儲(chǔ)油罐超聲波油量液位檢測(cè)儀畢業(yè)

1、長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文i摘摘 要要課題針對(duì)儲(chǔ)油罐油量液位檢測(cè)的實(shí)際問題，開發(fā)了一種使用單片機(jī)的超聲波液位測(cè)量?jī)x。介紹了液位測(cè)量?jī)x的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，深入討論了用超聲波作為信號(hào)源進(jìn)行液位測(cè)量的可行性及優(yōu)越性，以及產(chǎn)生誤差的各種原因，并提出了相應(yīng)的解決辦法。本課題詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及 atmel 公司的 at89c51單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波測(cè)距原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測(cè)距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題。超聲波液位測(cè)量?jī)x利用超聲波對(duì)油量液位進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理，給出了以單片機(jī) at89c51 為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)硬件電

2、路設(shè)計(jì)包含了超聲波發(fā)射電路、接收電路、溫度補(bǔ)償電路和相應(yīng)的控制電路。軟件設(shè)計(jì)中，我們采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，將軟件分為超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊、功能模塊兩大類。這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測(cè)速度快、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；超聲波；液位測(cè)量 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文iiresearch on oil tank level measurement systemabstractthis research on oil tank level measure system for the practical problems, d

3、eveloped a single chip using ultrasonic wave level measurement. liquid level measuring instrument introduced status and development trends, in-depth discussion of the use of ultrasound as the signal source level measurement feasibility and superiority, and various reasons of generating errors, and p

4、ut forward the corresponding of the solution. this subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in details, and the performance and characteristic of one-chip computer at89c51 of atmel company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,

5、the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out.ultrasonic level meter using ultrasonic fuel level detection make automatic detection and data processing. at the core of the design using at89c51 low-cost, high accuracy, micro figures show that the ultrasonic range find

6、er hardware and software design methods. the hardware circuit includes ultrasonic transmitter circuit, receiver circuit, temperature compensation circuit and the corresponding control circuit. software design, we design a modular program, the software is divided into ultrasonic drive and data proces

7、sing modules, function modules into two categories. this circuit of system is reasonable in design, working stability, performance good measuring speeding soon , calculating simple , easy to accomplish real-time control ,and it can reach industrys practical demand in measuring the precision.keywords

8、: single chip microcomputer; ultrasonic wave; liquid level measurement長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文iii畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作

9、者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文iv目目 錄錄摘 要 .iabstract.ii第 1 章 緒 論.11.1 液位測(cè)量?jī)x的現(xiàn)狀.11.1.1 液位測(cè)量?jī)x的現(xiàn)狀.11.1.2 儲(chǔ)罐液位測(cè)量?jī)x表的現(xiàn)狀.31.2 超聲

10、波油量測(cè)量?jī)x的研究目的及意義.31.3 超聲波油量測(cè)量?jī)x的研究?jī)?nèi)容.4第 2 章 超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)量原理.52.1 概 述.52.2 超聲波傳感器工作原理.52.2.1 超聲波傳感器基本結(jié)構(gòu)及工作原理.52.2.2 超聲波傳感器的檢測(cè)方式.72.2.3 t/r40 超聲波傳感器.82.3 超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)量原理.102.3.1 測(cè)量原理.102.3.2 超聲波測(cè)距的理論分析.11第 3 章 超聲波油量測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì).153.1 超聲波油量測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì).153.1.1 總體設(shè)計(jì)思想.153.1.2 工作過程.153.2 超聲波油量測(cè)量?jī)x的硬件設(shè)計(jì)思想.163.3 at89c5

11、1 單片機(jī)最小系統(tǒng) .163.4 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì).193.4.1 超聲波發(fā)射電路功能.193.4.2 超聲波發(fā)射電路原理圖.203.5 超聲波接收電路.213.5.1 超聲波接收電路功能.213.5.2 超聲波接收電路原理圖.213.6 8279 接口電路與鍵盤顯示電路 .223.6.1 可編程鍵盤/顯示器接口芯片 8279 簡(jiǎn)介.223.6.2 8279 接口電路設(shè)計(jì).243.6.3 mc1413 介紹.25長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文v3.7 蜂鳴音報(bào)警接口.25第 4 章 軟件設(shè)計(jì).274.1 軟件總體設(shè)計(jì).274.1.1 軟件設(shè)計(jì)總體框圖.274.1.2 軟件程序中各部分模塊介紹.27

12、4.2 超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊.284.2.1 超聲波發(fā)射程序.294.2.2 外部中斷 0 的中斷服務(wù)程序.294.3 功能模塊.294.4 鍵盤與顯示子程序.30第 5 章 誤差分析.335.1 聲速隨溫度變化的情況分析以及補(bǔ)償方法.335.2 渡越時(shí)間對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響及減小誤差的辦法.34結(jié)束語.35致 謝.36參考文獻(xiàn).37附 錄.39長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文1第第 1 章章 緒緒 論論1.1 液位測(cè)量?jī)x的現(xiàn)狀液位測(cè)量?jī)x的現(xiàn)狀1.1.1 液位測(cè)量?jī)x的現(xiàn)狀液位測(cè)量?jī)x的現(xiàn)狀液位測(cè)量?jī)x早期大多采用機(jī)械原理，但近年來隨著電子技術(shù)的應(yīng)用，逐步向機(jī)電一體化發(fā)展，并且發(fā)展了許多新的測(cè)量原理。在傳統(tǒng)

