【文章內(nèi)容簡介】 （）其中，、分別是反射和入射聲波的聲強；、分別是聲波的入射角和反射角；、分別是兩種介質(zhì)的聲阻抗；其中；、分別是兩種介質(zhì)的密度，、分別是在兩種介質(zhì)里的速度。聲波垂直入射時，=0，=0。則反射系數(shù)R為 （）由上式可以看出，與相差越小，R值也越小，說明反射越弱，當(dāng)=時，R=0，說明這時沒有反射，聲波全部透射。當(dāng)反射介質(zhì)聲阻抗遠遠大于入射介質(zhì)聲阻抗時，即所謂的硬邊界。這時，入射波的介質(zhì)速度在碰到分界面時好像彈性碰撞一樣，變成一個反向速度，反射波質(zhì)點速度與入射波質(zhì)點速度相位改變，反射聲壓與入射聲壓同相位。比如，當(dāng)聲波從水傳播到空氣，在常溫下，它們的聲阻抗約為、代入公式可得，R=。這說明聲波從液體傳播到氣體或相反的情況下，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射[11]。第一介質(zhì)第二介質(zhì)聲阻抗鋁鋼銅水銀玻璃水空氣鋁01鋼01銅01水銀01玻璃01水01空氣0超聲波探頭，也就是超聲波換能器，是超聲波測距系統(tǒng)中的重要組成部分。通常所說的超聲波換能器一般是指電聲換能器，它是一種能完成電能與聲能的相互轉(zhuǎn)換的裝置。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)換為聲能；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時，將聲能轉(zhuǎn)換為機械能，再轉(zhuǎn)換為電能。超聲換能器通常都有一個電的儲能元件和一個機械振動系統(tǒng)。超聲波傳感器產(chǎn)生振蕩的方法很多，主要有以下幾種：，如 NE555 低頻振蕩器調(diào)制 40KHz 的高頻信號，高頻信號通過超聲波傳感器以聲能形式輻射出去；，通過放大處理后經(jīng)電感線圈驅(qū)動發(fā)送超聲波傳感器振蕩； LM1812 驅(qū)動發(fā)送超聲波傳感器振蕩。超聲波探頭使用最多的是由壓電晶片或壓電陶瓷制成的換能器。超聲波的接收和反射是基于壓電晶片的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。其工作原理是當(dāng)壓電晶片受發(fā)射脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，此即逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，此為正壓電效應(yīng)。前者是超聲波的發(fā)射，后者為超聲波的接收。壓電晶片的振動頻率即探頭的工作頻率，主要取決于晶片的厚度和超聲波在晶片材料中的傳播速度，為得到較高的頻率，要使晶片在共振狀態(tài)下工作，此時晶片厚度為1/2波長。通常我們一般使用PVDF壓電薄膜材料，此材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面積上有很大的選擇余地，易于加工且頻率范圍寬，常用來制成的超聲換能器。材料居里點介電常數(shù)聲阻抗特性壓電應(yīng)變常數(shù)壓電電壓常數(shù)石英57050鈦酸鋇系11517003016013鋯鈦酸鉛190300150028320偏鈮酸鉛4003008532鋯鈦鉛12010002701251901421其中，壓電材料的居里點是指壓電材料完全喪失壓電效應(yīng)的溫度、介電常數(shù)反映了材料的介電性質(zhì)，在制造探頭考慮阻抗匹配時起作用、壓電應(yīng)變常數(shù)是指當(dāng)壓電體處于應(yīng)力恒定的狀態(tài)時，由于電場強度變化所產(chǎn)生的應(yīng)變變化與電場強度變化之比，它關(guān)系著晶片發(fā)射性能的好壞、壓電電壓常數(shù)是指壓電體在電位移恒定時，由于應(yīng)力變化所產(chǎn)生的電場強度變化與應(yīng)力變化之比，它關(guān)系著晶片接收性能的好壞。壓電片的振動方式有很多種，如薄片的厚度振動，縱片的長度振動，橫片的長度振動，圓片的徑向振動，圓管的厚度、長度、徑向和扭轉(zhuǎn)振動，彎曲振動等。其中，以薄片厚度振動用的最多。由于壓電晶片本身較脆，并因各種絕緣、密封、防腐蝕、阻抗匹配以及防護不良環(huán)境要求，壓電元件往往裝在殼體內(nèi)構(gòu)成探頭。超聲波傳感器，它是借助壓電品體的諧振來工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)里有兩塊壓電晶片和一塊共振板。給壓電片的兩電極加脈沖信號，即觸發(fā)脈沖，當(dāng)其頻率等于晶片的固有頻率時，壓電晶片就會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號時，將壓迫兩壓電晶片振動，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，此時的傳感器就成了超聲波接收器。