CN200962051Y - 智能液位传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种液位信号参数测量的智能传感器，由传感器和传感器控制单元构成，其特征是：所述的传感器包括两个超声波发射传感器和一个超声波接收传感器构成的距离测量传感器；所述的传感器控制单元包括：与距离传感器电连接的信号调理单元、顺序连接在信号调理单元后的微控制器单元和CAN总线通讯单元。本实用新型采用超声波测量技术能够定点和连续测液位，不需要特别防护，克服现有液位传感器不能够对环境温度、湿度、介质成分的变化进行自动适应的不足，安装和维护较方便，结构、方法都较简单，价格低廉，以满足各种不同测量环境的需要。

Description

智能液位传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，尤其涉及一种液位信号参数测量的智能传感器。

背景技术

液位测量在水利部门和气象部门以及化工等领域有着广泛的应用。其中超声波测量是一个重要的方法。超声波液位测量有许多优点：它不仅能够定点和连续测液位，与其他测位技术相比，它不需要特别防护，安装和维护较方便，而且结构、方法都较简单，价格低廉。

在超声波液位测量技术中，应用最广泛的是超声波脉冲回波方法。当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同、声速不同的介质的分界面上，传播方向便发生改变。即一部分被反射，一部分折射入相邻介质内。由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。

因此，由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液位。见参考资料：仪表技术与传感器2005年第11期，基于超声波传感器的无线液位测量系统；仪表技术与传感器2004年第1期，基于单片机的液位测量系统。

现有技术的超声波液位测量在实际使用过程中主要存在以下缺陷：

1、由于超声波传播速度受温度的影响，必须对超声波传感器测量结果进行温度补偿，必须增加温度采集单元。

2、如果测量的介质发生改变时，超声波传感器测量结果也必须进行相应的更改，需要人为标定。

3、超声波传感器尚不能够对环境温度、湿度、介质的变化进行自适应的调节。

随着现场总线技术的发展，提出以现场总线输出的智能传感器，其可降低成本、提高灵活性，是当今传感器发展的方向。

发明内容

本实用新型提供一种智能液位传感器，它的目的是为了克服现有液位传感器不能够对对环境温度、湿度、介质成分的变化进行自动适应的不足，以满足各种不同测量环境的需要。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种智能液位传感器，由传感器和传感器控制单元构成，其特征是：

所述的传感器包括两个超声波发射传感器和一个超声波接收传感器构成的距离测量传感器；所述的传感器控制单元包括：与距离传感器电连接的信号调理单元、顺序连接在信号调理单元后的微控制器单元和CAN总线通讯单元。

所述信号调理单元包括与微控制器连接的微分电路、与发射传感器连接的驱动电路、顺序电连接在超声波接收传感器和微控制器之间的放大电路单元、比较电路单元、单稳触发电路单元。

所述微控制器包括一单片机集成芯片和设置在微控制器复位端的复位电路以及设置在微控制器时钟输入端的晶振电路组成。

所述CAN总线通讯单元由分别设置在CANRX和CANTX端的光电隔离电路芯片和CAN总线驱动电路集成芯片连接成。

且所述两个超声波发射传感器之间设置5-25cm的差距。这样可以保证测到的距离有一定的差别，且这个差别是固定的。

上述智能液位传感器工作时，所述微控制器发出的脉冲信号经过微分电路之后变成一标准的脉冲信号，然后通过驱动电路形成脉冲信号，再由该信号去驱动两个超声波发射传感器；所述超声波接收传感器的回波信号经过放大电路单元之后，再经过比较电路单元形成一个脉冲信号触发单稳态触发电路单元，最后回波信号进入微控制器分析处理。

在上述的智能传感器中采用CAN(Controller Area Network)总线作为该传感器的串行控制总线。由于CAN总线具有通讯速率高、实时性好、带负载能力强、可靠性及抗干扰能力好、总线利用率高及硬件成本低等优点，非常适于检测、控制等分布式网络的通讯。

