【正文】 鍵盤部分提供的掃描方式，可以和具有 64 個(gè)按鍵或傳感器的陣列相連，能自動(dòng)消抖及 n鍵同時(shí)按下的保護(hù)。平時(shí)該管腳置成高電平，當(dāng) AT89C51發(fā)送完驅(qū)動(dòng)脈沖串以后，在允許外部中斷 0 中斷的同時(shí)，將 置成低電平；當(dāng)接收到回波信號，并將其轉(zhuǎn)換成 D 觸發(fā)器的時(shí)鐘信號后， D 管腳的低電平將通過 D 觸長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 22 發(fā)器的 Q 端送出，作為 AT89C51 的外部中斷 0 的中斷信號。在本系統(tǒng)中采用了 177。因?yàn)檩斎?頻率為 40kHz，比較高，集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓比較器的響應(yīng)速度較慢，達(dá)不到要求的頻響速度，所以采用了集成電壓比較器 LM311。脈沖發(fā)送完畢之后將 管腳置成高電平，斷開 1, 2 管腳的連接，等待回波信號的通過。 由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號的轉(zhuǎn)換、信號的放大和整形以及產(chǎn)生中斷信號等功能。它的工作原理是這樣的： 管腳輸出頻率為 40kHz的方波，用來控制 Q3 的導(dǎo)通與截止，從而在變壓器的輸入端得到一個(gè)幅度將近 20V 的方波，使得超聲波的發(fā)射器得到足夠的能量。這樣發(fā)一次脈沖測量一次距 離，然后每 5 個(gè)距離取一次平均值顯示并存儲。由于超聲波在同一種介質(zhì)中的傳播速度不變，因此通過單片機(jī)的定時(shí)器可測出超聲波脈沖串發(fā)射至接收到回波信號所需的時(shí)間 T，根據(jù)公式 s=181。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源 (VPP)。在由外部程序存儲器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。 RST：復(fù)位輸入。 P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P1 口 管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。當(dāng) P1口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 (2)芯片的引腳描述 ： CHMOS 制造工藝的 89C51 單片機(jī)采用 40 引腳的雙列直插封裝（ DIP 方式），在單片機(jī)的 40 條引腳中有 2 條專用于主電源的引腳， 2 條外接晶體的引腳， 4 條控制與其它電源復(fù)用的引腳， 32 條輸入 /輸出（ I/O）引腳。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技 術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。它通過定時(shí)器 T0 發(fā)出 40KHz的脈沖信號來驅(qū)動(dòng)超聲波傳感長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 17 器發(fā)射超聲波：通過定時(shí)器 T1 來測量超聲波的傳輸時(shí)間：測量出時(shí)間后根據(jù)要求計(jì)算出各種需要的數(shù)據(jù)。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求： ① 在測量前 需要先輸入一些參數(shù)； ② 系統(tǒng)計(jì)算出油的體積、重量后要通過顯示器實(shí)時(shí)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(gè) 7 段碼顯示器和一個(gè) 3ｘ 4 的鍵盤陣列。 它的各部分電路的說明如下： 89C51 單片機(jī) 最小系統(tǒng)是超聲波油量測量儀的核心部分，其主要任務(wù)是 ① 發(fā)出 40KHz的脈沖串用來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波； ② 通過定時(shí)器 T1 對超聲波的傳輸時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)： ③ 根據(jù)測出的時(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)據(jù)的顯示。 這些操作 也可由上位機(jī)來控制。 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(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)測出的時(shí)間計(jì)算出距離。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。 與上位機(jī)通訊接口單片機(jī)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 圖 31 超聲波油量測量儀的總體設(shè)計(jì)框圖 超聲波油量測量儀是由硬件和軟件兩部分組成。 