【正文】 kHz的超聲波，遇障礙物后反射，由超聲波的接收器接收回波。由于單片機(jī) P0 口的輸出電壓為 5V,其驅(qū)動能力達(dá)不到要求，所以用了一個(gè)大功率的 CMOS 管 IRF640 來驅(qū)動超聲波傳感器的發(fā)射器。所以在放大電路之前接了一個(gè)雙向開關(guān) 4066, 4066 的控制端接 AT89C51 的 管腳，當(dāng) 管腳發(fā)脈沖時(shí)，將 管腳置成低電平，雙向開關(guān)導(dǎo)通，即 4066 的 1, 2 管腳接通，使得放大電路的輸入端接地以屏蔽發(fā)射 探頭直接傳過來的干擾信號。12V )。采用專用芯片 8279 獨(dú)立于 CPU工作對顯示鍵盤自動掃描，可大大提高 CPU的工作效率。這樣回波信號最終轉(zhuǎn)換成了 AT89C51 的中斷信號，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)思想。 LM311是一個(gè)通用型集成電壓比較器，它具有低的偏置電流和失調(diào)電流 (典型值分別為 100nA 和 6nA )，其響應(yīng)速度為 200ns。 超聲波 接收電路原理圖 接收部分電路主要由兩個(gè)放大電路、一個(gè)電壓比較器和一個(gè) D 觸發(fā)器構(gòu)成。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 20 超聲波發(fā)射電路原理圖 根據(jù)硬件設(shè)計(jì)思想，這部分電路要將單片機(jī) 管腳輸出的 40kHz 脈沖信號的幅度放大 20V 左右，以滿足超聲波傳感器發(fā)射器的要求，所以超聲波發(fā)射電路主要是由一個(gè)含有大功率 CMOS 管 IRF640 的放大電路、變壓器和一個(gè)超聲波發(fā)射換能器構(gòu)成。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。另外，該引腳被略微拉高。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存 儲器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。由于 CPU的機(jī)時(shí)比較緊張，所以用 8279 接口電路來管理鍵盤和顯示，它可以獨(dú)立于 CPU 自行工作，不占 CPU的機(jī)時(shí)。操作人員可以通過一臺 上位機(jī)對多個(gè)油量測量儀進(jìn)行測量、數(shù)據(jù)傳輸以及輸出打印等控制。 工作過程 在超聲波油量測量儀開始測距前需要通過鍵盤輸入一些相關(guān)參數(shù)，以便能按照要求計(jì)算出距離，進(jìn)而計(jì)算出油的重量、體積等數(shù)據(jù)。由超聲波的發(fā)射器發(fā)射超聲波，聲波遇到障礙物后反射，由超聲波接收器接收 。由于波的強(qiáng)度正比于振幅的平方，透射波的振幅已經(jīng)很小很小了，以后的傳播過程可以不考慮。沿著波的傳播方向 10 米處 x=10 處： 7 2 ??? ??? eeAA 就是 說聲波傳播出去 l0m后，振幅衰減了約 1/40[16]。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。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 12 如果這三種信號都足夠強(qiáng)，就會給信號處理帶來一定的困難，使處理器無法分辨哪個(gè)是有用的信號，從而造成測量上的誤差。在這里使 用單片機(jī)定時(shí)器計(jì)數(shù)，間接測量時(shí)間，可以把聲波傳播的時(shí)間精度提高到所需準(zhǔn)確度。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 10 由這些特性曲線 可知： T/R40 超聲波傳感器在輸入頻率為 40kHz時(shí)，各種特性都呈現(xiàn)出最佳狀態(tài)，因此為了得到最佳效果必須使單片機(jī)輸出方波的頻率為 40kHz。 T/R40 超聲波傳感器 本儀器所采用的 TR4016 型超聲波傳感器的壓電效應(yīng)曲線如圖 25 所示。若被檢測物體不是平面形狀，實(shí)際使用超聲波傳感器時(shí)一定要確認(rèn)是否能檢測到被測物體。由圖 22 分析可知， Q 恰好是電路的串聯(lián)支路的 Q 值。各種類型的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波的功率、頻率和聲波特性都不相同。近年來，超聲波的波長范圍已達(dá) 181。 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。我們知道，電磁波的傳播速度為 3ｘ 108，而超聲波在空氣中 的傳播速度為 340m/s，其速度相對電磁波是非常慢的。對軟件的這種處理不但能使軟件的結(jié)構(gòu)清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。 超聲波在空氣中的傳播速度為 340 米 /秒，與光的傳播速度 (3x108米 /秒 )相比小很多，因此對超聲波信號的處理也容易很多，加之成本較低，所以，超聲波是比較理想信號源。這種方法的缺點(diǎn)是測量精度低，速度 慢，勞動強(qiáng)度大，不便于微機(jī)管理。[1+(空高 )x3‰] 。