【正文】 ......................................... 16 系統(tǒng)的總體方案 .................................................................................................... 16 硬件設(shè)計 ................................................................................................................ 16 STC89C52RC 單片機 ........................................................................................ 16 穩(wěn)壓電路 ........................................................................................................ 19 超聲波探頭組 ................................................................................................ 19 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 溫度校正模塊 ................................................................................................ 21 顯示模塊 ........................................................................................................ 26 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 .......................................................................................................... 27 系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計 ............................................................................................ 27 超聲波發(fā)射與接收控制 ........................................................................................ 28 溫度矯正模塊 ........................................................................................................ 29 顯示模塊 ................................................................................................................ 30 5 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析 .................................................................................................. 31 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果與分析 ............................................................................................ 31 系統(tǒng)誤差分析 ........................................................................................................ 33 溫度因素 ......................................................................................................... 33 定時器因素 .................................................................................................... 33 單片機運算精度的因素 ................................................................................ 34 系統(tǒng)改進后結(jié)果 .................................................................................................... 34 系統(tǒng)設(shè)計總結(jié) ........................................................................................................ 36 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 37 致謝 .................................................................................................................................. 39 附錄 .................................................................................................................................. 40 附錄 A 系統(tǒng)源程序 ..................................................................................................... 40 附錄 B 電路原理圖 ...................................................................................................... 40 附件 1：畢業(yè)設(shè)計開題報告 ........................................................................................... 40 附錄 2：外文文獻(xiàn)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 。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]。 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 。 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。 本設(shè)計在大量文獻(xiàn)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。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。 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]。a 為介質(zhì)常數(shù) 。 本文 設(shè)計的系統(tǒng) 通過參數(shù)比較后，為了 達(dá)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)。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。 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。 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。 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。 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(zhǔn)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(dá)水面，再從 液面 反射回到探頭的時間。通頻帶越寬，起振時間就越短。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。 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 。當(dāng)放大后的干擾與噪聲信號的電平達(dá)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。 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。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。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。 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。 （ 3）、 M M0：工作方式選擇位。 TR0（ TR1） =1：定時器 /計數(shù)器不工作。 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(dá)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。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。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。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）。 （ 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。 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 ”。隨后在總線被釋放后的 15uS 中 DS18B20會發(fā)送內(nèi)部數(shù)