13、原理中也滲透了電子技術(shù)及微機(jī)技術(shù)，結(jié)構(gòu)有了很大的改善，功能有了很大的提高。從國(guó)內(nèi)外液位儀表發(fā)展的技術(shù)方向看，當(dāng)前主要有三個(gè)熱點(diǎn)：接觸測(cè)量方式的液位儀；非接觸測(cè)量方式的液位儀；新原理的小型液位開關(guān)27。目前使用的液位儀有以下幾種：(1)人工檢尺利用浸入式刻度鋼皮尺測(cè)量液位，取樣測(cè)量油溫和密度，通過計(jì)算，得到儲(chǔ)液的體積和重量，這是至今仍然在全世界廣泛使用的儲(chǔ)罐計(jì)量方法，也可把它用作現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)其他測(cè)量?jī)x表的參考手段。人工液位測(cè)量的精度一般為2mm 的人為誤差。(2)機(jī)械鋼帶式液位儀60 年代到 80 年代初期，開始研制和使用各種鋼帶式液位儀。這種液位儀采用一個(gè)又大又重的浮子，由一條多孔鋼帶將浮子連接至

14、一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩裝置或平衡錘。浮子的重量足以帶動(dòng)多孔鋼帶通過齒輪裝置推動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)器作現(xiàn)場(chǎng)顯示，同時(shí)帶動(dòng)電動(dòng)變送器，以便獲得遠(yuǎn)距離顯示。由于滑輪機(jī)械裝置的摩擦力和鋼帶重量，這類液位儀的測(cè)量誤差一般約為(410)mm。機(jī)械鋼帶式液位儀的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低；缺點(diǎn)是：僅能測(cè)液位，傳動(dòng)部件多，可靠性較差，又因需要罐內(nèi)安裝，維護(hù)困難。適用范圍為存儲(chǔ)非腐蝕液體的常壓罐、高壓罐。(3)智能化液位儀伺服式液位儀是此類儀表的代表。這類儀表通過一個(gè)平衡浮子和重力敏感裝置，測(cè)量浮子的重量(在液面、液內(nèi)、界面上有不同的浮力)，并控制伺服電機(jī)動(dòng)作升降浮子，跟蹤液位變化，同時(shí)發(fā)出遠(yuǎn)傳信號(hào)。伺服式液位儀的微機(jī)智能化，使得它的

15、跟蹤誤差可達(dá) 0.1mm。同時(shí)還能補(bǔ)償液面高低對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生的附加重量的誤差，最高精度可達(dá)0.7mm。另外還可以測(cè)量密度、界位等計(jì)量參數(shù)，具有自診斷及通信功能。由于幾乎沒有傳動(dòng)部件，因此儀表可靠性高。目前荷蘭 enraf 公司的 atg 854伺服液位儀精度可達(dá)lmm，主要適用于儲(chǔ)罐的精密計(jì)量。(4)超聲波液位儀超聲波液位儀是非接觸液位測(cè)量?jī)x中發(fā)展最快的一種。該技術(shù)基于超聲波在空氣中的傳播速度及遇到被測(cè)物體表面產(chǎn)生反射的原理。智能化的超聲波液位測(cè)量?jī)x帶有一個(gè)功能很強(qiáng)的智能回波分析軟件包。它可以將各種干擾過濾出來，識(shí)別多重長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文2回波，分析信號(hào)強(qiáng)度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息，這樣即便在

16、有擾動(dòng)條件下讀數(shù)也是精確的。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的超聲換能器可測(cè)量高達(dá) 15m 的液位，e+h 公司研制的 prosonic fmu860/861/862 超聲液位儀精度可達(dá)0.2% fmu 40/41 超聲液位儀精度可達(dá)2mm，輸出信號(hào)符合 hart 協(xié)議或 profibus 總線標(biāo)準(zhǔn)或 ff 總線標(biāo)準(zhǔn)。(5)雷達(dá)液位儀雷達(dá)液位儀發(fā)明于 60 年代，通常采用調(diào)頻雷達(dá)原理，利用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)，將微波發(fā)射器和接收器安裝在罐頂，向液面發(fā)射頻率調(diào)制的微波信號(hào)。當(dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)，由于來回傳播時(shí)間的延遲，發(fā)射頻率發(fā)生了改變。將兩種信號(hào)混合處理，所得信號(hào)的差頻正比于罐頂?shù)揭好嬷g的距離。雷達(dá)液位儀特別

17、適用于高粘度或高污染的產(chǎn)品，如瀝青等。雷達(dá)液位儀的測(cè)量精度較高，而且無需定期維修和重新定標(biāo)，但是安裝比較復(fù)雜且價(jià)格不菲。(6)激光液位儀其測(cè)量原理同超聲波式液位儀，只是用光波代替超聲波。即傳感器發(fā)射激光，照射被測(cè)物面、液面，接收反射光，將從發(fā)射至接收的時(shí)間換算成液位。激光的光束是很窄的，在液位儀中通過光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成約 20mm 寬的光束，這樣即使被測(cè)物面很粗糙，漫反射光也能被傳感器接收。激光液位儀非常適用于開口很窄的容器及高溫、高粘度的測(cè)量對(duì)象。(7) 射線液位儀該技術(shù)是基于 射線對(duì)不同物質(zhì)產(chǎn)生不同衰減的理論，將放射源鉆 60 或艷 137置于一個(gè)防護(hù)容器內(nèi)，放在被測(cè)容器的一側(cè)，在其對(duì)面，裝有

18、一個(gè)檢測(cè)器，當(dāng) 射線穿透容器時(shí)，它被衰減，其衰減率取決于被測(cè)液體的密度、吸收系數(shù)和厚度。液位越高，衰減越大，接收器將 射線量變?yōu)楣饷}沖信號(hào)，再由光電倍增管轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。由于液位與 射線衰減量是非線性關(guān)系，所以必須通過統(tǒng)計(jì)標(biāo)定。 射線液位儀特別適用于傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x表不能解決的測(cè)量問題，因?yàn)闇y(cè)量件沒有任何部件與被測(cè)物體相接觸。e+h 公司提出了一個(gè)“點(diǎn)放射/棒探頭接收”的概念，這樣放射源被降到最小，而且容易安裝，目前該公司研制的 fmg671 已用于過程控制。(8)新原理的小型液位開關(guān)在液位儀表智能化的同時(shí)，一些利用新檢測(cè)原理、新型電子部件構(gòu)成的小型現(xiàn)場(chǎng)液位開關(guān)大量推向市場(chǎng)，使液位儀表呈現(xiàn)兩極發(fā)展

