【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，無錯別字，不準請他人代寫 2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(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 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 涉密論文按學校規(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）圖表應繪制于無格子的頁面上 5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔 1）設計（論文） 2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序 裝訂 基于多傳感器融合的復雜邊界液面高度測量裝置的研究 基于多傳感器融合的復雜邊界液面高度測量裝置的研究 摘要 液面高度測量在工業(yè)應用中十分廣泛，但目前市場的測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距方法很多，但目前市場的測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量復雜邊界液面高度的系統(tǒng)裝置。 目前，廣泛采用的液位開關主要 有三種 類型 ：一是利用 介質 對振動體的阻尼差別來檢測液位的振動式液位 開關：二是當超聲波穿透空氣及液體時，利用衰減率的顯著差別來檢測液面的超聲波液位開關；三是利用空氣和液體電導率的不同來檢測液位的電導式液位開關。因此超聲波技術在物體識別、機械手控制、液位測量、車輛自動導航等方面有著廣泛 應用。 近十年來 ， 國內科研人員在超聲波新型超聲波換能器的研發(fā)、回波信號的處理方法等方面進行了大量理論分析與研究 ， 并針對超聲測距的常見影響因素提出溫度補償 、 接收回路串入自動增益調節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測距精度的措施 。 通過 確定回撥前沿，能夠在一定程度上消除時間測量誤差， 從而提高測量精度 。 光纖液面高度測量技術是最近十年出現(xiàn)的一種新型液面距離測量技術， 目前已知的光纖液位測量技術 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量液位、磁式光纖液位傳感、反射式光纖傳感器測量液位 [8]。溫度、應變和壓力 的變化都能光纖光柵發(fā)生相應的改變 ，因此，如何在變化中區(qū)分 出不同的變化，取出溫度、應變和壓力信號，這是 光纖光柵傳感器在 普遍應用之前 必須解決的一個問題 [9][10]。 液面高度測量在工業(yè)應用中十分廣泛，但目前市場的測量裝置 很少考慮液面高度不一致的問題。 完成了基于 STC89C52 單片機的液面高度測量系統(tǒng)的研制，最終通過系統(tǒng)改進，使得測量誤差保持在 2cm以內。 系統(tǒng)設計思想 按 系統(tǒng) 設 計 要求，設計在液位的上方固定多個測距傳感器，如圖 21 所示。 圖 21 復雜邊界液面的 多點測量示意圖 現(xiàn)在具體系統(tǒng)設 計的關鍵就在于選擇每點測距方案，以及選擇所測多點數(shù)據(jù)的融合算法，而提高每點測距的精確度又是提高系統(tǒng)最終測量結果的關鍵。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的分子運動而傳播的 ，在傳播過程中， 由于空氣分子運動摩擦、 空氣中雜質等原因，超聲波能量在傳播過程中被吸收損耗， 超聲波能量會發(fā)生衰減， 衰減系數(shù)與超聲波所在介質及頻率的關系為 : 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)設計的 一 個至關重要的問題。 因此在設計超聲波液位測量系統(tǒng)時，應該綜合考慮 測量精度和接收時的強度這 兩 個方面 的 因素 。目前 ，超聲波測距 系統(tǒng)基本 上采用 回波 法 ，通過 接收和 分析回波信號 測量出 整個超聲波的飛行 時間，從而實現(xiàn)距離的測量。但是，在液位很深的情況下， 液介式 不易于安裝和維護此設備。 氣介式超聲波測距的基本原理如圖 22 所示。 空氣溫度因素 對于 氣介式超聲波測距系統(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面?zhèn)鞑?。超聲波在空氣?的 傳播速度與當前 空氣 溫度的關系式如式 (23)所示。 由 公式 23 我們 可以計算出 在不同氣溫下 的 超聲波速度 ，例如 :當溫度 為 T=293K （ 20℃ ）時， 此時 超 聲波速度 為 C=。因此，為了最 大限度的減小測量誤差，必須準確測量周圍的環(huán)境溫度。因此，為了提高測量精度減小誤差， 提高系統(tǒng)對周圍環(huán)境溫度的適應， 必須根據(jù)當前環(huán)境溫度對 超聲波速度 進行實時 基于多傳感器融合的復雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 9 頁 共 48 頁 修正，在系統(tǒng)中設計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)進行排序去掉最大和最小的一部分數(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量的干擾。