【正文】 ata, also put forward some suggestions for the design improvement. Key words:Liquid surface ranging 。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。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。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁以上的雙面打印 4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上 5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔 1）設(shè)計(jì)（論文） 2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序 裝訂 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 摘要 液面高度測(cè)量在工業(yè)應(yīng)用中十分廣泛，但目前市場(chǎng)的測(cè)量裝置很少考慮液面高度不一致的問題。ultrasonic ranging 。 雖然現(xiàn)在非接觸式的液面測(cè)距方法很多，但目前市場(chǎng)的測(cè)量裝置很少考慮液面高度不一致的問題 ，這就需要研究用于測(cè)量復(fù)雜邊界液面高度的系統(tǒng)裝置。 目前，廣泛采用的液位開關(guān)主要 有三種 類型 ：一是利用 介質(zhì) 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)：二是當(dāng)超聲波穿透空氣及液體時(shí)，利用衰減率的顯著差別來檢測(cè)液面的超聲波液位開關(guān)；三是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)。因此超聲波技術(shù)在物體識(shí)別、機(jī)械手控制、液位測(cè)量、車輛自動(dòng)導(dǎo)航等方面有著廣泛 應(yīng)用。 近十年來 ， 國內(nèi)科研人員在超聲波新型超聲波換能器的研發(fā)、回波信號(hào)的處理方法等方面進(jìn)行了大量理論分析與研究 ， 并針對(duì)超聲測(cè)距的常見影響因素提出溫度補(bǔ)償 、 接收回路串入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測(cè)距精度的措施 。 通過 確定回?fù)芮把?，能夠在一定程度上消除時(shí)間測(cè)量誤差， 從而提高測(cè)量精度 。 光纖液面高度測(cè)量技術(shù)是最近十年出現(xiàn)的一種新型液面距離測(cè)量技術(shù)， 目前已知的光纖液位測(cè)量技術(shù) 所采用的具體方法各不相同，具體有 利用熒光纖維特性的光纖液位傳感、遮光式光纖液位傳感、泄漏模式光纖液位傳感、壓力式光纖傳感器測(cè)量液位、磁式光纖液位傳感、反射式光纖傳感器測(cè)量液位 [8]。溫度、應(yīng)變和壓力 的變化都能光纖光柵發(fā)生相應(yīng)的改變 ，因此，如何在變化中區(qū)分 出不同的變化，取出溫度、應(yīng)變和壓力信號(hào)，這是 光纖光柵傳感器在 普遍應(yīng)用之前 必須解決的一個(gè)問題 [9][10]。 液面高度測(cè)量在工業(yè)應(yīng)用中十分廣泛，但目前市場(chǎng)的測(cè)量裝置 很少考慮液面高度不一致的問題。 完成了基于 STC89C52 單片機(jī)的液面高度測(cè)量系統(tǒng)的研制，最終通過系統(tǒng)改進(jìn)，使得測(cè)量誤差保持在 2cm以內(nèi)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 按 系統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 要求，設(shè)計(jì)在液位的上方固定多個(gè)測(cè)距傳感器，如圖 21 所示。 圖 21 復(fù)雜邊界液面的 多點(diǎn)測(cè)量示意圖 現(xiàn)在具體系統(tǒng)設(shè) 計(jì)的關(guān)鍵就在于選擇每點(diǎn)測(cè)距方案，以及選擇所測(cè)多點(diǎn)數(shù)據(jù)的融合算法，而提高每點(diǎn)測(cè)距的精確度又是提高系統(tǒng)最終測(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵。因此，我們將頻率高于 20KHZ 的聲波稱為超聲波。C 為 超 聲波傳播速度 。 超聲波是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的 ，在傳播過程中， 由于空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦、 空氣中雜質(zhì)等原因，超聲波能量在傳播過程中被吸收損耗， 超聲波能量會(huì)發(fā)生衰減， 衰減系數(shù)與超聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 : 2a f??? (22) 在公 式 22 中 :α為衰減系數(shù) 。因此，選用合適頻率的超聲波便成為了 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 一 個(gè)至關(guān)重要的問題。 因此在設(shè)計(jì)超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮 測(cè)量精度和接收時(shí)的強(qiáng)度這 兩 個(gè)方面 的 因素 。