19、的趨勢(shì)。較典型的是利用超聲波穿透空氣及液體時(shí)衰減率的顯著差別來檢測(cè)液面的超聲液位開關(guān)；利用空氣和液體對(duì)振動(dòng)體的阻尼差別來檢測(cè)液位的振動(dòng)式液位開關(guān)；以及利用空氣和液體電導(dǎo)率的不同來檢測(cè)液位的電導(dǎo)式液位開關(guān)。液位開關(guān)信號(hào)可現(xiàn)場(chǎng)顯示，還能發(fā)出控制信號(hào)，有的還采用二線制，能直接和計(jì)算機(jī)接口。德國(guó) krohne 公司的 ls3000 諧振振動(dòng)開關(guān)精度可達(dá)1mm。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文31.1.2 儲(chǔ)罐液位測(cè)量?jī)x表的現(xiàn)狀儲(chǔ)罐液位測(cè)量?jī)x表的現(xiàn)狀立式油罐主要分布在煉油廠、化工廠和石油銷售公司三大系統(tǒng)。從計(jì)量方法看主要有三種：檢尺法、液位法和靜壓法。目前國(guó)內(nèi)計(jì)量?jī)x表的發(fā)展主要采用引進(jìn)加仿制等手段，還有許多合資

20、企業(yè)代理國(guó)外相應(yīng)產(chǎn)品。近年來中科院聲學(xué)所、武漢大學(xué)都研制了光纖液位測(cè)量系統(tǒng)，北京航天智控工程公司研制的 ubg 光導(dǎo)電子液位儀精度可達(dá)2mm，met-i 型磁效應(yīng)液位儀采用磁效應(yīng)原理，精度為 0.05%，1995 年又推出了 bl30 雷達(dá)液位儀，精度為1+(空高)x3?？偤笥土涎芯克钚卵兄频?ugj98 型光導(dǎo)式油罐計(jì)量遙測(cè)系統(tǒng)，采用光柵干涉原理，以圓光柵傳感器為核心，結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集和抗干擾處理技術(shù)及 rs-485 總線標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)光電一體化，一次儀表不帶電，系統(tǒng)綜合精度達(dá)到2mm。 1.2 超聲波油量測(cè)量?jī)x的研究目的及意義超聲波油量測(cè)量?jī)x的研究目的及意義在石油化工領(lǐng)域中，儲(chǔ)油罐中油量

21、的測(cè)量越來越顯示出其重要地位。目前石化部門使用的大型儲(chǔ)油罐大多是立式圓柱形油罐或球形油罐，其容量一般在1000100000m3之間，很小的測(cè)量誤差會(huì)造成很大的絕對(duì)誤差。因此提高油量的測(cè)量精度和自動(dòng)化管理水平，其重要性是明顯的。從 80 年代開始，隨著微電子、計(jì)算機(jī)、光纖、超聲波、傳感器等高科技的迅猛發(fā)展，一些發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛將各種新技術(shù)、新方法、新儀表滲入到儲(chǔ)罐計(jì)量領(lǐng)域，使儲(chǔ)罐油量自動(dòng)計(jì)量達(dá)到了“多功能、高精度、現(xiàn)場(chǎng)化”的新階段。人工檢尺法是利用浸入式刻度鋼皮尺測(cè)量液位，操作人員需要爬到儲(chǔ)罐的頂部進(jìn)行測(cè)量。這種方法的缺點(diǎn)是測(cè)量精度低，速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大，不便于微機(jī)管理。機(jī)械鋼帶式液位儀傳動(dòng)部件多，

22、可靠性較差，又因需要罐內(nèi)安裝，維護(hù)困難。伺服式液位儀屬機(jī)械式測(cè)量裝置，機(jī)械磨損會(huì)直接影響其測(cè)量精度，需定期維修和重新標(biāo)定，工作壽命仍不是很長(zhǎng)，測(cè)量的重復(fù)精度較低，且安裝困難。雷達(dá)液位儀的測(cè)量精度較高，但安裝較為復(fù)雜，而且價(jià)格相當(dāng)昂貴。激光的傳播速度很快，不便于信號(hào)處理。 射線液位儀使用了放射源，易引起對(duì)環(huán)境的污染。由上一節(jié)可知，現(xiàn)在已有多種液位儀供用戶選擇，但考慮到價(jià)格、安裝的方便與否、測(cè)量的精度等等問題，對(duì)于資金并不充裕的小型加油站來說，可供選擇的油量測(cè)量?jī)x就不多了。研制一種安裝、使用簡(jiǎn)便，測(cè)量準(zhǔn)確又價(jià)格低廉的油量測(cè)量?jī)x就是本課題要完成的任務(wù)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340 米/秒，與光

23、的傳播速度(3x108米/秒)相比小很多，因此對(duì)超聲波信號(hào)的處理也容易很多，加之成本較低，所以，超聲波是比較理想信號(hào)源。隨著智能化檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用超聲波進(jìn)行油量檢測(cè)在加油站及油庫(kù)中長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文4起著越來越重要的作用。雖然一些地區(qū)使用了超聲波油量測(cè)量?jī)x，但絕大多數(shù)是用集成電路設(shè)計(jì)成的，這種專用集成電路成本很高，沒有顯示，操作很不方便。為了克服這些缺點(diǎn)，本課題利用單片機(jī) at89c51 為核心，控制超聲波對(duì)油量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理，提供了一個(gè)帶顯示，鍵盤和微型打印機(jī)的人機(jī)對(duì)話界面，且能與 pc機(jī)通信。該超聲波油量測(cè)量?jī)x使用簡(jiǎn)便，與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比具有非接觸、精度高、實(shí)時(shí)測(cè)量

