【正文】 ....................... 40 附錄 2：外文文獻翻譯 ................................................................................................... 40 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 1 頁 共 48 頁 1 緒論 課題背景及意義 液面高度測量在工業(yè)應(yīng)用中十分廣泛， 在許多工業(yè)測距的場合中，由于復(fù)雜環(huán)境、工作要求等條件的限制，往往需要采用非接觸式的測量方法 。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外對液面測量的應(yīng)用，主 要集中在化工領(lǐng)域，重要方法包括：電容式液位測量、超聲波液位測量 、 雷達液位測量、浮子式液位測量、磁致伸縮液位測量、光纖液位測 量等， 各種方法如圖 11 如示 ， 但 大多數(shù)裝置還是基于液面平穩(wěn)時的液距測量 ，很少考慮到液位不一致時的復(fù)雜邊界液面高度的測量 [2]。液位開關(guān)信號可現(xiàn)場顯示，還能發(fā)出控制信號，有的還采用二線制，能直接和計算機接口 [3]。特別是氣介式超聲波測距方法，由于在空氣中超聲波波速較慢，其回波信號中包含的結(jié)構(gòu)信息很容易被檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法而言要高一點；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點。 童峰、許肖梅等 ［ 4］ 提出了基于最小均方自適應(yīng)時延估計 ( LMSTDE) 的算法 。 付華等 ［ 6］ 提出利用 Elman 反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近真實函數(shù)的方法 ， 提高了避障系統(tǒng)的測量精確度 。 光纖液面高度測量普遍采用 光纖光柵技術(shù)，光纖光柵是最 近幾年迅速發(fā)展的光纖無源器件之一，具有眾多獨特地優(yōu)點。 雖然 光纖液面高度測量所采用的 光纖光柵技術(shù) 在傳感應(yīng)用中 具 有一系列的優(yōu)點，但目前也僅限于實驗室 階段 ，在工業(yè)上的液面高度測量 這種 方法 還并不普遍 。 本設(shè)計在大量文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用三個超聲波測距傳感器解決了液面高度不一致的平均高度測量問題。 利用研制的裝置完成了大量的實驗，對實驗數(shù)據(jù)進行了處理和分析，提 出了設(shè)計的改進意見。在圖 21中，若只是單點測距，傳感器按在 A、 B、 C 三點的任一點，則測距顯示正常，但是在D 點早已超出警戒要求。對比所有可能的液位測量方案，本文在每一點測距方案上選擇超聲波測距技術(shù)，采用三點法測距，在液位上方選用三個超聲波探頭，每組探頭測量若干組數(shù)據(jù)，然后基于一定算法處理結(jié)果。 發(fā)射的 超 聲波 頻率和周期 T 通常 只和 觸發(fā)超聲波的聲源 振動頻率和周期有關(guān)， 因此超聲波的頻率和周期是與介質(zhì)本身特性無關(guān)的量 [12]。f 為 超 聲波的頻率。a 為介質(zhì)常數(shù) 。當(dāng) 使用的超聲波頻率較小 時，盡管衰減系數(shù) 較 小，傳播距離遠，但脈沖的波長較長，從而影響測量的精度。 本文 設(shè)計的系統(tǒng) 通過參數(shù)比較后，為了 達到 測量精度的要求，也滿足接受強度等一系列條件，選用了 40kHz的超聲波作為液位測量系統(tǒng)的測量介質(zhì)。根據(jù) 超聲波傳感器 工作方式 的不同 ，可分為一發(fā)一收雙傳感器方式 和自發(fā)自收單傳感器方式； 根據(jù)超聲波傳播介質(zhì)的不同，超聲波測量技術(shù)又可分為氣介式和液介式兩種類型。氣介式 [13]超聲波液位測量是以空氣作為傳播媒介，采用空氣聲學(xué)回聲測距原理，根據(jù)超聲脈沖在空氣傳播過程中的往返時間來測量液位。 首先 ， 超聲波傳感器向空氣中發(fā)射 超聲波 脈沖 ， 超 聲波 在 遇到被測液面后反射回來，若測出第一個回波達到的時間與發(fā)射脈沖間的時間差 t，利用公式 tv21s? ，即可算得傳感器與反射點間的距離 s[14] 。 由于氣體具有擴張 和反抗壓縮的彈性性質(zhì)，在空氣分子受到超聲波 振動面交替的 擴張 與 壓縮時， 空氣分子具有自恢復(fù)力， 超聲波的傳播也就相當(dāng)于是氣體為反抗壓縮變化力的作用而實現(xiàn)彈性波的傳播。 MRTC ?? （ 23） 其中，γ： 表示氣體定壓熱容和定容熱容的比值，在空氣中為常量 。 