基于LM567的實(shí)用型液位計(jì)設(shè)計(jì)|壹芯微

對(duì)于中小型加油站等小型油庫、貯油罐的業(yè)主來說，需要隨時(shí)得知貯油量，以利于保持油料進(jìn)出的基本平衡。在我國，測量油位采用的渚如磁致伸縮式液位測量儀，一方面價(jià)格太高，中小企業(yè)主不愿意承擔(dān);另一方面，安裝、維護(hù)、使用不方便，帶來了不必要的麻煩，因此需要一種使用方便、具有一定精度的液位測量儀。為滿足貯油罐業(yè)主的這種需求，本文介紹了一種低成本、便攜式的實(shí)用型液位計(jì);此液位計(jì)采用了超聲波檢測技術(shù)，以超聲波換能器作為傳感器件，以廉價(jià)的集成鎖相環(huán)音頻解碼器LM567作為回波的捕獲器件，以單片機(jī)作為主控器。文中還給出了硬件設(shè)計(jì)電路及單片機(jī)軟件程序流程圖，對(duì)液位計(jì)出現(xiàn)的測量誤差也進(jìn)行了詳細(xì)的分析并提出了解決的方法。

1.液位計(jì)介紹

在容器中液體介質(zhì)的高低叫做液位，測量液位的儀表叫液位計(jì)。液位計(jì)為物位儀表的一種。液位計(jì)的類型有音叉振動(dòng)式、磁浮式、壓力式、超聲波、聲吶波，磁翻板、雷達(dá)等。其特點(diǎn)：

(1)穩(wěn)定性好，滿度、零位長期穩(wěn)定性可達(dá)0.1%FS/年。在補(bǔ)償溫度0～70℃范圍內(nèi)，溫度飄移低于0.1%FS，在整個(gè)允許工作溫度范圍內(nèi)低于0.3%FS。

(2)具有反向保護(hù)、限流保護(hù)電路，在安裝時(shí)正負(fù)極接反不會(huì)損壞變送器，異常時(shí)送器會(huì)自動(dòng)限流在35MA以內(nèi)。

(3)固態(tài)結(jié)構(gòu)，無可動(dòng)部件，高可靠性，使用壽命長。

(4)安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)耐用。

圖1液位計(jì)

2.LM567的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能

LM567是一種常見的低價(jià)解碼集成電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2a所示。LM567內(nèi)部包含了兩個(gè)鑒相器、放大器、電壓控制振蕩器VCO等單元件。其典型的應(yīng)用電路如圖2b所示。

圖2LM567內(nèi)部結(jié)構(gòu)廈典型電路困

鎖相環(huán)路輸出信號(hào)由電壓控制振蕩器VCO產(chǎn)生，電壓控制振蕩器的自由振蕩頻率(即無外加控制電壓時(shí)的振蕩頻率)與腳5～腳6外接定時(shí)元件R1、C1的關(guān)系式為：f0≈(1/1.1)R1C1。選用適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)元件，可使LM567的振蕩頻率在0.01Hz～500kHz范圍內(nèi)連續(xù)變化。腳l～腳2外接濾波電容C2、C3。LM567—般作為鎖相環(huán)路解碼器，即當(dāng)從腳3輸入的信號(hào)的頻率在f0附近的帶寬BW范圍內(nèi)時(shí)信號(hào)被捕捉到，從輸出腳8輸出低電平(未捕捉時(shí)為高電平)。帶寬BW可由式(1)計(jì)算得到：

式中：ui為輸入信號(hào)的幅值，r/rain，ui<200mV;C2為濾波電容，μF可調(diào)節(jié)帶寬。

實(shí)際上。由上式計(jì)算得出的并不是環(huán)路帶寬BW的實(shí)際值，而是環(huán)路帶寬BW與環(huán)路中心頻率工的百分比，其值再乘上100%才是鎖相環(huán)路的實(shí)際捕獲帶寬。

對(duì)輸入信號(hào)的要求是ui>20mV，式(1)是ui<200mV時(shí)的近似計(jì)算公式，捕捉帶寬與ui的關(guān)系如圖3所示。可見ui>200mV時(shí)帶寬僅由f0與C2的積決定。

圖3帶寬與輸入電壓度c2的關(guān)系

3.液位計(jì)的設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)要求

小型加油站、油庫等業(yè)主對(duì)液位計(jì)的價(jià)格比較敏感，并且要求液位計(jì)方便攜帶、方便操作，同時(shí)對(duì)測量精度也有一定要求。為此研制了手持式液位計(jì)，其具體的技術(shù)參數(shù)如下：測量方式為非接觸式;測量范圍<5m;測量誤差<1cm;測量溫度范圍為0～85℃;測量環(huán)境壓強(qiáng)為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;供電方式為干電池;液位計(jì)尺寸為15cm×5cm×3cm。

3.2硬件設(shè)計(jì)

綜合考慮技術(shù)參數(shù)的要求決定采用通用的40kHz超聲波換能器作為測量液位的傳感器件，并用單片機(jī)作為主控器件。液位計(jì)的硬件組成如圖4所示。

圖4液位計(jì)硬件框圖

當(dāng)聲波從液體或固體傳播到氣體，或從氣體傳播到固體或液體時(shí)，由于兩種介質(zhì)的密度相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。由此，當(dāng)置于容器頂部的換能器向液面發(fā)射短促的聲脈沖時(shí)，經(jīng)過時(shí)間t，換能器便可以接收到從液面反射回來的回波聲脈沖。設(shè)換能器發(fā)射面到液面的距離為h1，聲波在空氣中的傳播速度為v，則存在如下關(guān)系：