在超聲波傳感器工作時為提高探頭發(fā)射超聲波的效率，常使晶片在共振狀態(tài)下使用，這會使振動不易停止，難以形成窄脈沖；因此常在晶片背面裝上一個吸收塊以增大晶片的振動阻尼，并吸收晶片背面發(fā)出的超聲波[12]。探頭一般由壓電晶片、鍥塊、阻尼塊、接頭等組成。 探頭結(jié)構(gòu)簡圖在系統(tǒng)中，采用一個超聲波探頭作為發(fā)射和接收的器件。當(dāng)探頭發(fā)射超聲波時，探頭中壓電晶片受300V高頻電脈沖激勵后，產(chǎn)生振動，發(fā)生逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換成聲能，探頭發(fā)射超聲波，當(dāng)探頭接收超聲波時，超聲波作用于晶片，晶片受迫振動引起形變發(fā)生正壓電效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)換成電能，不難看出這種探頭在工作時能夠?qū)崿F(xiàn)電能和聲能的相互轉(zhuǎn)換。超聲換能器的主要參數(shù)有以下幾個： 中心頻率：是指超聲波發(fā)射換能器的諧振頻率。 靈敏度：，所產(chǎn)生的電壓相對于1V/。 帶寬：中心頻率處靈敏度最高。當(dāng)離開中心頻率，靈敏度下降，當(dāng)下降到一定值(dB數(shù))時，兩頻率之間隔為帶寬。 發(fā)射角：發(fā)射超聲波具有一定的指向性。 電容：壓電陶瓷片兩極間的等效電容。 電阻：壓電陶瓷片兩極間的電阻值。另外，還有一些極限參數(shù)，如允許輸入電壓、溫度范圍、耐濕性等[13]。超聲波液位測量法是70年代發(fā)展起來的一種新型液位測量方法，該方法利用了超聲波在相同的介質(zhì)中傳播速度不變的原理。超聲波是機械波的一種，其最明顯的一個特征是方向性好，能夠定向傳播，當(dāng)碰到障礙物時能夠反射回來。超聲波測量方法有很多，如脈沖回波法、共振法、頻差法以及聲衰減法等，其中應(yīng)用最廣泛的是超聲波脈沖回波法。超聲波的測距原理是通過發(fā)射聲波傳感器由脈沖信號激勵發(fā)出超聲波，通過傳聲媒介傳到被測液面，形成反射波，反射波再通過傳聲介質(zhì)返回到接收傳感器，傳感器把聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，由儀表計算出超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時間，再根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播的速度計算出來回的直線路徑的長度，從而得到所測距離的長度。 超聲波夜位檢測儀示意圖該系統(tǒng)中是通過超聲波脈沖傳播的時間來確定液位，所以必須己知超聲波在傳聲媒質(zhì)中聲速。然而，對于氣體介質(zhì)式和液體介質(zhì)式超聲波液位計，聲速會隨媒質(zhì)的組成、溫度、壓強的變化而變化。因此，只有當(dāng)測試條件比較理想，媒質(zhì)的成分、溫度、壓強等沒有很大變化，才可把傳聲媒質(zhì)的聲速近似看成不變，直接由測量的聲波傳播時間來確定液位，否則就應(yīng)該對傳聲媒質(zhì)的聲速進行校正[14]。在這個系統(tǒng)中，運用的是超聲波往返時間檢測法進行距離的測量的。即，檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波的時候算起，通過介質(zhì)的傳播在反射回來的到接收器的時間，叫往返時間。用往返時間與介質(zhì)中超聲波的速度相乘，就可以得到超聲波運動的距離，然而實際的距離為所得到距離的一半，如果測量高度為h、超聲波在介質(zhì)里的傳播速度為v，傳播時間為t，可以得到： （）這個公式使用于自發(fā)自收單感應(yīng)器方式。探頭采用垂直的方式發(fā)射超聲波，然后再讓超聲波原路返回到探頭。如果采用一發(fā)一收雙感應(yīng)器方式，那么探頭就不在采用垂直于介質(zhì)面發(fā)射的方式，因此用上面的公式計算的出來就不在是真實高度，而是超聲波經(jīng)過的路程。這就需要加入角，角為豎直方向與超聲波方向的夾角。 角示意圖，因此，系統(tǒng)要把測得超聲波經(jīng)過的距離換算成真實的高度。如果超聲波經(jīng)過的距離為L，要測量的真實高度為h，那么超聲波經(jīng)過的距離與真實高度之間有這樣的關(guān)系： （）這時h為要測量的真實高度。在公式中，為超聲波的入射角。如果實際情況無法測得角時，還可以通過測得兩個探頭之間的距離m來得到需要測量的高度，即 （）來計算。一般說來，單探頭的自發(fā)自收工作方式是優(yōu)先考慮采用的。這是因為單探頭方式中液位計算公式比較簡單，同時檢測系統(tǒng)也簡單，安裝、維修比較方便。但是，單發(fā)單收的探頭檢測死區(qū)較大。為避免這一點，有時還需要采用雙探頭的設(shè)計。3 超聲波液位探測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計思想超聲波液位探測系統(tǒng)是根據(jù)“回波測距”的原理設(shè)計的。