论文总字数：20186字

目 录

1.引言 1

1.1研究背景及意义 1

1.2常见的液位传感器 1

1.3国内外研究现状 2

1.4本论文主要工作安排 2

2.超声波测距的工作原理及优缺点 3

2.1超声波测距的工作原理 3

2.2超声波测量的优缺点 3

3.系统总体设计 4

3.1 系统总体功能介绍 4

3.2总体框图设计 4

4.系统硬件设计 5

4.1核心芯片的选取 5

4.1.1芯片供电电路 8

4.1.2晶体振荡电路 9

4.1.3复位电路 9

4.1.4启动模式电路 10

4.2超声波测距模块 11

4.2.1 超声波模块介绍 11

4.2.2超声波模块电路设计 12

4.3无线收发模块 14

4.4液晶显示模块 15

5.系统软件设计 16

5.1初始化及主程序模块介绍 16

5.2超声波测距模块介绍 16

5.3液晶显示模块介绍 17

5.4无线收发模块介绍 18

5.5开发环境介绍 19

5.5.1 Keil编译器 19

5.5.2 Altium Designer软件 20

6.系统的软硬件联调 20

6.1实物调试 21

6.2误差分析 22

6.3实物图展示 22

7.结论 22

参考文献 23

致谢 24

附录 25

具有无线收发功能的超声波液位计

周海嘉

，China

Abstract:This topic is based on the principle of ultrasonic distance measurement,combined with the existing level measurement technology, designed a STM32 based on the new ultrasonic level gauge hardware system and software systems,and transmitted through the wireless module to the host computer display system.In order to improve the measurement accuracy and the system's anti-jamming performance,the design uses a series of improvement measures, such as the selection of the appropriate components,using the appropriate circuit layout and wiring to prevent interference.Experiments and analysis results show that this design of the level gauge measurement accuracy is higher, the reliability is better.

Keywords:Ultrasonic; Level measurement; STM32

1.引言

1.1研究背景及意义

在产品测量里，液位计是不能够缺少的仪器，普遍应用在煤油、化学、药品等产业中。伴随科学方面的知识的飞速进步和各种高新理论的出现，液位测量技术的使用和测试精度得到了广泛的进步和完善。

液位测量技术在工程范畴里的应用极其的广泛，在绝大多数的生产工艺加工程序中，一般情况下只需记载和保存有关的物料表面的位置，以作为满足生产工艺、人体安全与物品安全等方面的需要。但是，由于生产技术的进步，必须对液位测量数据进行一定程度的调节，从而实现生产可以自动控制在最佳状态的任务；还有就是在现代化企业生产的过程里，我们越来越多的将计算机运用到生产控制中，计算机控制系统也越来越多地被人们利用到综合生产与管理当中。因为这个原因，人们对测量技术的要求也变得越来越高，这将使液位测量系统逐渐变得智能化、统一化，测量的对象也应该愈来愈广，测试所得到结果的精度也应该越来越高、稳定性也要越来越好、测量结果也要变得更有实际意义等等。这些现象对液位测量的技术带来了很大的挑战、特别是在检查那些液面具有动态性，或者表面有气泡，以及所要检测的液面具备粘性或者已经通电了的人体不能触碰的液体等等的一系列情形，怎么将测试的数据的精度加强，变成了我们首要考虑的问题。除此以外咱们还要想到容器是否是密封的，介质是不是有腐化性以及液体是否有毒和是否容易爆炸等等情况下的测量难题。因此，人们发明了各种液位传感器，以满足广泛的测量要求。

1.2常见的液位传感器

在目前的市面里面，有很多测量液体的器材, 它们的测试结果的能力和可以使用时间的长短都大不一样，大部分情况而言，测试结果准确的器材价格都比较贵，所以发明一种测量结果准确，同时价格也较为便宜的器材，达到对液体的精确测量有十分必要的价值。市场上常见的液位传感器有雷达液位传感器、光学液位传感器和超声波液位传感器。

（1）雷达液位传感器

雷达液位传感器的工作原理是通过发射、反射与接收来对距离进行测量。雷达传感器实际上是一种比较特别的电磁波，它本身的物理性质和光十分地类似。雷达信号能否实现反射的功能，有两方面的原因可以决定：1)需测介质的导电性能；2）被测介质的介电常数，雷达能通过穿透塑料容器或玻璃器进行一些精确测量，进而可以实现无接触式测量，雷达同样的被广泛应用于各个领域，比如说一些真空情况下的测量，但是雷达同时也有一个很大的缺陷，就是在测试的时候它的信号运行所用的时间非常少，所以在信号的结果分析方面就变得特别地不方便了，这也就造成了他的造价非常地昂贵，技术上也同样很难实现。