目前 ，超聲波測(cè)距 系統(tǒng)基本 上采用 回波 法 ，通過 接收和 分析回波信號(hào) 測(cè)量出 整個(gè)超聲波的飛行 時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。但是，在液位很深的情況下， 液介式 不易于安裝和維護(hù)此設(shè)備。 氣介式超聲波測(cè)距的基本原理如圖 22 所示。 空氣溫度因素 對(duì)于 氣介式超聲波測(cè)距系統(tǒng)而言， 已產(chǎn)生的 超聲波借助于空氣以縱波的形式平行于振動(dòng)面?zhèn)鞑?。超聲波在空氣?的 傳播速度與當(dāng)前 空氣 溫度的關(guān)系式如式 (23)所示。 由 公式 23 我們 可以計(jì)算出 在不同氣溫下 的 超聲波速度 ，例如 :當(dāng)溫度 為 T=293K （ 20℃ ）時(shí)， 此時(shí) 超 聲波速度 為 C=。因此，為了最 大限度的減小測(cè)量誤差，必須準(zhǔn)確測(cè)量周圍的環(huán)境溫度。因此，為了提高測(cè)量精度減小誤差， 提高系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境溫度的適應(yīng)， 必須根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度對(duì) 超聲波速度 進(jìn)行實(shí)時(shí) 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 9 頁 共 48 頁 修正，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)溫度矯正單元是很有必要的。 為了消除船行波等造成水面不規(guī)則升降變化的影響 ， 也可以將采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序去掉最大和最小的一部分?jǐn)?shù)據(jù)取中間數(shù)據(jù)的平均值，用這種中間平均法可以有效防止一些測(cè)量的干擾。尤其是在相鄰超聲波傳感器的位置距離較近時(shí)就 更 要考慮回波信號(hào)之間的干擾問題 [16]。主要影響的因素有：超聲波傳感器的工作頻率與探頭的通頻帶寬度、門限電平與檢測(cè)方法、干擾鑒別等。 圖 24 超聲波信號(hào)示意圖 通常超聲波探頭通頻帶（ BW）與諧振頻率（ W0）、品質(zhì)因素 Q 的關(guān)系 [17]為： QW0wB ? （ 25） 當(dāng)探頭的品質(zhì)因素 Q 值越高，通頻帶越窄，這給壓電陶瓷的起始機(jī)械振動(dòng)帶來一個(gè)較長的時(shí)間。 t2 越小，意味著超聲波測(cè)量盲區(qū)越小，顯然超聲波回波 到達(dá)的時(shí)刻反應(yīng)在 t1 的上升波形上，如果定位不準(zhǔn)確與不穩(wěn)定都會(huì)極大影響測(cè)量精度。 圖 25 發(fā)射波、回波整形示意圖 通常， 將門限電平設(shè)置在一個(gè)噪聲電平不能觸發(fā)的值上，以保證產(chǎn)生的方波信號(hào)不是由噪聲觸發(fā)的。 很顯然當(dāng)超聲波回波信號(hào)的電平接近門限電平時(shí)，產(chǎn)生的誤差最大絕對(duì)誤差可以大于 10cm（視探頭特 性電路通帶與濾波等因素而定）。 單點(diǎn)測(cè)量不能完全代表液位的真實(shí)高度， 測(cè)量所得數(shù)據(jù)與實(shí)際值相比誤差較大， 可以進(jìn)行 多點(diǎn)測(cè)量 復(fù)雜液面 ，并 在一定時(shí)間內(nèi)，多次采樣后求平均來使測(cè)量值接近真值。 例如，使用主控芯片的定時(shí)器定時(shí)一段時(shí)間，每次定時(shí)器中斷中更改超聲波發(fā)射標(biāo)志位，根據(jù)超聲波發(fā)射標(biāo)志位選擇不同位置的超聲波傳感器測(cè)距，這樣，在時(shí)序上依次錯(cuò)開不同超聲波傳感器的工作時(shí)間，就能夠避免不同回波信號(hào)的干擾。但是，這種方法有明顯的缺點(diǎn)，回波信號(hào)中包含著有用信號(hào)，也包含了隨機(jī)噪聲，在放大有用信號(hào)的同時(shí)，也放大了干擾與噪聲?；夭ㄐ盘?hào)的上升、下降沿為 一條指數(shù)曲線，但在信號(hào)電平二分之一下（上升沿）近似 認(rèn)為 為 直線 ， 因此信號(hào)采樣在此區(qū)間 基本上滿足線性條件。 采用超聲波信號(hào)回波前沿時(shí)間分析技術(shù)，可以有效地控制回波信號(hào)電 平因反射面不同、反射角不同、反射距離不同等各種因素而引起的信號(hào)電平變化帶來的測(cè)量誤差。 因此，可將不同幅值的 回波信號(hào)的包絡(luò)峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻 tp 作為停止計(jì)時(shí) 的時(shí)刻 ，減去 時(shí)間差 (tpt0)后 就可 以得到相對(duì)誤差較小的超聲波飛行時(shí)間值 。 回波信號(hào)經(jīng)處理的各個(gè)波形如圖 29 所示。采用包絡(luò)峰值檢測(cè)可以保證回波前沿的準(zhǔn)確到達(dá)時(shí) 刻 [20]。 溫 度 校 正 模 塊5 1 單 片 機(jī)顯 示 模 塊超 聲 波 探 頭 組穩(wěn) 壓 模 塊 圖 31 系統(tǒng) 總體 結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)的軟件層由驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用程序組成。 