黄四青+冯学军
摘 要： 针对采油厂油位实时检测难度大的问题，开发一种基于单片机的超声波油位测量仪。测量仪以单片机系统为核心，利用超声波作为信息检测手段，以实现采油厂储油罐中的油位检测，并使用最小二乘法对测量数据进行分析处理。利用计算机技术和超声波检测技术研制出来的超声波油位测量仪，具有非接触性、自动控制、测量精度高、成本低廉、功能强大等优点。
关键词： 超声波； 油位测量； 储油罐； 最小二乘法
中图分类号： TN98?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）14?0150?03
Research and implementation of ultrasonic wave oil?level measurement device
based on single?chip microcomputer
HUANG Si?qing1， FENG Xue?jun2
（1. Zhongbei College， Nanjing Normal University， Nanjing 210046， China；
2. College of Computer Science and Technology， Nanjing Normal University， Nanjing 210046， China）
Abstract： An ultrasonic wave oil?level measurement device based on single?chip microcomputer was developed to overcome the difficulty of real?time oil level detection for oil production plant. The single?chip microcomputer system is the core of ultrasonic oil level detection instrument， which utilizes ultrasonic wave as information detecting means to realize oil level detection of oil tank， and adopts the least square method to analyze and process the measured data. The ultrasonic wave oil level measurement instrument based on computer technology and ultrasonic detecting technology has the advantages of non?contact， automatic control， high?precision measurement， low cost， powerful function， etc. It has a wide application prospect and use value.
Keywords： ultrasonic wave； oil?level measurement； least square method
本文所讨论的超声波油位测量仪，传感器不直接接触被测原油，这种测量方法有很高的应用价值，特别是在中小型油田开采企业。安装投入低，采油场的每一口储油罐上都要安装一套超声波探测器，储油罐的总数量很大，所以，投入低对于油田来说是很有吸引力的。其次是安全可靠，原油有很强的挥发性，其挥发出的有很多是可燃性气体。测量精度高，储油罐横截面大，测量精度低，就会引起很大的测量误差。安装方便，超声波油位测量仪体积小，现场安装很方便[1]。
1 超声波油位测量仪的设计
超声波油位测量仪是根据“脉冲?回波测距”的原理设计的[2?3]。由超声波的发射器发射超声波，声波遇到障碍物后反射，由超声波接收器接收回波。测出从超声波发出脉冲串至接收到回波信号的传输时间，由于超声波在同一种介质中的传输速度是不变的，所以根据时间和声速，就可算出测量距离[4?6]。
超声波油位测量仪的总体设计框图如图1所示。
图1 超声波油位测量仪系统框图
超声波油位测量仪由硬件和软件两部分组成。其中，硬件部分的研究重点是怎样提供超声波信号的工作稳定性；软件部分的研究重点是对原始数据的处理分析，相关软件算法的设计及运用。为了提高系统的稳定性，采用了一些抗干扰措施[1]。
2 硬件设计[1]
硬件功能包含：主要完成模拟电路以及数字电路部分，模拟部分包括超声波发射电路的设计以及超声波接收电路的设计，数字电路部分包括AT89S51单片机电路、通信部分和温度测量电路的设计。
2.1 超声波发射电路
如图2是超声波的发射电路，其中T1是超声波的发射探头，R3是与探头匹配的电阻，有减小超声波发射头的余振的作用，TRANS是升压变压器，初级与次级之比为1∶10。本文中使用的单片机系统电源电压为5 V，单片机发出来的激励脉冲信号为8个左右的5 V方波信号，方波信号经过三极管Q2，再经变压器放大升压以驱动超声波探头工作。
图2 超声波发射电路
2.2 超声波接收电路
从图3可以看到，集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收专用芯片。
