【正文】 12J6R 4 0 16R51 0KR 1 02 0KR61 00 K1213U 1 1A4 06 62374615U8U A 7 412374615U9U A 7 41C 1 71 00 U /2 5 VC 1 81 00 U /2 5 V+ 12 VR71 0KR81 00 KW11 0K1 2 V+ 12 V1 2 VGNDGND GNDGND2376 5184U1L M 3 11C L K3D2SD4CD1Q5Q6U 2 1A7 4A L S 7 4R91 2K5VGNDGND...+ 5V+ 12 V 圖 34 接收部分電路 8279 接口電路與鍵盤顯示電路 可編程鍵盤 /顯示器接口芯片 8279 簡(jiǎn)介 8279 芯片是一種專用于鍵盤、顯示器的接口芯片， 它能對(duì)顯示器自動(dòng)掃描，能識(shí)別鍵盤下閉合鍵的鍵號(hào)?？捎脝坞娫垂╇?(如 +5V)，也可用雙電源供電 (如 177。如圖34所示，根據(jù)所用的 T/R4016型超聲波傳感器的資料以及在實(shí)驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象，超聲波發(fā)射器在發(fā)射超聲波時(shí)，有一部分聲波從發(fā)射探頭直接傳到接收探頭，這部分信號(hào)直接加到回波信號(hào)中，干擾回波信號(hào)的檢測(cè)。 如圖 33 所示： 12J5T 40 16R61 50D11 2VD21 2VT1T R A N S 1Q3IF R 6 40GND. ... 圖 33 發(fā)射部分電路 由第二章的討論可以知道，油量測(cè)量?jī)x所用的 T/R4016 型超聲波傳感器在頻率40kHz，幅值 20V 的電壓驅(qū)動(dòng)下，各種性能最佳，所以通過(guò)單片機(jī)的 管腳輸出40kHz的脈沖信號(hào)給發(fā)射電路。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在給出地址 ―1‖時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。在 FIASH編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 看門狗電路是由 MAX813 芯片組成，主要完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這樣不但減少了測(cè)量過(guò)程中的人工干預(yù)，為測(cè)量帶來(lái)了方便，而且還便于管理。 啟動(dòng)超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)距時(shí)， 由單片機(jī) AT89C51 編程產(chǎn)生 40kHz 的方波， 每長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 16 20 個(gè)脈沖為一串， 再經(jīng)過(guò)放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。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。 (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。 我們把單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)垂直于波的傳播方向上單位面積的能 量稱為能流密度，能流密度的時(shí)間平均值，稱為波的強(qiáng)度 。由于超聲波傳播過(guò)程中所遇到的介質(zhì)顆粒都比較小 (大多為揮發(fā)性氣體分子 )，散射衰減也可忽略。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)、制作超聲波油量測(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)。 具體的做法是，每隔一段 時(shí)間發(fā)射一串超聲波脈沖，在發(fā)射脈沖串的同時(shí)開(kāi)始單片機(jī)定時(shí)器記數(shù)，在超聲波接收器接收到反射信號(hào)時(shí)，停止單片機(jī)計(jì)數(shù)。用超聲波測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)的油量，實(shí)際就是要測(cè)量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，由此算出儲(chǔ)油罐內(nèi)油 面 的高度，進(jìn)一步計(jì)算出油的體積和重量 [2][7]。 超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)量原理 測(cè)量原理 超聲波測(cè)距的方法有很多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法等。 (1)超聲波傳感器型號(hào)代碼 例 ： T 4 0 1 6 外 殼 直 徑 （ m m ）中 心 頻 率T ： 發(fā) 射 ， R ： 接 收 (2)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 9 (3)性能指標(biāo) T/R4010 T/R4012 T/R4016 中心頻率 40177。 在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時(shí)，則被檢測(cè)物體遮擋反射板的正常反射波，若 檢測(cè)到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無(wú)物體通過(guò)。