【正文】 分析信號(hào)強(qiáng)度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息，這樣即便在有擾動(dòng)條件下讀數(shù)也是精確的。 (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)。雷達(dá)液位 儀 的測(cè)量精度較高，而且無(wú)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。激光液位儀非常適用于開(kāi)口很 窄 的容器及高溫、高粘度的測(cè)量對(duì)象。 γ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(wèn)題，因?yàn)闇y(cè)量件沒(méi)有任何部件與被測(cè)物體相接觸。液位開(kāi)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。從計(jì)量方法看主要有三種：檢尺法、液位法和靜壓法。[1+(空高 )x3‰] 。目前石化部門(mén)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 1000～100000m3 之間，很小的測(cè)量誤差會(huì)造成很大的絕對(duì)誤差。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。激光的傳播速度很快，不便于信號(hào)處理。 超聲波在空氣中的傳播速度為 340 米 /秒，與光的傳播速度 (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。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 、 可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)軟件的這種處理不但能使軟件的結(jié)構(gòu)清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 5 第 2 章 超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)量原理 概 述 在彈性媒質(zhì)中，如果波源所激起的縱波的頻率在 20Hz到 20200Hz之間，就能引起人的聽(tīng)覺(jué)。我們知道，電磁波的傳播速度為 3ｘ 108，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。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。 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。超聲波傳感器的諧振頻率 (中心頻率 )有 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等。近年來(lái)，超聲波的波長(zhǎng)范圍已達(dá) 181。 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(lèi)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。各種類(lèi)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。 共 振 板壓 電 晶 體電 極 板 圖 21 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。由圖 22 分析可知， Q 恰好是電路的串聯(lián)支路的 Q 值。它與光電傳感器不同，也可以檢測(cè)透明體等。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。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。 T/R40 超聲波傳感器 本儀器所采用的 TR4016 型超聲波傳感器的壓電效應(yīng)曲線如圖 25 所示。1 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 1100177。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 10 由這些特性曲線 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。 接 收 器發(fā) 射 器井 蓋井 壁lhH油 圖 27 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(mén)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)。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)。h為 h的測(cè)量誤差， δT為渡越時(shí)間的測(cè)量誤差， δu為聲速的測(cè)量誤差。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。 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(wú)接觸測(cè)量、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn) [1][5]。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 12 如果這三種信號(hào)都足夠強(qiáng)，就會(huì)給信號(hào)處理帶來(lái)一定的困難，使處理器無(wú)法分辨哪個(gè)是有用的信號(hào)，從而造成測(cè)量上的誤差。引起衰減的原因大致有三個(gè)： 。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。Aω； P 為介質(zhì)密度：軸的正方向； ω為超聲波的圓頻率， ω=2πf； f 為振動(dòng)頻率； 181。沿著波的傳播方向 10 米處 x=10 處： 7 2 ??? ??? eeAA 就是 說(shuō)聲波傳播出去 l0m后，振幅衰減了約 1/40[16]。 如圖 28 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) 根據(jù)能量守恒定律 0 trI I I?? (213) 聲壓反射系數(shù) 0 2 1 2 1/ ( ) /( )rr p p z z z z? ? ? ? (214) 聲壓透射系數(shù) 0 2 2 1/ 2 /( )tt p p z z z? ? ? (215) 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 13 聲強(qiáng)反射系數(shù) 2 2 20 2 1 2 1/ ( ) / ( )rR I I r z z z z? ? ? ? ? (216) 聲強(qiáng)透射系數(shù) 2 2 2 20 2 0 1 1 2 1 2/ ( / 2 ) / ( / 2 ) 4 / ( )ttT I I p z p z z z z z? ? ? ? (217) 在空氣與液體（如汽油）的界面上，計(jì)算 r、 t、 R、 T 3 1 2 11 . 2 9 3 4 0 4 3 9z c k g m m s k g m s? ? ? ? ?? ? ? ?空 氣 空 氣 空 氣 3 3 1 3 2 10 . 7 1 1 0 1 4 0 0 9 8 0 1 0z c k g m m s k g m s? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?汽 油 汽 油 汽 油 波束從空氣中入射到界面， 12z z z z??