在本实用新型中既要保证采样数据的完整性，同时要使CAN总线的传输速率达到最大。因此，CAN总线的数据处理设计成完全的中断驱动，当CPU处理前台任务时，CAN总线可在后台传输，同时规定采样中断优先级高于总线中断优先级，即在采样时不被总线中断打断，以保证采样过程的完整性。后台(中断服务程序)和前台主程序循环之间的数据交换采用事件标志和数据缓冲区来实现。总线数据和传感器数据采集由中断服务程序完成，根据中断标志来判断中断源，进入相应的中断分支处理，同时置事件标志。系统主程序通过查询事件标志专注于数据处理而不用关心总线数据的传输和数据采集过程。

在上述的智能传感器中，由于超声波传播速度受温度、湿度、气压以及气体成分的影响，为了消除这种影响，采用两个超声波发射传感器A、B；设超声波发射传感器A发射脉冲，超声波接收传感器接收到回波信号时间为T₁，超声波发射传感器B发射脉冲，超声波接收传感器接收到回波信号时间为T₂，

$S=\frac{t_{1}v}{2}=\frac{t_{2}v-d}{2}---\left(1\right)$

得：

$v=\frac{d}{t_2-t_1}---\left(2\right)$

由于d的值已知，则：

$S=\frac{t_{1}v}{2}=\frac{t_{1}d}{2(t_2-t_1)}---\left(3\right)$

从式(3)可以看出，距离S完全和d以及时间有关，而与超声波传播的速度无关。

这样可以消除由于环境因素引起的误差，省去温度、压力、湿度、成分的补偿，测量的精度由d以及时间测量的精度来保证。

本实用新型由于采用了以上的技术方案，使之与现有的技术相比具有以下的优点和积极效果：

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型采用超声波测量技术能够定点和连续测液位，不需要特别防护，安装和维护较方便，而且结构、方法都较简单，价格低廉。

2、由于本实用新型采用两个超声波发射传感器，一个超声波接收传感器，可以在环境温度、湿度、介质成分的变化的情况下，仍能得到正确的结果，测量的精度不受影响，不需要人为调节和标定工作，只与传感器的本身精度有关。提高了传感器的自适应能力和灵活性。

3、本实用新型采用CAN总线技术，使得组网更加方便灵活。

4、本实用新型采用的微控制器具有CAN控制单元、时钟捕获等单元降低了开发成本提高了系统集成度。

5、本实用新型可以放于空气中测量也可以放于水中或其他液体中测量，不需要调节和标定，只需在封装上做防水、防腐处理，扩大了应用范围。

附图说明

图1为本实用新型的系统原理框图。

图2为本实用新型的单片机控制通信、信号采集处理的程序流程图

图3为本实用新型的信号捕获处理的中断流程图

图4为本实用新型的CAN通信处理的中断流程图

图5为本实用新型的传感器控制单元信号的调理单元、顺序连接在信号变送单元后的微控制器单元和CAN总线通讯单元的电路原理图。

具体实施方式

实施例1.智能液位传感器

见图1，本实施实例智能液位传感器包括两个超声波发射传感器和一个超声波接收传感器构成的距离测量传感器4；所述的传感器控制单元包括：与距离传感器电连接的信号调理单元2、顺序连接在信号变送单元后的微控制器单元1和CAN总线通讯单元3。

见图5，标号为U1的微控制器1-1的型号为PIC18F258单片机，该单片机集成有32KB的Flash程序存贮器，1536B的SRAM和256B的EEPROM，具有很多其它单片机所无法比拟的优点：首先，它采用哈佛双总线结构，数据与指令的传输总线完全分开，能够同时对程序和数据进行访问，提高了数据的吞吐量。其次，它采用二级流水线结构，在执行上一条指令的同时能够对下一条指令取指，实现了指令的单周期执行。然后，采用精简的指令集，使得编程简单而又灵活。此外，内嵌了丰富的特殊功能部件，如WDT，CCP和CAN控制器等，大简化了外围电路的设计。微控制器1-1的端口RB3/CANRX和RB2/CANTX为CAN总线通信控制端口；微控制器1-1的端口OSC1/CLK1为晶振时钟输入端口；微控制器1-1的端口、VFF/MCLR为复位输入端口；微控制器1-1的端口RC5，RC4为超声波脉冲驱动端口；微控制器1-1的端口RC2为超声回波脉冲的输入端口。

