，也可以通过外加电容来支持高频模式和高速晶体，在本发明中我们使用低频模式，晶振直接经过XIN和XOUT连接到单片机上。高频晶体振荡器LFXT2也称为第二振荡器XT2，它为单片机工作在高频模式时提供时钟信号XT2CLK，低功耗单片机外接高频振荡器的频率为450kHz至8MHz。在本系统中第二振荡器 XT2采用8MHz的晶体，XT2外接2个33pF的电容连接到XT2IN和XT2OUT；复位电路，在包含控制器的电路系统中一般都应有与其相对应的复位电路，这样才能在系统上电后很好地复位，使系统处于稳定的运行状态。简单的复位电路一般可分为RC复位和芯片复位，芯片复位方式具有很高的稳定性和可靠性，RC复位价格低廉但是较不稳定，可靠性不高，不能在高速和庞大的系统采用。本发明较为简单，RC复位和芯片复位两种方式均可以采用，为了节约成本，本系统采用RC复位方式。 

超声波模块： 

超声波模块是本发明中测量功能的核心组成部分，一般分为发射器和接收器两部分。本发明所采用的是DYP-ME007超声波测距模块，其工作频率为40Hz，最远探测距离3.5m，最近探测距离3cm，绝对误差±3mm。 

超声波传感器在不同的工作频率下具有不同的声压能级及灵敏度，一般将传感器的工作范围控制在各性能指标最佳状态。T/R40-16超声波传感器在输入频率为40kHz时，各特性都处于最佳工作状态，因此为了得到最佳使用效果必须使单片机输出波的频率为40kHz。 

低功耗单片机通过Trig端口输入10ms的脉冲，触发超声波模块准备工作，当收到高电平时捕获寄存器CCR0开始计时，发射器同时向介质发送超声波，当收到回波信号时，ECHO端口立即变为低电平，寄存器停止计时，因此高电平的时间就是传输的时间。CJ_PW引脚为低功耗单片机对超声波模块开关的控制脚。 

红外模块： 

低功耗液位记录仪所记录的液位数据存储于自带的E2PROM存储器中，当存储数据已满或需要导出数据时，用户可以通过车载油量记录仪及红外抄表PDA所自带的红外数据通信功能收集各被检车辆油耗记录仪的历史数据。 

当进行数据传输时，车载油量记录仪通过收发器将数据传输给红外发射头，再通过红外发射头将数据发射到外部接收设备。在本发明中，我们采用MAXIM公司的通用异步收发器MAX3100CEE芯片及美国Vishay(威世)公司的串行红外收发模块TFDU4100。 

MAX3100通用异步收发器： 

MAX3100的特点： 

1、支持高速通信，最高通信波特率可达230kbps； 

2、能工作于较高频率的系统中； 

3、支持低电压，低功耗； 

4、芯片体积小，可节省印制版空间； 

5、支持红外通信； 

MAX3100芯片有DIP，QSOP和TQFN-EP三种封装形式，本发明可以采用MAX3100CEE为QSOP封装：TFDU4100串行红外收发模块： 

红外发射部分采用美国Vishay(威世)公司推出的TFDU4100串行红外收发模块。该模块符合IrDA1.2串行红外传输标准，其最高的红外传输速度可达115.2Kbit/s，该红外传输模块内部集成了红外发射、传输、控制IC等部分。 

TFDU4100红外收发模块的特性有： 

1、符合IrDA1.2串行红外传输标准； 

2、较大范围的工作电压(2.7V-5.5V)； 

3、通过Vcc1/SD端口可控制模块进入低功耗休眠状态； 

4、较大的传输范围(在115.2Kbit/s时可达3m)； 

5、内部带有过压保护装置，不需要附件； 

低功耗单片机通过SHDN引脚控制MAX3100芯片是否进入待机模式，IRQ引脚由低电平触发中断，MAX3100芯片的DIN、DOUT、SLCK、CS四个引脚负责信息传输及控制，其作用分别为数据输入、数据输出、通信时钟控制及MAX3100的片选信号。 

温度补偿模块： 

温度对车载油量记录仪测量精度的影响主要体现在两个方面。一是温度对超声波传播速度的影响；二是传输介质对超声波传输速度的影响。汽油，柴油等燃油均为易挥发液体，在温度较高的情况下燃油挥发严重，此时超声波传输的介质即油箱内液面与换能器之间的气体并非空气而是密度比空气大许多的混合气体。 

超声波的传播速度与温度有着密切的关系，其换算的近似公式为式(3-1)： 

C＝Co+0.607×T         (3-1) 

