【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 算出儲(chǔ)油罐內(nèi)油的高度，進(jìn)一步計(jì)算出油的體積和重量。從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，就是渡越時(shí)間。圖25超聲波測(cè)量原理圖如圖25所示，要測(cè)量?jī)?chǔ)油罐內(nèi)油的高度h，可先測(cè)量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，又轉(zhuǎn)化為測(cè)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 (29) 由下式計(jì)算測(cè)量誤差 (210)式中，為h的測(cè)量誤差，為渡越時(shí)間的測(cè)量誤差，為聲速的測(cè)量誤差。這里利用單片機(jī)定時(shí)器計(jì)數(shù)的方法間接測(cè)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。具體的做法是，每隔一定的時(shí)間發(fā)射一串超聲波脈沖，在發(fā)射脈沖串的同時(shí)單片機(jī)定時(shí)器開始記數(shù)，在超聲波接收器接收到反射信號(hào)時(shí)，單片機(jī)停止計(jì)數(shù)。單片機(jī)定時(shí)器所計(jì)的時(shí)間，就是渡越時(shí)間，代入式(29)中，就可以算出油量。由于超聲波是一種聲波，其聲速與溫度有關(guān)，μ≈+ t,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，否則會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差。超聲波油量測(cè)量?jī)x已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的液位計(jì)量?jī)x表相比，它具有原理簡(jiǎn)單、易于微機(jī)控制、無(wú)接觸測(cè)量、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。由于液位計(jì)量?jī)x一般安裝在表井的蓋上，測(cè)量的空間非常窄小，而超聲波又是不可見波，超聲波傳感器的接收器接收到的信號(hào)，是否正好是從液面反射的信號(hào)，無(wú)法確定，一般存在三種可能情況：(1)從液面反射的信號(hào)，(2)表井壁反射的信號(hào)，(3)超聲波傳感器的發(fā)射器發(fā)出信號(hào)，經(jīng)液面上方的氣體層，穿過(guò)液體層，在罐底反射，再經(jīng)過(guò)液體，氣體，直到被接收器接收。如果這三種信號(hào)都足夠強(qiáng)，就會(huì)給信號(hào)處理帶來(lái)一定的困難，使處理器無(wú)法分辨哪個(gè)是有用的信號(hào)，從而造成測(cè)量上的誤差。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)、制超聲波油量測(cè)量?jī)x的時(shí)候，首先要分清接收器接收到的究竟是哪個(gè)信號(hào)。下面將就此問(wèn)題進(jìn)行討論。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。引起衰減的原因大致有三個(gè):由聲束擴(kuò)展引起的衰減由散射引起的衰減由介質(zhì)的吸收引起的衰減某一點(diǎn)(x處)瞬間所具有的壓強(qiáng)，與沒(méi)有聲波存在時(shí)該點(diǎn)的靜壓強(qiáng)之差，稱為該點(diǎn)的聲壓P。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。由于超聲波傳播過(guò)程中所遇到的介質(zhì)顆粒都比較小(大多為揮發(fā)性氣體分子)，散射衰減也可忽略。因此，我們只需討論吸收衰減。一束超聲波(視為平面波)的聲壓可表示為： (211)式中，為聲壓振幅，ρ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，u為介質(zhì)中聲速，φ為初相，與記時(shí)起點(diǎn)有關(guān)。由于存在著吸收衰減，聲波振幅隨傳播距離的增大而減小。由式(22)，(23)知，在空氣里/cm，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率f =40KHz，代入式(23),可得cm,沿著波的傳播方向10米處，x =10m。===就是說(shuō)聲波傳播出去10m后，振幅衰減了約1/4。我們把單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)垂直于波的傳播方向上單位面積的能量稱為能流密度，能流密度的時(shí)間平均值，稱為波的強(qiáng)度，也叫聲強(qiáng)記作I。 (212)為聲特性阻抗，記作。由(211)(212)式知，I，那么聲波傳播出去10m后，聲強(qiáng)就衰減了1/2。這就要求在處理超聲波接收器接收到的信號(hào)時(shí)，采取多級(jí)放大的辦法。下面討論波被反射、折射時(shí)的情況。波束垂直入射到兩種介質(zhì)的界面如圖26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)，入射波的能量的一部分進(jìn)入介質(zhì)II，透射波能量為(tI),另一部分被界面反射，仍在I中傳播，其能量為（Ir）。在空氣與液體(如汽油)的界面上，計(jì)算r,t,R,T。===439Kg===980xKg波束從空氣中入射到界面， =，=r=()/(+)=(980x439)/ (980x+439)=r 為正值，說(shuō)明入射波和反射波相位相同，%。圖26波束垂直入射到液面的反射波和透射波t為正值，入射波和透射波相位相同，透射波具有入射波聲壓的200%。R=%。T=/(+439=%。由此可知，在此界面上雖然透射波的聲壓比較大，但是波的能量非常小，幾乎都被反射回空氣介質(zhì)中。由于波的強(qiáng)度正比于振幅的平方，透射波的振幅已經(jīng)很小了，以后的傳播過(guò)程可以不考慮[3]。圖27波束斜入射到液面示意圖 圖28波束斜入射到井壁示意圖波束斜入射到液面和井壁(如鋁罐)當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)斜入射到另一種介質(zhì)時(shí)，如果兩種介質(zhì)的聲速不同，在界面上會(huì)產(chǎn)生聲波的反射、折射、和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。由于折射波不會(huì)被接收器接收，我們只考慮波的反射問(wèn)題。波的反射遵循反射定律，入射角為，反射角為β，有： (213)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，所以=β，即入射角等于反射角。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。