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(jì)算機(jī)接口。激光液位儀非常適用于開口很 窄 的容器及高溫、高粘度的測量對象。 (5)雷達(dá)液位儀 雷達(dá)液位 儀 發(fā)明于 60 年代 ，通常采用調(diào)頻雷達(dá)原理，利 用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)，將微波發(fā)射器和接收器安裝在罐頂，向液面發(fā)射頻率調(diào)制的微波信號。lmm， 主要適用于儲罐的精密計(jì)量。適用范圍為存儲非腐蝕液體的常壓罐、高壓罐。人工液位測量的精度一般為 177。 Liquid Level Measurement 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 III 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)（論文），是我個(gè)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。本課題詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及 Atmel 公司的 AT89C51 單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波測距原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題。軟件設(shè)計(jì)中，我們采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，將軟件分為超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊、功能模塊兩大類。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字 化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。這種液位儀采用一個(gè)又大又重的浮子，由一條多孔鋼帶將浮子連接至一個(gè) 恒轉(zhuǎn)矩裝置或平衡錘。伺服式液位儀的微機(jī)智能化，使得它的跟蹤誤差可達(dá) 。智能化的超聲波液位 測量 儀帶有一個(gè)功能很強(qiáng)的智能回波分析軟件包。雷達(dá)液位 儀 特別適用于高粘度或高污染的產(chǎn)品，如瀝青等。由于液位與 γ射線衰減量是非線性關(guān) 系，所以必須通過統(tǒng)計(jì)標(biāo)定。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 儲罐 液位測 量儀表的現(xiàn)狀 立式油罐主要分布在煉油廠、化工廠和石油銷售公司三大系統(tǒng)。 超聲波油量測量儀的研究目的及意義 在石油化工領(lǐng)域中，儲油罐中油量的 測 量越來越顯示出其重要地位 。雷達(dá)液位儀的測量精度較高，但安裝較為復(fù)雜，而且價(jià)格相當(dāng)昂貴。為了克服這些缺點(diǎn)，本課題利用單片機(jī) AT89C51 為核心，控制超聲波對油量進(jìn)行自動檢測和數(shù)據(jù)處理，提供了一個(gè)帶顯示，鍵盤和微型打印機(jī)的人機(jī)對話界面，且能與 PC 機(jī)通信。 本文討論了 產(chǎn)生誤差的各種原因，提出了相應(yīng)的解決辦法，為研制更完善的超聲波油量測量儀打下了基礎(chǔ)。 衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 2bfa? (23) 式中， b 為介質(zhì)常數(shù) ,f 為振動頻率， f=ω/2π 在空氣里， b=2ｘ 1013s2/cm，當(dāng)振動的聲波 頻率 f=40kHz 代入式 (23)可得 a= 104cm，即 1/a=31m；若 f=30kHz，則1/a=56m。一般市場上出售的超聲波傳感器有專用 型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。在這種頻率范圍，超聲波敏感元件成為薄膜狀，與傳統(tǒng)的形狀大相徑庭，它的進(jìn)步將對電子學(xué)的發(fā)展起重要作用。其結(jié)構(gòu)原理如圖 21 所示。這種方式的檢測距離約 1m，作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測物體使用 100mm100mm的方 形板。 回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場合。1 kHZ 40177。本超聲波油量測量儀采用渡越時(shí)間檢測法。 如圖 27 所示，要測量儲油罐內(nèi)油 面 的高度 h，可先測量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，又轉(zhuǎn)化為測量渡越時(shí)間 T，若超聲波的傳播速度為 u，罐的總高度為 H，則 2/uTHh ?? (29) 由下式計(jì)算測量誤差 2/2/ uTT Tuu ??? ??? (210) 式中，占 181。 由于超聲波是一種聲波，其速度 與溫度有關(guān)， u≈(+)m/s， 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，否則將會有比較大的誤差，這也是本儀 器需要改進(jìn)之處。 