式中Co为0℃时的声波速度332m/s，T为实际温度(℃)。 

若可获得当前测量环境的温度即可通过软件对数据结果进行修正，所以我们在车载油量记录仪中加入温度补偿模块。 

本发明所采用的是National Semiconductor(美国国家半导体公司)所生产的LM35温度传感器。LM35温度传感器所输出的电压线性地与摄氏温度对应，使用方便，比按绝对温标校准的线性温度传感器要优越许多。该传感器灵敏度为10.0mV/℃，精度在0.4℃至0.8℃(-55℃至+150℃温度范围内)，在静止温度中自热效应为0.08℃，，工作电压较宽，可在4至20V的电压范围内正常工作，重复性好，低输出阻抗，可单电源和正负电源工作。另外，LM35在单电源模式时25℃下静止电流约50μA，非常省电，符合本发明低功耗的发明要求。 

LM35管脚描述如下： 

1、Vout：数字信号输入输出端； 

2、GND：电源地； 

3、+Vs：外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)； 

温度补偿模块，其中TEM_PW引脚为单片机对温度补偿模块开关的控制脚，TEM脚接低功耗单片机的A/D引脚P6.3/A3。 

时钟模块： 

本发明所采用的PCF8563是PHILIPS(飞利浦)公司推出的一款具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。PCF8563是一款工业级产品，具有报警、定时器、时钟输出等多种功能，是一款性价比极高的时钟芯片。该芯片目前已被广泛应用于各生产领域。 

PCF8563有16个8位寄存器，其中包括：可自动增量的地址寄存器、内置32.768kHz振荡器(带一个内部集成电容)、分频器、可编程时钟输出、定时器、报警器、掉电检测器和400kHz的I2C总线接口。 

本发明选用该款芯片主要是因为其极低的功耗及优异的性能表现。 

PCF8563时钟芯片通过低电平触发INT脚开启定时，用I2C总线P_SCLK、P_SDA传输信息。 

E2PROM存储模块： 

车载油量跟踪仪定时检测被检车辆的油箱液位状态后会将油箱液位信息存储于本地E2PROM存储器，以用于导入电脑进行数据分析。本发明采用美国ATMEL(爱特梅尔)公司的AT24C04芯片作为存储器。 

AT24C04是一种CMOS制造工艺的串行E2PROM存储器，拥有4K的存储空间。在发明中可采用AT24C16等存储空间更大的存储器，以增加存储量，延长数据导出周期，使得跟踪仪性能更理想。鉴于AT24C04的存储空间过小不能满足需要，在实验板上采取低功耗单片机自带60K的FLASH存储空间与E2PROM存储模块配合使用。经计算，50K的存储空间可满足三个月的存储需要。 

E2PROM存储模块的硬件发明，EEP_PW脚为低功耗单片机对该模块开关的控制脚。EEP_SDA与EEP_SCL脚接单片机脚P3.6与P3.7两引脚。 

按键模块： 

本发明所需要用到的按键数目较少，采用独立式按键发明，一个按键单独占有一个I/O口。在电路发明中按键一端接地，另一端与单片机的某个I/O口相连，开始工作后给I/O口赋一高电平，单片机不断检测该I/O口是否变为低电平，当按键闭合时，即相当于该I/O口 通过按键与地相接，变成低电平，程序一旦检测到I/O口变为低电平则说明按键被按下，然后执行相应的指令。在所发明电路中可在I/O口直接连接一个LED发光二极管来显示系统的工作状态。 

若本发明中增加无线模块等其它功能，需要更多按键操作时，可采用行列式(矩阵式)键盘发明。矩阵键盘两端都与单片机I/O口相连，检测时，先送某一列为低电平，其余几列均为高电平，然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，若检测到某一行为低电平便可确认被按下的按键是第几行第几列的。这种发明方式在按键数目较多时可大大减少I/O口使用量。 

低功耗液位记录手持PDA： 

低功耗液位记录手持PDA具有以下功能模块：基于低功耗单片机的根据实际情况结构与上述最小系统结构不同的最小系统，红外通信模块，按键控制模块，本地液晶显示模块，SD卡接口模块，RS232通信模块。红外通信模块负责与油量检测仪通信，接收油量检测仪存储的液位数据，同时可对油量检测仪的系统参数进行设置；数据处理存储模块将红外接收到的数据存储到本地SD卡；电脑可通过RS232接口对红外抄表仪进行配置。 

在本发明实际工作时所用的计算公式应在理论计算公式基础上，通过不断调试和修正获得。经分析大量测试数据，最终获得油量计算公式为(以长方体容器为例)： 

理论计算：h1＝t×(331+T×0.6)/2                     (1-1) 

