面向远程计量闸门的超声波液位测量系统开发

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 面向远程计量闸门的超声波液位测 量系统开发 【摘 要】介绍了一种面向远程 计量闸门的超声波液位测量系统，由基 于 STM32 的控制及存储模块、超声波 收发模块、数据通讯模块、温度补偿等 模块组成，并在试验灌区进行了液位测 量试验。试验结果表明：超声波液位测 量系y 测量精度高，稳定性能好，水 质适应能力强，可以满足灌区信息化建 设的要求。 中国论文网 /8/view-12933121.htm 【关键词】超声波；液位测量系 统；计量闸门；STM32 ；温度补偿 中图分类号： TH711 文献标识 码： A 文章编号： 2095- -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 2457（2018）03-0023-003 Development of Ultrasonic Level Measurement System for Remote Metering Gate MAO Tan ZHOU Bang-ping LI Hong LI Jia-xi 【Abstract】This paper introduces an ultrasonic level measurement system for remote metering gate，which consists of STM32-based control and storage module， ultrasonic transceiver module， data communication module， temperature compensation module，and the liquid level test was carried out in the test irrigation area.The experimental results show that the ultrasonic level measurement system has high precision， good stability and good water quality， and can meet the requirements of informatization construction in irrigation area. -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 【Key words】Ultrasonic； Level measurement system； Metering gate； STM32； Temperature compensation 0 引言 远程计量闸门是集远程监控与联 动、水位和流量测量、闸门控制于一体 的现代化水资源动态调度设备1，也是 我国建设信息化灌区的关键设备2。对 于提高灌区水资源的利用效率和节约用 水具有重要作用。远程计量闸门是通过 对水位和闸门开度等信息的实时测量来 实现闸门的分水控制和流量计量功能， 目前常用投入式液位计测量闸门上下游 的实时水位，但投入式液位计对我国黄 河灌区的泥沙淤积环境存在测量失灵问 题，而现有的非接触式液位计存在可集 成性差，精度漂移大的缺陷。因此本文 面向远程计量闸门的实际应用，开发具 有良好集成性和环境适应性的高精度超 声波液位测量系统，具有重要工程意义。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 1 超声波液位测量系统构成 远程计量闸门由安装于各级渠道 上的自动计量闸门集群和运行于调度中 心的远程调水控制系统组成3。超声波 液位测量系统用于测量闸前和闸后水位， 通过 Modbus 协议与闸门控制器进行通 讯。 2 超声波液位测量系统硬件电路 超声波液位测量系统主要由硬件 电路部分和软件部分组成。硬件电路主 要包括超声波收发电路、温度补偿电路、 电源电路和串口通讯电路。 2.1 超声波液位测量收发电路 超声波发射电路主要由三极管 Q2（S8050）和中周变压器组成，频率 为 40KHz 的 PWM 波经过功率放大从而 驱动超声波换能器，R3 为超声波收发 一体换能器匹配电阻。 接收回路主要包括放大电路，带 通滤波电路，比较电路和限幅电路。放 大电路，带通滤波电路和比较电路采用 TL074 四通道运放芯片搭建。TL074 是 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 一款高性能低功耗高速运算放大器，具 有低输入偏置电流和低电平转换速率。 低谐波失真和低噪声使 TL074 非常适合 高保真和音频前置放大器应用。回波信 号先经过电阻 R19 和二极管 D1、D2（1N4148）组成的限幅电路， 然后依次经过由 TL074 运放芯片搭建的 前置放大电路、带通滤波电路、比较电 路，最后由三极管 Q1 组成的限幅电路 将放大后的信号控制在 3V3 以内，经 PA6 传送给 ADC 模块。 2.2 串口通讯电路设计 为了便于超声波液位计的测试， 调试和数据传输，在硬件电路中设计了 RS232 接口和 RS485 接口。 RS232 选用 遵循 RS232 通讯协议的 MAX3232 芯片， 芯片的 11、12 引脚分别与主控芯片的 PA9、PA10 相连。RS485 选用遵循 RS485 通讯协议的 MAX485 芯片，芯 片的 1、2、4 引脚分别连接芯片的 PA3、PA1、PA2 。其电路原理图分别 如图 4a、4b 所示： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 2.3 温度补偿电路设计 由 c=331.4+0.607T（T 为摄氏温 度）可知温度对超声波的传播速度影响 很大，所以为了提高测量精度，加入了 温度补偿模块以减小测量的误差。 DS18B20 是单总线数字式温度传感器， 具有体积小，电路简单，抗干扰能力强， 精度高等特点，其温度测量范围是- 55+125 ，在-10 +85 ，准确度 为0.54，完全满足明渠水温的测量， 所以在设计中采用 DS18B20 进行温度 测量。 3 软件部分设计 软件设计部分主要采用模块化设 计，包括主程序、超声波发射和接收子 程序、温度采集子程序、定时器中断子 程序、信号处理子程序和串口通讯子程 序。系统程序初始化之后先检测温感测 量的环境温度，因为环境的温度对超声 波的传播速度影响很大，为了及时修正 测量数据，保证测量的精度，在程序设 计中优先考虑测量环境温度。如果检测 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 不到环境温度，程序将会跳出主程序， 不执行超声波的发射和接收子程序。为 了进一步提高测量精度，减小精度漂移， 在接收子程序中加入了软件滤波功能5。 由于发射脉冲数为 16 个，所以在检测 接收回波时判断接收的回波个数，回波 个数大于 6 个的视之为有效回波。取连 续 10 个有效回波，去掉最大值和最小 值之后取平均值，得到一次有效的测量 距离。这样就有效的避免了某些偶然因 素造成的测量精度漂移大的问题。 4 实验数据及结果 超声波液位计的安装高度为 3 米， 安装误差1mm。用投入式液位计作为 标定，其量程为 0-3 米，标定误差 1mm，稳定性能0.2%Fs。两者的测量 数据直接在闸门控制器的闸前和闸后水 位栏显示，闸门处于全开度状态，闸前 和闸后水位相同。常温下声波的传播速 度通常取为固定值 340m/s6，具体的 超声测量数据与投入式液位计的测量数 据如表 1 所示，超声波液位测量实物图 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 如图 6 所示，现场试验图如图 7 所示：