尤其是在相鄰超聲波傳感器的位置距離較近時就 更 要考慮回波信號之間的干擾問題 [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、門限電平與檢測方法、干擾鑒別等。 圖 24 超聲波信號示意圖 通常超聲波探頭通頻帶（ BW）與諧振頻率（ W0）、品質因素 Q 的關系 [17]為： QW0wB ? （ 25） 當探頭的品質因素 Q 值越高，通頻帶越窄，這給壓電陶瓷的起始機械振動帶來一個較長的時間。 t2 越小，意味著超聲波測量盲區(qū)越小，顯然超聲波回波 到達的時刻反應在 t1 的上升波形上，如果定位不準確與不穩(wěn)定都會極大影響測量精度。 圖 25 發(fā)射波、回波整形示意圖 通常， 將門限電平設置在一個噪聲電平不能觸發(fā)的值上，以保證產(chǎn)生的方波信號不是由噪聲觸發(fā)的。 很顯然當超聲波回波信號的電平接近門限電平時，產(chǎn)生的誤差最大絕對誤差可以大于 10cm（視探頭特 性電路通帶與濾波等因素而定）。 單點測量不能完全代表液位的真實高度， 測量所得數(shù)據(jù)與實際值相比誤差較大， 可以進行 多點測量 復雜液面 ，并 在一定時間內，多次采樣后求平均來使測量值接近真值。 例如，使用主控芯片的定時器定時一段時間，每次定時器中斷中更改超聲波發(fā)射標志位，根據(jù)超聲波發(fā)射標志位選擇不同位置的超聲波傳感器測距，這樣，在時序上依次錯開不同超聲波傳感器的工作時間，就能夠避免不同回波信號的干擾。但是，這種方法有明顯的缺點，回波信號中包含著有用信號，也包含了隨機噪聲，在放大有用信號的同時，也放大了干擾與噪聲?；夭ㄐ盘柕纳仙?、下降沿為 一條指數(shù)曲線，但在信號電平二分之一下（上升沿）近似 認為 為 直線 ， 因此信號采樣在此區(qū)間 基本上滿足線性條件。 采用超聲波信號回波前沿時間分析技術，可以有效地控制回波信號電 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電平變化帶來的測量誤差。 因此，可將不同幅值的 回波信號的包絡峰值所對應的時刻 tp 作為停止計時 的時刻 ，減去 時間差 (tpt0)后 就可 以得到相對誤差較小的超聲波飛行時間值 。 回波信號經(jīng)處理的各個波形如圖 29 所示。采用包絡峰值檢測可以保證回波前沿的準確到達時 刻 [20]。 溫 度 校 正 模 塊5 1 單 片 機顯 示 模 塊超 聲 波 探 頭 組穩(wěn) 壓 模 塊 圖 31 系統(tǒng) 總體 結構圖 本系統(tǒng)的軟件層由驅動及應用程序組成。 STC89C52 單片機共有 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器 ,即定時器 T0、 T T2，定時范圍為 0~65535us，定時的精度能 達到 1us。 STC89C52 的最小系統(tǒng)如圖 32 所示。 表 31 定時器工作方式寄存器 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：定時器 /計數(shù)器只受 TR（ TR0、 TR1）控制。 C/ T—— =1：計數(shù)器。 表 32 定時器 /計數(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：定時器 /計數(shù)器運行控制位 TR0（ TR1） =1：定時器 /計數(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雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 20 頁 共 48 頁 續(xù)表 33 最遠射程 400cm 盲區(qū) 2cm 測量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號 10us 的 TTL 脈沖 輸出時間信號 輸出 TTL 電平信號，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，回波信號中帶有隨機噪聲 干擾 。 三個超聲波發(fā)射和接受模塊通過 74HC153 與單片機相連， 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 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，這使得多個 DS18B20 可以串聯(lián)在一個總線上，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)模轉換的溫度值，主機必須向 DS18B20寫入溫度轉換指令（ 44H），溫度轉換需要至少 750ms 時間，所以至少間隔 750ms 主機才能讀溫度值。 圖 38 DS18B20 物理連接圖 DS18B20 單總線結構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，主機釋放總線進入接收狀態(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雜邊界液面高度測量裝置的研究 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 DS18B20 進行溫度轉換，轉換時間最長 為 500ms （典型為 200ms ），結果存入內部 9 字節(jié) RAM 中。 調 EEPROM 0B8H EEPROM 中的內容恢復到 RAM 中的第 3 ， 4 字節(jié)。