我們知道，超聲波在實(shí)際介質(zhì)中傳播時(shí)，其能量將隨距離的增大而逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為衰減。 一束超聲波 (視為平面波 )的聲壓可表示為： ??? ??? )/c o s (0 xpP t (211) 式中， P0為聲壓振幅， P0=P181。 下面討論波被反射、折射時(shí)的情況。 波的反射遵循反射定律，入射角為 a，反射角為 β，有： UU /s in/s in ?? ? (218) 因?yàn)槿肷洳ê头瓷洳ㄔ谕环N介質(zhì)里傳播，波的傳播速度都是 u，因此有： ??? ，即入射角等于反射角。 與上位機(jī)通訊接口單片機(jī)系統(tǒng)超聲波發(fā)射電路超聲波接收電路8279接口電路鍵盤顯示 圖 31 超聲波油量測量儀的總體設(shè)計(jì)框圖 超聲波油量測量儀是由硬件和軟件兩部分組成。 單片機(jī)在發(fā)送脈沖的同時(shí)開始計(jì)時(shí)；超聲波遇到障礙物后的回波被超聲波接收換能器接收，其輸出的正弦波經(jīng)過兩級放大，再經(jīng)過電壓比較器和 D 觸發(fā)器產(chǎn)生中斷信號中斷單片機(jī)的計(jì)時(shí)，這樣就得到了超聲波的傳輸時(shí)間，然后在中斷服務(wù)程序中根據(jù)測出的時(shí)間計(jì)算出距離。 它的各部分電路的說明如下： 89C51 單片機(jī) 最小系統(tǒng)是超聲波油量測量儀的核心部分，其主要任務(wù)是 ① 發(fā)出 40KHz的脈沖串用來驅(qū)動超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波； ② 通過定時(shí)器 T1 對超聲波的傳輸時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)： ③ 根據(jù)測出的時(shí)間和有關(guān)參數(shù)計(jì)算出距離、體積等數(shù)據(jù)； ④控制參數(shù)的輸入和數(shù)據(jù)的顯示。它通過定時(shí)器 T0 發(fā)出 40KHz的脈沖信號來驅(qū)動超聲波傳感長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 17 器發(fā)射超聲波：通過定時(shí)器 T1 來測量超聲波的傳輸時(shí)間：測量出時(shí)間后根據(jù)要求計(jì)算出各種需要的數(shù)據(jù)。 (2)芯片的引腳描述 ： CHMOS 制造工藝的 89C51 單片機(jī)采用 40 引腳的雙列直插封裝（ DIP 方式），在單片機(jī)的 40 條引腳中有 2 條專用于主電源的引腳， 2 條外接晶體的引腳， 4 條控制與其它電源復(fù)用的引腳， 32 條輸入 /輸出（ I/O）引腳。 P1 口 管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門電流。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。在由外部程序存儲器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。由于超聲波在同一種介質(zhì)中的傳播速度不變，因此通過單片機(jī)的定時(shí)器可測出超聲波脈沖串發(fā)射至接收到回波信號所需的時(shí)間 T，根據(jù)公式 s=181。它的工作原理是這樣的： 管腳輸出頻率為 40kHz的方波，用來控制 Q3 的導(dǎo)通與截止，從而在變壓器的輸入端得到一個(gè)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。脈沖發(fā)送完畢之后將 管腳置成高電平，斷開 1, 2 管腳的連接，等待回波信號的通過。在本系統(tǒng)中采用了 177。 鍵盤部分提供的掃描方式，可以和具有 64 個(gè)按鍵或傳感器的陣列相連，能自動消抖及 n鍵同時(shí)按下的保護(hù)。平時(shí)該管腳置成高電平，當(dāng) AT89C51發(fā)送完驅(qū)動脈沖串以后，在允許外部中斷 0 中斷的同時(shí)，將 置成低電平；當(dāng)接收到回波信號，并將其轉(zhuǎn)換成 D 觸發(fā)器的時(shí)鐘信號后， D 管腳的低電平將通過 D 觸長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 22 發(fā)器的 Q 端送出，作為 AT89C51 的外部中斷 0 的中斷信號。因?yàn)檩斎?頻率為 40kHz，比較高，集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓比較器的響應(yīng)速度較慢，達(dá)不到要求的頻響速度，所以采用了集成電壓比較器 LM311。 由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號的轉(zhuǎn)換、信號的放大和整形以及產(chǎn)生中斷信號等功能。這樣發(fā)一次脈沖測量一次距 離，然后每 5 個(gè)距離取一次平均值顯示并存儲。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源 (VPP)。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行MOVX， MOVC 指令是 ALE