（2）光学液位计传感器

光学液位计传感器中应用最多的是光纤液位传感器，这类传感器主要是通过光的强度的变化，经过一系列的计算来对液位进行测量的。它通过发光的元器件发射光到光敏元上，这时有些光会透过光敏元，剩下的光不会透过光敏元，而是被它反射。在测量液位时，通过反射的光的量我们就可以知道光敏元有没有接触到液体表面。

（3）超声波液位传感器

超声波液位传感器是近年来发展起来最快的、应用也最广泛的一种测量用的传感器，它的工作原理是通过超声换能器发射超声脉冲，该种脉冲经过需测介质反射后由超声波换能器接收到后记录它的往返时间，经过一系列的计算之后就能得到超声换能器到需测液面的距离，超声波液位计有一个很大的缺点就是声波受环境影响很大，所以信号的误差也有可能会变得很大，这样如何消除误差或将误差变小就是一个很大的难题。

1.3国内外研究现状

由于研究的时间很长，而且研究时的资金也相当充足，所以国外的液位测量的水平是很高的，发展也是相当迅速的，有很多的公司已经研发出很多功能相当完善、精度很高的智能型产品。

然而我们国家，因为一系列的历史原因，液位传感器的研发水平与国外的比起来还有很大的差距，同时由于每个行业投放的资金比例不相同，所以配套设施水平也不尽相同，并且相关专业的人才也不多，造成了我国液位测量的精度、自动化程度还有液位计的功能上都远远比不上国外的产品。

不过在这几年来看，由于改革开放的原因，我们国家经济和技术有了突飞猛进的进步，在这个先觉条件下，我们国家在这一块领域增加了很多的资金与技术的投入。所以我们国家很多的科研单位和企业在这段时间内研发了比较多的液位传感器，这些液位传感器在性能上和功能上都进步了很多，当然与国外相同类型的比较起来还有很大的进步空间。

本课题根据超声波测距原理，开发出一款新的液位计，不接触液体本身，在成本略微增加的基础上，提高了液位计的测量的准确性，同时具备无线收发功能，具有一定的应用前景和市场推广价值。

1.4本论文主要工作安排

本论文里各个章节主要的工作计划如下所述：

第一章简单说明了液位计在实际生活中的研究价值以及应用领域，接着认识了在世界上的一些开发现状以及将来的进步形式，为接下来的研究规划提供了实行的底蕴。

第二章介绍了超声波测距的工作原理及优缺点。

第三章介绍了系统的功能和工作原理，对该体系所涉及到的主要原理进行阐述。

第四章介绍了系统中所谈到的硬件开发。

第五章介绍了系统中所谈到的软件设计。

第六章介绍了系统的软硬件联调。

第七章对本次课题充分认识归纳，了解课题中的一些错误，实现下一步任务的改正和完善。

2.超声波测距的工作原理及优缺点

2.1超声波测距的工作原理

超声波测距利用的主要是它的反射、折射等物理性质来实现对距离的检测。用超声波来对距离进行测量的方法有很多很多，在这之中用的最多的方法是脉冲回波法。对于脉冲回波法，它的基本工作原理是这样的：通过用来发射声波的传感器从中利用脉冲信号激励来发出一种超声波，然后超声波通过传声的媒介传到要测量的物体，接着就能形成一种反射的波；再然后反射的波通过传声的介质返回到具有接收功能的传感器，接收功能的传感器接着把声信号通过一系列的转换方式转换成电信号，计算出超声波从它发射到反射波被接收到的过程之间传播所用的时间，最后利用超声波在各自介质中的传播速度，通过（2.1）的公式就确定超声波在这段时间内传播距离的数值了。

(2.1)

从图2.1可以清楚地看出来，通过算式(2.1)计算得到的它们之间的距离显然不是从传感器到要测量的物体之间的实际的距离。我们可以假设超声波传感器到要测量的物体之间的距离是h，并且设被测物体到超声波传感器它的下部分表面的实际的距离是L，然后设发射的传感器和接收的传感器它们之间的实际的距离是a，同时假设超声波它的入射的角度是θ，那么可以得出他们之间的距离的计算的公式就是下面这个：

(2.2)

因此，可利用式(2.2)来进行所测距离的计算。

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