在空氣中，溫度因素相較于其他因素而言， 對 超聲波速度 的影響最大。在測量距離較小 時，為把測量精度控制在厘米范圍內(nèi)，則溫度的分辨率應(yīng)達到 1℃。 圖 23 空氣中聲速隨溫度變化曲線 液位波動和液面表面雜質(zhì)的因素 通常超聲波液位計測量不建液位測井，因此，在受風(fēng)浪船行波、液面雜碎物質(zhì)如木頭等的影響，不平整的 復(fù)雜液 面使超聲波的反射方向發(fā)生改變，從而減弱超聲波回波信號。 在液位變化比較平緩的地方可以采用控制液位變化率的方法來進行濾波。 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 10 頁 共 48 頁 影響超聲波測量計時準確性的因素 測量液位實際就是測量聲波從探頭發(fā)出到達水面，再從 液面 反射回到探頭的時間。 （ 1）超聲波工作頻率與通頻帶 超聲波傳感器 是 基于壓電陶瓷的工作原理， 施加的電脈沖信號使得壓電陶瓷上 產(chǎn)生機械振動，從而帶動空氣振動產(chǎn)生超聲波。通頻帶越寬，起振時間就越短。 所以，選擇 一個 合適的超聲波發(fā)射頻率和通頻帶，對于 提高 系統(tǒng)精度而言 有著 至關(guān)重要 的作用 。顯然回波信號的上升時間影響整形波形檢出的位置，從而計時器所計時間也不相同，也就是測量的距離會不同，這將會產(chǎn)生測量誤差。 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 12 頁 共 48 頁 減小誤差的方案 以上分析了幾種可能影響超聲波測量精度的因素，其中影響最大的還是空氣溫度對于超聲波速度的影響，加入溫度校正部分，對于超聲波的速度進行實時校正，就能降低溫度對測量精度的影響。 測量點越多， 采樣的時間越長，采集的數(shù)據(jù)越多，則測得液位越精確 。 回波信號放大整形 超聲波 在傳播過程中會發(fā)生衰減， 所測距離越遠，衰減越嚴重。當(dāng)放大后的干擾與噪聲信號的電平達到門限電平時，檢測電路就會誤判成真實的超聲波測量回波，引起誤差，所 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 13 頁 共 48 頁 以，要合理地選擇放大倍數(shù)與控制門限電平。對于不同幅值的 回波信號 A A2，對其進行信號采樣，得到 T a1 與 T a2， 見圖 27 中放 大示意可知 01212201111 Taa TTSTTT ST ????? 與 （ 26） 圖 27 回波信號的前沿分析示意圖 在 幅值較大的 回波信號 A1 中 ， 由 26 式知， 通過已知采樣數(shù)據(jù) a T1 及前沿采樣 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 14 頁 共 48 頁 電平 S1，便 可以算出 T0+T1 的時間，從而可得 時間值 t0。 回波信號的包絡(luò)檢測法 超聲波傳感器發(fā)射超聲波過程包括了起振、穩(wěn)定和衰減 這三個 過程。 圖28 中顯示了超聲波包絡(luò)檢波法的流程， 回波信號在進行 放大、濾波、 包絡(luò)檢波之后，分別通過微分電路、零點交叉檢測，最后進入單片機外部中斷的入口， 停止定時 /計數(shù)器的計時，得到超聲波的飛行時間 。添加 AGC 自動增益電路 是為了解決 超聲波接收 到的回波 幅值隨 著 傳播距離的增加而成指數(shù)規(guī)律衰減 的問題， AGC 電路能使放大倍數(shù)隨所測距離的增加成指數(shù)規(guī)律增加。前 置 放 大 A G C 自 動 增 益 帶 通 濾 波 器 鑒 寬 電 路包 絡(luò) 檢 波微 分 電 路過 零 檢 測單 片 機回 波 信 號 圖 28 回波包絡(luò)峰 值檢測原理 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 15 頁 共 48 頁 . 圖 29 回波包絡(luò)峰值檢測波形 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 16 頁 共 48 頁 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)的總體方案 本設(shè)計的主控芯片選用宏晶科技的 STC89C52，超聲波探頭組選用 HCSR04 超聲波傳感器， HCSR04 超聲波測距模塊可提供 2cm400cm的非接觸式距離感應(yīng)探測，測距的精度達到了 3mm，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，滿足上述理論分析中精度的要求。其中應(yīng)用程序包括數(shù)據(jù)采集程序及DS18B20 的底層驅(qū)動程序，而驅(qū)動程序的設(shè)計是本系統(tǒng)設(shè)計的重點之一。 