24、、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。1.3 超聲波油量測(cè)量?jī)x的研究?jī)?nèi)容超聲波油量測(cè)量?jī)x的研究?jī)?nèi)容確定了總體方案后，在對(duì)超聲波測(cè)距的可行性進(jìn)行了理論分析的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、以及超聲波在介質(zhì)中的傳播特性等，研制出了超聲波油量測(cè)量?jī)x的硬件部分，編寫了相應(yīng)的軟件程序，并進(jìn)行了調(diào)試和試運(yùn)行。在硬件電路的設(shè)計(jì)中，由于我們需要測(cè)的距離較長(zhǎng)(幾米到十幾米)，針對(duì)超聲波在傳播時(shí)呈指數(shù)衰減的特性，我們采用了最大限度提高驅(qū)動(dòng)能力、對(duì)回波進(jìn)行多級(jí)放大等措施，擴(kuò)大了測(cè)量的范圍。在軟件設(shè)計(jì)中，我們采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，將軟件分為超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊和功能模塊，每個(gè)模塊又由若干小模塊組成。對(duì)軟件的這種處理不但能使軟件的

25、結(jié)構(gòu)清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。由于本設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算的精度要求較高，所以采用 c51 編程，借助 c 語言的浮點(diǎn)計(jì)算能力，提高計(jì)算精度。另外，為了保證超聲波油量測(cè)量?jī)x工作的可靠性和穩(wěn)定性，在軟、硬件兩個(gè)方面都采取了相應(yīng)的抗干擾措施。 本文討論了產(chǎn)生誤差的各種原因，提出了相應(yīng)的解決辦法，為研制更完善的超聲波油量測(cè)量?jī)x打下了基礎(chǔ)。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文5第第 2 章章 超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)量原理超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)量原理2.1 概概 述述在彈性媒質(zhì)中，如果波源所激起的縱波的頻率在 20hz 到 20000hz 之間，就能引起人的聽覺。在這一頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)稱為有聲振動(dòng)，聲振動(dòng)所激起的縱波稱為聲波。

26、頻率高于 20000hz 的機(jī)械波叫做超聲波；頻率低于 20hz 的機(jī)械波叫做次聲波36。 與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。我們知道，電磁波的傳播速度為 3108，而超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，其速度相對(duì)電磁波是非常慢的。超聲波在相同的傳播媒體里(大氣條件)傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致。是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的，波動(dòng)方程描述方法與電磁波的是類似的 (2-1)cos()(kxtxaa (2-2)axeaxa0)( 式中 a (x)為 x 處分子的最大位移量，

27、叫做振幅，a0常數(shù)，為波源處分子的振幅， 為圓頻率，x 為傳播距離，一般選波源處為坐標(biāo)原點(diǎn)，即波源處 x=0，k=2/ 又為波數(shù)，t 為時(shí)間；又為波長(zhǎng)；a 為衰減系數(shù)。 衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 (2-3)2bfa 式中，b 為介質(zhì)常數(shù),f 為振動(dòng)頻率，f=/2 在空氣里，b=210-13s2/cm，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率 f=40khz 代入式(2-3)可得 a=3.210-4cm，即 1/a=31m；若 f=30khz，則1/a=56m。它的物理意義是：聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗。在(1/a)長(zhǎng)度上，平面聲波的振幅衰減為原來的 e 分之一，由此可以

28、看出，頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。考慮實(shí)際工程測(cè)量要求，在設(shè)計(jì)超聲波油量計(jì)時(shí)，選用頻率戶 40khz 的超聲波，波長(zhǎng)為 0.85cm。 2.2 超聲波傳感器工作原理超聲波傳感器工作原理2.2.1 超聲波傳感器基本結(jié)構(gòu)及工作原理超聲波傳感器基本結(jié)構(gòu)及工作原理人們可以聽到的聲音頻率為 20hz20khz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即 20hz 以下的聲音稱為低頻聲波，20khz 以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為 100hz8khz913。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣

29、中傳播的速度長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文6較慢，約為 330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)單。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。一般市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器的諧振頻率(中心頻率)有 23khz、40khz、75khz、200khz、400khz 等。諧振頻率變高，則檢測(cè)距離變短，分解力也變高。用超聲波作為感知或檢測(cè)物體的媒介，有非破壞性、遙控性、實(shí)時(shí)、可穿透等優(yōu)點(diǎn)，在許多

30、方面體現(xiàn)了其它方法所沒有的獨(dú)到之處。很早以前，人們便掌握了超聲波探傷與聲納的技術(shù)。近年來，超聲波的波長(zhǎng)范圍已達(dá) m 級(jí)，頻率已擴(kuò)大到ghz 領(lǐng)域，分辨率達(dá) m 量級(jí)的超聲波顯微鏡已實(shí)用化。在這種頻率范圍，超聲波敏感元件成為薄膜狀，與傳統(tǒng)的形狀大相徑庭，它的進(jìn)步將對(duì)電子學(xué)的發(fā)展起重要作用。 人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波，已發(fā)明設(shè)計(jì)并制成了許多類型的超聲波發(fā)生器：機(jī)械方式和電氣方式產(chǎn)生超聲波發(fā)生器。實(shí)質(zhì)上，超聲波發(fā)生器即是超聲波換能器：它將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲波的能量(發(fā)射換能器來完成)和使超聲波的能量轉(zhuǎn)換成其它易于檢測(cè)的能量(接收換能器來完成)。一般是用電能和超聲能量相互轉(zhuǎn)換。電氣方式類型包括：壓

31、電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械式方式有：氣流旋笛、液哨、加爾統(tǒng)笛等。各種類型的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波的功率、頻率和聲波特性都不相同。目前使用較多的是電氣類中的壓電型超聲波發(fā)生器。 壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是借助壓電晶體的諧振來工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。其結(jié)構(gòu)原理如圖 2-1 所示。共振板壓電晶體電極板圖 2-1 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。給它的兩電極加脈沖信號(hào)(觸發(fā)脈沖)，當(dāng)其頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文7動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí)，將壓迫兩壓電晶