空 氣 汽 油， 3 3 32 1 2 1( ) / ( ) ( 9 8 0 1 0 4 3 9 ) / ( 9 8 0 1 0 ) 0 . 9 9 9r z z z z k g m? ? ? ? ? ? ? ? r 為正值，說(shuō)明入射波和反射波相位相同，反射波聲壓占入射波聲壓的 %。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，以后的傳播過(guò)程可以不考慮。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 14 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 。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(pán)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 。 工作過(guò)程 在超聲波油量測(cè)量?jī)x開(kāi)始測(cè)距前需要通過(guò)鍵盤(pán)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)。中斷返回 后再發(fā)送下一串脈沖。操作人員可以通過(guò)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。 超聲波發(fā)射電路的作用是將單片機(jī)送來(lái)的 40kHz 的脈沖信號(hào)放大到 20V,以滿足超聲波發(fā)射傳感器的驅(qū)動(dòng)要求。由于 CPU的機(jī)時(shí)比較緊張，所以用 8279 接口電路來(lái)管理鍵盤(pán)和顯示，它可以獨(dú)立于 CPU 自行工作，不占 CPU的機(jī)時(shí)。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器 (FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。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。 VCC：供電電壓。 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 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址接收。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。當(dāng) P3 口寫(xiě)入 ―1‖后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。另外，該引腳被略微拉高。但在訪 問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。T/2 即可算出超聲波傳感器到障礙物之間的距離，其中 181。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 20 超聲波發(fā)射電路原理圖 根據(jù)硬件設(shè)計(jì)思想，這部分電路要將單片機(jī) 管腳輸出的 40kHz 脈沖信號(hào)的幅度放大 20V 左右，以滿足超聲波傳感器發(fā)射器的要求，所以超聲波發(fā)射電路主要是由一個(gè)含有大功率 CMOS 管 IRF640 的放大電路、變壓器和一個(gè)超聲波發(fā)射換能器構(gòu)成。變壓器在這里主要起隔離作用。 超聲波 接收電路原理圖 接收部分電路主要由兩個(gè)放大電路、一個(gè)電壓比較器和一個(gè) D 觸發(fā)器構(gòu)成。 其次，在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)：在接收電路等待回波信號(hào)時(shí)，由于輸入端懸空，使得電路一直有干擾信號(hào)，而且這種干擾，影響回波信號(hào)的正常接收，所以在輸入端加了一個(gè)電阻 R10，以消除這種干擾。 LM311是一個(gè)通用型集成電壓比較器，它具有低的偏置電流和失調(diào)電流 (典型值分別為 100nA 和 6nA )，其響應(yīng)速度為 200ns。12V的雙電源供電。這樣回波信號(hào)最終轉(zhuǎn)換成了 AT89C51 的中斷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)思想。 顯示部分按掃描方式工作，可以連接 8 位或 16 位顯示。采用專(zhuān)用芯片 8279 獨(dú)立于 CPU工作對(duì)顯示鍵盤(pán)自動(dòng)掃描，可大大提高 CPU的工作效率。 D 觸發(fā)器的 D 端 AT89C51 的 管腳。12V )。 根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)思想：最終要將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的中斷信號(hào)，所以在對(duì)回波信號(hào) (正弦波 )經(jīng)過(guò)兩次放大以后，需要將正弦波轉(zhuǎn) 換成方波，于是后面接了一個(gè)電壓比較電路和一個(gè) D 觸發(fā)器。所以在放大電路之前接了一個(gè)雙向開(kāi)關(guān) 4066, 4066 的控制端接 AT89C51 的 管腳，當(dāng) 管腳發(fā)脈沖時(shí)，將 管腳置成低電平，雙向開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，即 4066 的 1, 2 管腳接通，使得放大電路的輸入端接地以屏蔽發(fā)射 探頭直接傳過(guò)來(lái)的干擾信號(hào)。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 21 超聲波接收電路 超聲波接收電路功能 如圖 34 所示，超聲波接收器將接收到回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào) (正弦波 )，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大以后，被送入電壓比較器進(jìn)行比較，電壓比較器輸出的方波信號(hào)控制 D 觸發(fā)器的時(shí)鐘端，將 D 端口上預(yù)先設(shè)置好的低電平從 Q 端發(fā)送出，該低電平作為AT89C51 外部中斷 0 的中斷信號(hào)使 AT89C51 產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中停止計(jì)數(shù)器 T1 的計(jì)時(shí)，并計(jì)算出有關(guān)數(shù)據(jù)。由于單片機(jī) P0 口的輸出電壓為 5V,其驅(qū)動(dòng)能力達(dá)不到要求，所以用了一個(gè)大功率的 CMOS 管 IRF640 來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的發(fā)射器。 由于要測(cè)量的距離不固定，可能還是動(dòng)態(tài)的，所以用 AT98C51 的 管腳，發(fā)出間歇式的脈沖串 (每 20 個(gè)脈沖為一串 )，等到接收到回波并計(jì)算出距離后再發(fā)下一串脈沖。 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路功能 超聲波發(fā)射器在幅 度為 20V，頻率為 40kHz 的方波驅(qū)動(dòng)下，發(fā)出頻率為 40kHz的超聲波，遇障礙物后反射，由超聲波的接收器接收回波。注意加密方式 1 時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) /INT0(外部中斷 0) /INT1(外部中斷 1) 1234567891011121314151617181920 21222324252627282930313233