超声波油箱液位检测仪技术方案设计书

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1、超声波油箱液位检测仪技术方案设计书第一章 绪论1.1背景技术 超声波油箱液位检测仪，省去了过去传统的油杆来标记油箱液位的高度,传统液位显示需要定制油杆。相对传统测液计其灵活性好,经济性好、可靠性高、智能提醒、维护使用方便等特点，应用于柴油机油箱。然而超声波油箱液位检测仪在使用过程中存在着以下问题：1、超声波测液位有一定的盲区和测量最远距离；2、超声波探头的防水、防油；3、超声波探头测量有一定夹角，油箱太深时可能会误测。1.2需求分析u 参数显示 油箱液位高度u 报警控制 油箱满时报警 油箱空时报警u 软件功能油箱满时输出低电平信号油箱空是输出低电平信号输出电阻信号读取油箱高度盲区处理1.3设计

2、目标u 可以根据实际的油箱高度进行标定高度(在初次使用时按下按键进行读取高度设定为空油箱高度存入EEPROM里。)u 液面高度显示(使用10个LED亮灭显示油箱里的油量，按照油箱的高度十等分显示。)表1 LED显示与油箱液面的高度百分比关系亮灯数显示百分比1个LED10%2个LED20%3个LED30%4个LED40%5个LED50%6个LED60%7个LED70%8个LED80%9个LED90%10个LED100%u 智能报警（在添加油时液面高度达到95%BEEP连续响60S,当液面用到低于5%BEEP每隔2S响一下。）u 智能输出提醒（设计有两个输出提醒信号接口，一个当油箱低于5%的时候会

3、输出低电平信号提醒，另一个当高于95%的时候也会输出低电平信号提醒。）u 输出电阻信号给控制器（采用X9C102S数字电位器，可以根据液位的百分比进行输出实时液位相对应的电阻值，输出阻值范围200400，当油箱为空时输出的阻值为400，当油箱为满的时候输出阻值为200，根据油箱液位的高度呈线性关系。）u 12/24V电源供电1.4设计原则u 统一规划，统筹安排，降低库存种类。u 响应高效性：实时显示当时液面高度，满和空报警。u 高内聚、低耦合的分层设计思想u 采用合适的编程工具和成熟技术达到开发效率与系统性能的平衡1.5设计特色u 超声波油箱液位检测仪与传统液位测量相比无需定制，根据油箱智能标

4、定测量高度。u LED直观显示液面高度。u 油箱空和满时，智能报警。u 油箱空时，输出低电平信号。u 油箱满时，输出低电平信号。u 根据油箱的当前液位实时输出电阻信号给控制器。u 盲区的处理,对于超声波的盲区程序修补,使超声波达到测量无死区,测量更准确、精度更高。第二章 总体方案设计2.1 MCU管脚定义图1 MCU管脚定义2.2硬件框图图2 超声波油箱液位检测仪硬件框图 以微处理器为控制中心，按键设置油箱高度，LED显示液位高度，满和空油箱报警并输出信号，根据液位输出电阻信号；液位高度通过超声波探测器输入到微控制器中进行数据采集；微处理器控制LED灯可以提示油箱液位的高度。2.3面板设计第三

5、章 测试3.1 测试数据测量油箱高度为200mm的相对应测量值：油箱高度（mm）液面高度(mm)测量阻值()液面高度百分比(%)LED亮灯盏树(个)20054032.502001040350200153927.50200203921012002538212.51200303821512003537217.51200403722022004536122.52200503612522005535127.52200603513032006534032.53200703403532007533037.53200803304042008532042.54200903204542009532047.542

6、0010031050520010531052.5520011029955520011529957.5520012028960620012528962.5620013027865620013526867.5620014025870620014525872.5720015024775720015524777.5720016023780720016523782.5820017022785820017522787.5820018021690820018521692.5920019020695920019520697.51020020020610010输出电阻值 液面高度图3 200mm液面高度与输出电

7、阻关系折线图测量油箱高度为100mm的相对应测量值：油箱高度（mm）液面高度(mm)测量阻值()液面高度百分比(%)LED亮灯盏树(个)100540350100104031011001538215110020382202100253612521003036130310035340353100403404041004532045410050320505100552995551006029960610065278656100702787071007525775710080257808100852378581009023790910095216951010010021610010输出电阻值 液面高度

