【導(dǎo)讀】導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致。含我為獲得及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。明并表示了謝意。以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢。獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的。法律后果由本人承擔(dān)。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬字。1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，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共同測量液。位高度，解決了液面高度不一致時的平均高度測量問題。在本文中詳細(xì)討論了超聲波測。了設(shè)計的改進意見。

　　

【正文】 H 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H （ 4）、 IT0 和 IT1：外部中斷請求觸發(fā)方式控制位 IT0（ IT1） =1：脈沖觸發(fā)方式，下降沿觸發(fā)。 IT0（ IT1） =0：電平觸發(fā)，低電平有效。 （ 5）、 IE0 和 IE1：外部中斷請求標(biāo)志位 IE0（ IE1） =1：外部中斷置位，允許外部中斷。 IE0（ IE1） =1：外部中斷復(fù)位，不允許外部中斷。 （ 6）、 TR0 和 TR1：定時器 /計數(shù)器運行控制位 TR0（ TR1） =1：定時器 /計數(shù)器工作。 TR0（ TR1） =1：定時器 /計數(shù)器不工作。 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 19 頁 共 48 頁 （ 7）、 TF0 和 TF1：計數(shù)溢出標(biāo)志位。當(dāng)定時器溢出時，相應(yīng)的溢出標(biāo)志位由硬件置 1。 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路是保證系統(tǒng)能夠工作穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵部分。在穩(wěn)壓電路部分，采用了常用的 LM7805 穩(wěn)壓芯片。 用 78/79 系列三端穩(wěn)壓 IC 來 組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便， 在 電子制作中經(jīng)常采用。 本系統(tǒng)的 穩(wěn)壓電路部分采用了經(jīng)典的接法， 如圖 33 所示。 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。并且模塊中已經(jīng)包含了超聲波發(fā)射、接收電路以及信號處理電路，外圍接口只有四個，分別是依次分別是 VCC、 TRIG、 ECHO、GND 引腳，其中， TRIG 為觸發(fā)信號輸入引腳，當(dāng)給 TRIG 引腳至少 10us 的正脈沖 時 ，模塊自動發(fā)出 8 個 40KHZ 的脈沖方波，自動檢測回波信號。當(dāng)有信號返回時， ECHO引腳輸出一個高電平，高電平的持續(xù)時間就是超聲波的從發(fā)射到返回被接收的飛行時間，單個超聲波模塊的測量距離 =高電平持續(xù)時間 *聲速 /2，表 33 顯示了 HCSR04 的各種參數(shù)。 表 33 HCSR04 電氣 參 數(shù) 電氣參數(shù) HCSR04 測距模塊 工作電壓 DC5V 工作電流 15mA 工作頻率 40KHZ 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 20 頁 共 48 頁 續(xù)表 33 最遠(yuǎn)射程 400cm 盲區(qū) 2cm 測量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號 10us 的 TTL 脈沖 輸出時間信號 輸出 TTL 電平信號，與射程成正比 HCSR04 超聲波傳感器 發(fā)射端的原理圖 如圖 34 所示 。超聲波傳感器模塊中的主控芯片采用 EM78P153 單片機， EM78P153 采用高速 CMOS 工藝的 8 位單片機，內(nèi)部有512*13 位一次性 ROM（ OTPROM）和一個 8 位定時 /計數(shù)器。 EM78P153 在接收到外部至少 10us 的正脈沖之后，啟動 8 位 定時 /計數(shù)器產(chǎn)生 40KHZ 的方波脈沖，經(jīng)過 MAX232驅(qū)動，超聲波發(fā)射端探頭產(chǎn)生和方波脈沖頻率相同的聲波脈沖。 