32、片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。超聲波傳感器用等效電路(如圖 2-2 所示)來分析共振頻率附近的超聲波換能器的特性：r0c1c0l1.z1 圖 2-2 超聲波傳感器等效電路 換能器的能量用 qm，電能用 qe 表示。由圖 2-2 分析可知，q 恰好是電路的串聯(lián)支路的 q 值。設(shè)換能器在空載(z1=0)和有載(z1-r1)時(shí)的 q 值分別為 qm0、qm，則有： （2-4）10010010mlqrcr （2-5）100110011()mlqrrcrr （2-6）0000eqcr （2-7）0001()eqcrr超聲波換能的工作效率為： （2-8）110rrr當(dāng)交

33、變電信號(hào)從引線加到超聲波發(fā)射器件中，由壓電陶瓷片和諧振片組成的振子會(huì)彎曲振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)錐形輻射器發(fā)出超聲波，當(dāng)空中傳來的超聲波被接收器件的錐形輻射器會(huì)聚后，驅(qū)動(dòng)振子產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，從而在電極間輸出與此波動(dòng)相對(duì)應(yīng)的交變電信號(hào)，通過對(duì)此信號(hào)的處理，可實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)。2.2.2 超聲波傳感器的超聲波傳感器的檢測(cè)方式檢測(cè)方式1.穿透式超聲波傳感器的檢測(cè)方式長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文8當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過時(shí)，檢測(cè)超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無物體通過。這種方式的檢測(cè)距離約 1m，作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測(cè)物體使用100mm100mm 的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測(cè)透明體等。2.限定距離式超聲波傳感器

34、的檢測(cè)方式當(dāng)發(fā)送超聲波束碰到被檢測(cè)物體時(shí)，僅檢測(cè)電位器設(shè)定距離內(nèi)物體反射波的方式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有無物體通過。若被檢測(cè)物體的檢測(cè)面為平面時(shí)，則可檢測(cè)透明體。若被檢測(cè)物體相對(duì)傳感器的檢測(cè)面為傾斜時(shí)，則有時(shí)不能檢測(cè)到被測(cè)物體。若被檢測(cè)物體不是平面形狀，實(shí)際使用超聲波傳感器時(shí)一定要確認(rèn)是否能檢測(cè)到被測(cè)物體。3.限定范圍式超聲波傳感器的檢測(cè)方式在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時(shí)，則被檢測(cè)物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測(cè)到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無物體通過。另外，檢測(cè)范圍也可以是由距離切換開關(guān)設(shè)定的范圍。4.回歸反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式回歸反射式超聲波傳感器的檢

35、測(cè)方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場(chǎng)合。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反射式超聲波傳感器的反射板。另外，光電傳感器所用的反射板同樣也可以用于這種超聲波傳感器。這種超聲波傳感器可用脈沖市制的超聲波替代光電傳感器的光，因此，可檢測(cè)透明的物體。利用超聲波的傳播速度比光速慢的特點(diǎn)，調(diào)整用門信號(hào)控制被測(cè)物體反射的超聲波的檢測(cè)時(shí)間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。2.2.3 t/r40 超聲波傳感器超聲波傳感器本儀器所采用的 tr40-16 型超聲波傳感器的壓電效應(yīng)曲線如圖 2-5 所示。(1)超聲波傳感器型號(hào)代碼例：t40-16外殼直徑（mm）中心頻率t：

36、發(fā)射，r：接收(2)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文9(3)性能指標(biāo) t/r40-10 t/r40-12 t/r40-16中心頻率 401 khz 401 khz 401 khz發(fā)射聲壓大于 107db 大于 112db 大于 115db接收靈敏度 -74db/v/ubar -67db/v/ubar -64db/v/ubar-6db 指向 100deg 80deg 50deg電容 110025%pf 250025%pf 240025%pf允許輸入電壓 20v 20v 20v(4)典型特性曲線聲壓電平和靈敏度特性曲線如圖 2-5、圖 2-6 所示。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文10由這些特

37、性曲線可知：t/r40 超聲波傳感器在輸入頻率為 40khz 時(shí)，各種特性都呈現(xiàn)出最佳狀態(tài)，因此為了得到最佳效果必須使單片機(jī)輸出方波的頻率為40khz。 2.3 超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)量原理超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)量原理2.3.1 測(cè)量原理測(cè)量原理超聲波測(cè)距的方法有很多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍非常有限；聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本超聲波油量測(cè)量?jī)x采用渡越時(shí)間檢測(cè)法。 接收器發(fā)射器井蓋井壁lhh油圖 2-7 為超聲波測(cè)量原理圖儲(chǔ)油罐不是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形或球形，制成以后，計(jì)量部門要進(jìn)行各種測(cè)量繪制出油的高度與油量的對(duì)應(yīng)表，以便查對(duì)?，F(xiàn)在常用的人工

38、檢尺法就是用鋼卷尺測(cè)出油長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文11的高度，查表得到儲(chǔ)油量。下面僅以標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形油罐為例進(jìn)行說明，其他形狀的油罐通過改變計(jì)算公式同樣可以進(jìn)行油量測(cè)量。本次設(shè)計(jì)的超聲波油量?jī)x的發(fā)射器和接收器是固定在一起的，安裝在罐中表井的蓋子上，也就是罐的頂部。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。用超聲波測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)的油量，實(shí)際就是要測(cè)量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，由此算出儲(chǔ)油罐內(nèi)油面的高度，進(jìn)一步計(jì)算出油的體積和重量27。從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，就是渡越時(shí)間。如圖 2-7 所示，要測(cè)量?jī)?chǔ)油罐內(nèi)油面的高度 h，可先測(cè)量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，又轉(zhuǎn)化為測(cè)

