【文章內(nèi)容簡介】 算出儲油罐內(nèi)油的高度，進(jìn)一步計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間，就是渡越時間。圖25超聲波測量原理圖如圖25所示，要測量儲油罐內(nèi)油的高度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) 由下式計算測量誤差 (210)式中，為h的測量誤差，為渡越時間的測量誤差，為聲速的測量誤差。這里利用單片機(jī)定時器計數(shù)的方法間接測量時間，可以把聲波傳播的時間精度提高到所需準(zhǔn)確度。具體的做法是，每隔一定的時間發(fā)射一串超聲波脈沖，在發(fā)射脈沖串的同時單片機(jī)定時器開始記數(shù)，在超聲波接收器接收到反射信號時，單片機(jī)停止計數(shù)。單片機(jī)定時器所計的時間，就是渡越時間，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，否則會產(chǎn)生比較大的誤差。超聲波油量測量儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的液位計量儀表相比，它具有原理簡單、易于微機(jī)控制、無接觸測量、價格低廉等優(yōu)點。由于液位計量儀一般安裝在表井的蓋上，測量的空間非常窄小，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，是否正好是從液面反射的信號，無法確定，一般存在三種可能情況：(1)從液面反射的信號，(2)表井壁反射的信號，(3)超聲波傳感器的發(fā)射器發(fā)出信號，經(jīng)液面上方的氣體層，穿過液體層，在罐底反射，再經(jīng)過液體，氣體，直到被接收器接收。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是有用的信號，從而造成測量上的誤差。因此，我們在設(shè)計、制超聲波油量測量儀的時候，首先要分清接收器接收到的究竟是哪個信號。下面將就此問題進(jìn)行討論。我們知道，超聲波在實際介質(zhì)中傳播時，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: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(x處)瞬間所具有的壓強(qiáng)，與沒有聲波存在時該點的靜壓強(qiáng)之差，稱為該點的聲壓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為振動頻率，u為介質(zhì)中聲速，φ為初相，與記時起點有關(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。===就是說聲波傳播出去10m后，振幅衰減了約1/4。我們把單位時間內(nèi)，通過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時，采取多級放大的辦法。下面討論波被反射、折射時的情況。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，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，如果兩種介質(zhì)的聲速不同，在界面上會產(chǎn)生聲波的反射、折射、和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。由于折射波不會被接收器接收，我們只考慮波的反射問題。波的反射遵循反射定律，入射角為，反射角為β，有： (213)因為入射波和反射波在同一種介質(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程中有能量損耗，且波束可以有多種路徑傳播，同時還存在著多種干擾信號，但就接收器接收到的信號強(qiáng)弱而言，只有從液面反射的信號最強(qiáng)。所以可以很容易地將此信號濾出，并對它進(jìn)行處理。第三章 超聲波油量測量儀的總體設(shè)計超聲波油量測量儀是根據(jù)“回波測距”原理設(shè)計的。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。測出從超聲波發(fā)射脈沖串至接收到回波信號的傳輸時間，即渡越時間，超聲波在同一種介質(zhì)中的傳輸速度是不變的，那么由渡越時間和聲速，就可算出要測的距離。根據(jù)設(shè)計要求，本油量檢測儀需要將超聲波檢測技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，對儲油罐中的油量進(jìn)行自動測量，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。超聲波油量測量儀的總體設(shè)計框圖如圖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超聲波油量測量儀的總體框架圖超聲波油量測量儀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)動及信號處理模塊、鍵盤及顯示模塊和通信模塊等，軟件采用模塊化設(shè)計思想，可使程序設(shè)計思路清晰，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)，對信號的處理采用了放大、濾波等措施。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)，以便能按照要求計算出距離，進(jìn)而計算出油的重量、體積等數(shù)據(jù)。啟動超聲波油量測量儀測距時，首先由單片機(jī)發(fā)出40KHz的脈沖串，每20個脈沖為一串，脈沖串通過超聲波發(fā)射電路驅(qū)動超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波。單片機(jī)在發(fā)送脈沖的同時開始計時，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)的計時，這樣就得到了超聲波的傳輸時間，然后在中斷服務(wù)程序中根據(jù)測出的時間計算出距離。中斷返回后再發(fā)送下一串脈沖。如此反復(fù)，每測出五個距離就取一次平均值存儲并顯示。停止測量后，可以通過通訊接口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。這些操作也可由上位機(jī)來控制。操作人員可以通過一臺上位機(jī)對多個油量測量儀進(jìn)行測量、數(shù)據(jù)傳輸以及輸出打印等控制。這樣不但減少了測量過程中的人工干預(yù)，為測量帶來了方便，而且還便于管理。第四章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計按設(shè)計要求，根據(jù)超聲波測距原理，以AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)為核心，開發(fā)超聲波油量測量儀。它的各部分電路的說明如下：，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通過定時器T1對超聲波的傳輸時間進(jìn)行計時；③根據(jù)測出的時間和有關(guān)參數(shù)計算出距離、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輸出等部分。它是用來對接收到的回波進(jìn)行放大和整形，即將回波信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的中斷信號。4．根據(jù)設(shè)計要求:①在測量前需要先輸入一些參數(shù)。②系統(tǒng)計算出油的體積重量后要通過顯示器實時地顯示出來。③需要有一些控制按鈕來執(zhí)行不同的操作，因此需要用到4個7段碼顯示器和一個3x4的鍵盤陣列。由于CPU的機(jī)時比較緊張，所以用8279接口電路來管理鍵盤和顯示，它可以獨立于CPU自行工作，不占CPU的機(jī)時。5．看門狗電路是由MAX813芯片組成，主要完成對系統(tǒng)的實時監(jiān)測。 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，是整個超聲波油量測量儀的核心電路。它通過定時器T0發(fā)出40KHz的脈沖信號來驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波:通過定時器T1來測量超聲波的傳輸