圖 34 HCSR04 超聲波發(fā)射端電路圖 超聲波傳感器的接收端原理圖如圖 35 所示。 在超聲波接收單元中，超聲波接收探頭接收到回波信號，回波信號中帶有隨機噪聲 干擾 。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?；夭ㄐ盘柦?jīng)過 A0，信號得到放大，再經(jīng)過 A1 帶通濾波器濾除 40KHZ 以外的噪聲，在經(jīng)過 A2 取出回波信號包絡(luò)，通過 A3 比較器，當(dāng)電壓達(dá)到門限電平，輸出一個 觸發(fā) 脈沖，在 NET10 口輸入到EM78P153， 中斷定時計數(shù)器的計時， 得到飛行時間 。 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 21 頁 共 48 頁 圖 35 超聲波模塊接收端原理圖 為增加測量精度，避免由于液面擾動或大體積雜質(zhì)對測距的影響，超聲波探頭組由3 塊 HCSR04 超聲波傳感器組成。 三個超聲波發(fā)射和接受模塊通過 74HC153 與單片機相連， 74HC153 為雙四選一的雙向數(shù)據(jù)選擇器。由于 STC89C52 只有兩個外部中斷，而每個接收到的回波信號需要外部中斷來使定時器停止計時，所以，使用 74HC153 選擇特定的超聲波模塊，實現(xiàn)在一個外部中斷資源的情況下對三個超聲波模塊接收到的回波信號的中斷計時任務(wù)。具體的硬件電路圖 如圖 36 所示。 圖 36 超聲波探頭組的硬件連接 圖 溫度校正模塊 本系統(tǒng)中，溫度的探測傳感器選用 DS18B20。 數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20 是世界上第一片支持 “一線總線 ”接口的溫度傳感器 。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。 DS1820 的 測量溫度 范圍為 55℃到 +125℃ ，在 10 到 +85℃ 范圍內(nèi) ,精度為 177?！妗?現(xiàn)場溫度直接以 “一線總線 ”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。 其 適合于 在 惡劣環(huán)境的溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類 消費電子產(chǎn)品 等 。本設(shè)計中要求精度 10cm， ℃的溫度精度能控制距離測量誤差在 1cm 的范圍內(nèi)，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。 DS18B20 的示意圖如圖 37 所示，引腳說明如表 34 所示。 表 34 DS18B20 管腳說明 引腳 8PIN SOIC封裝 引腳 PR35 封裝 符號 說明 5 1 GND 電源地 4 2 DQ 單線數(shù)據(jù)輸入輸出引腳， 3 3 VDD 可選 VDD 引腳，可接外部電源 圖 37 DS1820 管腳及封裝圖 DS18B20 中包含了 64 位激光 ROM，開始的 8 位為單線產(chǎn)品的編碼（如 DS1820 的編碼是 10H），接著是 48 位唯一的序列號，這使得多個 DS18B20 可以串聯(lián)在一個總線上，最后 8 位是開始 56 位的 CRC。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）。在成功的寫入操作命令后才能訪問 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 23 頁 共 48 頁 的特定功能，然后總線主機才能提供六個存儲器和控制功能命令之一。 DS18B20 的溫度分辨率可以由用戶選擇，有 1 12 位，相應(yīng)的溫度增量為 ℃、 ℃、 ℃和 ℃。在未做更改分辨率的情況下，傳感器默認(rèn)的分辨率為 12 位，為了初始化溫度傳感器并且得到數(shù)模轉(zhuǎn)換的溫度值，主機必須向 DS18B20寫入溫度轉(zhuǎn)換指令（ 44H），溫度轉(zhuǎn)換需要至少 750ms 時間，所以至少間隔 750ms 主機才能讀溫度值。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫度存儲在 2 字節(jié)的溫度存儲器中，溫度存存儲器的格式如表 35 所示。 