图3 超声波接收电路
2.3 串口通信电路
串口通信电路采用MAX 232芯片进行电平转换见图4。
2.4 温度测量电路
温度传感器电路相对简单，这里使用的温度传感器是DS18B20，它是一种数字传感器，直流5 V供电，单总线输出，上拉电阻R6=4.7 kΩ，单片通过一个I/O口即可读出数字温度值。如图5所示。
3 软件设计[1]
软件部分主要包括初始化模块、超声波激励信号的产生，回波信号的获取，原始数据的采样，多级数据分析，数据通信等功能。软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。
图4 串口通信电路
图5 温度测量电路
在连续N次测量之后，主程序进行数据处理模块。首先对N个测量值按照测量值的大小进行排序，然后从N个测量值中剔除越界数据，N个测量被剔除了越界数据之后，只剩下了M个有效值，对这M个有效值进行平均值算法，从而获得一个优化后的测量值。把这个优化后的测量值代入最小二乘法的经验公式中，计算得到最后的理想值，并通过串口发出如图6所示。
图6 主程序流程图
4 超声波油位测量仪实际测量效果[1]
4.1 超声波发射信号
超声波驱动电路激发超声波探头发出的超声波信号如图7所示。
图7 超声波发射信号示意图
4.2 发射信号与返回波信号叠加后的实验效果
超声波发射信号与返回波信号叠加后的实验效果示意图8所示。
5 结 论[1]
油位测量仪从串口发出的测量结果如下：
CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E6 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD
从串口发出的测量结果可以看出，测量的数据非常稳定，根据软件中定义的串口协议可知，CF为数据包头，06为数据包总长，02为指令号，03 E8 为测量数据，FD为数据包尾。以上数据包中的两字节数据基本上在03 E8左右波动一个单位，测量实际位置在1 m左右，根据测量结果计算出来的实际距离在1 m上下几个mm波动（十六进制03 E8转换成十进制为1 000，单位为mm）。符合实际测量要求。
图8 超声波发射信号与返回波信号叠加后的
实验效果示意图
参考文献
[1] 黄四青.基于单片机的超声波油位测量仪的研究和实现[D].南京：南京理工大学，2011.
[2] 崔艳.超声波油量测量仪的研究[D].天津：天津工业大学，2003.
[3] 白雪皎.超声波油量测量仪的研究[D].吉林：吉林大学，2006.
[4] 田晓娟.基于单片机的超声波淤泥界面检测系统的开发[D].济南：山东轻工业学院，2008.
[5] 沙爱军.基于单片机的超声波测距系统的研究与设计[J].电子科技，2009，22（11）：57?61.
[6] 李星.浅谈AT89C52单片机在超声波测距仪当中的应用[J].河南科技，2010（16）：147.
图3 超声波接收电路
2.3 串口通信电路
串口通信电路采用MAX 232芯片进行电平转换见图4。
2.4 温度测量电路
温度传感器电路相对简单，这里使用的温度传感器是DS18B20，它是一种数字传感器，直流5 V供电，单总线输出，上拉电阻R6=4.7 kΩ，单片通过一个I/O口即可读出数字温度值。如图5所示。
3 软件设计[1]
软件部分主要包括初始化模块、超声波激励信号的产生，回波信号的获取，原始数据的采样，多级数据分析，数据通信等功能。软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。
图4 串口通信电路
图5 温度测量电路
在连续N次测量之后，主程序进行数据处理模块。首先对N个测量值按照测量值的大小进行排序，然后从N个测量值中剔除越界数据，N个测量被剔除了越界数据之后，只剩下了M个有效值，对这M个有效值进行平均值算法，从而获得一个优化后的测量值。把这个优化后的测量值代入最小二乘法的经验公式中，计算得到最后的理想值，并通过串口发出如图6所示。
图6 主程序流程图
4 超声波油位测量仪实际测量效果[1]
4.1 超声波发射信号
超声波驱动电路激发超声波探头发出的超声波信号如图7所示。
图7 超声波发射信号示意图
4.2 发射信号与返回波信号叠加后的实验效果
超声波发射信号与返回波信号叠加后的实验效果示意图8所示。
5 结 论[1]
油位测量仪从串口发出的测量结果如下：
CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E6 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD
从串口发出的测量结果可以看出，测量的数据非常稳定，根据软件中定义的串口协议可知，CF为数据包头，06为数据包总长，02为指令号，03 E8 为测量数据，FD为数据包尾。以上数据包中的两字节数据基本上在03 E8左右波动一个单位，测量实际位置在1 m左右，根据测量结果计算出来的实际距离在1 m上下几个mm波动（十六进制03 E8转换成十进制为1 000，单位为mm）。符合实际测量要求。
图8 超声波发射信号与返回波信号叠加后的
实验效果示意图
参考文献
[1] 黄四青.基于单片机的超声波油位测量仪的研究和实现[D].南京：南京理工大学，2011.
