消防水箱液位监控系统设计文献综述

 2022-03-05 09:03

消防水箱液位监控系统设计研究综述

摘要

液位监控广泛应用于工业、生活、经济等方面，能让人们更为方便的进行对容器的液位进行测量和监控。本文针对用超声波设计消防水箱液位监控系统的分析。指出了若干研究的问题，前景和意义，设计出一款实用的消防水箱液位监控系统。

关键词：超声波；液位监控；传感器；单片机

一：前言

目前，这个时代的主流是用自动控制来解放以前费时费力的人工控制。消防水箱的液位控制无疑用一个监控系统控制比人工控制更合适，它拥有更高的精度和可靠性，对环境的要求也不高。市场上的液位计种类繁多，是一个多元化的局面。人们对于液位计的选择从成本、测量的精度、腐蚀性、波动情况以及测量现场的环境等因素来选择。超声波液位计，是非接触型液位计中发展最快的一种，拥有很多不错的优点，随着单片机的发展它的功能也是越来越齐全。由于超声波在同一种介质中速度相对稳定，因此精度比较高；它与激光相比传播速度会慢很多，所以对其信号处理也容易许多。

二：国内外研究现状

超声波液位计的历史、研究现状、发展

1880年人们发现了压电效应，由此开始了对超声波的研究。1917年法国研究用超声波探测潜艇，利用石英晶体支撑超声夹心式换能器，在水下进行超声波的发射和接受，这是世界上第一部声呐。随着超声换能器的发展，1934年有人提出用超声波进行探伤的设想，但直到20世纪60年代才引起人们的重视。

随着微机技术的发展，极大促进了超声波测量技术的研究和应用。80年代中后期，单片机的技术使液位计走向高性能，智能化的方面，使超声波液位计开始真正走向工业测量领域。虽然超声波测量技术在国外发展了挺长时间，但我国从80世纪90年代才开始发展，因此与国外相比，在精度和功能上还要一段差距。液位计从价格和功能上相比较，国内外产品还存在较大的差异，国外的液位计功能较全，精度比较高，但价格偏贵且维修也不是特别方便；国内的功能和精度都有一些欠缺，但胜在性价比高。国外超声波液位计的精度可以达到1mm或1%，而国内精度只能达到2mm或1.5%。随着人们对测量误差因素的认识以及解决方法的提出，精度在逐步提高。

