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1、 福州甲子信息科技有限公司1超声波油箱液位检测仪超声波油箱液位检测仪技术方案设计书技术方案设计书 V1.3.0V1.3.0福州甲子信息科技有限公司2第一章第一章 绪论绪论1.1 背景技术背景技术 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。1.21.2 需求分析需求分析 参数显示参数
2、显示油箱液位高度 报警控制报警控制油箱满时报警油箱空时报警 软件功能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福州甲子信息科技有限公司31.3 设计目标设计目标 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。) 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
3、 个 LED70% 8 个 LED80% 9 个 LED90% 10 个 LED100% 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。 ） 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。 ） 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。 ）
4、使用油箱高度范围 0.05m-0.6m 12/24V 电源供电福州甲子信息科技有限公司41.4 设计原则设计原则 统一规划，统筹安排，降低库存种类。 响应高效性：实时显示当时液面高度，满和空报警。 高内聚、低耦合的分层设计思想 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 设计特色设计特色 超声波油箱液位检测仪与传统液位测量相比无需定制，根据油箱智能标定测量高度。 LED 直观显示液面高度。 油箱空和满时，智能报警。 油箱空时，输出低电平信号。 油箱满时，输出低电平信号。 根据油箱的当前液位实时输出电阻信号给控制器。 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
5、区,测量更准确、精度更高。福州甲子信息科技有限公司5第二章第二章 总体方案设计总体方案设计2.1 MCU 管脚定义管脚定义图 1 MCU 管脚定义2.2 硬件框图硬件框图微控制器LED液面 高度显示按键设置 油箱高度蜂鸣器 报警电源超声波液位测量输出电阻 信号输出油箱 空或满时 低电平信 号图 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 显示液位高福州甲子信息科技有限公司6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 面板设计面板设计福州甲子信
6、息科技有限公司7第三章第三章 测试测试3.1 测试数据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)20054032.502001040350200153927.50200203921012002538212.51200303821512003537217.51200403722022004536122.52200503612522005535127.52200603513032006534032.53200703403532007533037.53200803304042008532042.54
7、200903204542009532047.5420010031050520010531052.5520011029955520011529957.5520012028960620012528962.5620013027865620013526867.5620014025870620014525872.5720015024775720015524777.5720016023780720016523782.58福州甲子信息科技有限公司820017022785820017522787.5820018021690820018521692.5920019020695920019520697.51020
8、020020610010输出电阻值液面高度 图 3 200mm 液面高度与输出电阻关系折线图 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)10054035010010403101100153821511002038220210025361252100303613031003534035310040340404100453204541005032050510055299555100602996061006527865610070278707100752577571008025780810085237858
9、福州甲子信息科技有限公司91009023790910095216951010010021610010输出电阻值液面高度 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
10、警，直到液面高于 5%。福州甲子信息科技有限公司10第四章第四章 开发环境开发环境4.1 硬件环境硬件环境超声波油箱液位检测仪4.2 开发工具开发工具Alitium Designer 09 Keil uVision3 stc-isp-15xx-v6.67B4.3 实验室环境实验室环境 万用表一个 20G 数字示波器一台 APS3005Si 可调开关电源 模拟油箱福州甲子信息科技有限公司11第五章第五章 关键问题的解决方法关键问题的解决方法5.1 X9C1025.1.1 X9C102S工作原理工作原理输入控制、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。
11、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
12、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上一次存储的值。5.1.2 模拟特性参数模拟特性参数(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(
13、非储存工作)滑动端位置储存工作 10000 次数据变化福州甲子信息科技有限公司125.1.3 测量的交流条件及方式选择测量的交流条件及方式选择5.2 超声波模块超声波模块5.2.1 超声波测距原理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
14、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 1mm 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 ECH
15、O 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。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,返回等待福州甲子信息科技有限公司135.2.3 计算距离要减去固定延迟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。福州甲子信息科技有限公司14附录：附录：原理图：
