【正文】 ........................................................................ 25 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) ............................................................................................................... 27 軟件總體設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 27 軟件設(shè)計(jì)總體框圖 ............................................................................................ 27 軟件程序中各部分模塊介紹 ............................................................................ 27 超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊 ................................................................................... 28 超聲波發(fā)射程序 ................................................................................................ 29 外部中斷 0 的中斷服務(wù)程序 ............................................................................ 29 功能模塊 ................................................................................................................... 29 鍵盤與顯示子程序 ................................................................................................... 30 第 5 章 誤差分析 ............................................................................................................... 33 聲速隨溫度變化的情況分析以及補(bǔ)償方法 ........................................................... 33 渡越時(shí)間對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響及減小誤差的辦法 ................................................... 34 結(jié)束語 ................................................................................................................................. 35 致 謝 ................................................................................................................................. 36 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 37 附 錄 ................................................................................................................................. 39 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 1 第 1 章 緒 論 液位 測(cè)量儀 的現(xiàn)狀 液位測(cè)量儀 的現(xiàn)狀 液位 測(cè)量儀 早期大多采用機(jī)械原理，但近年來隨著電子技術(shù)的應(yīng)用，逐步向機(jī)電一體化發(fā)展，并且發(fā)展了許多新的測(cè)量原理。浮子的重量足以帶動(dòng)多孔鋼帶通過齒輪裝置推動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)器作現(xiàn)場(chǎng)顯示，同時(shí)帶動(dòng)電動(dòng)變送器，以便獲得遠(yuǎn)距離顯示。同時(shí)還能補(bǔ)償液面高低對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生的附加重量的誤差，最高精度可達(dá) 177。它可以將各種干擾過濾出來，識(shí)別多重回波，長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 2 分析信號(hào)強(qiáng)度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息，這樣即便在有擾動(dòng)條件下讀數(shù)也是精確的。雷達(dá)液位 儀 的測(cè)量精度較高，而且無需定期維修和重新定標(biāo)，但是安裝比較復(fù)雜且價(jià)格不菲。 γ射線液位儀特別適用于傳統(tǒng)測(cè)量儀表不能解決的測(cè)量問題，因?yàn)闇y(cè)量件沒有任何部件與被測(cè)物體相接觸。從計(jì)量方法看主要有三種：檢尺法、液位法和靜壓法。目前石化部門使用的大型儲(chǔ) 油 罐大多是立式圓柱形 油 罐或球形 油 罐，其容量一般在 1000～100000m3 之間，很小的測(cè)量誤差會(huì)造成很大的絕對(duì)誤差。激光的傳播速度很快，不便于信號(hào)處理。該超聲波油量測(cè) 量儀使用簡便，與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比具有非接觸、精度高、實(shí)時(shí)測(cè)量 、 可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 5 第 2 章 超聲波油量測(cè)量儀測(cè)量原理 概 述 在彈性媒質(zhì)中，如果波源所激起的縱波的頻率在 20Hz到 20200Hz之間，就能引起人的聽覺。它的物理意義是：聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗。超聲波傳感器的諧振頻率 (中心頻率 )有 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等。 人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波， 已 發(fā)明設(shè)計(jì)并制成了許多類型的超聲波發(fā)生器：機(jī)械方式和電氣方式產(chǎn)生超聲波發(fā)生器。 共 振 板壓 電 晶 體電 極 板 圖 21 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。它與光電傳感器不同，也可以檢測(cè)透明體等。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反射式超聲波傳感器的反射板。