【正文】 溫度傳感器選用DS18B20 ，DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。當(dāng)燃油牌號(hào)一定時(shí)，主要是溫度變化引起燃油密度變化，使浮子浸在燃油中的高度發(fā)生變化，給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差，必須加以修正?；夭ń邮针娐泛蛦纹瑱C(jī)之間接光電禍合器TLP5211進(jìn)行隔離。第三部分電路由三級(jí)管Q1和Q2組成，光電禍合器經(jīng)三級(jí)管Q3驅(qū)動(dòng)，用以隔離放大電路和單片機(jī)?；鶞?zhǔn)電壓值應(yīng)比經(jīng)AD620放大的有用返回脈沖電壓值稍低，由電阻和穩(wěn)壓管組成的電路提供，電容Cl為交流禍合電容。在本設(shè)計(jì)中，電阻R選用100的變阻器，實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)R使輸出達(dá)到要求值，量出變阻器的阻值，用相應(yīng)阻值的金屬膜電阻代替。AD620對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制能力，低電壓，低漂移，體積小，可以應(yīng)用于精密儀表采集系統(tǒng)；噪聲低，偏置電流低，低功耗，非常適合做儀器儀表的前置放大級(jí)。整個(gè)接受電路分為三部分：差分放大電路、比較整形電路和二級(jí)放大電路。由于返回電脈沖的幅度很小，需要放大倍數(shù)較大。對(duì)回波接受電路的要求是放大倍數(shù)要大，噪聲抑制能力要強(qiáng)。工作時(shí)，當(dāng)輸入脈沖為低電平時(shí)候，對(duì)Q1管，U，Q1管不導(dǎo)通，起到開關(guān)的作用，Q2管也不導(dǎo)通，Q3管導(dǎo)通，Q4柵極為低電平，Q4不工作，波導(dǎo)絲上沒有電流；當(dāng)輸入脈沖為高電平時(shí)，對(duì)于Q1管，U0，Q1管導(dǎo)通，Q2管也導(dǎo)通，Q3管不導(dǎo)通，此時(shí)Q4的柵極電壓為高電平（柵極電壓值可以通過變阻器R7來(lái)調(diào)節(jié)），Q4管工作，波導(dǎo)絲上加載了脈沖電流。光電耦合器中的發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流一般在10到20MA，不能直接由單片機(jī)的I/O口來(lái)驅(qū)動(dòng)，所以使用三極管Q1來(lái)提高驅(qū)動(dòng)能力，3為開關(guān)管，Q4為功率放大管，起功率放大作用。脈沖發(fā)射電路如圖43所示。并且電流大小與測(cè)量范圍無(wú)關(guān)。根據(jù)有關(guān)資料，脈寬 在2到6S為宜，在設(shè)計(jì)中去3S，可以通過軟件控制單片機(jī)端口高電平的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。課題選用的最大量程I為12米，而扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲中的傳播速度為1950m/s，則返回脈沖經(jīng)過波導(dǎo)絲的最大時(shí)間間隔為t=I/V=12m/(1950m/s)=所以，發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔T應(yīng)該大于t，即T，即發(fā)射脈沖的發(fā)射頻率f應(yīng)該小于I/t=2000HZ，由于脈沖還要經(jīng)過處理和計(jì)算，綜合考慮，本設(shè)計(jì)取發(fā)射脈沖頻率為100HZ，通過單片機(jī)控制脈沖發(fā)射電路發(fā)射電流脈沖。由于電流傳輸?shù)乃俣群芸?，可以忽略不?jì)，所以只要測(cè)出發(fā)射脈沖和返回脈沖的時(shí)間間隔就可以計(jì)算出浮子的位置，也就是液面位置。本設(shè)計(jì)的測(cè)量最大值為12米，因此選用單個(gè)脈沖波形，在一定程度上可以減少干擾。對(duì)于寬度較長(zhǎng)的等幅余弦波列脈沖，頻譜較純，大部分聲能集中在載波頻率上，它在頻散媒質(zhì)中傳播時(shí)的波形畸變較小，中間的一段脈沖波形可以保持和原來(lái)一致，這一部分能量最大，且以恒定群速度傳播。在要求分辨力較高且測(cè)量范圍不大時(shí)，我們選擇單個(gè)脈沖作為發(fā)射脈沖。