8、图4 100mm液面高度与输出电阻关系折线图3.2 测试高低电平输出和蜂鸣器报警a. 当液面高于95%时，MCU_DIGTAL_HIGH口会输出低电平信号b. 当液面低于5%时，MCU_DIGTAL_LOW口会输出低电平信号c. 当液面高于95%时，蜂鸣器报警20S后停止报警，再次报警需要液面低于80%后达到95%才会报警（为了防止液面抖动和下降时液面变化而进行报警）。d. 当液面低于5%时，蜂鸣器一直以每隔2S响一声报警，直到液面高于5%。第四章 开发环境4.1硬件环境超声波油箱液位检测仪4.2开发工具Alitium Designer 09 Keil uVision3 stc-isp-15x

9、x-v6.67B4.3实验室环境l 万用表一个l 20G数字示波器一台l APS3005Si可调开关电源l 模拟油箱第五章 关键问题的解决方法5.1 X9C1025.1.1 X9C102S工作原理输入控制、计数器和译码部分；非易失性存储器以及电阻阵列。输入控制部分的工作就像一个升/降计数器。这个计数器的输出被译码而接通一个单接点的电子开关，以便把电阻阵列上的一个点连接到滑动输出端。在适当的条件下，计数器的内容可以储存在非易失性存储器中并以便今后使用。电阻阵列包含99个单独的电阻，串联地连接。在二个端点以及每个电阻之间都有一个电子开关，可将该点的电位传输到滑动端。INC、U/D和CS三个输入端控

10、制滑动端沿着电阻阵列移动。只有CS置底，X9C102被选中，才能使U/D和INC输入端接受信号。在INC输入端由高至低的变化将增加或减少一个7位计数器的值。这个计数器的输出被译码，进行一百选一的操作，使滑动端的位置沿电阻阵列移动。当滑动端位于任一固定端点时，就像等效的机械滑动端那样，不会移到超出终端位置。即：当计数器达到一个极端时，不会循环回复位（当计数器达到全“1”时不会跳到全“0”）。只要当CS转变为高而这时INC输入端也是高时，计数器的值即被储存在非易失性存储器中。当X9C102被断电，最后储存的计数器状态将被维持在非易失性存储器中。当电源恢复时，存储器中的内容被调用，因而计数器被设置到

11、上一次存储的值。5.1.2 模拟特性参数 (1)电气特性二点端点是电阻的容差 20%25时的额定功率 16mW滑动端电流 1mA(最大)典型的滑动端电阻 40(1mA时) (2)分辨率电阻 1% (3)滑动端的可调整性无限制滑动端调整(非储存工作)滑动端位置储存工作 10000次数据变化5.1.3 测量的交流条件及方式选择输入脉冲电平0V至3V输入上升和下降时间10ms输入参考电平1.5VCSINCU/D方式LH向上滑动LL向下滑动HX储存滑动端位置HXX等待电流LX不储存,返回等待5.2 超声波模块5.2.1 超声波测距原理超声波是一种频率比较高的声音,指向性强.超声波测距的原理是利用超声波

12、在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为：L=CT式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。已知超声波速度C=344m/s (20室温)超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系,近似公式为：C=C0+0.607T式中：C0为零度时的声波速度332m/s；T为实际温度()。对于超声波测距精度要求达到1

13、mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。5.2.2 超声波模块使用方法使 TRIG=0,最少延迟10us的时间,然后TRIG=1，超声波模块此时开始启动一个测量周期,发射若干个40khz的声波，然后启动20ms的定时器等待反射波，如果收到反射波，模块的ECHO输出一个宽度为250us的负脉冲，从TRIG=1到ECHO=0的时间即为从发射到收到发射波的时间。5.2.3 计算距离要减去固定延迟超声波发射头和接收头的内部晶体和外体有一个固定距离,电路也有固定延迟,总延迟时间为250us，当减去这个250us延迟时程序要做一些容错判断，因为近距离(12mm内)误差较大(距离在12mm范围内，发射头、接收头和目标形成大三角形,测量误差大)，t2-t1非常接近250us时当作0距离处理，当t2-t1250us时可线性处理。附录：原理图：