【導(dǎo)讀】附錄一：超聲波液位計電路原理圖.......

　　

【正文】 礙物反射后，經(jīng)接收檢測電路產(chǎn)生外中斷信號至單片機。在中斷服務(wù)程序中，要從把進入中斷服務(wù)程序處的計數(shù)值讀出并 保存在 RAM 中，再對該數(shù)據(jù)進行處理，計算得到相應(yīng)的距離值，并轉(zhuǎn)換為十進制，最后顯示輸出。如圖 和圖 。 定 時 中 斷 入 口定 時 初 始 化發(fā) 射 超 聲 波 停 止 發(fā) 射返 回發(fā) 射 完 否 ？N OY E S定 時 中 斷 入 口關(guān) 外 部 中 斷讀 取 時 間 值輸 出 結(jié) 果計 算 距 離開 外 部 中 斷返 回 定時中斷子程序框圖 外部中斷結(jié)構(gòu)框圖 報警系統(tǒng)子程序流程如圖 。當(dāng)系統(tǒng)顯示完所測的液位后，單片機判斷當(dāng)前位置是否達到預(yù)先設(shè)定的值，如果達到，報警，否則返回。 初 始 化達 到 設(shè) 定 值報 警返 回Y E SN O 圖 報警系統(tǒng)子程序流程 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)的超聲波流量計的軟件設(shè)計。分析設(shè)計出超聲波流量計的各種程序模塊的設(shè)計流程。 第五 章 實驗結(jié)果分析及改進 實驗結(jié)果分析 為了驗證系統(tǒng)的測量精度，在實驗進行了實地測驗。正對光滑硬質(zhì)表面進行測量，探頭間的 距離為 4cm。超聲測距系統(tǒng)實物 如圖 示。本測距系統(tǒng)測距范圍— 6m。 20cm— 2m 內(nèi)測量數(shù)據(jù)如圖表 所示， 不同時刻在同一點測 3 個值。表 所示實際距離是 卷尺測量得到的。 圖 超聲測液位儀 (a) 圖 超聲波液位儀測距系統(tǒng)測量值與實際值 單位 cm 實際值 20 40 60 80 120 140 180 200 測量值 次數(shù) 1 21 41 61 82 121 142 182 201 2 20 42 61 81 122 141 181 201 3 21 41 61 81 122 140 182 202 從表 ，最大測距誤差不超過 2cm,數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，具有一定的可重復(fù)性。但數(shù)據(jù)不能全吻合，主要有以下幾個原因： (1)每次測量時，探頭的位置，方向有微小變動。而且環(huán)境條件不同也會得到不同的結(jié)果。 (2)盲區(qū)的出現(xiàn)是因為發(fā)射信號必須有一個上升時間，當(dāng)距離太近時計算機系統(tǒng)已不能處理迅速返回的反射波信號，所以距離小于 時測量誤差明顯增加。遠距離時，回波信號微弱，混有大量的噪聲，對門限判定造成很大干擾，易產(chǎn)生誤判。 (3)由于反射物而引起的偶然誤差，這可能是測量中最大的誤差源。發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波并非直線傳播，而是呈喇叭狀擴散傳播的。反射物表面不是很平整，而且也并不一定垂直于兩探頭的軸線，所以反射回來的波也許是從 A 點獲得，也許是從 B點獲得，測得的結(jié)果必然不想同。 在應(yīng)用中往往由于被測物表面材質(zhì)、系統(tǒng)中元器件參數(shù)誤差等因素的影響，所以測距范圍在 3m 內(nèi)是最好的，而最小測量距離受限于回波干擾，所以最小測距為 20cm 左右。 表 中 實驗結(jié)果分析及改進 主要來自以下幾個方面 : (1)回波起伏誤差 。由于空氣氣流的起伏、目標(biāo)的形狀和粗糙度不同、傳感器的響應(yīng)特性較差等原因，使得傳感器的回波信號不是一個規(guī)則信號，有較大的不確定性，給觸發(fā)閉值的設(shè)置帶來難度，從而帶來測量誤差 。 (2)電平閉值觸發(fā)部分的誤差。由于測量距離、超聲的入射角度、反射介質(zhì)等方面的不同，使得接收換能器所獲得的回波幅度相差很大。使用單一電平閉值時，若設(shè)置的閡值過高，則可能使較微弱回波漏觸發(fā)，出現(xiàn)測量錯誤 。若閉值過低， 則可能出現(xiàn)測量的相位誤差，如圖 所示，這種相位誤差最后就禍合到測試誤差中。 圖 閩值觸發(fā)引起的相位誤差 (3)聲速的誤差。一般的超聲測量只考慮了聲速隨溫度的變化情況，而且為了計算方便，把原始公式用一個較為簡單的公式代替。實際上，除溫度外，聲速還與氣壓、濕度、風(fēng)速等有關(guān)，尤其在惡劣的野外環(huán)境下，后面幾種因素的影響不可忽略，此時就有了較大的測量誤差 。 (4)直達波的影響。有一部分聲波從發(fā)射探頭直接傳到接收探頭，這部分信號直接加到回波信號中，干擾回波信號的檢測。可以通過軟件算法對直達波進行識別，消除直達波誤報警情況。芯片一旦判定收到的超聲波信號是聲波衍射返回的信號，則自動忽略該結(jié)果，芯片繼續(xù)等待在該探頭工作周期內(nèi)是否有有 效反射波，有則進行處理，沒有則轉(zhuǎn)入下一探頭的驅(qū)動。 (5)對 t 的計數(shù)誤差。因為 t 一 N’△ t，其中， N 為計數(shù)器的計時結(jié)果，△ t 為時基時隙，所以每次測量就有左范圍內(nèi)的計時誤差，△ t由單片機的計時時鐘決定，主要和單片機的指令速度有關(guān) 。 (6)測距系統(tǒng)本身帶來的系統(tǒng)誤差。主要是超聲換能器的反應(yīng)有一定的時間延遲 。系統(tǒng)對回波信號的處理需要一定的時間 。數(shù)據(jù)處理過程中帶來的誤差，如AI89S51 是 8位的單片機，處理精度不高，在數(shù)據(jù)處理過程中如整數(shù)與小數(shù)的相乘就會帶來誤差等，這些誤差都是系統(tǒng)誤差。 (7)反射角度誤差。如果系 統(tǒng)是用來測量面與點的距離，則被測物、換能器及換能器所在測量參考平面三者之間存在一個幾何角度，即反射波入射到換能器的角度，當(dāng)這個角度不是 90 度時，系統(tǒng)測量到的距離是障礙物與換能器之間的距離而不是和測量參考平面之間的距離，這就會造成測量誤差。當(dāng)障礙物的距離較小時，這個誤差就會成為近距離時的主要誤差來源。如果超聲測距系統(tǒng)應(yīng)用在要求較高的應(yīng)用中，就要考慮以上所說的種種誤差， 想辦法加以克服，最大限度地減小它們的影響。 本章主要介紹了系統(tǒng)的實驗結(jié)果分析及改進 ，和實驗誤差產(chǎn)生的原因。 第 六 章結(jié)論與展 望 本文通過對超聲波在媒質(zhì)中的傳播特性，超聲換能器的工作機理和測距算法分析，研究超聲波信號的衰減以及脈沖信號的驅(qū)動特性，并據(jù)此設(shè)計脈沖信號的發(fā)射電路，基于 AT89S51 單片機作為主控芯片完成液位系統(tǒng)測量的設(shè)計，利用集成芯片 CX20206A 檢測回波信號，然后通過得到的渡越時間計算液位距離。 本系統(tǒng)采用了新型振動模式超聲波探頭、抗干擾電路、單片機系統(tǒng)以及合理的軟件算法，使得本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點 : (1)采用了超聲波空氣傳感器作探頭，體積小、靈敏度高、安裝簡單、使用方便， 轉(zhuǎn)換效率也較高。 (2)發(fā)射探頭的頻率信號來 自單片機系統(tǒng)，準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠，而且可以隨時通過軟件改變頻率，以驅(qū)動相應(yīng)發(fā)射探頭。 (3)接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號后，通過集成芯片 CX20206A 的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形等功能，減少了電路之間的相互干擾，減小電噪聲。 (4)采用了單片機，使系統(tǒng)體積小、重量輕，加強了靈活性和可靠性，修改、調(diào)試、定標(biāo)都方便。 (5)采用非接觸式測量方式，不影響被測表面，應(yīng)用范圍廣。 實驗證明，本系統(tǒng)在空氣中測量范圍為 — 5m 左右，測量時要求被測表面比較光滑平坦，確保超聲波能夠被反射回來，并被探頭接 收。在實驗中，對 —5m范圍進行測量，最大誤差不超過 2cm，線性度、穩(wěn)定性和重復(fù)性都比較好。 通過實驗發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)仍有一些需改善的方面 : (1)由于探頭限制，在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下，測量誤差較大，可以根據(jù)實際情況更換更合適的探頭。測量距離與發(fā)射功率直接相關(guān)，由于探頭功率有限，只能在較小范圍測量。提高發(fā)射探頭功率，測距范圍將擴大。 (2)超聲波在傳播過程中受空氣熱對流擾動以及塵埃吸收的影響，接收回波的幅值隨傳播距離的增加成指數(shù)規(guī)律衰減，使得遠距離回波難以檢測。同時其他誤差源，比如電阻電容的熱噪聲，電路延遲 引起的渡越時間檢測誤差等。改進方法是提高發(fā)射探頭電壓，增大發(fā)射功率。 