一种用于明渠计量的超声波液位计的制作方法

1.本实用新型涉及明渠液位计量应用技术领域，具体涉及一种精确的、用于明渠测量的无接触式超声波液位计。


背景技术：

2.当前，市场上应用的明渠计量的液位计大多数是基于接触式的，如电容式液位计、变浮力式液位计等。这些液位计的测量精度和寿命普遍受水质影响，特别是腐蚀性强的污水。
3.在保证液位测量的精度的前提下，如何实现无接触式测量，从而避免测量仪器受到水质影响，是当前急需解决的问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本实用新型提出一种用于明渠测量的超声波液位计，单片机stm32f103与超声波模拟前端芯片tdc1000能够控制超声波换能器发出超声波信号，并接收经液面反射而回的超声波信号，该信号经超声波模拟前端芯片tdc1000和时间数字芯片处理为时间数据并由单片机stm32f103进行运算得出液面高度。超声波液位计利用声波发射与接收的时间差，以及声波传播速度来计算液面高度。采用无接触测量技术的超声波液位计，能稳定可靠地应用于各种敞开式槽池中的连续性液位测量，测量精度高且受水质影响较小。
5.本实用新型的技术方案如下：
6.一种用于明渠计量的超声波液位计，包括单片机stm32f103、超声波模拟前端芯片tdc1000、nb_iot远传通讯电路和电源转换电路，所述超声波模拟前端芯片tdc1000还连接有超声波换能器和时间数字芯片tdc7200，所述nb_iot远传通讯电路包括nb_iot模块m5310a，所述单片机stm32f103分别连接超声波模拟前端芯片tdc1000、时间数字芯片tdc7200和nb_iot模块m5310a，所述电源转换电路分别连接单片机stm32f103、超声波模拟前端芯片tdc1000、时间数字芯片tdc7200和nb_iot模块m5310a。
7.作为具体的实施方式，所述电源转换电路包括5.0v电路和3.3v电路，所述5.0v电路包括开关电压调节芯片lm2596s
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adj、二极管ss34，所述5.0v电路的输出与稳压器ams1117
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3.3v组成3.3v电路。
8.进一步的，所述3.3v电路分别与单片机stm32f103、时间数字芯片tdc7200和nb_iot远传通讯电路连接。
9.进一步的，所述3.3v电路的输出与单片机stm32f103的具体连接引脚为1、13、19、32、48、64引脚，所述3.3v电路的输出与时间数字芯片tdc7200的具体连接引脚为14引脚，所述3.3v电路的输出与nb_iot模块m5310a的具体连接引脚为24、25引脚。
10.进一步的，所述5.0v电路的输出与超声波模拟前端芯片tdc1000的22、23、24引脚连接。
11.为了实现各芯片间数据或指令的传输，所述单片机stm32f103的34、35、36引脚分别连接超声波模拟前端芯片tdc1000的18、21、20引脚。
12.所述单片机stm32f103的14、15、21、22、23引脚分别连接时间数字芯片tdc7200的1、8、12、9、10引脚连接。
13.所述超声波模拟前端芯片tdc1000的13、14引脚分别连接时间数字芯片tdc7200的3、4引脚。
14.作为超声波发射、接收电路的具体实施方式，所述单片机stm32f103的16引脚连接至npn三极管q2的b极，所述超声波模拟前端芯片tdc1000的1和28引脚连接至npn三极管q2的c极和超声波换能器，所述npn三极管q2的e极接地。
15.如上所述的一种用于明渠计量的超声波液位计，所述单片机stm32f103的17引脚连接至npn三极管q3的b极，所述超声波模拟前端芯片tdc1000的2和27引脚连接至npn三极管q3的c极和另一超声波换能器，所述npn三极管q3的e极接地。
16.本实用新型相对于现有技术所取得的有益效果在于：
17.本实用新型超声波液位计，单片机stm32f103与超声波模拟前端芯片tdc1000能够控制超声波换能器发出超声波信号，并接收经液面反射而回的超声波信号，该信号经超声波模拟前端芯片tdc1000和时间数字芯片处理为时间数据并由单片机stm32f103进行运算得出液面高度。超声波液位计利用声波发射与接收的时间差，以及声波传播速度来计算液面高度。采用无接触测量技术的超声波液位计，能稳定可靠地应用于各种敞开式槽池中的连续性液位测量，测量精度高且受水质影响较小。
附图说明
18.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，本申请的方案和优点对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。
19.在附图中：
20.图1为实施例1中一种用于明渠计量的超声波液位计控制框图；
21.图2为实施例1中单片机stm32f103最小系统及关键引脚电路图；
22.图3为实施例1中电源转换电路图；
23.图4为实施例1中超声波模拟前端芯片tdc1000及超声波换能器电路图；
24.图5为实施例1中时间数字芯片tdc7200电路图；