設(shè)換能器在空載 (Z1=0)和有載 (Z1R1)時(shí)的 Q 值分別為 QM0、 Qm，則有： 100 1 0 010m LQ R C R???? （ 24） 100 1 1 0 0 11()m LQ R R C R R? ????? （ 25） 0 0 0 0eQ C R?? （ 26） 0 0 0 1()eQ C R R??? （ 27） 超聲波換能的工作效率為： 110RRR?? ? （ 28） 當(dāng)交變電信號(hào)從引線加到超聲波發(fā)射器件中，由壓電陶瓷片和諧振片組成的振子會(huì)彎曲振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)錐形輻射器發(fā)出超聲波，當(dāng)空中傳來(lái)的超聲波被接收器件的錐形輻射器會(huì)聚后，驅(qū)動(dòng)振子產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，從而在電極間輸出與此波動(dòng)相對(duì)應(yīng)的交變電信號(hào)，通過(guò)對(duì)此信號(hào)的處理，可實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)。目前使用較多的是電氣類中的壓電型超聲波發(fā)生器。m 級(jí)，頻率已擴(kuò)大到 GHz 領(lǐng)域，分辨率 達(dá) 181。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為 330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)單。超聲波在相同的傳播媒體里 (大氣條件 )傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致。由于本設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算的精度要求較高，所以采用 C51 編程，借助 C 語(yǔ)言的浮點(diǎn)計(jì)算能力，提高計(jì)算精度。 隨著智能化檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用超聲波進(jìn)行油量檢測(cè)在加油站及油庫(kù)中起著越來(lái)越重要的作用。機(jī)械鋼帶式液位儀傳動(dòng)部件多，可靠性較差，又因需要罐內(nèi)安裝，維護(hù)困難?？偤笥土涎芯克钚卵兄频?UGJ98 型光導(dǎo)式油罐計(jì)量遙測(cè)系統(tǒng)，采用光柵干涉原理，以圓光柵傳感器為核心，結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集和抗干擾處理技術(shù)及 RS485總線標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)光電一體化，一次儀表不帶電，系統(tǒng)綜合精度達(dá)到 177。德國(guó) Krohne 公司的 LS3000 諧振振動(dòng)開(kāi)關(guān)精度可達(dá) 177。 (7)γ射線液位儀 該技術(shù)是基于 γ 射線對(duì)不同物質(zhì)產(chǎn)生不同衰減的理論，將放射源鉆 60 或艷 137置于一個(gè)防護(hù)容器內(nèi)，放在被測(cè)容器的一側(cè)，在其對(duì)面，裝有一個(gè)檢測(cè)器，當(dāng) γ射線穿透容器時(shí)，它被衰減，其衰減率取決于被測(cè)液體的密度、吸收系數(shù)和厚度。當(dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)，由于來(lái)回傳播時(shí)間的延遲，發(fā)射頻率發(fā)生了改變。 (4)超聲波液位儀 超聲波液位儀是非接觸液位 測(cè)量 儀中發(fā)展最快的一種。 (3)智能化液位儀 伺服式液位儀是此類儀表的代表。2mm的人為誤差。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)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(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的 學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。 超聲波液位測(cè)量?jī)x利用超聲波對(duì)油量液位進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理， 給出了以單片機(jī) AT89C51 為核心的低成本、高 精度、微型化數(shù)字顯示的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。 該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包含了超聲波發(fā)射電路、接收電路、溫度補(bǔ)償電路和相應(yīng)的控制電路。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 (2)機(jī)械鋼帶式液位儀 60 年代到 80 年代初期，開(kāi)始研制和使用各種鋼帶式液位儀。這類儀表通過(guò)一個(gè)平衡浮子和重力敏感裝置，測(cè)量浮子的重量 (在液面、液內(nèi)、界面上有不同的浮力 )，并 控制伺服電機(jī)動(dòng)作升降浮子，跟蹤液位變化，同時(shí)發(fā)出遠(yuǎn)傳信號(hào)。該技術(shù)基于超聲波在空氣中的傳播速度及遇到被測(cè)物體表面產(chǎn)生反射 的原理。將兩種信號(hào)混合處理，所得信號(hào)的差頻正比于罐頂?shù)揭好嬷g的距離。液位越高，衰減越大，接收器將 γ射線量變?yōu)楣饷}沖信號(hào)，再由光電倍增管轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。1mm。2mm。伺服式液位儀屬機(jī)械式測(cè)量裝置，機(jī)械磨損會(huì)直接影響其測(cè)量精度，需定期維修和重新標(biāo)定，工作壽命仍不是很長(zhǎng)，測(cè)量的重復(fù)精度較低，且安裝困難。