见图5，晶振电路1-1，由晶振和非门以及电容电阻共同组成振荡电路，输出20MHZ的时钟信号，输入到微控制器的OSC1/CLK1端口，驱动微控制器工作。

见图5，复位电路1-2，由复位键和电容电阻组成，输入到微控制器VFF/MCLR端口，可以实现上电复位和按键复位。

见图1，超声波信号调理单元2，包括超声波脉冲驱动单元2-1和超声回波检测单元2-2，其中超声波驱动单元2-1，包括微分电路2-1-1和2-1-3，驱动电路2-1-2和2-1-4。

见图5，超声波脉冲驱动单元2-1，该部分主要由微分电路2-1-1、2-1-3和驱动电路组成2-1-2、2-1-4。CPU发出的脉冲信号经过微分电路之后变成一标准的脉冲信号，然后通过驱动电路2-1-2和2-1-4形成脉冲信号。再由该信号去驱动超声探头，把电能换成机械能，形成超声波。

见图5，超声回波检测单元2-2，包括放大电路2-2-3、比较电路2-2-2和触发电路2-2-1；电路主要由放大电路2-2-3和比较电路2-2-2以及单稳态触发电路2-2-1组成。采集到的超声探头的脉冲信号经过放大电路2-2-3两级放大后，再经过比较电路2-2-2之后形成一个脉冲信号。由该脉冲信号去触发单稳态触发电路2-2-1，从而形成一个窄脉冲信号。该信号去触发U1的RP2/CPP1引脚，形成捕捉事件，产生捕捉中断。通过记录捕获时间计算距离。这里将传感器的电量转换成了频率量，实际上是频率的测量。PIC18F258单片机有一个很重要的外围部件CCP(Capture/Compare/PWM)，用它来实现频率信号的周期测量。将CCP通过控制寄存器使其工作在Capture方式下，一旦RC2/CCP1引脚上有触发事件发生时，16位的寄存器CCP/R1立即捕捉记录下这时的定时器TMR1寄存器中的值。这里的触发事件，通过控制寄存器CCP1CON的D3-D0来选择以下四种当中的一种：单脉冲下降沿触发、单脉冲上升沿触发、每四个脉冲上升沿触发、每16个脉冲的下降沿触发。本实施实例采用的是单脉冲的上升沿触发方式。当U1的RC2/CCP1引脚上出现频率信号的上升沿时，U1都会自动捕捉计时器中的内容，并且产生一个捕捉中断。两计数值的差值即为频率信号周期。用捕捉功能(CCP)完成计时测量，方便、简单，不需要用外部电路来保证计时与输入信号的同步，而且计时的精度也更高。PIC18F258的定时周期(等于机器周期)是晶振频率的四分频，而其它单片机如AT89C52单片机的定时周期是晶振的12分频，对于同样的晶振时钟用前者就能达到更高的计时精度。本实施实例中晶振选为20MHz.。

见图5，微分电路2-1-1，由R9和C8组成的滤波电路，U8的运算放大器LM741与R10、R11组成的微分电路共同组成；

见图5，微分电路2-1-3，由R15和C12组成的滤波电路，标号为U9的LM741与R16、R17组成的微分电路共同组成。

见图5，驱动电路2-1-2，主要由三极管Q1、Q2，变压器T1，电阻R12、R13、R14，电容C9、C10、C11组成，C11的一端与Q2的基极相连，另一端为变压器T1的输入端，变压器T1的另一端即为驱动电路2-1-2的输出端。

见图5，驱动电路2-1-4，主要由三极管Q3、Q4，变压器T2，电阻R18、R19、R20，电容C13、C14、C15组成，C15的一端与Q4的基极相连，另一端为变压器T2的输入端，变压器T2的另一端即为驱动电路2-1-4的输出端。

见图5，放大电路2-2-3，由电容C16、C17、C18、C19，电阻R21、R22、R23、R24，运算放大器U5-1和U5-2组成两级放大电路。第一级放大电路放大倍数为一，起到信号隔离的作用，使信号更加稳定。

见图5，比较电路2-2-2，由电阻R25、R26、R27、R28，运算放大器LM339组成，当信号高比参考电压高时输出为高电平，比参考电压低时输出低电平，把模拟信号变成脉冲信号。

见图5，单稳触发电路2-2-1，由电阻R29、R30，电容C20、单稳触发电路74LS121组成。信号输入到U7的A1端，从Q端输出，产生一个窄脉冲输入到微控制器U1的捕获单元。