25.图6为实施例1中nb_iot模块m5310a电路图；
26.图7为实施例1中sim卡连接电路。
具体实施方式
27.下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。需要说明，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的实施方式所限制。
28.实施例1
29.参见图1，图1是本实施例1的一种用于明渠计量的超声波液位计控制框图，包括单
片机stm32f103、超声波模拟前端芯片tdc1000、nb_iot远传通讯电路和电源转换电路，所述超声波模拟前端芯片tdc1000还连接有超声波换能器和时间数字芯片tdc7200，所述nb_iot远传通讯电路包括nb_iot模块m5310a，所述单片机stm32f103分别连接超声波模拟前端芯片tdc1000、时间数字芯片tdc7200和nb_iot模块m5310a，所述电源转换电路分别连接单片机stm32f103、超声波模拟前端芯片tdc1000、时间数字芯片tdc7200和nb_iot模块m5310a。
30.将超声波模拟前端芯片tdc1000与时间数字芯片tdc7200搭配使用，能够捕获精确的流体感测时间。时间数字芯片tdc7200是一款时间
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数字转换器(tdc)，适用于水表、燃气表和热量计等超声波感测装置。与超声波模拟前端芯片tdc1000配套使用组成完整的超声波感测解决方案，具有超高的时间精确度。时间数字芯片tdc7200可执行秒表功能，测量start脉冲与多达5个stop脉冲之间的时间间隔，这一功能使得用户能够灵活选择回声性能最佳的stop脉冲。该器件内置自校准时基，可对时间和温度偏差进行补偿，这一自校准功能使得时间数字转换器能够获得皮秒级精度。因此，时间数字芯片tdc7200非常适用于注重高精度零流量和低流量测量的流量计应用。时间数字芯片tdc7200置于自主多周期平均模式下时，可降低系统功耗，非常适合电池供电式流量计。其特性如下：
31.分辨率：55ps，标准偏差：35ps，测量范围:模式1：12ns至500ns，模式2：250ns至8ms，低功耗：0.5μa(2sps)，最多支持5个stop信号自主多周期平均模式，可实现低功耗，电源电压：2v至3.6v，工作温度范围：
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40℃至85℃，应用：水表、燃气表和热量计，磁致伸缩位置/液位感测，无人机(激光雷达和声纳)的飞行时间等。
32.超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，它的根据是接收器接到超声波时的时间差。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t(单位为秒)，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s＝340t/2，具体到液位测量，则为距离液面的高度。
33.超声波换能器的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，换能器是双工器件,电声、声电转换可逆，电源驱动功率一般小于3w。简单来讲，超声波换能器可看作是发射和接收超声波的“天线”。
34.参见图1和图2，单片机stm32f103，属于32位arm微控制器，其内核是cortex
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m3，具有功耗低的特点。单片机stm32f103与超声波模拟前端芯片tdc1000能够控制超声波换能器发出超声波信号，并接收经液面反射而回的超声波信号，该信号经超声波模拟前端芯片tdc1000和时间数字芯片协同处理为时间数据并由单片机stm32f103进行运算得出液面高度。
35.参见图3，作为具体的实施方式，所述电源转换电路包括5.0v电路和3.3v电路，所述5.0v电路包括开关电压调节芯片lm2596s
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adj、二极管ss34，所述5.0v电路的输出与稳压器ams1117
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3.3v组成3.3v电路。
36.进一步的，所述3.3v电路分别与单片机stm32f103、时间数字芯片tdc7200和nb_iot远传通讯电路连接，同时，3.3v电路使用了若干电容进行滤波保护。
37.开关电压调节芯片lm2596s
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adj是降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，能够输出3a的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，我们使用它得到5.0v电压，进一步的，稳压器ams1117
