【正文】 發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的許多小油庫(kù)、加油站還在使用最原始的人工檢尺進(jìn)行油量的測(cè)量。了解到市場(chǎng)的需求后，確定了研究目標(biāo):研制一種儲(chǔ)油罐油量測(cè)量?jī)x。在熟悉了超聲波的傳播特性及超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)、工作方式等問(wèn)題后，選用了T/R4016型超聲波傳感器。CS，2003.(2).3738[15] Frank J. Hydrostatic tank gauges accurately measure mass, volume, andamp。在此論文完成之際，謹(jǐn)向劉老師致以最真誠(chéng)的謝意!感謝老師在這么長(zhǎng)時(shí)間里給我的多次幫助!感謝曾經(jīng)所有幫助過(guò)我的老師和同學(xué)們!感謝培育了我的母校！。劉老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，廣博的理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)使我受益匪淺。如前幾章所述，超聲波油量測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)噪音污染，且操作方便，組合靈活，根據(jù)需要選擇不同的顯示方式，與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，將會(huì)有很廣闊的使用前景?？紤]到價(jià)格、安裝的方便與否、測(cè)量的精度，特別是小型加油站資金不太充裕等問(wèn)題，決定研制一種安裝、使用簡(jiǎn)便，測(cè)量準(zhǔn)確，智能管理，又價(jià)格低廉的油量測(cè)量?jī)x。考慮到油面波動(dòng)的影響，需要測(cè)三次，取平均值。軟件“看門(mén)狗”雖然采用硬件“看門(mén)狗”電路可以直接消除干擾，但是硬件復(fù)位對(duì)系統(tǒng)往往會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，因此在硬件復(fù)位前設(shè)置軟件復(fù)位是相當(dāng)重要和必要的，而且軟件“看門(mén)狗”具有響應(yīng)快和易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，所以采用軟件“喂狗”進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，使得程序重新啟動(dòng)運(yùn)行。本系統(tǒng)采取了如下的軟件抗干擾措施：消除發(fā)射電路對(duì)接收電路的干擾為了消除發(fā)射電路在發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，使得接收電路產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)而使D觸發(fā)器輸出中斷信號(hào)，我們?cè)诎l(fā)射驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)屏蔽了接收電路中D觸發(fā)器輸入，使其在這段時(shí)間內(nèi)不產(chǎn)生中斷信號(hào)。程序重新啟動(dòng)運(yùn)行。利用電容、電感等儲(chǔ)能元件可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的干擾。這種盲目執(zhí)行程序的結(jié)果，一方面會(huì)破壞RAM存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，另一方面可能由于某些偶然的原因而進(jìn)入死循環(huán)，使整個(gè)系統(tǒng)失控。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先發(fā)一個(gè)字節(jié)的請(qǐng)求碼0FFH,接收到上位機(jī)的應(yīng)答后，向上位機(jī)發(fā)送欲發(fā)送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。目前本設(shè)計(jì)設(shè)定的是在超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)完油量以后再進(jìn)行通訊，這樣就可以用定時(shí)器T1來(lái)產(chǎn)生通訊時(shí)所需的波特率了。在啟動(dòng)后默認(rèn)顯示油量深度，當(dāng)用戶需要了解油量的體積時(shí)，可按3號(hào)鍵來(lái)顯示體積，如果需要恢復(fù)油量深度的顯示，只需再按一次3號(hào)鍵。因?yàn)閰?shù)的輸入、數(shù)據(jù)的顯示和打印以及與上位機(jī)通訊等功能都要通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)控制，所以，以功能鍵子程序?yàn)橹黧w，通過(guò)功能鍵子程序來(lái)調(diào)用其它功能模塊。最后恢復(fù)T0定時(shí)，T1重新計(jì)數(shù)，跳出外部中斷處理子程序，等待下次外部中斷。外部中斷0的中斷源INT0接超聲波接收電路的輸出—D觸發(fā)器的Q端。當(dāng)然根據(jù)設(shè)計(jì)的要求管腳發(fā)出的應(yīng)該是脈沖串(每20個(gè)脈沖為一串)，以滿足測(cè)量的要求。圖52 驅(qū)動(dòng)模塊程序流程圖由第四章硬件設(shè)計(jì)部分的介紹可知，T/R4016型超聲波換能器在輸入脈沖為 40KHZ左右時(shí)，各種性能都能達(dá)到最佳，所以要求單片機(jī)發(fā)射出頻率為40KHz左右的脈沖序列。按照油量測(cè)量?jī)x的需要，超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊的主要任務(wù)是用單片機(jī)產(chǎn)生40kHz的脈沖串，以驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)射超聲波，同時(shí)采用計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)。計(jì)算機(jī)的串行口通常采用一個(gè)25針或9針的D型連接器，在本設(shè)計(jì)中選用了9針的D型連接器，要進(jìn)行通常的串行通信，只需其中的三根線就可以了，就是2(RXD),3(TXD),5(GND)三根線，分別是數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)輸出，地線。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3個(gè)引腳小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路[16]。