1 绪论

1.1课题背景及研究内容

1.1.1 课题背景的研究背景与现状

水情水位测量一直是水文、水利部门的重要课题。为及时发现事故苗头，

防患于未来，经济实用、可靠的水位无线监测系统将会发挥巨大的作用水位是

水库大坝安全、水利排灌调度、蓄水、泄洪的重要参数之一。水位的自动化监

测、传输和处理为水库现代化建设提供了良好的基础资料。在工农业生产的许

多领域都需要对水位进行监控，可能现场无法靠近或现场无需人力来监控。我

们就可以通过远程监控，坐在仪器前就能对现场进行监控，既方便又节省人力。

为了保证水利发电站的安全生产,提高发电效率,水电站生产过程需要对水库水

位、拦污栅压差和尾水位进行监测。超声波液位仪作为一种典型的非接触测量

仪器，在很多场合有广泛的应用，诸如工业自动控制，建筑工程测量和水面高

度测量等方面。与激光测距、微波测距等测量方法相比，由于超声波在空气中

传播速度远远小于光线和无线电波，时间测量精度的要求也远小于激光测距、

微波测距等，因而超声波液位仪电路结构简单，造价低廉，容易设计，且超声

波在传播过程中不易受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各个场合均得到广

泛应用。然而超声波液位仪在实际应用中也有很多局限性会对测量数据的精确

度造成一定的影响。诸如，环境温度、风速等，使其无法达到要求。如何解决

这些问题，提高超声波液位仪的精度，具有较大的现实意义。

目前，市场上的超声波液位仪多数采用单片机作为对液位仪控制和运算的

核心，系统的硬件设计决定着测量结果的精度。本文在对超声波传播特性研究

的基础上，设计了基于单片机的超声波液位仪的硬件系统和软件系统，并对硬

件和部分软件分别进行了相关的调试。硬件设计的总体目标是力求在结构简单、

成本合理的前提下，尽量完善其功能。由于超声波液位仪需要测量十几米距离，

因此，针对超声波在传播时呈指数衰减的特性，我们采用了最大限度提高驱动

能力、对回波进行多级放大等措施，扩大了测量范围。本设计运用单片机系统

控制超声波的发射、接收功能。

在软件设计中，我们采用模块化程序设计思想，将软件主要分为超声波驱

动与数据处理模块。这有利于软件的调试和修改。因为对计算的精度要求较高，

所以本设计采用温度补偿和数字平均滤波的方法提高计算精度。另外，对设计

过程中发现和存在的一些问题〔从软、硬件两方面,但主要是硬件方面〕，分析

了原因并提出了一些解决的措施和改进的办法，为研制更加完善的超声波液位

仪打下了基础。

在液位测量传感器方面，国外的液位测量技术起步较早，且投入资金雄厚，