[2] 崔艳.超声波油量测量仪的研究[D].天津：天津工业大学，2003.
[3] 白雪皎.超声波油量测量仪的研究[D].吉林：吉林大学，2006.
[4] 田晓娟.基于单片机的超声波淤泥界面检测系统的开发[D].济南：山东轻工业学院，2008.
[5] 沙爱军.基于单片机的超声波测距系统的研究与设计[J].电子科技，2009，22（11）：57?61.
[6] 李星.浅谈AT89C52单片机在超声波测距仪当中的应用[J].河南科技，2010（16）：147.
图3 超声波接收电路
2.3 串口通信电路
串口通信电路采用MAX 232芯片进行电平转换见图4。
2.4 温度测量电路
温度传感器电路相对简单，这里使用的温度传感器是DS18B20，它是一种数字传感器，直流5 V供电，单总线输出，上拉电阻R6=4.7 kΩ，单片通过一个I/O口即可读出数字温度值。如图5所示。
3 软件设计[1]
软件部分主要包括初始化模块、超声波激励信号的产生，回波信号的获取，原始数据的采样，多级数据分析，数据通信等功能。软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。
图4 串口通信电路
图5 温度测量电路
在连续N次测量之后，主程序进行数据处理模块。首先对N个测量值按照测量值的大小进行排序，然后从N个测量值中剔除越界数据，N个测量被剔除了越界数据之后，只剩下了M个有效值，对这M个有效值进行平均值算法，从而获得一个优化后的测量值。把这个优化后的测量值代入最小二乘法的经验公式中，计算得到最后的理想值，并通过串口发出如图6所示。
图6 主程序流程图
4 超声波油位测量仪实际测量效果[1]
4.1 超声波发射信号
超声波驱动电路激发超声波探头发出的超声波信号如图7所示。
图7 超声波发射信号示意图
4.2 发射信号与返回波信号叠加后的实验效果
超声波发射信号与返回波信号叠加后的实验效果示意图8所示。
5 结 论[1]
油位测量仪从串口发出的测量结果如下：
CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E6 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD CF 06 02 03 E9 FD CF 06 02 03 E8 FD CF 06 02 03 E7 FD
从串口发出的测量结果可以看出，测量的数据非常稳定，根据软件中定义的串口协议可知，CF为数据包头，06为数据包总长，02为指令号，03 E8 为测量数据，FD为数据包尾。以上数据包中的两字节数据基本上在03 E8左右波动一个单位，测量实际位置在1 m左右，根据测量结果计算出来的实际距离在1 m上下几个mm波动（十六进制03 E8转换成十进制为1 000，单位为mm）。符合实际测量要求。
图8 超声波发射信号与返回波信号叠加后的
实验效果示意图
参考文献
[1] 黄四青.基于单片机的超声波油位测量仪的研究和实现[D].南京：南京理工大学，2011.
[2] 崔艳.超声波油量测量仪的研究[D].天津：天津工业大学，2003.
[3] 白雪皎.超声波油量测量仪的研究[D].吉林：吉林大学，2006.
[4] 田晓娟.基于单片机的超声波淤泥界面检测系统的开发[D].济南：山东轻工业学院，2008.
[5] 沙爱军.基于单片机的超声波测距系统的研究与设计[J].电子科技，2009，22（11）：57?61.
[6] 李星.浅谈AT89C52单片机在超声波测距仪当中的应用[J].河南科技，2010（16）：147.