39、量渡越時(shí)間 t，若超聲波的傳播速度為 u，罐的總高度為 h，則 (2-9)2/uthh由下式計(jì)算測(cè)量誤差 (2-10)2/2/utttuu式中，占 h為 h 的測(cè)量誤差，t為渡越時(shí)間的測(cè)量誤差，u為聲速的測(cè)量誤差。如要求 h 的測(cè)量誤差小于 1cm，已知聲速 =344m/s ( 20時(shí))，忽略聲速誤差，則測(cè)量時(shí)間的誤差suut00006. 0344/01. 02/顯然，直接用秒表測(cè)時(shí)間是不現(xiàn)實(shí)的。因此，實(shí)現(xiàn)聲波測(cè)距必須避開直接測(cè)量時(shí)間的方法，才能獲得實(shí)用的測(cè)量精度。在這里使用單片機(jī)定時(shí)器計(jì)數(shù)，間接測(cè)量時(shí)間，可以把聲波傳播的時(shí)間精度提高到所需準(zhǔn)確度。具體的做法是，每隔一段時(shí)間發(fā)射一串超聲波脈沖，

40、在發(fā)射脈沖串的同時(shí)開始單片機(jī)定時(shí)器記數(shù)，在超聲波接收器接收到反射信號(hào)時(shí)，停止單片機(jī)計(jì)數(shù)。單片機(jī)定時(shí)一器所計(jì)的時(shí)間，就是渡越時(shí)間，代入式(2-9)中，就可以算出油量。由于超聲波是一種聲波，其速度與溫度有關(guān)，u(331.45+0.6t)m/s，t 為攝氏溫度，在使用中，根據(jù)環(huán)境溫度的變化，要經(jīng)常進(jìn)行標(biāo)定，否則將會(huì)有比較大的誤差，這也是本儀器需要改進(jìn)之處。2.3.2 超聲波測(cè)距的理論分析超聲波測(cè)距的理論分析 超聲波油量測(cè)量?jī)x已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的液位測(cè)量?jī)x表相比，它具有原理簡(jiǎn)單、易于微機(jī)控制、無接觸測(cè)量、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)15。由于液位測(cè)量?jī)x一般安裝在儲(chǔ)油罐的井蓋上，測(cè)量的空間非常窄小，而

41、超聲波又是不可見波，超聲波傳感器的接收器接收到的信號(hào)，是否正好是從液面反射的信號(hào)，無法確定，一般存在三種可能情況：（本測(cè)量?jī)x也適用于一般的液體，故做一般性討論) (1)從液面反射的信號(hào)。 (2)儲(chǔ)油罐井壁反射的信號(hào)。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文12 (3)超聲波傳感器的發(fā)射器發(fā)出信號(hào)，經(jīng)液面上方的氣體層，穿過液體層，在罐底反射，再經(jīng)過液體、氣體，直到被接收器接收。 如果這三種信號(hào)都足夠強(qiáng)，就會(huì)給信號(hào)處理帶來一定的困難，使處理器無法分辨哪個(gè)是有用的信號(hào)，從而造成測(cè)量上的誤差。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)、制作超聲波油量測(cè)量?jī)x的時(shí)候，首先要分清接收器接收到的究竟是哪個(gè)信號(hào)。下面將就此問題進(jìn)行討論。 我們知道，超聲

42、波在實(shí)際介質(zhì)中傳播時(shí)，其能量將隨距離的增大而逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為衰減。引起衰減的原因大致有三個(gè)： 1.由聲束擴(kuò)展引起的衰減。 2.由散射引起的衰減。 3.由介質(zhì)的吸收引起的衰減811。 某一點(diǎn)(x 處)瞬間所具有的壓強(qiáng)，與沒有聲波存在時(shí)該點(diǎn)的靜壓強(qiáng)之差，稱為該點(diǎn)的聲壓(p)。我們把超聲波傳感器發(fā)出的超聲波近似看成是平面波，其聲壓不隨傳播距離變化，故忽略擴(kuò)散衰減。由于超聲波傳播過程中所遇到的介質(zhì)顆粒都比較小(大多為揮發(fā)性氣體分子)，散射衰減也可忽略。因此，我們只需討論吸收衰減。一束超聲波(視為平面波)的聲壓可表示為： (2-11)/cos(0 xppt式中，p0為聲壓振幅，p0=pa；p 為介

43、質(zhì)密度：軸的正方向； 為超聲波的圓頻率，=2f；f 為振動(dòng)頻率； 為介質(zhì)中聲速； 必為初相，與記時(shí)起點(diǎn)有關(guān)。由于存在著吸收衰減，聲波振幅隨傳播距離的增大而減小。由式(2-2) (2-3)知，在空氣里，b=210-13s2/cm，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率戶 f=40khz，代入式(2-3)可得 a=3.2 x10-4cm-1。沿著波的傳播方向 10 米處 x=10 處：726. 0/32. 010032. 00eeaa 就是說聲波傳播出去 l0m 后，振幅衰減了約 1/4016。 我們把單位時(shí)間內(nèi)，通過垂直于波的傳播方向上單位面積的能量稱為能流密度，能流密度的時(shí)間平均值，稱為波的強(qiáng)度。 (2-12)/(

44、2cpic 為聲特性阻抗，記作 z=c由(2-11)，(2-12)式知，ia2,那么聲波傳播出去約 10 米后，聲強(qiáng)就衰減了 1/2，這就要求在處理超聲波接收器接收到的信號(hào)時(shí)采取多級(jí)放大的辦法。 下面討論波被反射、折射時(shí)的情況。 1.波束垂直入射到兩種介質(zhì)的界面如圖 2-8 所示，當(dāng)聲平面波垂直入射到聲特性阻抗不同的兩種介質(zhì)的平界面時(shí)，入射波的能量 i0的一部分進(jìn)入介質(zhì) ii，透射波能量為(it)；另一部分被界面反射，仍在 i 中傳播，其能量為(ir)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文13根據(jù)能量守恒定律 (2-13)0triii聲壓反射系數(shù) (2-14)02121/()/()rrppzzzz 聲壓透射