表 35 DS18B20 溫度存儲器格式 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 低 8 位 23 22 21 20 21 22 23 24 BIT15 BIT14 BIT13 BIT12 BIT11 BIT10 BIT9 BIT8 高 8 位 S S S S S 26 25 24 其中， S 是符號位，當(dāng)溫度為正值時， S=0，當(dāng)溫度為零下為負(fù)值時， S=1。 DS18B20 與單片機的傳統(tǒng)接法為單總線接法，其物理連接圖方式如圖 38 所示。 圖 38 DS18B20 物理連接圖 DS18B20 單總線結(jié)構(gòu)的通信過程包括了初始化、 ROM 操作命令、存貯器操作命令、處理數(shù)據(jù)。 （ 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。初始化 序列包括總線主機發(fā)出一復(fù)位脈沖，接著從屬傳感器回復(fù)存在脈沖，表示傳感器工作正常，可以進行接下來的操作。初始化操作的時序圖如圖 39 所示 , 總線主機向總線發(fā)出一復(fù)位脈沖，此脈 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 24 頁 共 48 頁 沖至少為 480us。接著，主機釋放總線進入接收狀態(tài)。并由上拉電阻將總線電平拉高在檢測到總線上上升沿電平后， DS18B20 等待 1560us 并且發(fā)出 60240us 的負(fù)脈沖。主機檢測到此負(fù)脈沖，表示總線上連接著 DS18B220 溫度傳感器。 圖 39 初始化操作時序圖 （ 2）、 ROM 操作命令 一旦總線主機檢測到從屬器件的存在，踏遍它便發(fā)出 ROM 操作命令。所有的 ROM操作命令均為 8 位字長， ROM 操作指令如表 36。 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。 Alarm ROM ECH 在溫度測量出現(xiàn)告警的情況下給出告警響應(yīng) （ 3）、存貯器操作指令 在寫入了 ROM 操作指令后，要對 DS18B20 寫入存貯器操作指令，包括溫度轉(zhuǎn)換指令（ 44H）、寫暫存器指令（ 4EH）、讀暫存器指令（ BEH）、復(fù)制暫存器指令（ 48H）等。具體指令集如表 37 所示。 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 25 頁 共 48 頁 表 37 DS18B20 存貯器指令集 指令名稱 指令代碼 指令功能 溫度變換 44H 啟動 DS18B20 進行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間最長 為 500ms （典型為 200ms ），結(jié)果存入內(nèi)部 9 字節(jié) RAM 中。 讀暫存器 0BEH 讀內(nèi)部 RAM 中 9 字節(jié)的內(nèi)容。 寫暫存器 4EH 發(fā)出向內(nèi)部 RAM 的第 3 ， 4 字節(jié)寫上，下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù) 。 復(fù)制暫存器 48H 將 RAM 中第 3 ， 4 字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到 EEPROM 中。 調(diào) EEPROM 0B8H EEPROM 中的內(nèi)容恢復(fù)到 RAM 中的第 3 ， 4 字節(jié)。 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 ”。 （ 4）、 DS18B20 的讀寫時序 DS18B20 的數(shù)據(jù)讀寫是通過時間隙處理位和命令字來確認(rèn)信息交換的。其讀寫時序圖如圖 310 所示。 圖 310 DS18B20 讀寫時序圖 寫時間隙分為寫“ 0”和寫“ 1”。在寫數(shù)據(jù)時間隙的前 15uS 總線需要是被控制器拉置低電平，而后則將是芯片對總線數(shù)據(jù)的采樣時間，采樣時間在 15~60uS，采樣時間內(nèi)如果控制器將總線拉高則表示寫“ 1”，如果控制器將總線拉低則表示寫“ 0”。每一位的 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 26 頁 共 48 頁 發(fā)送都應(yīng)該有一個至少 15uS 的低電平起始位，隨后的數(shù)據(jù)“ 0”或“ 1”應(yīng)該在 45uS 內(nèi)完成。整個位的發(fā)送時間應(yīng)該保持在 60~120uS，否則不能保證通信的正常。 讀時間隙時控制時的采樣時間應(yīng)該更加的精確才行，讀時間隙時也是必須先由主機產(chǎn)生至少 1uS 的低電平，表示讀時間的起始。隨后在總線被釋放后的 15uS 中 DS18B20會發(fā)送內(nèi)部數(shù)