電流脈沖的發(fā)射波形由頻譜分析得知，每一種脈沖波都是復(fù)波。 脈沖發(fā)射電路 脈沖發(fā)射電路參數(shù)分析由于單片機(jī)產(chǎn)生的TTL電平脈沖無(wú)法提供足夠大的電流，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)磁致伸縮波導(dǎo)絲產(chǎn)生較強(qiáng)的垂直于軸向的環(huán)向磁場(chǎng)，來(lái)使磁致伸縮波導(dǎo)絲產(chǎn)生足夠大的扭轉(zhuǎn)變形，因此必須通過脈沖放大電路進(jìn)行放大，得到足夠強(qiáng)度的電流脈沖。綜上所述，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，本設(shè)計(jì)選擇定時(shí)器0的方式1。IT1的狀態(tài)可以用指令來(lái)置1或清0。IT1=0為電平觸發(fā)方式，低電平有效。當(dāng)檢測(cè)到上存在有效的中斷申請(qǐng)時(shí)，又硬件使IE1置位，當(dāng)CPU轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時(shí)，由硬件使IE1中斷申請(qǐng)標(biāo)志清0。 TF0，TR0分別與TF1，TR1相似。當(dāng)TMOD中的GATE位為0且TR1=1時(shí)，允許T1計(jì)數(shù)；TR1=0時(shí)禁止T1計(jì)數(shù)。發(fā)生溢出時(shí)TF1置1。表43 M1，M0是方式選擇M1M0工作方式00方式0，為13位定時(shí)/計(jì)數(shù)器01方式1，為16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器10方式2，為自動(dòng)重裝常數(shù)的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器11方式3，僅用于T0，分成2個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器M1，M0是方式選擇如表43：C/是定時(shí)/計(jì)數(shù)方式選擇位；為0是TIME定時(shí)，為1是COUNT計(jì)數(shù)。所以計(jì)數(shù)器的晶振頻率決定了傳感器的測(cè)量分辨力，計(jì)數(shù)頻率越高，單個(gè)計(jì)數(shù)脈沖所代表的時(shí)間當(dāng)量就越小，分辨力就越高。本設(shè)計(jì)采用由高頻晶振與計(jì)數(shù)器構(gòu)成的時(shí)間量檢測(cè)電路。為此，數(shù)字接口應(yīng)是最佳選擇。P3口還用于第二功能請(qǐng)參看表41。④ P3口（ ）是一個(gè)帶有內(nèi)部提升電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。③ P2口（ ）是一個(gè)帶有內(nèi)部提升電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位地址。② P1口（ ）是一個(gè)帶有內(nèi)部提升電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。（4）輸入/ ， ， ， 。當(dāng)/Vpp為高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，當(dāng)/Vpp 為低電平時(shí)，則訪問外部程序存儲(chǔ)器。同樣可以驅(qū)動(dòng)八LSTTL輸入。但要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖，ALE 端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）八個(gè)LSTTL電路。② ALE/ 正常操作時(shí)為ALE功能（允許地址鎖存）提供把地址的低字節(jié)鎖存到外部鎖存器，ALE 引腳以不變的頻率（振蕩器頻率的）周期性地發(fā)出正脈沖信號(hào)。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接外部振蕩源。 ② XTAL2內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端。