圖 29 為波束斜入射到液面示意圖 圖 210 為波束斜入射到井壁示意圖 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 15 第 3 章 超聲波油量測量儀的總體設(shè)計(jì) 及硬件設(shè)計(jì) 超聲波油量測量儀的總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)思想 超聲波油量測量儀是根據(jù) ―回波測距 ‖的原理設(shè)計(jì)的。 波的反射遵循反射定律，入射角為 a，反射角為 β，有： UU /s in/s in ?? ? (218) 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，因此有： ??? ，即入射角等于反射角。 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。 下面討論波被反射、折射時(shí)的情況。由式 (22) (23)知，在空氣里， b=2ｘ 1013s2/cm，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率戶 f=40kHz，代入式 (23)可得 a= x104cm1。 一束超聲波 (視為平面波 )的聲壓可表示為： ??? ??? )/c o s (0 xpP t (211) 式中， P0為聲壓振幅， P0=P181。 某一點(diǎn) (x 處 )瞬間所具有的壓強(qiáng)，與沒有聲波存在時(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。 (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。 由于超聲波是一種聲波，其速度 與溫度有關(guān)， u≈(+)m/s， 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，否則將會(huì)有比較大的誤差，這也是本儀 器需要改進(jìn)之處。因此，實(shí)現(xiàn)聲波測距必須避開直 接測量時(shí)間的方法， 才能獲得實(shí)用的測量精度。 如圖 27 所示，要測量儲油罐內(nèi)油 面 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(shí)間 T，若超聲波的傳播速度為 u，罐的總高度為 H，則 2/uTHh ?? (29) 由下式計(jì)算測量誤差 2/2/ uTT Tuu ??? ??? (210) 式中，占 181。 本次 設(shè)計(jì)的超聲波油量儀的發(fā)射器和接收器是固定在一起的，安裝在罐中表 井的蓋子上，也就是罐的頂部。本超聲波油量測量儀采用渡越時(shí)間檢測法。25%PF 允許輸入電壓 20V 20V 20V (4)典型特性曲線 聲壓電平和靈敏度特性曲線如圖 2圖 26 所示。1 kHZ 40177。利用超聲波的傳播速度比光速慢的特點(diǎn)，調(diào)整用門信號控制被測物體反射的超聲波的檢測時(shí)間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。 回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場合。若被檢測物體相對傳感器的檢測面為傾斜時(shí)，則有時(shí)不能檢測到被測物體。這種方式的檢測距離約 1m，作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測物體使用 100mm100mm的方 形板。超長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 7 聲波傳感器用等效電路 (如圖 22 所示 )來分析共振頻率附近的超聲波換能器的特性： R0C1C0L1. ...Z1 圖 22 超聲波傳感器等效電路 換能器的能量用 Qm，電能用 Qe 表示。其結(jié)構(gòu)原理如圖 21 所示。電氣方式類型包括：壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械式方式有：氣流旋笛、液哨、加爾統(tǒng) 笛等。在這種頻率范圍，超聲波敏感元件成為薄膜狀，與傳統(tǒng)的形狀大相徑庭，它的進(jìn)步將對電子學(xué)的發(fā)展起重要作用。很早以前，人們便掌握了超聲波探傷與聲納的技術(shù)。一般市場上出售的超聲波傳感器有專用 型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。 超聲波傳感器工作原理 超聲波傳感器基本結(jié)構(gòu)及工作原理 人們可以聽到的聲音頻率為 20Hz～ 20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即 20Hz以下的聲音稱為低頻聲波， 20kHz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為 100Hz~8kHz[9][13]。 衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 2bfa? (23) 式中， b 為介質(zhì)常數(shù) ,f 為振動(dòng)頻率， f=ω/2π 在空氣里， b=2ｘ 1013s2/cm，當(dāng)振動(dòng)的聲波 頻率 f=40kHz 代入式 (23)可得 a= 104cm，即 1/a=31m；若 f=30kHz，則1/a=56m。 