近年来，国内外学者对超声波液位计进行了大量的设计和创新。其中，姜道连、宁延一等[1]指出目前国内一般都使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路成本高，并且没有显示，操作上也不是很方便，所以决定采用AT89C2051设计超声波测距仪，在分析了超声波的原理上，指出设计测距仪所存在的问题，给出了软硬件的设计系统框图。该设计系统经过校正后，测量精度可达0.1米。雷建龙[2]介绍了以89C51单片机作为主控元件设计的超声波液位计，该液位计具有较高的准确性和可靠性，并且价格低廉，拥有很高的实用性。以LM567作为超声波检测元件可降低系统的价格，并且可以提高超声波捕捉能力。用单片机控制超声波的发射和接收，并且计算液位，使检测拥有更高的智能性。杨必武、郭晓松[3]指出了不同的介质对超声波信号衰减差异很大，并且声速容易受到环境影响，使得在远距离大量程检测情况下精度并不高。最根本的原因在于探头的智能化程度不高，补偿方式不可靠及信号处理及传输方式有缺陷。为了满足易燃易爆化学物质的液位检测，设计了基于ADmu;C812的专用超声波液位传感器，它具有自增益、可编程、扩展性好等优点，用于远距离、大量程、非接触检测的传感器，可以检测所有沸点高于储存温度的介质液位。张文[4]设计了无线超声波液位测量仪，在原有的基础上做出了创新。以STC89C52单片机为控制核心，超声波检测模块通过TRIG、ECHO端口与单片机相连，从而驱动模块内部电路，实现超声波的发射和接收。针对在复杂环境中不易布线的问题，提出了一种具有无线通信功能的无线超声波液位测量系统的设计方案，并且用实验验证了该系统的可行性。杨俊、邹志革[5]基于ARM设计了超声波液位计，该系统以ARM为平台硬件部分设计了超声波驱动电路、回波信号处理电路、滤波电路、A/D转换电路以及RS232通信电路。硬件设计时采用复位电路来保证系统的正常运行。软件设计时采用声速补偿、滤波等方法减少误差,提高系统稳定性。具有使用方便、精度高的优势，有一定的工程价值。高丙坤、潘翔[6]设计了一种非介入式的超声波液位检测系统，只需要将探头侧贴在容器外壁上就可以检测探头所在位置液位有无，并且用红绿灯来显示，可以在不破坏压力容器的情况下实现液位检测。这个设计比较新颖的是利用了超声波透过罐壁时会在壁内来回反射，对超声波信号造成干扰以至于影响精度这个特点。不消除干扰，反而利用容器壁内的反射余振信号来测量水位，从根本上解决了这个问题。李春玲[7]用单片机设计了一种高精度的超声波液位检测系统，为使测量具有较高精度，系统在测量方式上采用在容器底部放置超声波探头的回波检测法，使超声波在液体中来回传播以稳定超声波传播速度;在硬件上引入专用定时芯片8254,以提高传播时间的分辨率,同时8254的时标信号由具有较高稳定频率的多谐振荡电路产生;在软件算法上减少误差，系统测量精度可准确到厘米。李晓妮,刘树林[8]设计了一个超声波自动测报系统，在测量过程中无任何部件触及被测物质，所以无论液面是流动、波动或者有漂浮物以及有化学反应都可以应用，可用于工业原料液位、河面水位等测量。王超,潘玮华,刘苏仪,等[9]针对国内外学者研究了许多特殊的超声波测距方法，比如用伪随机码扩频测距方法、在传感器后加动态补偿环节、小波变换的自相关渡越时间估计算法，但都存在对硬件要求高、成本高一系列问题。如果我们对精度要求并不是特别高的话，例如油田、消防水箱。提出一种基于单片机设计超声波液位测量仪的设计方案，运用箱线图法求样本中位数作为测量值对采集数据进行校准,以消除信号噪声,采用最小二乘法减小硬件软件实现上产生的误差。该方案已被应用于油田的储油罐的液位测量，取得了良好的效果。李隽[10]研究了基于超声波及虚拟仪器的油罐液位检测系统,给出发射接收硬件设计、高速数据采集及微弱信号检测的液位检测系统应用设计。用虚拟仪器代表软件LabVIEW设计的高速采集系统很好解决超声波信号采集问题。刘志坚、晏永飞等[11]基于STC89C51设计了超声波液位检测系统，系统由STC89C51单片机最小系统、HY-SRF05超声波测距模块、DS18B20温度测量补偿模块、LCD1602液晶显示模块以及一个声光报警模块组成，实现了液位的非接触式以及智能化测量目标。Ling Long, Bing Yi,Heng Xie[12]以ARM为控制器，超声波发射和接收电路保证了超声波发射时间。通过ARM的适当转换过程，可以获得反映实际液位的数据，并发送到TFT触摸屏电路显示数值，绘制液位变化曲线。实验数据表明，该系统具有合理的测距能力，具有良好的测量效率和精度。方正超，姚珊雪[13]基于CX20106A设计了超声波液位计，以At89c52单片机作为中央处理器控制协调整个设计的发射接收和数据处理,然后通过独立的R/T-40-16超声波发生和接受模块产生和接收超声波。以此两者之间的时间差来判断距离的大小,然后有单片机程序计算出障碍物与发射探头的距离。该设计简单可靠数据也很精确，可以广泛应用于日常生活中。Kao-Shing Hwang，Yu-Jen Chen，Hai-Chun Hong[14]把超声波测距应用在了移动机器人自主探索系统。该系统的超声波测距传感器模块由一种基于环境检测建立地图的新方法组成。提供了一种系统而有效的策略，通过某些优点来构建地图。通过声呐传感器进行大量的观察或测量。Paul A Shirley[15]讲解了超声波在介质中的传播特性，其次，介绍了超声波测距的基本原理和超声波换能器。最后展示了高温下使用缓冲杆传感器进行超声波监测的专门结果。陈京培[16]从微处理器、嵌入式系统和语言等三方面着手，以AT89S52单片机为核心，设计出较强的的新型单片机实验系统。针对新型实验系统开发要求，对C语言进行应用型研究，最后以AT89S52单片机为核心设计出包含稳压电路、时钟电路、复位电路、液晶显示电路、rs232串行通信电路等九种外围电路，并汇总为完整的原理图。并且实现了ISP在线仿真调试功能，将嵌入式技术融入到了单片机开发应用中，适用于单片机系统开发、教学等需要频繁刷新程序的场合，极大提高了程序开发的效率，达到了单片机实验系统功能的目的。张海艳[17]对RS485与CAN总线协议转换器进行了研究，针对传统的RS485网络与CAN总线之间的互联设计出一种协议转换器，将其应用在温度检测系统中，通过RS232接口连接上位机，实现对俩种网络温度数据的监控。设计的转换器可以应用在电缆温度检测等监控系统中，能够将RS485网络和CAN总线网络连接起来，很好的完成了由俩种现场总线构成了监控网络数据采集任务，为今后的协议转换器应用到更多工业现场奠定了基础。张弘[18]对CAN总线的信号采集与处理模块进行了研究，作者在分析了CAN总线2.0B协议的基础上，采用结构化的方法设计了带有CAN总线通信接口的数据采集与处理底层模块。目前整个系统运行良好，性能稳定，通信冗余度高，符合工业现场的使用要求。