40條引腳說(shuō)明如下：（1）主電源引腳Vss和Vcc① Vss接地② Vcc正常操作時(shí)為+5伏電源（2）外接晶振引腳XTAL1和XTAL2① XTAL1內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個(gè)引腳。系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘，XTAL1和XTAL2外接16晶振，晶振兩端接33PF的電容，用以穩(wěn)定頻率。[20]從本課題設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，目前現(xiàn)有的51系列單片機(jī)技術(shù)比較成熟，可以縮短開發(fā)時(shí)間；AT89C51單片機(jī)與MCS51系列產(chǎn)品系列的指令完全兼容，片內(nèi)4K的Flash EPROM，能實(shí)現(xiàn)快速擦寫，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)調(diào)試提供了方便；價(jià)格便宜，性價(jià)比比較高，能有利于節(jié)約成本。由于設(shè)計(jì)是靜態(tài)的，時(shí)鐘可以停止而不會(huì)丟失用戶數(shù)據(jù)。片上包含128字節(jié)RAM、4K字節(jié)FLASH（RAM和ROM均可尋址64K字節(jié)）、32條I/O口線、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、6輸入4優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)串行I/O口線（可用于多機(jī)通信I/O擴(kuò)展或全雙工UART）、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路?？刂齐娐凡捎肁TMEL公司的8位微處理器AT89C51?？刂茰囟葴y(cè)量電路進(jìn)行溫度測(cè)量，根據(jù)所測(cè)溫度值對(duì)液位測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。 核心控制電路核心控制電路的作用主要是:送出磁致伸縮液位傳感器所需的發(fā)射脈沖，接收磁致伸縮換能器送來(lái)的返回脈沖。圖41體統(tǒng)整體硬件電路系統(tǒng)可以分為核心控制電路、波導(dǎo)絲的電流脈沖發(fā)射電路、回波接收電路、溫度測(cè)量電路、數(shù)據(jù)顯示電路、輸出等。對(duì)磁致伸縮液位傳感器的測(cè)量尺、磁致伸縮換能器、保護(hù)套筒、液位浮子、密度浮子以及電路板倉(cāng)盒進(jìn)行了設(shè)計(jì)。保護(hù)套筒與電路面板用門字型結(jié)構(gòu)壓緊，用螺絲加以固定。電路倉(cāng)盒通過管螺紋接頭與保護(hù)套筒相連接，要求密封性良好。圖34磁鐵位置圖 圖35液位浮子結(jié)構(gòu)示意圖 電路板倉(cāng)盒電路板倉(cāng)盒用來(lái)裝載測(cè)量電路板、磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)、以及磁致伸縮波導(dǎo)絲的固定結(jié)構(gòu)絲杠。同時(shí)，將磁鐵安放在浮子底部，可以減小測(cè)量死區(qū)。它們的位置如圖34和圖35所示。由于要考慮浮子的重量問題，而在浮子中放一個(gè)磁鐵環(huán)，則會(huì)加大浮子的重量，使浮子體積增大，影響測(cè)量精度。浮子內(nèi)壁與外殼應(yīng)該具有良好的密封性。此外，浮子的內(nèi)壁由于與保護(hù)套筒的外壁直接接觸，所以浮子內(nèi)壁的材料要選擇與保護(hù)套筒同樣的不銹鋼材料才能保證摩擦最小。其次，正常工作狀態(tài)下，浮子必須有一定的浸入體積，浮子浸入液體的深度會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，必須加以考慮，本文在第二章中已經(jīng)作出分析。浮子的總體密度取決于被測(cè)液體的密度。由于測(cè)量死區(qū)的存在，要求浮子的高度盡量小，但過小的高度會(huì)使浮子在水平方向上寬度加大，從而會(huì)使邊緣受力在浮子中心產(chǎn)生的力矩增大，不利于浮子的穩(wěn)定和順暢的隨油位上下移動(dòng)。浮子的設(shè)計(jì)應(yīng)從形狀、密度、材料、磁鐵布置以及接觸方式幾個(gè)方面來(lái)考慮。