45、系數(shù) (2-15)0221/2/()ttppzzz 聲強(qiáng)反射系數(shù) (2-16)22202121/() /()rriirzzzz聲強(qiáng)透射系數(shù) (2-17)222202011 212/(/2) /(/2 )4/()tttiipzpzz zzz在空氣與液體（如汽油）的界面上，計(jì)算 r、t、r、t31211.29340439zckgmmskgm s空氣空氣空氣3313210.71 101400980 10zckgmmskgm s汽油汽油汽油波束從空氣中入射到界面，12zzzz空氣汽油，3332121()/()(980 10439)/(980 10)0.999rzzzzkgmr 為正值，說明入射波和反射

46、波相位相同，反射波聲壓占入射波聲壓的 99.9%。入射波束透射波反射波介質(zhì)i（空氣）介質(zhì)ii（油）圖 2-8 波束垂直入射到液面的反射波和投射波999. 1)43910980/(109802)/(233122zzztt 為正值，入射波和透射波相位相同，透射波具有入射波聲壓的 200%998. 02 rr說明反射波與入射波的強(qiáng)度之比為 99.8%。00179. 0)43910980/(439109804233t說明透射波與入射波的強(qiáng)度之比為 0.2%。由此可知，在此界面上雖然透射波的聲壓比較大，但是波的能量非常小，幾乎都被反射回空氣介質(zhì)中。由于波的強(qiáng)度正比于振幅的平方，透射波的振幅已經(jīng)很小很小了

47、，以后的傳播過程可以不考慮。2.波束斜入射到液面和井壁(如鋁罐)當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)斜入射到另一種介質(zhì)時(shí)，如果兩種介質(zhì)的聲速不同，在界面上會(huì)產(chǎn)生聲波的反射、折射、和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。由于折射波不會(huì)被接收器接收，我們只考慮波的反射問題18。波的反射遵循反射定律，入射角為 a，反射角為 ，有：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文14 (2-18)uu/sin/sin因?yàn)槿肷洳ê头瓷洳ㄔ谕环N介質(zhì)里傳播，波的傳播速度都是 u，因此有：，即入射角等于反射角。超聲波的方向性很強(qiáng)，擴(kuò)散得很少，加上這部分信號(hào)多次反射，所以被接收器接收到的可能性很小，可以不作考慮。由以上分析可知，雖然超聲波在傳播過程中有能量損耗，且波束可以

48、有多種路徑傳播，同時(shí)還存在著多種干擾信號(hào)，但就接收器接收到的信號(hào)強(qiáng)弱而言，只有從液面反射的信號(hào)最強(qiáng)。所以可以很容易地將此信號(hào)濾出，并對(duì)它進(jìn)行處理。圖 2-9 為波束斜入射到液面示意圖 圖 2-10 為波束斜入射到井壁示意圖長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文15第第 3 章章 超聲波油量測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)超聲波油量測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì)3.1 超聲波油量測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)超聲波油量測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)3.1.1 總體設(shè)計(jì)思想總體設(shè)計(jì)思想超聲波油量測(cè)量?jī)x是根據(jù)“回波測(cè)距”的原理設(shè)計(jì)的。由超聲波的發(fā)射器發(fā)射超聲波，聲波遇到障礙物后反射，由超聲波接收器接收。測(cè)出從超聲波發(fā)射脈沖串至接收到回波信號(hào)的傳輸時(shí)間

49、，即渡越時(shí)間，超聲波在同一種介質(zhì)中的傳輸速度是不變的，那么由渡越時(shí)間和聲速，就可算出要測(cè)的距離。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本油量檢測(cè)儀需要將超聲波檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)儲(chǔ)油罐中的油量進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并能顯示和打印出有關(guān)數(shù)據(jù)，還能與上位機(jī)進(jìn)行通訊便于監(jiān)控和管理1923。與上位機(jī)通訊接口單片機(jī)系統(tǒng)超聲波發(fā)射電路超聲波接收電路8279接口電路鍵盤顯示圖 3-1 超聲波油量測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)框圖超聲波油量測(cè)量?jī)x是由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要包括 at89c51 單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、8279 接口電路、鍵盤顯示電路、打印接口電路和與上位機(jī)通信的接口電路等部分。軟件部分主要包括系統(tǒng)

50、初始化模塊、超聲波驅(qū)動(dòng)及信號(hào)處理模塊、鍵盤及顯示模塊、打印和通信模塊等，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可使程序設(shè)計(jì)思路清晰，便于調(diào)試。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用了一些抗干擾措施。如采用看門狗電路防止系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)，對(duì)信號(hào)的處理采用了放大、濾波等措施。3.1.2 工作過程工作過程在超聲波油量測(cè)量?jī)x開始測(cè)距前需要通過鍵盤輸入一些相關(guān)參數(shù)，以便能按照要求計(jì)算出距離，進(jìn)而計(jì)算出油的重量、體積等數(shù)據(jù)。啟動(dòng)超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)距時(shí)，由單片機(jī) at89c51 編程產(chǎn)生 40khz 的方波，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文16每 20 個(gè)脈沖為一串，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回

51、來后，由超聲波接收頭接收到信號(hào)，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理,送至單片機(jī)。單片機(jī)在發(fā)送脈沖的同時(shí)開始計(jì)時(shí)；超聲波遇到障礙物后的回波被超聲波接收換能器接收，其輸出的正弦波經(jīng)過兩級(jí)放大，再經(jīng)過電壓比較器和 d 觸發(fā)器產(chǎn)生中斷信號(hào)中斷單片機(jī)的計(jì)時(shí)，這樣就得到了超聲波的傳輸時(shí)間，然后在中斷服務(wù)程序中根據(jù)測(cè)出的時(shí)間計(jì)算出距離。中斷返回后再發(fā)送下一串脈沖。如此反復(fù)，每測(cè)出五個(gè)距離就取一次平均值存儲(chǔ)并顯示。停止測(cè)量后，可以通過通訊接口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，也可通過小型打印機(jī)將數(shù)據(jù)打印出來。這些操作也可由上位機(jī)來控制。操作人員可以通過一臺(tái)上位機(jī)對(duì)多個(gè)油量測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量、數(shù)據(jù)傳輸以及輸出打印等控制。

