一种基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统和方法
【专利摘要】一种基于低功耗单片机的声波液位跟踪仪系统，其包括低功耗液位记录手持PDA，低功耗液位记录手持PDA可用于采集一个与其对应的配对的低功耗液位记录仪的历史液位数据，或一个低功耗液位记录手持PDA对应于至少一个能与其配对的低功耗液位记录仪的历史液位数据。
【专利说明】一种基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超声波液位跟踪，特别涉及一种可用于汽车车载的基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统和方法。
【背景技术】
[0002]随着嵌入式微处理器技术的迅速发展，油量液位测量仪表从早期采用浮球等机械原理逐步向机电一体化发展。国内外液位测量仪表发展的技术动向主要有以下三个热点:
[0003]1、智能化；
[0004]2、非接触测量方式的液位计；
[0005]3、新原理的小型液位开关；
[0006]在非接触测量方式的液位计中，有很多基于不同测量原理的液位计:雷达液位计、激光液位计、Y射线液位仪、超声波液位计等。其中，超声波液位计是目前发展最为快速的一种技术，在技术、成本、精度、安装等方面具有综合优势。超声波测距技术基于超声波在介质中的传播速度及遇到被测液位表面产生反射的原理，超声换能器发射超声波脉冲信号到接收到回波所需的时间，就表示了介质与超声换能器之间的距离。
[0007]国内外液位测量仪表在早期大多采用机械原理，随着嵌入式微处理器技术的迅速发展，液位测量仪表已从采用浮球等机械原理逐步向机电一体化发展，当前国外液位测量技术的主要发展特点为:
[0008]1、适应国际市场需要，占领【技术领域】制高点；
[0009]2、生产与市场紧密联系；
[0010]3、高度产品质量意识，生产高度自动化；
[0011]4、产供销网络化，全方位技术服务；
[0012]德国Endress+Hauser (恩德斯豪斯,简称E+H公司)是世界范围内自动化领域的领导者之一，E+H公司总部位于瑞士，先后在德国、瑞士、法国、美国、日本、中国等世界工业国成立了规模庞大的生产中心，在全球有超过六万名员工进行研究、开发、生产、销售和维护等工作，拥有70多个独立的子公司分布在全球，E+H公司严格的品质管理和完整的质保体系均达到IS09001国际标准。其投建生产的表面贴焊自动化生产线是全世界速度最快的，速度为其他公司的3倍。
[0013]荷兰Honeywell (霍尼韦尔)公司的DCS测量系统测量精度高、运行稳定、环境适应能力强、扩展性能好、协议灵活，被广泛应用于全世界各罐区。在该公司的智能雷达液位计性能测试中，在18米长的测量通道上，雷达探测头与激光探测头自动每隔一毫米正反测量一次，保证了测量的高精度。
[0014]我国在液位测量【技术领域】与国外相比还有非常大的差距。国内计量仪表的生产和发展主要采用引进国外先进技术，仿制国外先进产品，合资代理等方式，缺乏拥有完全自主产权的核心技术。国内在计量仪表领域普遍存在着产品性能指标低、仪表可靠性能差、企业科研技术实力薄弱、企业生产设备落后、不重视产品售后服务等问题。近年来，由于我国在精确计量仪表领域的不断努力，已出现了某些高新技术液位计产品达到甚至超过国际先进水平，但在市场认可度，市场占有率等方面还远远无法与国外相比。
[0015]北京均友欣业科技有限公司研究开发的BJLM-80伺服式液位计技术新颖，功能齐全，可同时测量液位，不同液体分界面、单点温度、平均温度、分段密度、平均密度、分段压力等。该系统测量精度高，对液位的测量精度为±lmm、分界面的精度为±2mm、温度精度±0.2°C、密度精度±0.5kg / m3。该产品性能可靠，使用简便，打破了国外产品在该领域的垄断，填补了国内的空白。
[0016]中科院光学研究所与武汉大学均研制成功了基于光纤的液位检测系统。北京航天智控工程公司研制的UBG光导电子液位仪，其精度可达±2mm ;MET_I型磁效应液位仪精度为0.05%。1995年推出的BL30雷达液位计精度为土 [1+空高X3%。] [I]。这些产品的相继研发成功大大推动了我国液位检测技术的发展，为赶超国际先进技术做出了贡献。
[0017]国内外超声波测距技术的发展现状:超声波测距是利用超声波反射原理检测常压或低压容器内液体液位或固体料位的非接触式物位测量方式，可广泛应用于化工、电力、冶金、轻工、水处理等工业或民用部门的各种液体或固体物位测量，并可以对明渠、堰体中的流量进行测量。超声波液位计是非接触式液位计中发展最快的一种，国内外对超声波测距仪研究，主要在大量程测距、高精确度测距以及测距智能化，网络化等几个方向。智能化的超声波液位计通常带有一套功能强大的软件系统对其所发射出的探测超声波波及回波进行分析。