雖然8279芯片是專門(mén)用來(lái)管理鍵盤(pán)和顯示器的，但是它的驅(qū)動(dòng)能力有限(尤其是在為顯示器提供驅(qū)動(dòng)時(shí))，所以還需要在它的輸出端加上驅(qū)動(dòng)芯片，以提高它的圖43 8279接口電路原理圖驅(qū)動(dòng)帶載能力，保證鍵盤(pán)和顯示器的正常工作。8279接口電路原理圖如圖43所示?？捎脝坞娫垂╇?如十5V)，也可用雙電源供電(如士12V)。斷開(kāi)1,2管腳的連接，等待回波信號(hào)的通過(guò)。由此可見(jiàn)，接收電路完成了超聲波回波信號(hào)的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的放大和整形以及產(chǎn)生中斷信號(hào)等功能。它的工作原理是這樣的：，用來(lái)控制Q3的導(dǎo)通與截止，從而在變壓器的輸入端得到一幅度將近20V的方波，使得超聲波的發(fā)射器得到足夠的能量。這樣發(fā)一次脈沖測(cè)量一次距離，然后每5個(gè)距離取一次平均值顯示并存儲(chǔ)。除ROM和RAM外，芯片內(nèi)部還有三個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，在本系統(tǒng)中定時(shí)器T0用來(lái)做脈沖輸出的定時(shí)器，定時(shí)器T1用來(lái)測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間[4]。AT89C52是一種低功耗、高性能的含有8K字節(jié)快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并且與AT89C52指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。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)。它是用來(lái)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)。第四章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)按設(shè)計(jì)要求，根據(jù)超聲波測(cè)距原理，以AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)為核心，開(kāi)發(fā)超聲波油量測(cè)量?jī)x。停止測(cè)量后，可以通過(guò)通訊接口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。啟動(dòng)超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)距時(shí)，首先由單片機(jī)發(fā)出40KHz的脈沖串，每20個(gè)脈沖為一串，脈沖串通過(guò)超聲波發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波。硬件主要包括AT89C52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)初始化模塊、超聲波驅(qū)動(dòng)及信號(hào)處理模塊、鍵盤(pán)及顯示模塊和通信模塊等，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。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，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。由以上分析可知，雖然超聲波在傳播過(guò)程中有能量損耗，且波束可以有多種路徑傳播，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)。圖27波束斜入射到液面示意圖 圖28波束斜入射到井壁示意圖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。R=%。波束垂直入射到兩種介質(zhì)的界面如圖26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)，入射波的能量的一部分進(jìn)入介質(zhì)II，透射波能量為(tI),另一部分被界面反射，仍在I中傳播，其能量為（Ir）。 (212)為聲特性阻抗，記作。由于存在著吸收衰減，聲波振幅隨傳播距離的增大而減小。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。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)、制超聲波油量測(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)。由于超聲波是一種聲波，其聲速與溫度有關(guān)，μ≈+ t,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，否則會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差。圖25超聲波測(cè)量原理圖如圖25所示，要測(cè)量?jī)?chǔ)油罐內(nèi)油的高度h，可先測(cè)量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，又轉(zhuǎn)化為測(cè)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 (29) 由下式計(jì)算測(cè)量誤差 (210)式中，為h的測(cè)量誤差，為渡越時(shí)間的測(cè)量誤差，為聲速的測(cè)量誤差。我設(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。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。聲光效應(yīng)構(gòu)成的超聲波傳感器有利用光纖的波導(dǎo)部分的形變敏感構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，也有利用對(duì)彈性體表面或內(nèi)部彈性波束的衍射晶格作用形成的結(jié)構(gòu)。電磁效應(yīng)型接收器的結(jié)構(gòu)是將磁性受音板作為磁路的一部分，在磁路中設(shè)置拾音線圈。電致伸縮型微音器的接收器用反壓電效應(yīng)大的電介質(zhì)板或薄膜作為接收器。將電致伸縮板，用兩片金屬板做成夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的蘭杰文扳，具有較高的變換效率，多用于水中超聲波發(fā)生器。發(fā)射器的作用是形成與被檢測(cè)對(duì)象相作用的超聲波束，它的特性包括共振頻率、方向性、電聲變換效率、穩(wěn)定性等。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。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(lái)工作的，即陶瓷的