52、這樣不但減少了測(cè)量過程中的人工干預(yù)，為測(cè)量帶來了方便，而且還便于管理。3.2 超聲波油量測(cè)量?jī)x的硬件設(shè)計(jì)思想超聲波油量測(cè)量?jī)x的硬件設(shè)計(jì)思想按設(shè)計(jì)要求，根據(jù)超聲波測(cè)距原理，以 at89c51 單片機(jī)系統(tǒng)為核心，開發(fā)超聲波油量測(cè)量?jī)x。它的各部分電路的說明如下：1、89c51 單片機(jī)最小系統(tǒng)是超聲波油量測(cè)量?jī)x的核心部分，其主要任務(wù)是發(fā)出 40khz 的脈沖串用來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波；通過定時(shí)器 t1 對(duì)超聲波的傳輸時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)：根據(jù)測(cè)出的時(shí)間和有關(guān)參數(shù)計(jì)算出距離、體積等數(shù)據(jù)；控制參數(shù)的輸入和數(shù)據(jù)的顯示。2、超聲波發(fā)射電路的作用是將單片機(jī)送來的 40khz 的脈沖信號(hào)放大到 20v,以滿足超

53、聲波發(fā)射傳感器的驅(qū)動(dòng)要求。3、超聲波接收電路主要包括放大、電壓比較和中斷信號(hào)輸出等部分。它是用來對(duì)接收到的回波進(jìn)行放大和整形，即將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的中斷信號(hào)。4、根據(jù)設(shè)計(jì)要求：在測(cè)量前需要先輸入一些參數(shù)；系統(tǒng)計(jì)算出油的體積、重量后要通過顯示器實(shí)時(shí)地顯示出來；需要有一些控制按鈕來執(zhí)行不同的操作，因此需要用到 4 個(gè) 7 段碼顯示器和一個(gè) 34 的鍵盤陣列。由于 cpu 的機(jī)時(shí)比較緊張，所以用 8279 接口電路來管理鍵盤和顯示，它可以獨(dú)立于 cpu 自行工作，不占cpu 的機(jī)時(shí)。5、看門狗電路是由 max813 芯片組成，主要完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。3.3 at89c51 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)

54、最小系統(tǒng)at89c51 單片機(jī)最小系統(tǒng)由 at89c51 單片機(jī)及其外圍電路組成，是整個(gè)超聲波油量測(cè)量?jī)x的核心電路。它通過定時(shí)器 t0 發(fā)出 40khz 的脈沖信號(hào)來驅(qū)動(dòng)超聲波傳長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文17感器發(fā)射超聲波：通過定時(shí)器 t1 來測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間：測(cè)量出時(shí)間后根據(jù)要求計(jì)算出各種需要的數(shù)據(jù)。at89c51 是一種帶 4k 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(fperomflash programmable and erasable read only memory)的低電壓，高性能 cmos 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。at89c2051 是一種帶 2k 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)

55、器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 atmel 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 mcs-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 cpu 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel 的 at89c51 是一種高效微控制器，at89c2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。at89c 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。(1) at89c51 的主要性能包括： 1. 與 mcs-51 微控制器產(chǎn)品系列兼容； 2. 4k 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器； 3. 編程所需的所有時(shí)序和電壓，均不需外部電路供給； 4. 存儲(chǔ)器可循環(huán)寫入/擦

56、除 1000 次； 5. 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間為 10 年；6. 全靜態(tài)工作：可由 0hz 到 24mhz ； 7. 程序存儲(chǔ)器具有 3 級(jí)鎖存保護(hù)；8. 1288 位內(nèi)部 ram ； 9. 32 條可編程 i/o 線； 10. 2 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 11. 具有 5 個(gè)中斷源； 12. 可編程串行通道13. 空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保護(hù)存儲(chǔ)內(nèi)容。(2)芯片的引腳描述：chmos 制造工藝的 89c51 單片機(jī)采用 40 引腳的雙列直插封裝（dip 方式） ，在單片機(jī)的 40 條引腳中有 2 條專用于主電源的引腳，2 條外接晶體的引腳，4 條控制與其它電源復(fù)用的引腳，32 條輸入/

57、輸出（i/o）引腳。vcc：供電電壓。gnd：接地。p0 口：p0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 i/o 口，每腳可吸收 8ttl 門電流。當(dāng) p1口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。p0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在 fiash 編程時(shí)，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，p0 輸出原碼，此時(shí) p0 外部必須被拉高。p1 口：p1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p1 口緩沖器能接收長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文18輸出 4ttl 門電流。p1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1 口被外部下拉為低電平時(shí)

58、，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)，p1 口作為第八位地址接收。圖 3-2 單片機(jī) 89c51 的管腳圖p2 口：p2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) ttl 門電流，當(dāng) p2 口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，p2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，p2 口輸出其特殊功能寄存器的

59、內(nèi)容。p2 口在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。p3 口：p3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 i/o 口，可接收輸出 4 個(gè) ttl門電流。當(dāng) p3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3 口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。p3 口也可作為 at89c51 的一些特殊功能口，如下所示：p3.0 rxd(串行輸入口)p3.1 txd(串行輸出口)p3.2 /int0(外部中斷 0)p3.3 /int1(外部中斷 1)12345678910111213141516171819202122232425262728293

60、031323334353637383940t2/p1.0t2ex/p1.1p1.2p1.3p1.4p1.5p1.6p1.7rstrxd/p3.0txd/p3.1int1/p3.3t0/p3.4t1/p3.5wr/p3.6rd/p3.7xtal2xtal1gndint0/p3.2vccp0.0/ad0p0.1/ad1p0.2/ad2p0.3/ad3p0.4/ad4p0.5/ad5p0.6/ad6p0.7/ad7ea/appale/progpesnp2.7/a15p2.6/a14p2.5/a13p2.4/a12p2.3/a11p2.2/a10p2.1/a9p2.0/a889c51長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)