由以上分析可知，雖然超聲波在傳播過(guò)程中有能量損耗，且波束可以有多種路徑傳播，同時(shí)還存在著多種干擾信號(hào)，但就接收器接收到的信號(hào)強(qiáng)弱而言，只有從液面反射的信號(hào)最強(qiáng)。所以可以很容易地將此信號(hào)濾出，并對(duì)它進(jìn)行處理。第三章 超聲波油量測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)超聲波油量測(cè)量?jī)x是根據(jù)“回波測(cè)距”原理設(shè)計(jì)的。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。測(cè)出從超聲波發(fā)射脈沖串至接收到回波信號(hào)的傳輸時(shí)間，即渡越時(shí)間，超聲波在同一種介質(zhì)中的傳輸速度是不變的，那么由渡越時(shí)間和聲速，就可算出要測(cè)的距離。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本油量檢測(cè)儀需要將超聲波檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)儲(chǔ)油罐中的油量進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并能顯示出有關(guān)數(shù)據(jù)，還能與上位機(jī)進(jìn)行通訊便于監(jiān)控和管理。超聲波油量測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)框圖如圖31所示。超聲波發(fā)射電路超聲波接受電路單片機(jī)系統(tǒng)8279接口電路鍵盤顯示溫度檢控與上位機(jī)通訊接口圖31超聲波油量測(cè)量?jī)x的總體框架圖超聲波油量測(cè)量?jī)x是由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要包括AT89C52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、鍵盤顯示電路和與上位機(jī)通信的接口電路等部分；軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化模塊、超聲波驅(qū)動(dòng)及信號(hào)處理模塊、鍵盤及顯示模塊和通信模塊等，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可使程序設(shè)計(jì)思路清晰，便于調(diào)試。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用了一些抗干擾措施。如采用看門狗電路防止系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)，對(duì)信號(hào)的處理采用了放大、濾波等措施。在超聲波油量測(cè)量?jī)x開始測(cè)距前需要通過(guò)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)。啟動(dòng)超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)距時(shí)，首先由單片機(jī)發(fā)出40KHz的脈沖串，每20個(gè)脈沖為一串，脈沖串通過(guò)超聲波發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波。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(guò)兩級(jí)放大，再經(jīng)過(guò)電壓比較器和D觸發(fā)器產(chǎn)生中斷信號(hào)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(cè)出的時(shí)間計(jì)算出距離。中斷返回后再發(fā)送下一串脈沖。如此反復(fù)，每測(cè)出五個(gè)距離就取一次平均值存儲(chǔ)并顯示。停止測(cè)量后，可以通過(guò)通訊接口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。這些操作也可由上位機(jī)來(lái)控制。操作人員可以通過(guò)一臺(tái)上位機(jī)對(duì)多個(gè)油量測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量、數(shù)據(jù)傳輸以及輸出打印等控制。這樣不但減少了測(cè)量過(guò)程中的人工干預(yù)，為測(cè)量帶來(lái)了方便，而且還便于管理。第四章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)按設(shè)計(jì)要求，根據(jù)超聲波測(cè)距原理，以AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)為核心，開發(fā)超聲波油量測(cè)量?jī)x。它的各部分電路的說(shuō)明如下：，其主要任務(wù)是①發(fā)出40KHz的脈沖串用來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波；②通過(guò)定時(shí)器T1對(duì)超聲波的傳輸時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)；③根據(jù)測(cè)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)的顯示；⑤與上位機(jī)通訊和數(shù)據(jù)的輸出。,超聲波發(fā)射傳感器。3．超聲波接收電路主要包括放大、電壓比較和中斷信號(hào)輸出等部分。它是用來(lái)對(duì)接收到的回波進(jìn)行放大和整形，即將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的中斷信號(hào)。4．根據(jù)設(shè)計(jì)要求:①在測(cè)量前需要先輸入一些參數(shù)。②系統(tǒng)計(jì)算出油的體積重量后要通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。③需要有一些控制按鈕來(lái)執(zhí)行不同的操作，因此需要用到4個(gè)7段碼顯示器和一個(gè)3x4的鍵盤陣列。由于CPU的機(jī)時(shí)比較緊張，所以用8279接口電路來(lái)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)。5．看門狗電路是由MAX813芯片組成，主要完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)由AT89C52單片機(jī)及其外圍電路組成，是整個(gè)超聲波油量測(cè)量?jī)x的核心電路。它通過(guò)定時(shí)器T0發(fā)出40KHz的脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波:通過(guò)定時(shí)器T1來(lái)測(cè)量超聲波的傳輸