基于LM567的实用型液位计的设计（几种液位计电路详解） - 全文

1、LM567的内部结构及功能

LM567是一种常见的低价解码集成电路，其内部结构如图1a所示。LM567内部包含了两个鉴相器、放大器、电压控制振荡器VCO等单元件。其典型的应用电路如图1b所示。

锁相环路输出信号由电压控制振荡器VCO产生，电压控制振荡器的自由振荡频率（即无外加控制电压时的振荡频率）与脚5～脚6外接定时元件R1、C1的关系式为：f0≈（1/1.1）R1C1。选用适当的定时元件，可使LM567的振荡频率在0.01Hz～500kHz范围内连续变化。脚1～脚2外接滤波电容C2、C3。LM567一般作为锁相环路解码器，即当从脚3输入的信号的频率在f0附近的带宽BW范围内时信号被捕捉到，从输出脚8输出低电平（未捕捉时为高电平）。带宽BW可由式（1）计算得到：

实际上，由上式计算得出的并不是环路带宽BW的实际值，而是环路带宽BW与环路中心频率f0的百分比，其值再乘上100%才是锁相环路的实际捕获带宽。

对输入信号的要求是ui》20mV，式（1）是ui《200mV时的近似计算公式，捕捉带宽与ui的关系如图2所示。可见ui》200mV时带宽仅由f0与C2的积决定。

图2   带宽与输入电压及C2的关系

2、实用型液位计的设计

综合考虑技术参数的要求决定采用通用的40kHz超声波换能器作为测量液位的传感器件，并用单片机作为主控器件。液位计的硬件组成如图3所示。

图3  液位计硬件框图

当声波从液体或固体传播到气体，或从气体传播到固体或液体时，由于两种介质的密度相差悬殊，声波

几乎全部被反射［2～5］。由此，当置于容器顶部的换能器向液面发射短促的声脉冲时，经过时间t，换能器便可以接收到从液面反射回来的回波声脉冲。设换能器发射面到液面的距离为h1，声波在空气中的传播速度为ν，则存在如下关系：

h1=νt/2（2）

由于声波在空气中的传播速度ν已知，因此可用测时间的方法确定距离h1。设换能器发射面到容器

底部的距离为h2，则被测液位H计算如下：

H=h2-h1（3）

用LM567作为回波检测电路

超声波检测一般采用超声波检测专用集成电路LM1812，虽然效果较好，但价格较贵，且要用到电感等既笨重又易引入干扰的元件。用作液位测量的超声波其频率一般在40kHz左右，正好落在LM567可捕捉的范围内，完全可用它作为超声波检测集成电路。

图4   超声波检测电路

图4是LM567超声波检测电路。单片机从输出引脚输出约40kHz的方波，经叁极管T后从超声波发射头发出超声波，同时单片机内的定时器开始计时，超声波碰到液面后反射回来被接收头接收，经过两级运放放大后送到LM567的输入端（脚3），LM567捕捉到超声波后输出低电平（脚8未捕捉时为高电平），此负跳变可作为中断输入引起单片机中断，定时器停止计时，定时器计时时间即为超声波从发射到接收的时间t。

3、实用型液位计的设计

液位计是指对容器中液体高度的变化进行实时连续检测的传感器。此传感器通常输出4～20ma或1-5V的标准信号与显示仪表或计算机系统连接，也可以通过Rs一485或现场总线方式与计算系统相连接。通常输出继电器的接点信号或集电极开路信号，输出信号一般与LED指示灯、报警器（蜂鸣器）或通过超声波发射、接收电路、温度测量电路、LED显示由微处理器进行控制。

测量原理

超声波探头安装在贮存罐正上方，距地面高度为H0图1所示。

图 测量塬理图

由微处理器控制超声波发射电路发出超声波脉冲，超声波脉冲在空气介质内继续传播到液面，该脉冲波遇到被测液面（水面）后，经液面反射后再通过空气介质返回到超声波接收探头被接收；微处理器通过记录超声

波从发射到接收的往返传播时间t，根据空气介质中的声速，就可以计算出从传感器到液面之间的距离：

h=1／2·vf

式中为测量距离（传感器到液面之间的距离），m；v为空气中的声速，其近似公式为v=331．45+0．61m／s；功测量时的气温，℃，测量距离时需要测量气温来进行对声速的修正。

图1中，设超声波传感器安装高度为。（可在安装传感器时测得），则液位高度H可用下式算得：

H=H一h=H0-1／2*vt。

3．1、超声波发射、接收电路设计

图3  超声波发射、接收电路

测距系统中的超声波发射探头采用UCM40T压电陶瓷传感器，其工作电压是40kHz的脉冲信号，由单片机执行编程来实现。

3．2、温度测量与转换电路设计

图4  温度／电压转换电路

各OPA功能：OPAl为阻抗匹配；OPA2为减2．73V，（经VR2）并反相；OPA3为放大5倍并反相。

各温度与3个OPA的输入与输出关系如表1所示。

A／D转换电路

电压为模拟量，因此必需对其进行A／D转换，转换为数字信号，才能送入微处理器805l内进行处理。

A／D转换电路与微处理器的连接电路如图5所示

图5  A／D转换电路与微处理器的连接电路

显示电路设计

液位计显示电路见图6。

图6  液位计显示电路

远距离通讯电路设计

与其它的串行通信标准相比，在远程通信方面RS一485标准有很明显的优势。RS一485电路由发送器，平衡连接电缆，电缆终端负载和接收器组成，它通过平衡发送器把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过差动接收器，把电位差变成逻辑电平，实现终端的信息接收。

图7   液位计通讯电路