最后，本超超聲波液位計系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性還有待提高。超聲測距采用如雷達的回波探測方式，回波信號波形就與目標(biāo)特性有關(guān)。碰到與超聲波長相對而言粗糙表面的目標(biāo)，就要發(fā)生漫反射 。碰到平整的表面，就產(chǎn)生近于鏡面反射，因此，回波信號起伏很大。在一般的工業(yè)現(xiàn)場中，聲音干擾信號或干擾信號往往很大，這種干擾信號能夠改變超聲波距離測量中的接收信號，這樣不僅增大了測量誤差，甚至有可能造成重大的測量錯誤，降低了整機的可靠性。 超聲液位測液位 技術(shù)是一門交叉學(xué) 科，它設(shè)計到聲學(xué)、力學(xué)、材料科學(xué)等，每一門學(xué)科的新發(fā)展都會推動超聲學(xué)的發(fā)展。新型換能器以及大功率驅(qū)動電源技術(shù)的發(fā)展必將使超聲的測距范圍進一步擴大，超聲測距技術(shù)將廣泛應(yīng)用于機器人或無人小車的定位系統(tǒng)、交通工具安全預(yù)警等方面。 本章小結(jié) 本章主要介紹了如何來提高超聲波液位儀的精確度，特別是對溫度補償?shù)姆椒ㄟM行了分析。通過實驗數(shù)據(jù)表明，溫度補償和平均數(shù)字濾波的方法對提高超聲波液位儀的精確度有很大的提高。其次，列舉了超聲波液位儀在測量數(shù)據(jù)的過程中，可能遇到的誤差因素，并對各種因素采取相應(yīng)的措施。 總結(jié) 目 前市場上進口和國產(chǎn)超聲波液位儀種類繁多，性能各異，隨著經(jīng)濟的發(fā)展 ，科技的快速進步，人們不再滿足于耗時耗力且精度不高的測量方式，高精度、智能化 超聲波液位儀的市場需求將不斷擴大 。在熟悉超聲波的傳播特性及超聲波探頭的結(jié)構(gòu)原理等問題后，選用了 T/R4016 型超聲波探頭器。另外在兼顧了性能的同時，從節(jié)約成本的角度考慮，選用了 89C51 型單片機作為控制核心，并采用 數(shù)碼顯示管顯示液位 。在整個課題研究過程中，主要完成了如下工作內(nèi)容 : ，設(shè)定出基于超 聲波原理的 超聲波液位測量系統(tǒng)方案。 ，完成超聲波液位測量系統(tǒng)硬件電路的 設(shè)計和調(diào)試，包括 超聲波發(fā)射電路、接收電路、顯示電路 等。 ，實現(xiàn)用單片機精確計時、控制測量過程、數(shù)據(jù)處理、輸出液位數(shù)據(jù)等功能 。 在軟件設(shè)計部分，運用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進行分別編程，這樣不但使整個軟件的層次比較清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改，軟件部分分為超聲波驅(qū)動、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊等。 ，改進設(shè)計中出現(xiàn)的問題，使得系統(tǒng)可以穩(wěn)定的工作。 最后對該系統(tǒng)測量精度進行分析，提出了應(yīng)該采取的措施，使其測量更精確。整個儀表的操作通過單片機控制完成，通過對超聲波的測量來液位的測量。超聲波液位儀測量的距離有一定的范圍，一般可達到 ～ 19 米左右。在實際應(yīng)用中，可用于液位的測量與檢測，例如工廠的供水系統(tǒng)，在工廠運作時，要控制供水系統(tǒng)的水位在某一范圍內(nèi)，安裝該水位測量儀可實時監(jiān)測到當(dāng)前水位的高度，從而給工程人員提供操作依據(jù)。 因為時間和水平所限，在工作中有一些不太滿意的地方，都有待以后的工作中進一步的完善和解決。 由于本人的水平有限，文中難免有不妥 和錯誤之處，懇請各位老師和同學(xué)批評指正 參考文獻 [1].李榮正等 .《 PIC 單片機原理及應(yīng)用》 [M]北京航天航空大學(xué)出版社 2020，34～ 42 [2].李學(xué)?！?PIC 單片機實用教程－基礎(chǔ)篇》 [M] 北京航天航空大學(xué)出版社2020， 14～ 22 [3].阮成功 ,藍兆輝 ,陳碩《基于單片機的超聲波液位儀系統(tǒng)》 [J] 高等教育出版社 2020,22～ 24 [4].李麗霞《單片機在超聲波液位儀中的應(yīng)用》 [M]北京航天航空大學(xué)出版社2020， 7～ 9 [5].姜道連 ,寧延一 ,袁世良 《用 AT89C2051 設(shè)計超聲波液位儀》 [J] 國外電子元器件 2020， 122～ 134 [6]. 杜洪君，《超聲波液位儀儀電路及程序設(shè)計》 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