基于单片机的超声波油位测量仪的研究和实现
黄四青1，冯学军2
【摘 要】摘要：针对采油厂油位实时检测难度大的问题，开发一种基于单片机的超声波油位测量仪。测量仪以单片机系统为核心，利用超声波作为信息检测手段，以实现采油厂储油罐中的油位检测，并使用最小二乘法对测量数据进行分析处理。利用计算机技术和超声波检测技术研制出来的超声波油位测量仪，具有非接触性、自动控制、测量精度高、成本低廉、功能强大等优点。 【期刊名称】现代电子技术 【年(卷),期】2014(000)014 【总页数】3
【关键词】超声波；油位测量；储油罐；最小二乘法
本文所讨论的超声波油位测量仪，传感器不直接接触被测原油，这种测量方法有很高的应用价值，特别是在中小型油田开采企业。安装投入低，采油场的每一口储油罐上都要安装一套超声波探测器，储油罐的总数量很大，所以，投入低对于油田来说是很有吸引力的。其次是安全可靠，原油有很强的挥发性，其挥发出的有很多是可燃性气体。测量精度高，储油罐横截面大，测量精度低，就会引起很大的测量误差。安装方便，超声波油位测量仪体积小，现场安装很方便[1]。
1 超声波油位测量仪的设计
超声波油位测量仪是根据“脉冲?回波测距”的原理设计的[2?3]。由超声波的发射器发射超声波，声波遇到障碍物后反射，由超声波接收器接收回波。测出从超声波发出脉冲串至接收到回波信号的传输时间，由于超声波在同一种介质
中的传输速度是不变的，所以根据时间和声速，就可算出测量距离[4?6]。 超声波油位测量仪的总体设计框图如图1所示。
超声波油位测量仪由硬件和软件两部分组成。其中，硬件部分的研究重点是怎样提供超声波信号的工作稳定性；软件部分的研究重点是对原始数据的处理分析，相关软件算法的设计及运用。为了提高系统的稳定性，采用了一些抗干扰措施[1]。
2 硬件设计[1]
硬件功能包含：主要完成模拟电路以及数字电路部分，模拟部分包括超声波发射电路的设计以及超声波接收电路的设计，数字电路部分包括AT89S51单片机电路、通信部分和温度测量电路的设计。 2.1 超声波发射电路
如图2是超声波的发射电路，其中T1是超声波的发射探头，R3是与探头匹配的电阻，有减小超声波发射头的余振的作用，TRANS是升压变压器，初级与次级之比为1∶10。本文中使用的单片机系统电源电压为5 V，单片机发出来的激励脉冲信号为8个左右的5 V方波信号，方波信号经过三极管Q2，再经变压器放大升压以驱动超声波探头工作。 2.2 超声波接收电路
从图3可以看到，集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收专用芯片。 2.3 串口通信电路
串口通信电路采用MAX 232芯片进行电平转换见图4。 2.4 温度测量电路
温度传感器电路相对简单，这里使用的温度传感器是DS18B20，它是一种数字传感器，直流5 V供电，单总线输出，上拉电阻R6＝4.7 kΩ，单片通过一个I/O口即可读出数字温度值。如图5所示。
3 软件设计[1]
软件部分主要包括初始化模块、超声波激励信号的产生，回波信号的获取，原始数据的采样，多级数据分析，数据通信等功能。软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。
在连续N次测量之后，主程序进行数据处理模块。首先对N个测量值按照测量值的大小进行排序，然后从N个测量值中剔除越界数据，N个测量被剔除了越界数据之后，只剩下了M个有效值，对这M个有效值进行平均值算法，从而获得一个优化后的测量值。把这个优化后的测量值代入最小二乘法的经验公式中，计算得到最后的理想值，并通过串口发出如图6所示。
4 超声波油位测量仪实际测量效果[1 ]
4.1 超声波发射信号
超声波驱动电路激发超声波探头发出的超声波信号如图7所示。 4.2 发射信号与返回波信号叠加后的实验效果
超声波发射信号与返回波信号叠加后的实验效果示意图8所示。
5 结论[1]
油位测量仪从串口发出的测量结果如下：
从串口发出的测量结果可以看出，测量的数据非常稳定，根据软件中定义的串口协议可知，CF为数据包头，06为数据包总长，02为指令号，03 E8为测量数据，FD为数据包尾。以上数据包中的两字节数据基本上在03 E8左右波动
基于单片机的超声波油位测量仪的研究和实现