三：总结

查阅完大量的文献，发现目前的主流是基于单片机设计的液位监控系统，单片机是一种集CPU、RAM、ROM/多种I/O口和中断系统、定时器、计数器为一体的微型计算机。从上世纪80年代发展至今，可以说品类繁多、功能复杂。由于成本低廉、主控精度高、体积小、低能耗等特点，广泛应用于每一个领域。利用单片机实现超声波传播过程的精确计时，实现液位精确测量是目前的主流。对RS485与CAN总线转换器的研究主要从适用性和可操作性方面进行研究和设计，使之可以应用到更多工业现场。

近十年来，基于高速数字信号的处理技术和微处理技术的进步，以及新型探头材料与工艺的研究，超声波测量技术取得了很大的进步，显示出强劲的技术优势和迅猛的发展势头，已成功应用于江河水位、污水处理、化学和制药工业、灌装液位等领域，并日益显示在非接触测量中的巨大优势，利用超声波设计液位监控系统是一个非常合适的选择。

参考文献

  1. 姜道连,宁延一,袁世良.用AT89C2051设计超声波测距仪[J].国外电子元件,2000(12):31-34.
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  3. 杨必武,郭晓松.基于的专用超声波液位传感器[J].传感器技术,2002(06):43-45 49.
  4. 张文.无线超声波液位测量仪的设计[J].仪表技术与传感器,2014(11):41-43.
  5. 杨俊,邹志革.基于ARM的超声波液位计的设计[J].仪表技术与传感器,2018(10):35-38.
  6. 高丙坤,潘翔.非介入式超声波液位检测系统设计[J].科学技术与工程,2012,12(01):42-45.
  7. 李春玲.基于单片机的高精度超声波液位检测系统[J].电子科技大学报,2006(03):371-374.
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  9. 王超,潘玮华,刘苏仪,等.一种超声波液位测量仪的设计方案[J].南京师范大学学报(工程技术版),2010,10(03):44-46 63.
  10. 李隽. 基于超声波及虚拟仪器的油罐液位检测系统研究[D].燕山大学,2006.
  11. 刘志坚,晏永飞,孙应毕,等.基于STC89C51的超声波液位检测系统设计[J].电子测量技术,2019,42(14):6-11.
  12. Ling Long,Bing Yi,Heng Xie. The Design of Ultrasonic Liquid Level Detection System Based on ARM[A]. Information Engineering Research Institute, USA.Proceedings of 2015 2nd International Conference on Civil, Materials and Environmental Sciences（CMES 2015）[C].Information Engineering Research Institute, USA:智能信息技术应用学会,2015:3.
  13. 方正超,姚善学.基于CX20106A的超声波测距设计[J].电子设计工程,2012,20(15):151-153.
  14. Kao-Shing Hwang,Yu-Jen Chen,Hai-Chun Hong. Autonomous Exploring System Based on Ultrasonic Sensory Information[J] . Journal of Intelligent and Robotic Systems . 2004 (3)
  15. Paul A Shirley. Sensors,NoC . An Introduction to Ultrasonic Sensing.1989
  16. 陈京培. AT89S52单片机实验系统的开发与应用[D].江南大学,2007.
  17. 张海艳. RS232/485与CAN总线协议转换器的研究与设计[D].大连海事大学,2008.
  18. 张弘. 基于CAN总线的信号采集与处理模块研究[D].南京航空航天大学,2007.

资料编号：[263927]

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