STC89C52 單片機(jī)共有 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ,即定時(shí)器 T0、 T T2，定時(shí)范圍為 0~65535us，定時(shí)的精度能 達(dá)到 1us。 STC89C52 的最小系統(tǒng)如圖 32 所示。 表 31 定時(shí)器工作方式寄存器 TMOD GATA C/ T—— M1 M0 GATA C/ T—— M1 M0 位地址 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H （ 1）、 GATE：門控 選通位 GATE=0：定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器只受 TR（ TR0、 TR1）控制。 C/ T—— =1：計(jì)數(shù)器。 表 32 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器控制寄存器 TCON TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 位地址 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H （ 4）、 IT0 和 IT1：外部中斷請(qǐng)求觸發(fā)方式控制位 IT0（ IT1） =1：脈沖觸發(fā)方式，下降沿觸發(fā)。 （ 6）、 TR0 和 TR1：定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器運(yùn)行控制位 TR0（ TR1） =1：定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器工作。 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路是保證系統(tǒng)能夠工作穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵部分。 本系統(tǒng)的 穩(wěn)壓電路部分采用了經(jīng)典的接法， 如圖 33 所示。 表 33 HCSR04 電氣 參 數(shù) 電氣參數(shù) HCSR04 測(cè)距模塊 工作電壓 DC5V 工作電流 15mA 工作頻率 40KHZ 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 20 頁 共 48 頁 續(xù)表 33 最遠(yuǎn)射程 400cm 盲區(qū) 2cm 測(cè)量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號(hào) 10us 的 TTL 脈沖 輸出時(shí)間信號(hào) 輸出 TTL 電平信號(hào)，與射程成正比 HCSR04 超聲波傳感器 發(fā)射端的原理圖 如圖 34 所示 。 在超聲波接收單元中，超聲波接收探頭接收到回波信號(hào)，回波信號(hào)中帶有隨機(jī)噪聲 干擾 。 三個(gè)超聲波發(fā)射和接受模塊通過 74HC153 與單片機(jī)相連， 74HC153 為雙四選一的雙向數(shù)據(jù)選擇器。 數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20 是世界上第一片支持 “一線總線 ”接口的溫度傳感器 。 現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以 “一線總線 ”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。 表 34 DS18B20 管腳說明 引腳 8PIN SOIC封裝 引腳 PR35 封裝 符號(hào) 說明 5 1 GND 電源地 4 2 DQ 單線數(shù)據(jù)輸入輸出引腳， 3 3 VDD 可選 VDD 引腳，可接外部電源 圖 37 DS1820 管腳及封裝圖 DS18B20 中包含了 64 位激光 ROM，開始的 8 位為單線產(chǎn)品的編碼（如 DS1820 的編碼是 10H），接著是 48 位唯一的序列號(hào)，這使得多個(gè) DS18B20 可以串聯(lián)在一個(gè)總線上，最后 8 位是開始 56 位的 CRC。在未做更改分辨率的情況下，傳感器默認(rèn)的分辨率為 12 位，為了初始化溫度傳感器并且得到數(shù)模轉(zhuǎn)換的溫度值，主機(jī)必須向 DS18B20寫入溫度轉(zhuǎn)換指令（ 44H），溫度轉(zhuǎn)換需要至少 750ms 時(shí)間，所以至少間隔 750ms 主機(jī)才能讀溫度值。 圖 38 DS18B20 物理連接圖 DS18B20 單總線結(jié)構(gòu)的通信過程包括了初始化、 ROM 操作命令、存貯器操作命令、處理數(shù)據(jù)。接著，主機(jī)釋放總線進(jìn)入接收狀態(tài)。所有的 ROM操作命令均為 8 位字長， ROM 操作指令如表 36。 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 25 頁 共 48 頁 表 37 DS18B20 存貯器指令集 指令名稱 指令代碼 指令功能 溫度變換 44H 啟動(dòng) DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長 為 500ms （典型為 200ms ），結(jié)果存入內(nèi)部 9 字節(jié) RAM 中。 調(diào) EEPROM 0B8H EEPROM 中的內(nèi)容恢復(fù)到 RAM 中的第 3 ， 4 字節(jié)。