摘要：结合数字技术知识，研究一款既能实现水力发电厂液位超声波无线检测，又能实现冬季大坝水面温度测量的装置，有很强的实用性和发挥空间。文章研究内容具有一定的实用意义。
关键词：超声波；单片机；液位检测
一、电路设计方案
对水力发电厂大坝水位进行水位超声波无线检测，加入DS18B20温度传感器组成的温度补偿模块，对超声波传播速度进行补偿，提高超声波液位检测的测量精度。拟完成基于STM32的超声波液位检测系统相应的硬件电路和软件的设计，并考虑冬季水坝结冰状况加入温度检测功能，分析常见超声波液位测量装置的常用原理及基本方法，研究评估相关测量装置优缺点，总结归纳适合本项目课题需求的设计方案，在传统的超声波何为测量方法上提出创新思路，研制一套安全、实用性强、功能稳定的智能无线液位检测装置。（见图1）
（一）通过对超声波液位检测方法的分析和研究，确定采用脉冲回波法作为液位检测的方法；
（二）根据液位检测系统的测量要求，拟设计以STM32微处理器为核心的超声波发射接收电路最小系统，回波信号A/D转换电路，温度检测电路，通信接口电路等硬件电路；
（三）完成系统软件设计，包括超声波发射程序，回波处理程序，温度补偿程序，通信以及总线通信程序等。
整体完成基于STM32的硬件设计以及软件程序设计，包括测量电路部分、液位实时数显输出部分以及液位控制部分，完成报警电路、显示电路、温度补偿电路、A/D转换、放大电路、键盘等电路。能够实现水位监测，水位显示，报警及简单控制功能。在项目中采用传感技术、单片机技术、强弱电结合控制技术、语言编程等技术。
完成传感器件的选型：模型用超声波模块拟采用HC-SR04超声波模块，具备非接触式距离感测功能，测距精度高。模块包括超声波发射器、接收器。采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；模块自动发送40khz方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2。传感器实物如下图所示。VCC供5V电源，GND地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号輸出等接线。
二、系统硬件实现
硬件系统需要完成的功能包括：（1）提供超声波换能器的发射脉冲信号并发射超声波；（2）拾取超声波换能器的回波信号并进行分析处理；（3）高速数据采集；（4）计算及显示被测液体液位；（5）远距离传输信号或数据的功能。
硬件电路器件包括：STM芯片、超声波传感器、按键、数码管、报警器件等一系列外围应用电路。外加电源工作指示灯。
（一）超声信号发射接收电路
拟采用高灵敏的发射、接收电路须与大功率的超声发射电路相连接，为避免接收电路被高压发射脉冲所击毁，在超声接收电路前端需加入隔离级。首先主要完成阻抗的变换。预放电路的获得一定 dB 数的增益。项目拟采用低漂移高速高输入阻抗的运放构成电压跟随器作为预放电路，完成阻抗变换。采用这种运放，在噪声和干扰比较严重的情况下仍然能获得比较好的信噪比。
（二）放大电路
拟采用集成运放构成的放大器。具有高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗特点。两级固定放大和一级增益放大的高频可变增益小信号放大器，三级放大器选用的集成器件均为高速低功耗集成运放，主要性能参数为：高增益带宽积，快上升速度，低输入零漂和低噪声，是一种非常优良的高速运放。
（三）AD 转换电路
该部分电路设计为数据采集系统的核心。最大采样频率为40Mbps，芯片外围器件少，在高速转换的同时能够保持低功耗。内部还配备有标准的分压电阻，可以从+5V 的电源获得2V满刻度的参考电压。
三、结语
水位测量工作是整个水电厂机组优化运行、大坝水库安全防洪度汛和航道通航的重要保证，它的安全正常运行与否决定了电站机组发电的效率和大坝运行的安全性。水电厂的水位测量一般包含大坝水库上游水位测量、机组拦污栅前水位测量、机组拦污栅后水位测量、尾水水位测量等，通过测量水电厂大坝或水库的上下游水位，计算出水库的水位、区域雨情等参数，用于控制和指导机组运行、库区通航和大坝防洪等工作，提升水电厂的发电效率和大坝安全。
参考文献：
[1]宋文绪.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]余锡存.单片机原理及接口技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.
[3]唐桃波，陈玉林.基于AT89C51的智能无线安防报警器[J].电子设计应用，2003，5（6）：49-51.
[4]李全利.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
推荐访问： 水电厂 液位 预警系统 设计