與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。 本文討論了 產(chǎn)生誤差的各種原因，提出了相應(yīng)的解決辦法，為研制更完善的超聲波油量測量儀打下了基礎(chǔ)。在軟件設(shè)計(jì)中，我們采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，將軟件分為超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊和功能模塊，每個(gè)模塊又由若干小模塊組成。為了克服這些缺點(diǎn)，本課題利用單片機(jī) AT89C51 為核心，控制超聲波對油量進(jìn)行自動(dòng)檢測和數(shù)據(jù)處理，提供了一個(gè)帶顯示，鍵盤和微型打印機(jī)的人機(jī)對話界面，且能與 PC 機(jī)通信。研制一種安裝、使用簡便，測量準(zhǔn)確又價(jià)格低廉的油量測量儀就是本課題要完成的任務(wù)。雷達(dá)液位儀的測量精度較高，但安裝較為復(fù)雜，而且價(jià)格相當(dāng)昂貴。 人工檢尺法是利用浸入式刻度鋼皮尺測量液位，操作人員需要爬到儲罐的頂部進(jìn)行測量。 超聲波油量測量儀的研究目的及意義 在石油化工領(lǐng)域中，儲油罐中油量的 測 量越來越顯示出其重要地位 。2mm， METI 型磁效應(yīng)液位儀采用磁效應(yīng)原理，精度為 %， 1995 年又推出了 BL30 雷達(dá)液位儀，精度為 177。 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 儲罐 液位測 量儀表的現(xiàn)狀 立式油罐主要分布在煉油廠、化工廠和石油銷售公司三大系統(tǒng)。較典型的是利用超聲波穿透空氣及液體時(shí)衰減率的顯著差別來檢測液面的超聲液位開關(guān)；利用空氣和液體對振動(dòng)體的阻尼差別 來檢測液位的振動(dòng)式液位開關(guān)；以及利用空氣和液體電導(dǎo)率的不同來檢測液位的電導(dǎo)式液位開關(guān)。由于液位與 γ射線衰減量是非線性關(guān) 系，所以必須通過統(tǒng)計(jì)標(biāo)定。激光的光束是很窄的 ，在液位儀中通過光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成約 20mm 寬的光束，這樣即使被測物面很粗糙，漫反射光也能被傳感器接收。雷達(dá)液位 儀 特別適用于高粘度或高污染的產(chǎn)品，如瀝青等。2mm，輸出信號符合 HART 協(xié)議或 profibus 總線標(biāo)準(zhǔn)或 FF 總線標(biāo)準(zhǔn)。智能化的超聲波液位 測量 儀帶有一個(gè)功能很強(qiáng)的智能回波分析軟件包。目前荷蘭 Enraf 公司的 ATG 854 伺服液位儀精度可達(dá) 177。伺服式液位儀的微機(jī)智能化，使得它的跟蹤誤差可達(dá) 。機(jī)械鋼帶式液位儀的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低；缺點(diǎn)是：僅能測液位，傳動(dòng)部件多，可靠性較差，又因需要罐內(nèi)安裝，維護(hù)困難。這種液位儀采用一個(gè)又大又重的浮子，由一條多孔鋼帶將浮子連接至一個(gè) 恒轉(zhuǎn)矩裝置或平衡錘。 目前使用的液位儀有以下幾種： (1)人工檢尺 利用浸入式刻度鋼皮尺測量液位，取樣測量油溫和密度，通過計(jì)算，得到儲液的體積和重量，這是至今仍然在全世界廣泛使用的儲罐計(jì)量方法，也可把它用作現(xiàn)場檢驗(yàn)其他測量儀表的參考手段。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字 化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。 Ultrasonic Wave。軟件設(shè)計(jì)中，我們采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，將軟件分為超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊、功能模塊兩大類。 介紹了液位測量儀的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，深入討論了用超聲波作為信號源進(jìn)行液位測量的可行性及優(yōu)越性，以及產(chǎn)生誤差的各種原因，并提出了相應(yīng)的解決辦法。本課題詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及 Atmel 公司的 AT89C51 單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波測距原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題。 這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。 Liquid Level Measurement 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 III 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日