【正文】 圖 310 DS18B20 讀寫時序圖 寫時間隙分為寫“ 0”和寫“ 1”。 讀時間隙時控制時的采樣時間應(yīng)該更加的精確才行，讀時間隙時也是必須先由主機(jī)產(chǎn)生至少 1uS 的低電平，表示讀時間的起始。每一位的 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 26 頁 共 48 頁 發(fā)送都應(yīng)該有一個至少 15uS 的低電平起始位，隨后的數(shù)據(jù)“ 0”或“ 1”應(yīng)該在 45uS 內(nèi)完成。 （ 4）、 DS18B20 的讀寫時序 DS18B20 的數(shù)據(jù)讀寫是通過時間隙處理位和命令字來確認(rèn)信息交換的。 寫暫存器 4EH 發(fā)出向內(nèi)部 RAM 的第 3 ， 4 字節(jié)寫上，下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù) 。 Alarm ROM ECH 在溫度測量出現(xiàn)告警的情況下給出告警響應(yīng) （ 3）、存貯器操作指令 在寫入了 ROM 操作指令后，要對 DS18B20 寫入存貯器操作指令，包括溫度轉(zhuǎn)換指令（ 44H）、寫暫存器指令（ 4EH）、讀暫存器指令（ BEH）、復(fù)制暫存器指令（ 48H）等。主機(jī)檢測到此負(fù)脈沖，表示總線上連接著 DS18B220 溫度傳感器。初始化 序列包括總線主機(jī)發(fā)出一復(fù)位脈沖，接著從屬傳感器回復(fù)存在脈沖，表示傳感器工作正常，可以進(jìn)行接下來的操作。 表 35 DS18B20 溫度存儲器格式 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 低 8 位 23 22 21 20 21 22 23 24 BIT15 BIT14 BIT13 BIT12 BIT11 BIT10 BIT9 BIT8 高 8 位 S S S S S 26 25 24 其中， S 是符號位，當(dāng)溫度為正值時， S=0，當(dāng)溫度為零下為負(fù)值時， S=1。在成功的寫入操作命令后才能訪問 DS18B20 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 23 頁 共 48 頁 的特定功能，然后總線主機(jī)才能提供六個存儲器和控制功能命令之一。本設(shè)計中要求精度 10cm， ℃的溫度精度能控制距離測量誤差在 1cm 的范圍內(nèi)，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。 DS1820 的 測量溫度 范圍為 55℃到 +125℃ ，在 10 到 +85℃ 范圍內(nèi) ,精度為 177。具體的硬件電路圖 如圖 36 所示?；夭ㄐ盘柦?jīng)過 A0，信號得到放大，再經(jīng)過 A1 帶通濾波器濾除 40KHZ 以外的噪聲，在經(jīng)過 A2 取出回波信號包絡(luò)，通過 A3 比較器，當(dāng)電壓達(dá)到門限電平，輸出一個 觸發(fā) 脈沖，在 NET10 口輸入到EM78P153， 中斷定時計數(shù)器的計時， 得到飛行時間 。 EM78P153 在接收到外部至少 10us 的正脈沖之后，啟動 8 位 定時 /計數(shù)器產(chǎn)生 40KHZ 的方波脈沖，經(jīng)過 MAX232驅(qū)動，超聲波發(fā)射端探頭產(chǎn)生和方波脈沖頻率相同的聲波脈沖。并且模塊中已經(jīng)包含了超聲波發(fā)射、接收電路以及信號處理電路，外圍接口只有四個，分別是依次分別是 VCC、 TRIG、 ECHO、GND 引腳，其中， TRIG 為觸發(fā)信號輸入引腳，當(dāng)給 TRIG 引腳至少 10us 的正脈沖 時 ，模塊自動發(fā)出 8 個 40KHZ 的脈沖方波，自動檢測回波信號。 用 78/79 系列三端穩(wěn)壓 IC 來 組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 19 頁 共 48 頁 （ 7）、 TF0 和 TF1：計數(shù)溢出標(biāo)志位。 （ 5）、 IE0 和 IE1：外部中斷請求標(biāo)志位 IE0（ IE1） =1：外部中斷置位，允許外部中斷。 定時器 /計數(shù)器控制寄存器 TCON 要用來設(shè)置外部終端請求觸發(fā)方式、定時器運(yùn)行控制、顯示和設(shè)置外部中斷請求以及定時器終端標(biāo)志位。 （ 2）、 C/ T—— ：功能選擇位。 STC89C52 的定時器 /計數(shù)器相關(guān)寄存器有工作方式寄存器 TMOD 和控制寄存器 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 18 頁 共 48 頁 TCON。 STC89C52 工作頻率范圍為 0～ 40MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá) 48MHz。 