1 kHZ 發(fā)射聲壓大于 107Db 大于 112dB 大于 115dB 接收靈敏度 74dB/v/uBar 67dB/v/uBar 64dB/v/ubar 6dB 指向 100deg 80deg 50deg 電容 1100177。 接 收 器發(fā) 射 器井 蓋井 壁lhH油 圖 27 為超聲波測(cè)量原理圖 儲(chǔ)油罐不是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形或球形，制成以后，計(jì)量部門要進(jìn)行各種測(cè)量繪制出油的高度與油量的對(duì)應(yīng)表，以便查對(duì)。h為 h的測(cè)量誤差， δT為渡越時(shí)間的測(cè)量誤差， δu為聲速的測(cè)量誤差。 超聲波測(cè)距的理論分析 超聲波油量測(cè)量儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的液位 測(cè) 量儀表相比，它具有原理簡單、易于微機(jī)控制、無接觸測(cè)量、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn) [1][5]。引起衰減的原因大致有三個(gè)： 。Aω； P 為介質(zhì)密度：軸的正方向； ω為超聲波的圓頻率， ω=2πf； f 為振動(dòng)頻率； 181。 如圖 28 所示，當(dāng)聲平面波垂直入射到聲特性阻抗不同的兩種介質(zhì)的平界面時(shí)，入射波的能量 I0 的一部分進(jìn)入介質(zhì) II，透射波能量為 (It)；另一部分被界面反射，仍在 I 中傳播，其能量為 (Ir) 根據(jù)能量守恒定律 0 trI I I?? (213) 聲壓反射系數(shù) 0 2 1 2 1/ ( ) /( )rr p p z z z z? ? ? ? (214) 聲壓透射系數(shù) 0 2 2 1/ 2 /( )tt p p z z z? ? ? (215) 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 13 聲強(qiáng)反射系數(shù) 2 2 20 2 1 2 1/ ( ) / ( )rR I I r z z z z? ? ? ? ? (216) 聲強(qiáng)透射系數(shù) 2 2 2 20 2 0 1 1 2 1 2/ ( / 2 ) / ( / 2 ) 4 / ( )ttT I I p z p z z z z z? ? ? ? (217) 在空氣與液體（如汽油）的界面上，計(jì)算 r、 t、 R、 T 3 1 2 11 . 2 9 3 4 0 4 3 9z c k g m m s k g m s? ? ? ? ?? ? ? ?空 氣 空 氣 空 氣 3 3 1 3 2 10 . 7 1 1 0 1 4 0 0 9 8 0 1 0z c k g m m s k g m s? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?汽 油 汽 油 汽 油 波束從空氣中入射到界面， 12z z z z??空 氣 汽 油， 3 3 32 1 2 1( ) / ( ) ( 9 8 0 1 0 4 3 9 ) / ( 9 8 0 1 0 ) 0 . 9 9 9r z z z z k g m? ? ? ? ? ? ? ? r 為正值，說明入射波和反射波相位相同，反射波聲壓占入射波聲壓的 %。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 14 超聲波的方向性很強(qiáng)，擴(kuò)散得很少，加上這部分信號(hào)多次反射，所以被接收器接收到的可能性很小，可以不作考慮。硬件主要包括 AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)、超 聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、 8279 接口電路、鍵盤顯示電路、打印接口電路和與上位機(jī)通信的接口電路等部分 。中斷返回 后再發(fā)送下一串脈沖。 超聲波發(fā)射電路的作用是將單片機(jī)送來的 40kHz 的脈沖信號(hào)放大到 20V,以滿足超聲波發(fā)射傳感器的驅(qū)動(dòng)要求。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器 (FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 VCC：供電電壓。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址接收。當(dāng) P3 口寫入 ―1‖后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。但在訪 問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。T/2 即可算出超聲波傳感器到障礙物之間的距離，其中 181。變壓器在這里主要起隔離作用。 其次，在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)：在接收電路等待回波信號(hào)時(shí)，由于輸入端懸空，使得電路一直有干擾信號(hào)，而且這種干擾，影響回波信號(hào)的正常接收，所以在輸入端加了一個(gè)電阻 R10，以消除這種干擾。12V的雙電源供電。 顯示部分按掃描方式工作，可以連接 8 位或 16 位顯示。 D 觸發(fā)器的 D 端 AT89C51 的 管腳。 根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)思想：最終要將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的中斷信號(hào)，所以在對(duì)回波信號(hào) (正弦波 )經(jīng)過兩次放大以后，需要將正弦波轉(zhuǎn) 換成方波，于是后面接了一個(gè)電壓比較電路和一個(gè) D 觸發(fā)器。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 21 超聲波接收電路 超聲波接收電路功能 如圖 34 所示，超聲波接收器將接收到回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào) (正弦波 )，經(jīng)過兩級(jí)放大以后，被送入電壓比較器進(jìn)行比較，電壓比較器輸出的方波信號(hào)控制 D 觸發(fā)器的時(shí)鐘端，將 D 端口上預(yù)先設(shè)置好的低電平從 Q 端發(fā)送出，該低電平作為AT89C51 外部中斷 0 的中斷信號(hào)使 AT89C51 產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中停止計(jì)數(shù)器 T1 的計(jì)時(shí)，并計(jì)算出有關(guān)數(shù)據(jù)。 由于要測(cè)量的距離不固定，可能還是動(dòng)態(tài)的，所以用 AT98C51 的 管腳，發(fā)出間歇式的脈沖串 (每 20 個(gè)脈沖為一串 )，等到接收到回波并計(jì)算出距離后再發(fā)下一串脈沖。注意加密方式 1 時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) /INT0(外部中斷 0) /INT1(外部中斷 1) 1234567891011121314151617181920 2122232425262728293031323334353637383940T 2 /P 1 .0T 2 EX /P 1 .1P 1 .2P 1 .3P 1 .4P 1 .5P 1 .6P 1 .7RSTRXD /P 3 .0T X