实际校正计算：h＝h1-h1/50-h1/15   (h1＜50) 

              h＝h1-h1/25-h1/15   (h1＞＞50)        (1-2) 

液量计算：V＝(H-h)×L×W                            (1-3) 

其中：h1：理论计算值(mm)； 

       t：时间(s)； 

       T：温度(℃)； 

       h：校正值(mm)； 

       L：油箱长度(mm)； 

       W：油箱宽度(mm)； 

       V：油量体积(mm3) 

本发明可以提供一种基于上述“基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统”的框架模型发展而来的一种非接触箱盖式车辆油量跟踪仪作为本发明的实施例： 

一种非接触箱盖式车辆油量跟踪仪，其发明构造及性能指标如下： 

液位测量深度可达1.3m，油量数据存储时间可达3个月，休眠工作电流小于0.1mA，3节1.5V干电池使用时间可达3个月，红外通信速率可达115200bps，红外通信距离可达1.5m， 红外抄表仪具有1G SD卡存储，与电脑RS232接口连接进行配置，上位机采用MS SQL-Server数据库进行数据存储。 

其主要内容包括以下几部分： 

(1)车载油量记录仪 

车载油量记录仪以低功耗单片机为处理核心，外扩超声波测量电路，油量记录存储E2PROM电路，温度测量补偿电路，红外通信模块，实时时钟模块，电源管理模块。温度补偿模块用来测量温度值对超声波速度进行修正，实时时钟模块用来记录测量液位时的时间，红外通信模块用于将测量的油量数据发送到红外抄表PDA。 

(2)红外抄表PDA 

红外抄表PDA用于采集多个车载油量记录仪的历史油量数据，同样以低功耗单片机为处理核心，外扩红外通信模块，按键控制模块，本地液晶显示模块，SD卡接口模块，RS232通信模块。红外通信模块负责与油量检测仪通信，接收油量检测仪存储的液位数据，同时可对油量检测仪的系统参数进行设置；数据处理存储模块将红外接收到的数据存储到本地SD卡；电脑可通过RS232接口对红外抄表仪进行配置。 

本发明为一种具有良好市场前景的低功耗液位测量系统，其硬件系统内各芯片的选型与连接方式均是经过研发人员在设计完成后经过多次测试，优化改造而来，本发明的设计思路也是在征询大量测量领域技术人员后得出的一种更适于推广运用的设计方式，本发明具有低功耗，长待机，成本低，性能可靠等优点，其硬件设计及开发思路均为独创，本发明具有专利领域所述三性，即具有实用性，新颖性与创造性，同时，本发明已详细公开了主要硬件电路设计与选型，现已进入预生产阶段，迫切需要专利保护。 

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。 

Claims (10)

1.一种低功耗液位记录仪，其被安装于被测物体上方，一个低功耗液位记录手持PDA对应于与其配对的一个低功耗液位记录仪，或一个低功耗液位记录手持PDA对应于至少一个能与其配对的低功耗液位记录仪，其特征在于，低功耗液位记录仪包括：

最小系统，所述最小系统至少包括电源电路，晶振电路，复位电路，所述最小系统用于使得低功耗单片机可以至少被提供电能，振荡以及复位信号；以及

声波模块，所述声波模块分为发射器和接收器两部分，用于发射以及接收声波信号，以用于提供给低功耗单片机；以及

红外模块，用于低功耗液位记录仪与低功耗液位记录手持PDA之间进行数据传输，同时，红外模块也可采用公知的任何一种数据传输手段替代，例如蓝牙，无线网络，有线网络；以及

温度补偿模块，由于温度，声波传输速度及传输介质三者之间存在不可分割的紧密联系，低功耗液位记录仪中包括温度补偿模块，用于对测距进行校正；以及

时钟模块，用于提供时钟信号；以及

存储模块，用于存储低功耗液位记录仪监测到的数据，并存储；以及

按键模块，用于对功耗液位记录仪进行控制。其中

一个低功耗液位记录手持PDA可以对一个或多个低功耗液位记录仪所记录的信息进行采集与存储。

2.如权利要求1所述的一种低功耗液位记录仪，其特征在于，基于低功耗单片机的声波液位跟踪仪系统中的电力电子器件优先选用基于忆阻器的器件，其中，存储模块采用基于忆阻器的存储器。