硬件設(shè)計 STC89C52RC 單片機(jī) STC89C52RC 單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)， 12 時鐘 /機(jī)器周期和 6 時鐘 /機(jī)器周期可以任意選擇。溫度校正模塊中的溫度傳感器選用 DS18B20，其采用獨(dú)特的單線串行通信，并以 9 位數(shù)字值方式讀出溫度，測量范圍從 55℃ 到 125℃，最大精度能達(dá)到 ℃，滿足任務(wù)要求。 電路工作時，計數(shù)器開始計時， AGC 電壓 隨這計數(shù)器的時間值的 增加而增加， 當(dāng)檢測到回波脈沖時，計數(shù)器 清零。因?yàn)椴捎?超聲波回波信號的 包絡(luò)檢測方法 檢測的是峰值時間， 與信號振幅無關(guān) ,具有優(yōu)良的傳輸特性。 在實(shí)驗(yàn)的觀察中，盡管所測的距離不同、超聲波的反射面不同，但是 回波 信號的 包絡(luò)線波形都 具有較好的一致性，包絡(luò)形狀 大致相同，只是 幅值 不同。同理 ，對于一個幅值較小的 回波信號 A2，也同樣能 準(zhǔn)確推算出 時間值 t0。另外在實(shí)際應(yīng)用中還需考慮回波信號隨距離增加而衰減等因素， 采用 AGC 自動增益電路 才能獲得較好的效果。 當(dāng)能量衰減嚴(yán)重時，如圖 26 中的 A1，經(jīng)過包絡(luò)整形的回波信號上升沿較平緩，達(dá)到觸發(fā)電平的時間 t1 相對于 實(shí)際值偏大 從而 造成誤差。 為了消除液面不規(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量的干擾。對于其他的可能影響因素，有以下幾種方法。似乎可以用反射波與回波上升沿一樣（同一探頭）來解決這個問題，但實(shí)際上由于發(fā)射波的信號幅度與接收波不同，上升時間也就不一樣，因此無法進(jìn)行補(bǔ)償。 （ 2）門限電平與回波信號幅度 通常的超聲波接收電路中， 被接收的超聲波回波 信號需要經(jīng)放大、整流與濾波 還原成圖 25 中的信號包絡(luò)波形。因此，在相同的 t 值時，選用較高的工作 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 11 頁 共 48 頁 頻率的探頭可以縮短起振和衰減時間。當(dāng)超聲波遇液面返回時，返回 的 聲波信號使壓電陶瓷振動而產(chǎn)生電信號。這個傳播時間的測量精度實(shí)際就反映了液位測量精度。例如每次采樣數(shù)據(jù)液位變化只允許 1cm,多次采樣后的數(shù)據(jù)就等于或接近真實(shí)位，這樣可以減少一些隨機(jī)干擾。可以采用 多點(diǎn) 測量的辦法， 在一定時間內(nèi)，多次采樣后求平均來使測量值接近真值。 根據(jù)式 24 關(guān)系可以 得出在空氣中 超聲波速度隨溫度變化的關(guān)系曲線圖 ， 如 圖 23所示。一般上，可近似認(rèn)為 [15]： ）（ sm /0 . 6 0 7 T3 3 1 . 4 5C T ?? （ 24） 式中： T 為空氣溫度（℃）。 R： 表示 氣體普適常量， 在空氣中 為 。 在 空氣氣壓、濕度、溫 度、密度 等因素 發(fā)生改變時，超聲波在空氣中的傳播收到影響，超聲波的速度發(fā)生改變 。測量距離222d ???????? hs ，若 hS ?? 時，則 d≈ s； 若采用收發(fā)同體傳感器，故 h≈ 0，則 tv21sd ?? 。氣介式超聲波液位測量系統(tǒng)是非接觸式測量，系統(tǒng)安裝維護(hù)方便。 液介式超聲波液位測量是以液體作 為超聲波的傳播媒介。 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 7 頁 共 48 頁 超聲波測距原理 陶瓷的壓電效應(yīng) 是超聲波傳感器 工作 的基 本 原理 。例如，當(dāng) f=40kHz時，波長為 厘米 。f 為振動頻率。 超聲波的傳播速度 C 和 聲波 波形 只與 傳播介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度 有關(guān) 。超聲波的波長是指 超聲波的 波峰與波峰 (或波谷與波谷 )之間的距離，波長與頻率成反比，與速度成正比，關(guān)系如 (2l)所示。 超聲波測距技術(shù)現(xiàn)在也越來越成熟，并且超聲波測距不受光線、被測對象顏色等因素的影響，對于被測物體處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下具 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 6 頁 共 48 頁 有一定的適應(yīng)能力和很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器 具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠 、 技術(shù)成熟 、 價格便宜等特點(diǎn)，對于本科生而言，更加易實(shí)現(xiàn)。