雖然一些地區(qū)使用了超聲波油量測(cè)量?jī)x，但絕大多數(shù)是用集成長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 4 電路設(shè)計(jì)成的，這種專用集成電路成本很高，沒(méi)有顯示，操作很不方便。另外，為了保證超聲波油量測(cè)量?jī)x工作的可靠性和穩(wěn)定性，在軟、硬件兩個(gè)方面都采取了相應(yīng)的抗干擾措施。是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的，波動(dòng)方程描述方法與電磁波的是類似的 )c os ()( kxtxAA ?? ? (21) axeAxA ?? 0)( (22) 式中 A (x)為 x處分子的最大位移量，叫做振幅， A0常數(shù)，為波源處分子的振幅，ω為圓頻率， x為傳播距離，一般選波源處為坐標(biāo)原點(diǎn)，即波源處 x=0， k=2π/λ又為波數(shù)， t 為時(shí)間；又為波長(zhǎng)； a 為衰減系數(shù)。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 6 超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。m 量級(jí)的超聲波顯微鏡已 實(shí)用化。 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，即陶瓷的壓電效應(yīng)。 超聲波傳感器的 檢測(cè)方式 當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過(guò)時(shí)，檢測(cè)超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無(wú)物體通過(guò)。另外，檢測(cè)范圍也可以是由距離切換開(kāi)關(guān)設(shè)定的范圍。1 kHZ 40177。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。 從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，就是渡越時(shí)間。單片機(jī)定時(shí)一器所計(jì)的時(shí)間，就是渡越時(shí)間，代入式 (29)中，就可以算出油量。下面將就此問(wèn)題進(jìn)行討論。因此，我們只需討論吸收衰減。 )/(2 cpI ?? (212) ρc為聲特性阻抗，記作 Z=ρc 由 (211)， (212)式知， I≤A2,那么聲波傳播出去約 10 米后，聲強(qiáng)就衰減了 1/2，這就要求在處理超聲波接收器接收到的信號(hào)時(shí)采 取多級(jí)放大的辦法。由于折射波不會(huì)被接收器接收，我們只考慮波的反射問(wèn)題 [18]。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本油量檢測(cè)儀需要將超聲波檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)儲(chǔ)油罐中的油量進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并能顯示和打印出有關(guān)數(shù)據(jù)，還能與上位機(jī)進(jìn)行通訊便于監(jiān)控和管理 [19][23]。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來(lái)后，由超聲波接收頭接收到信號(hào)，通過(guò)接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理 ,送至單片機(jī)。 超聲波油量測(cè)量?jī)x的硬件設(shè)計(jì)思想 按設(shè)計(jì)要求，根據(jù)超聲波測(cè)距原理，以 AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng)為核心，開(kāi)發(fā)超聲波油量測(cè)量?jī)x。 AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng) AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)由 AT89C51 單片機(jī)及其外圍電路組成，是整個(gè)超聲波油量測(cè)量?jī)x的核心電路。 (1) AT89C51 的主要性能包括： 1. 與 MCS51 微控制器產(chǎn)品系列兼容； 2. 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ； 3. 編程所需的所有時(shí)序和電壓，均不需外部電路供給； 4. 存儲(chǔ)器可循環(huán)寫(xiě)入 /擦除 1000 次； 5. 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間為 10 年； 6. 全靜態(tài)工作：可由 0Hz到 24MHz ； 7. 程序存儲(chǔ)器具有 3 級(jí)鎖存保護(hù)； 8. 128ｘ 8 位內(nèi)部 RAM ； 9. 32 條可編程 I/O 線； 10. 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 11. 具有 5 個(gè)中斷源； 12. 可編程串行通道 13. 空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保護(hù)存儲(chǔ)內(nèi)容。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 18 出 4TTL 門電流。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。 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 40