本設(shè)計使用定時器 0 測量超聲波的飛行時間，系統(tǒng)要求設(shè)計一個測量 100cm以內(nèi)的復(fù)雜邊界液面的距離測量，以超聲波速度為 340m/s為例， 100cm的范圍內(nèi)，定時器最大的測量時間為 5882us， STC89C52 的定時 /計數(shù)器完全可以勝任。 圖 32 STC89C52 最小系統(tǒng)板 在本設(shè)計中，采用 定時 50ms 的 定時器 1 為三個超聲波探頭安排發(fā)射超聲波順序的計時，外部中斷 和定時器 0 共同協(xié)作 對回波信號的飛行時間進行計時， 在介紹系統(tǒng)軟件的設(shè)計之前，有必要了解 STC89C52 單片機的定時器 /計數(shù)器。 GATE=1：只有 INT0、 INT1 為高電平，且 TR=1 時定時器 /計數(shù)器才開始工作， INT0、 INT1 分別控制 T0 和 T1 的運行。 （ 3）、 M M0：工作方式選擇位。 IT0（ IT1） =0：電平觸發(fā)，低電平有效。 TR0（ TR1） =1：定時器 /計數(shù)器不工作。在穩(wěn)壓電路部分，采用了常用的 LM7805 穩(wěn)壓芯片。 圖 33 穩(wěn)壓電路 超聲波探頭組 本設(shè)計中，超聲波 傳感器 選用 HCSR04 超聲波傳感器， HCSR04 超聲波測距模塊可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感應(yīng)探測，測距的精度達到了 3mm，能夠滿足設(shè)計任務(wù)中 100cm 以內(nèi)測距、 10cm 誤差的設(shè)計要求。超聲波傳感器模塊中的主控芯片采用 EM78P153 單片機， EM78P153 采用高速 CMOS 工藝的 8 位單片機，內(nèi)部有512*13 位一次性 ROM（ OTPROM）和一個 8 位定時 /計數(shù)器。運放 A0 構(gòu)成一個放大電路， A1 是一個二階帶通濾波器， A2 是低通濾波器，運放 A3 構(gòu)成電壓比較器。由于 STC89C52 只有兩個外部中斷，而每個接收到的回波信號需要外部中斷來使定時器停止計時，所以，使用 74HC153 選擇特定的超聲波模塊，實現(xiàn)在一個外部中斷資源的情況下對三個超聲波模塊接收到的回波信號的中斷計時任務(wù)。信息經(jīng)過單線接口 DQ 送入 DS18B20 或從 DS18B20 中輸出，因此，中央主控芯片只要提供一個 I/O 口就可以實現(xiàn)與 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 22 頁 共 48 頁 的通信，并且溫度的轉(zhuǎn)換在 DS1820 內(nèi)部已經(jīng)完成，讀、寫及溫度轉(zhuǎn)換所需的電源可以由 DQ 接口的數(shù)字信號的電平提供，而不需要外部電源。 其 適合于 在 惡劣環(huán)境的溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類 消費電子產(chǎn)品 等 。在對 DS18B20 進行讀寫之前要先寫入 ROM 操作命令， ROM 操作命令分為五種： Read ROM（讀）、 Match ROM（匹配）、 Search ROM（搜索）、 Skip ROM(跳過 )、 Alarm ROM（警告）。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫度存儲在 2 字節(jié)的溫度存儲器中，溫度存存儲器的格式如表 35 所示。 （ 1）、初始化 單總線上的所有從傳感器的初始化均從初始化序列開始。并由上拉電阻將總線電平拉高在檢測到總線上上升沿電平后， DS18B20 等待 1560us 并且發(fā)出 60240us 的負脈沖。 表 36 ROM 操作指令集 ROM 操作指令 操作碼 說明 Read ROM 33H 允許主機讀 DS1820 的 ROM，但僅在總線只有一個 DS1820下使用 Match ROM 55H 按序列號對總線上多個 DS1820 尋址，只有符合的才進行接下來的操作 Search ROM F0H 允許從總線主機識別所有從片的 64 位 ROM Skip ROM CCH 允許總線主機跳過識別 ROM， 直接訪問貯存器以節(jié)約時間。 讀暫存器 0BEH 讀內(nèi)部 RAM 中 9 字節(jié)的內(nèi)容。 讀供電方式 0B4H 讀 DS18B20 的供電模式，寄 生供電時 DS18B20 發(fā)送“ 0 ”，外接電源供電 DS18B20 發(fā)送“ 1 ”。在寫數(shù)據(jù)時間隙的前 15uS 總線需要是被控制器拉置低電平，而后則將是芯片對總線數(shù)據(jù)的采樣時間，采樣時間在 15~60uS，采樣時間內(nèi)如果控制器將總線拉高則表示寫“ 1”，如果控制器將總線拉低則表示寫“ 0”。隨后在總線被釋放后的 15uS 中 DS18B20會發(fā)送內(nèi)部數(shù)