所以，本設(shè)計中，設(shè)計多個測距傳感器位于液位上方，測量多組數(shù)據(jù)，最后 基于一定 算法，實(shí)現(xiàn) 復(fù)雜邊界液面條件下 所測距離的最佳精確，所測的實(shí)時液位高度滿足 ),...,( 321 nSSSSfH ? 。 在第二章中介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計、超聲波測距的原理及測距過程中導(dǎo)致誤差的因素和一些解決辦法；在第三章中詳細(xì)介紹了各部分硬件電路的實(shí)現(xiàn)辦法以及一些芯片的介紹；第四章介紹了系統(tǒng)軟件的設(shè)計思路；第五章是是系統(tǒng)的調(diào)試過程以及調(diào)試結(jié)果和系統(tǒng)設(shè)計 結(jié)論。 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 4 頁 共 48 頁 本設(shè)計主要進(jìn)行了以下幾個方面的工作： 詳細(xì)討論了超聲波測距的相關(guān)原理，探討了影響超聲波測距精度的因素及一些解決辦法。光纖光柵在實(shí)際應(yīng)用中也 面臨 著 一些難題，主要包括：光檢測器波長分辨率的提高、纖光柵的封裝、波長微小位移的檢測、寬光譜高功率光源的獲得、光纖光柵的可靠性、交叉敏感的消除等 [11]。當(dāng)周圍環(huán)境像壓力、應(yīng)變、 溫度等 發(fā)生改變 時， 使得 光纖光柵的柵距和折射率也會發(fā)生相應(yīng)的變化， 致使 光纖光柵的 反射譜和 透射譜發(fā)生變化 。 只要 有足夠的隱層神經(jīng)元個數(shù) ， Elma 反饋神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)就能夠以任意精度逼近任意函數(shù) ， 該方法 能使其測量精度提高 兩個數(shù)量級 。 通過該算法 能夠消除 實(shí)際 超聲波 換能器與理想換能器之間的頻率特性 差 ， 使得 整個 測量 系統(tǒng)能夠維持 平坦的頻率響應(yīng) ， 并且輸出 最小的 均方誤差 。 但在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波液位測量也有很多困難需要克服，首先，超聲波在空氣中播的過程中會發(fā)生或多或少的衰減，并且衰減隨著距離的增大而增大；其次，測量距離不同，接收到的回波信號的強(qiáng)度要求也會發(fā)生相應(yīng)的變化；另外，超聲波傳感器普遍采用壓電陶瓷片工藝，在工作過程中，多少會因?yàn)檗D(zhuǎn)換慣性的原因而產(chǎn)生延時 、滯后等現(xiàn)象，引起測量誤差；周圍的環(huán)境因素，例如大氣溫度、濕度的改變也會對測量精度產(chǎn)生影響。 超聲波測距技術(shù)是一種新的測距技術(shù)。 圖 11 各種液位測量的原理 圖 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 2 頁 共 48 頁 目前，國內(nèi)外研究出的液面測量儀器逐漸向著智能化、非接觸測量、小型化的方向發(fā)展。 在石油、化工等企業(yè)中，多采用儲槽、容器存儲液體產(chǎn)品，這 就需要實(shí)時監(jiān)測液位變化 。在本文中詳細(xì)討論了超聲波測距的相關(guān)原理，探討了影響超聲波測距精度的因素及一些解決辦法；提出了通過三點(diǎn)測量液位，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到不一致液面高度的平均高度測量的方法；完成了基于STC89C52 單片機(jī)的液面高度測量系統(tǒng)的研制，最終通過系統(tǒng)改進(jìn)，使得測量誤差保持在 2cm以內(nèi)；利用研制的裝置完成了大量的實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析，提出了設(shè)計的改進(jìn)意見。 ：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（ 復(fù)印件）。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 作者簽名： 日 期： 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測量裝置的研究 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目 ： 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界 液面高度測量裝置的研究 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測量裝置的研究 使用授權(quán)說明 本人完全了解