[0018]澳大利亚HAWK公司推出的基于HPAWK技术SULTAN系列高能声波非接触物位计技术使超声波测距技术有了重大的突破，该系列产品克服了声波传播过程中发生衰减的影响，优化了对复杂多样回波的识别技术，大大拓宽了超声波测距技术的应用场合，使超声波测距可适用于生产罐、粉尘干扰较多、物料较大的多种恶劣工作环境。HPAWK技术具有优秀的回波处理技术，5至50KHZ的超高发波频率使其最大量程可达到120米；适用介质温度为-20°C至+175°C;智能的全自动调节发波频率，自动的温差补偿功能使其工作更加稳定可靠。SULTAN系列产品使用智能调节技术，提高了超声波产品的可靠性及性能指标。该系列产品在5KHz和120米(理想环境下可达195米)的测距技术上将对手远远抛在后面。目前，SULTAN高能声波物位计已经在全国电厂近800套原煤仓上投入使用，运行情况良好。
[0019]国产同类型的超声波测距仪由于难以突破较低频率(5kHz)和发射高能量波的技术瓶颈，普遍发波能量较弱，一般应用于测量较小距离的简单场合，不能在粉尘干扰大，工作环境恶劣的情况下长期保持良好的工作状态。就市场角度而言，一般企业出于成本控制方面的考虑不会大量采用价格昂贵的尖端测距仪，在国内市场占主导地位的还是价格便宜，采用成熟技术的高性价比普通测距仪。国内测距计量仪表生产厂家需要在市场拓展与技术提升上稳打稳扎，逐步赶超世界先进技术，提高企业竞争力。
【发明内容】
[0020]本发明主要介绍了一种基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统的硬件发明与其工作方法，该基于低功耗单片机的超声波液位跟踪仪系统的详细发明与其性能指标即本发明所主要阐述的内容。
[0021]液位测量被广泛的运用于各类工业测量与控制场合中。例如在油气储运过程中，精确测定储油罐中的液位高度是正确计算储油量、确定库存、计算输量、保证安全的重要措施，若油罐液位测量控制不好，会出现溢油“冒顶”或抽空等事故，若油气分离器液位偏高或偏低会出现“跑油”、“窜气”事故，严重影响设备与生产的安全。在油气生产中，特别是在油气集输储运系统中，石油、天然气与伴生污水要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理，物位的测量与控制对保证正常生产和设备安全是至关重要的，否则会产生重大的事故。
[0022]随着计算机技术、微电子技术、传感器技术、数字信号处理(DSP)等信号处理技术、可编程逻辑控制(PLC)等高新技术的飞速发展，液位测量技术与液位测量仪表的得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。将微处理器引进液位测量系统是液位测量技术发展过程中的一个重要里程碑，微处理器的应用使得液位计的精度达到前所未有的高度。目前，国内外液位测量仪表发展的技术动向主要有以下三个特点:1、智能化；2、非接触测量方式的液位计；3、新原理的小型液位开关。特别是基于新原理的液位测量技术在近几年发展迅猛，在已广泛运用的液位测量技术中，浮球法以及在其后出现的超声波测量法得到了最为广泛的运用。
[0023]就测量环境而言，液位测量系统通常被运用在条件十分恶劣与复杂的环境中，液位计的安装环境通常具备例如高温、高压、低温、低压、真空、高湿度、强腐蚀、高辐射、多粉尘中的一项甚至多项条件，这对液位计的工作适应能力提出了严格的要求；就安装条件而言，复杂的工业环境对液位计的安装具有苛刻的限制，如何将精密复杂的液位计简单方便的安装也对液位计的发明提出了要求；从设备维护及器件更换而言，越长的免维护时间以及如何在高危条件下更方便的更换器件，甚至不停机更换器件，是一项巨大的挑战。
[0024]液位测量技术按接触方式分类可分为接触测量和非接触测量，按测量方式可以分为连续测量和定点测量，按测量原理可分为:
[0025]1、基于人工测量方法:玻璃管法、玻璃板法、双色水位法、人工检尺法；
[0026]2、基于液体压力差:吹气法、差压法、HTG法；
[0027]3、基于浮力原理:浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法；
[0028]4、基于液位传感器电参数产生变化:电容法、电阻法、电感法；
[0029]5、基于通过检测信号传播的时间:磁致伸缩法、超声波法、调制型光学法、微波法;
[0030]6、其它:磁翻板法、振动法、核辐射法、光纤传感器法等多种类型。
[0031]本发明所发明的液位跟踪仪的检测机构安装于特制的汽车油箱盖内，采用非接触测量方式，要求油量检测机构测量精确、体积小、功耗低、可靠性强。由于检测机构工作于汽车油箱内部，需要承受汽车油箱内高温、高压、低温、高湿度、强腐蚀等不同的恶劣环境，检测机构在极端条件下也需要保持良好的工作状态。通过对以下表I至表3的查阅，排除接触式测量方式，本发明决定采用超声波作为液位测量方式。
[0032]表I液面，界面测量仪表选型表