由超聲波的發(fā)射器發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時反射回來，再由超聲波接收系統(tǒng)接收。測出從超聲波發(fā)射該脈沖束至接收到回波信號的傳輸時間，即渡越時間，由于超聲波在同一種介質(zhì)中的傳輸速度是不變的（設(shè)所處的介質(zhì)的密度和溫度等相關(guān)因素不變的情況下）。那么由渡越時間和聲速，就可算出要測的距離[15]。根據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計要求，不光需要檢測部分，還需要加入運算部分。要實現(xiàn)對所測液位的自動探測，和對探測數(shù)據(jù)的具體顯示功能。， 超聲波液位探測系統(tǒng)總體框架圖超聲波儀液位探測系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要包括AT89C51單片機系統(tǒng)，超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、液位顯示電路等主要部分；軟件部分主要包括顯示程序、中斷程序、主程序等。微處理器的選擇需要考慮很多因素，比如功能、價格、安全性能、個人喜好、硬件設(shè)計的簡單性和軟件支持等。對于本設(shè)計而言，有多種微處理器芯片可供選擇，如51單片機、PIC單片機、MSP430單片機等。相對于51單片機來講，PIC單片機具有抗干擾性能好、雙向驅(qū)動電流大、功耗低等優(yōu)點。然而51單片機的突出特點是價格低，編程資源豐富。MSP430單片機比PIC單片機具有更多的優(yōu)越性，但是價格要比PIC單片機和51單片機都要高。本系統(tǒng)選用的單片機為AT89c51。它是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含有4K bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令系統(tǒng)兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲單元，功能強大，AT89C51單片機可以提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。這正是本設(shè)計選用AT89c51的原因所在。 AT89C51引腳圖 AT89C51功能說明 主要性能參數(shù)(1) 與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容(2) 4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器(3) 1000次擦寫周期(4) 全靜態(tài)操作:OHz24MHz(5) 三級加密程序存儲器(6) 128X8字節(jié)內(nèi)部RAM(7) 32個可編程I/0口線(8) 2個16位定時/計數(shù)器(9) 6個中斷源(10) 可編程串行UART通道(11) 低功耗空閑和掉電模式引腳功能說明Vcc：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/0口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端使用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（I181。）。Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（I181。）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(例如執(zhí)行MOVX @DPTR 指令)時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(如執(zhí)行MOVX @RI 指令)時，P2口線上的內(nèi)容(也即特殊功能寄存器(SFR )區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容)，在整個訪問期間不改變。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其它控制信號。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（I181。）。P3口除了作為一般的I/0口線外，更重要的用途是它的第二功能，: P3口第二功能表端口引腳第二功能RXD （串行輸入口）TXD （串行輸出口） （外中斷0） （外中斷1）T0 （定時/計數(shù)器0）T1 （定時/計數(shù)器1） （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使片片機復(fù)位。ALE/：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1 /6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