綜合以上考慮，實(shí)驗(yàn)裝置的線圈內(nèi)徑選為5mm，匝數(shù)為300，線圈寬度為2mm。當(dāng)線圈匝數(shù)多于200時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化不大。這上要取決于脈沖的寬度和縱波波長(zhǎng)，當(dāng)線圈足夠窄時(shí)，這兩個(gè)因素的影響可以忽略。本設(shè)計(jì)中的扭轉(zhuǎn)波接收帶采用軟磁非品態(tài)鐵基合金材料，其磁致伸縮系數(shù)較大，而且具有較高的初始磁導(dǎo)率和很高的最大磁導(dǎo)率，機(jī)械強(qiáng)度和硬度較高，電阻率高，且薄帶形式渦流損耗較小。[19]圖33磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)接收線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁導(dǎo)率的變化而變化，因而產(chǎn)生感應(yīng)電壓。扭轉(zhuǎn)波接收帶的兩端接阻尼終端，一方面將接收帶張緊，一方面防止薄帶末端反射的縱波經(jīng)過感應(yīng)線圈時(shí)，產(chǎn)生錯(cuò)誤的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。但是由于兩條扭轉(zhuǎn)波接收帶必須保持平行，否則會(huì)引入誤差，所以連接和安裝比較困難。由于兩條金屬帶和兩個(gè)感應(yīng)線圈構(gòu)成了差動(dòng)結(jié)構(gòu)，不但使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增加了一倍，而且使同樣作用于兩個(gè)線圈的干擾信號(hào)相互抵消為零，減小了對(duì)系統(tǒng)的干擾。傳統(tǒng)的磁致伸縮傳感器一般在波導(dǎo)絲臨近脈沖電流發(fā)射端，上下焊接兩條平行的扭轉(zhuǎn)波接收帶，扭轉(zhuǎn)波接收帶也是由磁致伸縮材料制成，在兩條扭轉(zhuǎn)波接收帶上套上感應(yīng)線圈，貼近感應(yīng)線圈放置永久磁鐵，提供一個(gè)穩(wěn)恒磁場(chǎng)。彈簧與磁致伸縮波導(dǎo)絲連接處，在彈簧和波導(dǎo)絲接觸處套有絕緣塑料進(jìn)行絕緣。磁致伸縮波導(dǎo)絲安裝在保護(hù)套筒內(nèi)。同時(shí)，保護(hù)套筒需要具有耐腐蝕性，具有一定的強(qiáng)度，而且要求選用的材料具有絕磁性能，否則被磁化后產(chǎn)生剩磁將與脈沖電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加，形成干擾信號(hào)，造成錯(cuò)誤的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。傳感器用于測(cè)量煤油，磁致伸縮波導(dǎo)絲需要處于緊張狀態(tài)，如果浸在燃油中，易受燃油的腐蝕以及燃油流動(dòng)對(duì)其的沖擊，使磁致伸縮波導(dǎo)絲變形和損壞，是傳感器無(wú)法工作。在靠近彈簧的一端采用兩個(gè)半圓形的軟橡膠將波導(dǎo)絲加緊，橡膠塊固定在不銹鋼保護(hù)套筒內(nèi)側(cè)；在脈沖發(fā)射端，于磁致伸縮換能器之后，用兩個(gè)半圓軟橡膠塊夾持，進(jìn)行對(duì)返回扭轉(zhuǎn)波的阻尼。 (33)式中，為阻尼損耗因子，其中I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，K為扭轉(zhuǎn)剛度，為頻率。因此，在波導(dǎo)絲的兩端加阻尼元件，使扭轉(zhuǎn)波傳播到波導(dǎo)絲終端被阻尼而迅速衰減，使反射波的幅值減小而不影響測(cè)量的程度。扭轉(zhuǎn)波傳到波導(dǎo)絲的兩個(gè)終端時(shí)，由于阻抗突變，將發(fā)生反射。波導(dǎo)絲的另一端與銅導(dǎo)線連接組成閉合回路，銅導(dǎo)絲的另一端接電流脈沖發(fā)射電路板地端。其性能參數(shù)如表31所示:表31波導(dǎo)絲材料性能化學(xué)成分元素CMnSiPSNiCuFe含量%余量物理特性居里溫度T（C）電阻率()密度（g/cm）50045磁性B（10）6390369001510025機(jī)械 性能拉伸強(qiáng)度(MPa)拉伸率(%)洛氏硬度楊氏模量(GPa)7853B100170 測(cè)量尺總體結(jié)構(gòu)測(cè)量尺總體結(jié)構(gòu)如圖32所示，主要有波導(dǎo)絲、彈簧、阻尼元件等組成。