[0033]
【权利要求】
1.一种低功耗液位记录仪，其特征在于，包含如下: (1)安装于被测物体上方的低功耗液位记录仪； (2)低功耗液位记录手持PDA，一个低功耗液位记录手持PDA(2)对应于至少一个能与其配对的低功耗液位记录仪(I)，一个低功耗液位记录手持PDA (2)可以对一个或多个低功耗液位记录仪(I)所记录的信息进行采集与存储。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗液位记录仪，其特征在于:具有 最小系统，所述最小系统至少包括电源电路，晶振电路，复位电路，所述最小系统用于使得低功耗单片机可以至少被提供电能，振荡以及复位信号； 声波模块，所述声波模块分为发射器和接收器两部分，用于发射以及接收声波信号，以用于提供给低功耗单片机； 红外模块，用于低功耗液位记录仪与低功耗液位记录手持PDA之间进行数据传输，同时，红外模块也可采用公知的任何一种数据传输手段，例如蓝牙，无线网络，有线网络； 温度补偿模块，由于温度，声波传输速度及传输介质三者之间存在不可分割的紧密联系，低功耗液位记录仪中包括温度补偿模块，用于对测距进行校正； 时钟模块，用于提供时钟信号； 存储模块，用于存储低功耗液位记录仪监测到的数据，并存储； 按键模块，用于对功耗液位记录仪进行控制，按键模块采用扫描控制的方式进行信号输入； 低功耗液位记录仪的处理核心也可以基于DSP进行设置。
3.根据权利要求2所述的一种低功耗液位记录仪，其特征在于:基于低功耗液位记录仪的声波液位记录仪系统中的电力电子器件优先选用基于忆阻器的器件，其中，存储模块采用基于忆阻器的存储器。
4.根据权利要求2所述的一种低功耗液位记录仪，其特征在于:每一个低功耗液位记录仪(I)与每一个低功耗液位记录手持PDA(2)均具有不同的数据编码，该编码用于使得低功耗液位记录仪(I)与低功耗液位记录手持PDA(2)进行数据传输时，低功耗液位记录手持PDA⑵可以判断与其连接的低功耗液位记录仪⑴为哪一台，或为什么编码，以使得每一个低功耗液位记录仪(I)可以被判断识别，不被混淆。
5.根据权利要求2所述的一种低功耗液位记录仪，其特征在于:低功耗液位记录仪(I)或低功耗液位记录手持PDA(2)上可以人工设定声波传输的介质，在未进行人工设置时，介质默认为油气混合体。
6.根据权利要求2所述的一种低功耗液位记录仪，其特征在于:低功耗单片机通过SHDN引脚控制MAX3100芯片是否进入待机模式，IRQ引脚由低电平触发中断，MAX3100芯片的DIN、DOUT, SLCK, CS四个引脚负责信息传输及控制，其作用分别为数据输入、数据输出、通信时钟控制及MAX3100的片选信号。
7.根据权利要求2所述的一种低功耗液位记录仪，其特征在于:存储模块采用美国ATMEL (爱特梅尔)公司的AT24C04芯片作为存储器，AT24C04是一种CMOS制造工艺的串行E2PR0M存储器，拥有4K的存储空间，当AT24C04的存储空间过小不能满足需要时，在印刷电路板上上采取低功耗单片机自带的FLASH存储空间与E2PR0M存储模块配合使用，使得其存储空间至少可满足三个月的存储需要。
8.根据权利要求2所述的一种低功耗液位记录仪，其特征在于:低功耗单片机通过Trig端口输入IOms的脉冲，触发超声波模块准备工作，当收到高电平时捕获寄存器CCRO开始计时，发射器同时向介质发送超声波，当收到回波信号时，ECHO端口立即变为低电平，寄存器停止计时，因此高电平的时间就是传输的时间，CJ_PW引脚为低功耗单片机对超声波模块开关的控制脚。
9.一种用于液位跟踪的方法，其特征在于:液位跟踪方法包括理论计算与实际校正计算两部分，理论计算公式为: hl=tX ((331+TX0.6) / 2) (1-1) 实际校正计算公式为: h=hl-hl / 50-hl / 15 (hl〈60) h=hl-hl / 25-hl / 15 (hi ≤ 60) (1-2) 液量计算: V=(H-h) XLXff(1-3) 其中: h1:理论计算值(mm)； t:时间(s)； T:温度(°C )； h:校正值(mm)； L:液箱长度(mm)； W:液箱宽度(mm)； V:液箱体积(_3)。
10.根据权利要求9所述的一种用于液位跟踪的方法，其特征在于:在计算液位理论值，液位实际校正值，液量值，或任何涉及数据计算时，若发生数据溢出，死机等导致液位跟踪失常的情况时，结束进程，并自动重启进程。
【文档编号】G08C19/00GK103697969SQ201310611844
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】曾伟彬, 潘剑良, 骆佳巍, 毛利强, 包宇航, 叶俊威, 朱操超, 毛斌奇, 傅欣晨, 施枭, 高琦, 潘英杰, 潘家杰, 费帆, 许越, 其他发明人请求不公开姓名 申请人:苏州克兰兹电子科技有限公司