见图1，本实施实例采用微控制器内嵌的CAN控制模块，由CAN总线驱动电路3-2接口单元将传感器接入CAN总线网络，同时在其间加入光电隔离电路3-1，以增强抗干扰能力。

见图5，本实施实例采用单片机内嵌的CAN控制模块，由CAN总线驱动电路3-2接口单元将传感器接入CAN总线网络。CAN总线驱动电路3-2由CAN总线驱动芯片U2和电容C6组成，CAN总线驱动芯片U2的型号为MCP2551。同时在其间加入光电隔离电路3-1，以增强抗干扰能力。光电隔离电路3-1由光耦U3、U4，电容C4、C7，电阻R4、R5、R7、R8组成。由于CAN的通信协议由单片机内的硬件模块实现，因此微控制器不直接参与CAN协议的处理，这样系统有更多的资源进行传感数据的处理。微控制器U1的主要任务是采集传感数据，对传感数据进行变换处理，对CAN协议模块的工作进行调度以完成CPU与现场总线间的数据传输。

在本实施实例中，既要保证采样数据的完整性；同时要使CAN总线的传输速率达到最大。因此，CAN总线的数据处理设计成完全的中断驱动，当CPU处理前台任务时，CAN总线可在后台传输，同时规定采样中断优先级高于总线中断优先级，即在采样时不被总线中断打断，以保证采样过程的完整性。后台(中断服务程序)和前台主程序循环之间的数据交换采用事件标志和数据缓冲区来实现。总线数据和传感器数据采集由中断服务程序完成，根据中断标志来判断中断源，进入相应的中断分支处理，同时置事件标志。系统主程序通过查询事件标志，专注于数据处理而不用关心总线数据的传输和数据采集过程。

见图1，本实施实例采用两个超声波发射传感器A和超声波发射传感器B，且两个超声波发射传感器之间安装的距离相差d，在本实施实例中d取10CM；一个超声波接收传感器，且超声波接收传感器和超声波发射传感器A的安装位置平齐。

由于超声波传播速度受温度、湿度、气压以及气体成分的影响，为了消除这种影响，采用两个超声波发射传感器A、B；设超声波发射传感器A发射脉冲，超声波接收传感器接收到回波信号时间为T₁，超声波发射传感器B发射脉冲，超声波接收传感器接收到回波信号时间为T₂，

$S=\frac{t_{1}v}{2}=\frac{t_{2}v-d}{2}---\left(1\right)$

得：

$v=\frac{d}{t_2-t_1}---\left(2\right)$

由于d的值已知，则：

$S=\frac{t_{1}v}{2}=\frac{t_{1}d}{2(t_2-t_1)}---\left(3\right)$

从式(3)可以看出，距离S只和d以及时间有关，而与超声波传播的速度无关。

Claims (5)

1、一种智能液位传感器，包括传感器及控制单元，其特征是：所述传感器包括两个超声波发射传感器(4-1)和一个超声波接收传感器(4-2)构成的距离测量传感器(4)，所述的控制单元包括与距离测量传感器电连接的信号变送单元(2)、顺序连接在信号变送单元后的微控制器(1)和CAN总线通讯单元(3)。

2、根据权利要求1所述的智能液位传感器，其特征是：所述信号变送单元(2)包括与微控制器(1)连接的微分电路(2-1-1、2-1-3)、与发射传感器(4-1)连接的驱动电路(2-1-2、2-1-4)、顺序电连接在超声波接收传感器(4-2)和微控制器(1)之间的放大电路单元(2-2-3)、比较电路单元(2-2-2)、单稳触发电路单元(2-2-1)。

3、根据权利要求2所述的智能液位传感器，其特征是：所述微控制器(1)包括一单片机集成芯片和设置在微控制器复位端的复位电路以及设置在微控制器(1)时钟输入端的晶振电路组成。

4、根据权利要求2所述的智能液位传感器，其特征是：所述CAN总线通讯单元(3)由分别设置在CANRX和CANTX端的光电隔离电路芯片和CAN总线驱动电路集成芯片连接成。

5、根据权利要求2所述的智能液位传感器，其特征是：所述两个超声波发射传感器(4-1)之间设置5-25cm的差距。

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