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的機(jī)械阻抗Z=扭轉(zhuǎn)力矩振幅/扭轉(zhuǎn)角速度振幅=為波導(dǎo)絲的密度，C為柔性阻尼，J為波導(dǎo)絲橫截面積轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:式中，D為波導(dǎo)絲直徑。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到B后，磁致伸縮達(dá)到最大值，此后隨著B的增加不再增大。波導(dǎo)絲中的電流脈沖所產(chǎn)生的磁場(chǎng)為:B = (31)式中，為波導(dǎo)絲的磁導(dǎo)率，I為波導(dǎo)絲中的電流強(qiáng)度，r為波導(dǎo)絲周圍某一點(diǎn)到波導(dǎo)絲的距離。[17] 磁致伸縮傳感器測(cè)量尺部分的設(shè)計(jì) 測(cè)量尺波導(dǎo)材料磁致伸縮液位傳感器可以采用磁致伸縮細(xì)絲或磁致伸縮薄壁圓管作為傳感元件。磁致伸縮波導(dǎo)絲是傳感器的關(guān)鍵材料，各種參數(shù)的溫度變化是決定傳感器溫度特性的主要因素，尤其是扭轉(zhuǎn)波的傳播速度的溫度系數(shù)一定要盡量小。（3）具有良好的機(jī)械性能，易于加工，磁致伸縮波導(dǎo)絲產(chǎn)生和傳遞扭轉(zhuǎn)波，要有一定的機(jī)械強(qiáng)度。[16]在選擇磁致伸縮液位傳感器的磁致伸縮材料時(shí)，需要考慮以下因素:（1）傳感器工作在小功率下，因此要求在較小的穩(wěn)恒磁場(chǎng)或磁感應(yīng)強(qiáng)度下獲得較大的飽和磁致伸縮系數(shù)。由于試摘鐵大磁致伸縮材料應(yīng)變值高、能量密度大、響應(yīng)快、精度高、頻帶寬、且具有智能響應(yīng)，它的應(yīng)用使得電(磁)機(jī)械(聲)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品產(chǎn)生了巨大的突破性進(jìn)展，在科技領(lǐng)域里是一種超前的、任何材料無(wú)法取代的材料。稀土鐵超磁致伸縮材料具有在室溫下超大的磁致伸縮系數(shù)，是國(guó)防和高技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景的一種新材料。鎳基非晶材料具有中等的飽和磁致伸縮系數(shù)和磁感應(yīng)強(qiáng)度，初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率較高。目前比較成熟的非晶態(tài)第三章磁致伸縮液位傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟磁合金主要有鐵基、鐵鎳基和鉆基三大類。非晶態(tài)軟磁合金是指內(nèi)部原子排列不存在長(zhǎng)程有序的金屬或合金。通常用作磁致伸縮材料的鐵鎳合金，彈性模量幾乎不受溫度的影響，價(jià)格較純鎳低得多，且容易加工。一般來(lái)說(shuō)，鎳含量越低，正磁致伸縮系數(shù)越高，鎳含量超過一定程度后，轉(zhuǎn)為負(fù)磁致伸縮。常用的磁致伸縮軟磁合金主要有鐵鎳合金、鐵鉆合金、鐵鋁合金、鎳鉆合金等。但是由于其電阻率低，所以在高頻下難以使用，抗疲勞性能差，且價(jià)格昂貴。金屬鎳的磁致伸縮系數(shù)較大且為負(fù)，延展性好，易于加工。圖31磁致伸縮液位傳感器總體結(jié)構(gòu)圖 磁致伸縮材料及選擇要素磁致伸縮液位傳感器是基于維德曼效應(yīng)和維拉里效應(yīng)來(lái)工作的，磁致伸縮波導(dǎo)絲和扭轉(zhuǎn)波接收薄帶作為其敏感元件，均為磁致伸縮材料制成，因此磁致伸縮材料的選材和設(shè)計(jì)是傳感器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵部分。[15] 小結(jié)本章介紹了磁致伸縮效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，對(duì)磁致伸縮液位傳感器的作用機(jī)理進(jìn)行了闡述，分析了對(duì)磁致伸縮液位傳感器的測(cè)量精度的影響及減小誤差的措施，重點(diǎn)分析了溫度補(bǔ)償措施。浮子浸入燃油的