由于聲波在空氣中的傳播速度v已知，因此可用測時(shí)間的方法確定距離h1。設(shè)換能器發(fā)射面到容器底部的距離為h2，則被測液位H計(jì)算如下：

公式(3)

3.3用LM567作為回波檢測電路

超聲波檢測一般采用超聲波檢測專用集成電路LM1812，雖然效果較好，但價(jià)格較貴，且要用到電感等既笨重又易引入干擾的元件。用作液位測量的超聲波其頻率一般在40kHz左右，正好落在LM567可捕捉的范圍內(nèi)，完全可用它作為超聲波檢測集成電路。圖5是LM567超聲波檢測電路。單片機(jī)從輸出引腳輸出約40kHz的方波，經(jīng)三極管T后從超聲波發(fā)射頭發(fā)出超聲波，同時(shí)單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波碰到液面后反射回來被接收頭接收，經(jīng)過兩級(jí)運(yùn)放放大后送到LM567的輸入端(腳3)，LM567捕捉到超聲波后輸出低電平(腳8未捕捉時(shí)為高電平)，此負(fù)跳變可作為中斷輸人引起單片機(jī)中斷，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)問即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間t。

圖5超聲波檢測電路

3.4實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題解決

LM567存在著輸出延時(shí)，如果不予以考慮將產(chǎn)生較大的測量誤差。L51567的最大輸出延時(shí)與帶寬的關(guān)系如圖6所示。由圖6可見最大延時(shí)在27個(gè)以上超聲波周期之間，本設(shè)計(jì)中延時(shí)選定為27個(gè)超聲波周期。延時(shí)并不影響測量，在測量程序設(shè)計(jì)時(shí)可將其忽略，但要求延時(shí)較固定。為使延時(shí)比較固定，就要求有較固定的捕捉帶寬，這就要求運(yùn)放要有足夠大的放大倍數(shù)。以使輸入信號(hào)足夠大。但輸入LM567的信號(hào)又不能太大，否則易引入干擾信號(hào)造成LM567輸出不穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)中運(yùn)放的總放大倍數(shù)小于200;帶寬BW也不能太寬，否則干擾信號(hào)的影響較大，BW=5%左右為好。單片機(jī)測量程序流程圖如圖7所示。

圖6最大輸出延時(shí)與帶寬的關(guān)系

圖7程序流程圖

3.5測量距離的計(jì)算及誤差的消除

測得的距離：

式中：T為定時(shí)器的計(jì)數(shù)值;T=1μs為機(jī)器周期。從公式可以看出影響測距的兩個(gè)重要因素為超聲波的速度及計(jì)數(shù)值。聲速主要與溫度有關(guān)，另外還與氣體密度等現(xiàn)場條件有關(guān)。聲速與溫度的關(guān)系為：

通過離線計(jì)算出各溫度下的聲速值，預(yù)先存放到系統(tǒng)的串行存儲(chǔ)器24C01中，溫度傳感器得到測量現(xiàn)場的溫度值，查找存儲(chǔ)于24C01中與各溫度值對(duì)應(yīng)的值得到超聲波的聲速，將此值傳回單片機(jī)。如果v以344m/s左右的整數(shù)代人，對(duì)聲速的最小調(diào)整量為lm/s，則由于聲速調(diào)整不準(zhǔn)造成的誤差為0.5×1/344≈0.15%。對(duì)公式作如下改造：

由于聲速調(diào)不準(zhǔn)造成的誤差減少為原來的1/30。V及60000都為雙字節(jié)數(shù)，由于T為雙字節(jié)(TH、TL)，故計(jì)算h1分兩步進(jìn)行：①雙字節(jié)乘法V×T;②4字節(jié)除2字節(jié)除法VT/60000，結(jié)果為2字節(jié)數(shù)。對(duì)應(yīng)的程序如下：

結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)測量距離與實(shí)際距離比較結(jié)果如表1所示。由表1可見用LM567作為超聲波檢測電路不僅價(jià)格很低且具有較高的測量精度，達(dá)到了設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。本液位計(jì)已應(yīng)用于小型儲(chǔ)油罐油位測量及鍋爐水位檢測中。由于本液位計(jì)由干電池供電，不需要安裝，使用方便，且為非接觸式測量，作為便攜式液位計(jì)，可廣泛應(yīng)用于野外無交流電源的情況下測量液位的場所及有化學(xué)污染等人體不便于接觸的場所。

深圳壹芯微科技,20年專業(yè)生產(chǎn)“二極管、三極管、場效應(yīng)管、橋堆”等,專業(yè)生產(chǎn)管理團(tuán)隊(duì)對(duì)品質(zhì)流程嚴(yán)格管控,超過4800家電路電器生產(chǎn)企業(yè)選用合作,價(jià)格低于同行(20%),更具性價(jià)比,提供選型替代,送樣測試,數(shù)據(jù)手冊(cè),技術(shù)支持,售后FEA,如需了解更多詳情或最新報(bào)價(jià),歡迎咨詢官網(wǎng)在線客服!

手機(jī)號(hào)/微信：13534146615

QQ：2881579535