【正文】 在寫數據時間隙的前 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據的采樣時間，采樣時間在 15~60uS，采樣時間內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”。 讀暫存器 0BEH 讀內部 RAM 中 9 字節(jié)的內容。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。轉換后的數字溫度存儲在 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。 其 適合于 在 惡劣環(huán)境的溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類 消費電子產品 等 。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。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，內部有512*13 位一次性 ROM（ OTPROM）和一個 8 位定時 /計數器。在穩(wěn)壓電路部分，采用了常用的 LM7805 穩(wěn)壓芯片。 IT0（ IT1） =0：電平觸發(fā)，低電平有效。 GATE=1：只有 INT0、 INT1 為高電平，且 TR=1 時定時器 /計數器才開始工作， INT0、 INT1 分別控制 T0 和 T1 的運行。 本設計使用定時器 0 測量超聲波的飛行時間，系統(tǒng)要求設計一個測量 100cm以內的復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，定時器最大的測量時間為 5882us， STC89C52 的定時 /計數器完全可以勝任。前 置 放 大 A G C 自 動 增 益 帶 通 濾 波 器 鑒 寬 電 路包 絡 檢 波微 分 電 路過 零 檢 測單 片 機回 波 信 號 圖 28 回波包絡峰 值檢測原理 基于多傳感器融合的復雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 15 頁 共 48 頁 . 圖 29 回波包絡峰值檢測波形 基于多傳感器融合的復雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 16 頁 共 48 頁 3 系統(tǒng)的硬件設計 系統(tǒng)的總體方案 本設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探測，測距的精度達到了 3mm，模塊中已經包含了超聲波發(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。 圖28 中顯示了超聲波包絡檢波法的流程， 回波信號在進行 放大、濾波、 包絡檢波之后，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 /計數器的計時，得到超聲波的飛行時間 。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， 通過已知采樣數據 a T1 及前沿采樣 基于多傳感器融合的復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。 基于多傳感器融合的復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。 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 至關重要 的作用 。 （ 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 產生機械振動，從而帶動空氣振動產生超聲波。 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。在測量距離較小 時，為把測量精度控制在厘米范圍內，則溫度的分辨率應達到 1℃。 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 。 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] 。根據 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； 根據超聲波傳播介質的不同，超聲波測量技術又可分為氣介式和液介式兩種類型。當 使用的超聲波頻率較小 時，盡管衰減系數 較 小，傳播距離遠，但脈沖的波長較長，從而影響測量的精度。f 為 超 聲波的頻率。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，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據，然后基于一定算法處理結果。 利用研制的裝置完成了大量的實驗，對實驗數據進行了處理和分析，提 出了設計的改進意見。 雖然 光纖液面高度測量所采用的 光纖光柵技術 在傳感應用中 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 。 付華等 ［ 6］ 提出利用 Elman 反饋神經網絡逼近真實函數的方法 ， 提高了避障系統(tǒng)的測量精確度 。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構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構簡單、體積小、信號處理可靠等特點。 國內外研究現(xiàn)狀 國內外對液面測量的應用，主 要集中在化工領域，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雜邊界液面高度的測量 [2]。本設計在大量文獻調研的基礎上，采用三個超聲波測距傳感器共同測量液位高度，解決了液面高度不一致時的平均高度測量問題。本人完全意識到 本聲明的法律后果由本人承擔。 畢業(yè)設計（論文） 題目 ： 基于多傳感器融合的復雜邊界 液面高度測量裝置的研究 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。在本文中詳細討論了超聲波測距的相關原理，探討了影響超聲波測距精度的因素及一些解決辦法；提出了通過三點測量液位，經過數據處理，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 單片機的液面高度測量系統(tǒng)的研制，最終通過系統(tǒng)改進，使得測量誤差保持在 2cm以內；利用研制的裝置完成了大量的實驗，對實驗數據進行了處理和分析，提出了設計的改進意見。 圖 11 各種液位測量的原理 圖 基于多傳感器融合的復雜邊界液面高度測量裝置的研究 第 2 頁 共 48 頁 目前，國內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。 但在實際應用中，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度要求也會發(fā)生相應的變化；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，多少會因為轉換慣性的原因而產生延時 、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生影響。 只要 有足夠的隱層神經元個數 ， Elma 反饋神經 網絡就能夠以任意精度逼近任意函數 ， 該方法 能使其測量精度提高 兩個數量級 。光纖光柵在實際應用中也 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]。 在第二章中介紹了系統(tǒng)的總體設計、超聲波測距的原理及測距過程中導致誤差的因素和一些解決辦法；在第三章中詳細介紹了各部分硬件電路的實現(xiàn)辦法以及一些芯片的介紹；第四章介紹了系統(tǒng)軟件的設計思路；第五章是是系統(tǒng)的調試過程以及調試結果和系統(tǒng)設計 結論。 超聲波測距技術現(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 有一定的適應能力和很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器 具有結構簡單、體積小、信號處理可靠 、 技術成熟 、 價格便宜等特點，對于本科生而言，更加易實現(xiàn)。 超聲波的傳播速度 C 和 聲波 波形 只與 傳播介質的彈性常數及介質密度 有關 。例如，當 f=40kHz時，波長為 厘米 。 液介式超聲波液位測量是以液體作 為超聲波的傳播媒介。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 ?? 。 R： 表示 氣體普適常量， 在空氣中 為 。 根據式 24 關系可以 得出在空氣中 超聲波速度隨溫度變化的關系曲線圖 ， 如 圖 23所示。例如每次采樣數據液位變化只允許 1cm,多次采樣后的數據就等于或接近真實位，這樣可以減少一些隨機干擾。當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生電信號。 （ 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 信號需要經放大、整流與濾波 還原成圖 25 中的信號包絡波形。對于其他的可能影響因素，有以下幾種方法。 當能量衰減嚴重時，如圖 26 中的 A1，經過包絡整形的回波信號上升沿較平緩，達到觸發(fā)電平的時間 t1 相對于 實際值偏大 從而 造成誤差。同理 ，對于一個幅值較小的 回波信號 A2，也同樣能 準確推算出 時間值 t0。因為采用 超聲波回波信號的 包絡檢測方法 檢測的是峰值時間， 與信號振幅無關 ,具有優(yōu)良的傳輸特性。溫度校正模塊中的溫度傳感器選用 DS18B20，其采用獨特的單線串行通信，并以 9 位數字值方式讀出溫度，測量范圍從 55℃ 到 125℃，最大精度能達到 ℃，滿足任務要求。 STC89C52 工作頻率范圍為 0～ 40MHz，實際工作頻率可達 48MHz。 （ 2）、 C/ T—— ：功能選擇位。 （ 5）、 IE0 和 IE1：外部中斷請求標志位 IE0（ IE1） =1：外部中斷置位，允許外部中斷。 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，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。 EM78P153 在接收到外部至少 10us 的正脈沖之后，啟動 8 位 定時 /計數器產生 40KHZ 的方波脈沖，經過 MAX232驅動，超聲波發(fā)射端探頭產生和方波脈沖頻率相同的聲波脈沖。具體的硬件電路圖 如圖 36 所示。本設計中要求精度 10cm， ℃的溫度精度能控制距離測量誤差在 1cm 的范圍內，完全滿足系統(tǒng)的設計要求。 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，當溫度為正值時， S=0，當溫度為零下為負值時， S=1。主機檢測到此負脈沖，表示總線上連接著 DS18B220 溫度傳感器。 寫暫存器