超聲波液位計測量方式研究與探討 二十三

4．2系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)整個軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，將各功能模塊設(shè)計成獨立的編程調(diào)試程序塊，這樣不僅有利于功能的擴展，而且便于調(diào)試和連接，更有利于程序的移植和修改。

系統(tǒng)軟件從功能上分為主程序和中斷子程序，主程序完成系統(tǒng)初始化后進入掉電模式，任何其它處理任務(wù)均看作為中斷事件，將單片機從休眠狀態(tài)喚醒，然后完成計算和數(shù)值存儲，執(zhí)行之后再次進入掉電模式。

對于整個主程序和復(fù)雜的中斷處理程序，又劃分為若干模塊進行程序的模塊化設(shè)計，其中包括初始化模塊、電壓監(jiān)控模塊、測量模塊、計算模塊、參數(shù)處理模塊、顯示模塊及通訊模塊等。

4．2．1系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序主要完成一些內(nèi)部模塊和寄存器的設(shè)置、數(shù)值計算及存儲功能，其余時間處于休眠狀態(tài)，等待測量、通訊等程序的中斷喚醒。這樣單片機大部分時間都處于休眠狀態(tài)，可大大降低功耗。

系統(tǒng)開始工作后，單片機首先執(zhí)行上電復(fù)位操作，然后進行系統(tǒng)初始化。初始化完成后首先查詢電壓是否正常，若電壓不足，則發(fā)出低壓報警，提醒為充電電池充電或轉(zhuǎn)為交流電源供電；隨后查詢是否有鍵按下，若有按鍵則進入?yún)��?shù)設(shè)置子程序，對工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進行重置，需要鍵入的參數(shù)包括探頭與容器底部的距離、兩探頭之間的距離等：接著查詢是否有上位機通訊，若有則進入通訊子程序，向上位機傳送所測液位數(shù)據(jù)；在超聲波液位計長時間連續(xù)測量時，如果液位變化不太快，在不影響測量要求的情況下，為了節(jié)能，設(shè)定每隔4s測量一次，也可根據(jù)實際測量中液位變化情況合理設(shè)置測量時間間隔。測量完成后，將測量結(jié)果顯示輸出。

4．2．2測量子程序

測量子程序是整個軟件的核心，它控制超聲波的發(fā)射和接收電路的啟動以及液位數(shù)據(jù)的計算等。由于本設(shè)計中，有兩個回波信號，所以采用單片機雙定時器中斷計時。系統(tǒng)進入測量子程序后，控制單片機首先發(fā)出一組40kHz的方波，同時啟動定時器TO和T1工作，并延時lms后打開接收電路，當(dāng)接收電路有信號輸入時，對輸入信號進行處理，判斷信號的真?zhèn)危�若信號為真，則停止定時器TO，根據(jù)擋板回波時問計算實際超聲波聲速；在再次有回波中斷后，停止定時器T1，根據(jù)液面回波時間和超聲波實際聲速計算液位高度。

擋板的反射回波到達接收探頭后，給單片機一個外部中斷信號，停止定時器，據(jù)此計算出實際聲速V；液面反射回波到達接收探頭后，單片機停止定時器T1，計算出實際液位高度h，并采用測量5次求平均值的方法進一步減小測量誤差。最后將計算出的液位高度值輸出顯示。另外，計算出的液位高度值，如果低于／等于最低液位或高于／等于最高液位，則發(fā)出報警。

與溫度補償法相比，此方法利用軟件功能簡化硬件電路，更加簡單方便，是新型儀表的發(fā)展趨勢。由于發(fā)射超聲波后有1ms的延時，所以以聲速為340m／s計算，測量盲區(qū)為34cm，因此擋板與探頭之間的距離應(yīng)大于34cm。

從抗干擾的角度，接收電路并不是在超聲發(fā)射一開始就打開的，而是根據(jù)超聲回波預(yù)期最早和最晚到達時間設(shè)置一個接收范圍門。首先，根據(jù)聲路長度來估算一個脈沖最早和最晚可能到達的時刻，在最早時間的0．6倍處打開接收電路，這樣一方面可以防止發(fā)射超聲直接耦合到接收換能器中，另一方面可以排除開關(guān)動作帶來的干擾；然后通過設(shè)置軟件延時，在最晚到達時間1．5倍處關(guān)閉接收電路。

在本設(shè)計中，由于有擋板的存在，使得聲路最短長度受到限制。

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