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3.3v是一种输出电压为3.3v的正向低压降稳压器，5.0v电压
输入，可得3.3v输出。
38.参见图3，进一步的，所述3.3v电路的输出与单片机stm32f103的具体连接引脚为1、13、19、32、48、64引脚，所述3.3v电路的输出与时间数字芯片tdc7200的具体连接引脚为14引脚，所述3.3v电路的输出与nb_iot模块m5310a的具体连接引脚为24、25引脚。
39.参见图4，进一步的，所述5.0v电路的输出与超声波模拟前端芯片tdc1000的22、23、24引脚连接。
40.为了实现各芯片间数据或指令的传输，下面结合图2和图4，所述单片机stm32f103的34、35、36引脚分别连接超声波模拟前端芯片tdc1000的18、21、20引脚，我们将超声波模拟前端芯片tdc1000的18、21、20引脚按照其功能命名为spi2_sclk、spi2_miso、spi2_mosi，具体含义为，spi2_sclk：时钟信号，由单片机stm32f103产生；spi2_miso：主设备数据输入，从设备数据输出，即单片机stm32f103输入，超声波模拟前端芯片tdc1000输出；spi2_mosi：主设备数据输出，从设备数据输入，即单片机stm32f103输出，超声波模拟前端芯片tdc1000输入。
41.参见图2和图5，同样的，所述单片机stm32f103的14、15、21、22、23引脚分别连接时间数字芯片tdc7200的1、8、12、9、10引脚连接，14、15引脚控制时间数字芯片tdc7200的使能，21、22、23引脚与12、9、10引脚连接，按照其功能命名为spi1_sclk、spi1_miso、spi1_mosi，从而实现了所述单片机stm32f103与时间数字芯片tdc7200的数据传输。
42.参见图4和图5，所述超声波模拟前端芯片tdc1000的13、14引脚分别连接时间数字芯片tdc7200的3、4引脚，分别为start和stop，是触发时间数字芯片tdc7200时间记录功能的引脚。
43.参见图4，作为超声波发射、接收电路的具体实施方式，我们设计了双通道，第一个通道连接为：所述单片机stm32f103的16引脚(标记为ch1_set)连接至npn三极管q2的b极，所述超声波模拟前端芯片tdc1000的1和28引脚(标记为tx1/rx1)连接至npn三极管q2的c极和超声波换能器，所述npn三极管q2的e极接地。
44.第二个通道的连接为：所述单片机stm32f103的17引脚(标记为ch1_set)连接至npn三极管q3的b极，所述超声波模拟前端芯片tdc1000的2和27引脚(标记为tx2/rx2)连接至npn三极管q3的c极和另一超声波换能器，所述npn三极管q3的e极接地。
45.具体的过程为，发射时，单片机stm32f103将数据发送给超声波模拟前端芯片tdc1000，并通过ch1_set、ch1_set控制通道启用，超声波模拟前端芯片tdc1000的tx1/rx1、tx2/rx2输出数据通过超声波换能器发射出去，同时时间数字芯片tdc7200记录；接收时，超声波换能器将超声波形式的信号转换为电信号输入tx1/rx1、tx2/rx2，同时时间数字芯片tdc7200记录，由此准确的收发时间被记录并发送至单片机stm32f103，从而计算出液面高度。
46.参见图6和图7，我们基于nb_iot模块m5310a设计了成熟的通讯电路，可将测量数据发送至远端，作为新一代通讯设备，信号强，还具有超低功耗的优势。相关引脚为单片机stm32f103的42(uart1_tx)、43(uart1_rx)、44(m5310a_reset),对应连接至nb_iot模块m5310a的2、1、15引脚，nb_iot模块m5310a同时连接有sim卡电路，实现通讯，图中相关引脚连接标识完整，且作为现有技术不作赘述。
47.在使用时，将本实用新型先进行基本参数设置，sim卡安装及通讯测试，然后固定
到特定外壳内(全密封)。随后依照现场实际情况使用专用工具修改本实用新型工作参数。比如nbiot上报时间、超声波采集时间间隔等，并根据设定的时间间隔自动进行超声波液位测量、nb
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iot数据远传到服务器。此设备全部封设计，可安装部署到多种复杂环境，如水下、管道井、空中等恶劣环境。
48.通过本实施例的方案，利用单片机stm32f103与超声波模拟前端芯片tdc1000能够控制超声波换能器发出超声波信号，并接收经液面反射而回的超声波信号，该信号经超声波模拟前端芯片tdc1000和时间数字芯片处理为时间数据并由单片机stm32f103进行运算得出液面高度。超声波液位计利用声波发射与接收的时间差，以及声波传播速度来计算液面高度。采用无接触测量技术的超声波液位计，能稳定可靠地应用于各种敞开式槽池中的连续性液位测量，测量精度高且受水质影响较小。
49.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或增减替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。