3.如权利要求1-2任一项所述的一种低功耗液位记录仪，其特征在于，每一个低功耗液位记录仪与每一个低功耗液位记录手持PDA均具有不同的数据编码，该编码用于使得低功耗液位记录仪与低功耗液位记录手持PDA进行数据传输时，低功耗液位记录手持PDA可以判断与其连接的低功耗液位记录仪为哪一台，或为什么编码，以使得每一个低功耗液位记录仪可以被判断识别，不被混淆。

4.如权利要求1任一项所述的一种低功耗液位记录仪，其特征在于，低功耗液位记录仪或低功耗液位记录手持PDA上可以人工设定声波传输的介质，在未进行人工设置时，介质默认为油气混合体。

5.一种基于低功耗单片机的声波液位跟踪仪系统，其包括低功耗液位记录手持PDA，低功耗液位记录手持PDA可用于采集一个与其对应配对的低功耗液位记录仪的历史液位数据，或一个低功耗液位记录手持PDA对应于至少一个能与其配对的低功耗液位记录仪的历史液位数据，低功耗液位记录手持PDA可以采用与低功耗液位记录仪不同型号的低功耗单片机为处理核心，其特征在于，低功耗液位记录手持PDA还具有最小系统，所述最小系统至少包括电源电路，晶振电路，复位电路，所述最小系统用于使得低功耗单片机可以至少被提供电能，振荡以及复位信号，低功耗液位记录手持PDA所采用的电源电路，晶振电路，复位电路可以与低功耗液位记录仪中的电源电路，晶振电路，复位电路不同；以及

红外模块，用于低功耗液位记录手持PDA与低功耗液位记录仪之间进行数据传输；以及

按键控制模块，用于对低功耗液位记录手持PDA进行控制，控制其与低功耗液位记录仪的链接及数据传输，也可用于低功耗液位记录手持PDA与上位机进行连接与数据传输；以及

本地液晶显示模块，用于显示低功耗液位记录手持PDA的工作状态及数据信息，以及其与低功耗液位记录仪，或上位机之间的连接关系与信息数据；以及

SD卡接口模块，用于存储来自于至少一个低功耗液位记录仪的数据信息，并存储经低功耗单片机数据处理与校正后的校正值；以及

RS232通信模块，用于低功耗液位记录手持PDA与上位机的通信连接；以及

红外模块负责与低功耗液位记录仪通信，接收低功耗液位记录仪存储的液位数据，同时可对低功耗液位记录仪的系统参数进行设置；SD卡接口模块将通过红外接收到的数据存储到本地SD卡，电脑可通过RS232接口对红外抄表仪进行配置。

6.如权利要求5所述的一种基于低功耗单片机的声波液位跟踪仪系统，其特征在于，低功耗液位记录仪与低功耗液位记录手持PDA中的电力电子器件优先选用基于忆阻器的器件，其中，存储模块采用基于忆阻器的存储器。

7.如权利要求5任一项所述的一种基于低功耗单片机的声波液位跟踪仪系统，其特征在于，每一个低功耗液位记录仪与每一个低功耗液位记录手持PDA均具有不同的数据编码，该编码用于使得低功耗液位记录仪与低功耗液位记录手持PDA进行数据传输时，低功耗液位记录手持PDA可以判断与其连接的低功耗液位记录仪为哪一台，或为什么编码，以使得每一个低功耗液位记录仪可以被判断识别，不被混淆。

8.如权利要求5-6任一项所述的一种基于低功耗单片机的声波液位跟踪仪系统，其特征在于，低功耗液位记录仪或低功耗液位记录手持PDA上可以人工设定声波传输的介质，在未进行人工设置时，介质默认为油气混合体；以及，低功耗液位记录手持PDA的电源电路可以被冗余设置，即可以通过电池与外接电源进行供电，在两个电源均有输入时，外接电源比电池具有更高的优先级。

9.一种用于液位跟踪的方法，其特征在于，液位跟踪方法包括理论计算与实际校正计算两部分，其中，

理论计算公式为：

h1＝t×((331+T×0.6)/2)        (1-1)

实际校正计算公式为：

h＝h1-h1/50-h1/15   (h1＜50)

h＝h1-h1/25-h1/15   (h1≥50)    (1-2)

液量计算：

V＝(H-h)×L×W         (1-3)

其中：

h1：理论计算值(mm)；

t：时间(s)；

T：温度(℃)；

h：校正值(mm)；

L：液箱长度(mm)；

W：液箱宽度(mm)；

V：液箱体积(mm3)。

10.如权利要求9所述的一种用于液位跟踪的方法，其特征在于，在计算液位理论值，液位实际校正值，液量值，或任何涉及数据计算时，若发生数据溢出，死机等导致液位跟踪失常的情况时，结束进程，并自动重启进程。

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