【正文】 要通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。它是用來(lái)對(duì)接收到的回波進(jìn)行放大和整形，即將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的中斷信號(hào)。,超聲波發(fā)射傳感器。第四章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)按設(shè)計(jì)要求，根據(jù)超聲波測(cè)距原理，以AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)為核心，開發(fā)超聲波油量測(cè)量?jī)x。操作人員可以通過(guò)一臺(tái)上位機(jī)對(duì)多個(gè)油量測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量、數(shù)據(jù)傳輸以及輸出打印等控制。停止測(cè)量后，可以通過(guò)通訊接口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。中斷返回后再發(fā)送下一串脈沖。啟動(dòng)超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)距時(shí)，首先由單片機(jī)發(fā)出40KHz的脈沖串，每20個(gè)脈沖為一串，脈沖串通過(guò)超聲波發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波。如采用看門狗電路防止系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)，對(duì)信號(hào)的處理采用了放大、濾波等措施。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(dòng)及信號(hào)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(jì)思想，可使程序設(shè)計(jì)思路清晰，便于調(diào)試。超聲波油量測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)框圖如圖31所示。測(cè)出從超聲波發(fā)射脈沖串至接收到回波信號(hào)的傳輸時(shí)間，即渡越時(shí)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(shí)間和聲速，就可算出要測(cè)的距離。第三章 超聲波油量測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)超聲波油量測(cè)量?jī)x是根據(jù)“回波測(cè)距”原理設(shè)計(jì)的。由以上分析可知，雖然超聲波在傳播過(guò)程中有能量損耗，且波束可以有多種路徑傳播，同時(shí)還存在著多種干擾信號(hào)，但就接收器接收到的信號(hào)強(qiáng)弱而言，只有從液面反射的信號(hào)最強(qiáng)。波的反射遵循反射定律，入射角為，反射角為β，有： (213)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，所以=β，即入射角等于反射角。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(shí)，如果兩種介質(zhì)的聲速不同，在界面上會(huì)產(chǎn)生聲波的反射、折射、和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。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。R=%。===439Kg===980xKg波束從空氣中入射到界面， =，=r=()/(+)=(980x439)/ (980x+439)=r 為正值，說(shuō)明入射波和反射波相位相同，%。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(shí)，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）。這就要求在處理超聲波接收器接收到的信號(hào)時(shí)，采取多級(jí)放大的辦法。 (212)為聲特性阻抗，記作。===就是說(shuō)聲波傳播出去10m后，振幅衰減了約1/4。由于存在著吸收衰減，聲波振幅隨傳播距離的增大而減小。因此，我們只需討論吸收衰減。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。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。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)、制超聲波油量測(cè)量?jī)x的時(shí)候，首先要分清接收器接收到的究竟是哪個(gè)信號(hào)。由于液位計(jì)量?jī)x一般安裝在表井的蓋上，測(cè)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(hào)，是否正好是從液面反射的信號(hào)，無(wú)法確定，一般存在三種可能情況：(1)從液面反射的信號(hào)，(2)表井壁反射的信號(hào)，(3)超聲波傳感器的發(fā)射器發(fā)出信號(hào)，經(jīng)液面上方的氣體層，穿過(guò)液體層，在罐底反射，再經(jīng)過(guò)液體，氣體，直到被接收器接收。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(huì)產(chǎn)生比較大的誤差。具體的做法是，每隔一定的時(shí)間發(fā)射一串超聲波脈沖，在發(fā)射脈沖串的同時(shí)單片機(jī)定時(shí)器開始記數(shù)，在超聲波接收器接收到反射信號(hào)時(shí)，單片機(jī)停止計(jì)數(shù)。圖25超聲波測(cè)量原理圖如圖25所示，要測(cè)量?jī)?chǔ)油罐內(nèi)油的高度h，可先測(cè)量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，又轉(zhuǎn)化為測(cè)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 (29) 由下式計(jì)算測(cè)量誤差 (210)式中，為h的測(cè)量誤差，為渡越時(shí)間的測(cè)量誤差，為聲速的測(cè)量誤差。用超聲波測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)的油量，實(shí)際就是要測(cè)量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，由此算出儲(chǔ)油罐內(nèi)油的高度，進(jìn)一步計(jì)算出油的體積和重量。我設(shè)計(jì)的超聲波油量?jī)x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。儲(chǔ)油罐不是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形或球形，制成以后，計(jì)量部門要進(jìn)行各種測(cè)量繪制出油的高度與油量的對(duì)應(yīng)表，以便查對(duì)。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍非常有限，聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。（db） 聲壓電平圖23聲壓電平特性曲線靈敏度(db/v/ubar) 圖24靈敏度特性曲線由這些特性曲線圖可知,T/R40超聲波傳感器在輸入頻率為40KHz時(shí)各種特性都呈出最佳狀態(tài)，因此為了得到最佳效果必須使單片機(jī)輸出方波的頻率為40KHz。聲光效應(yīng)構(gòu)成的超聲波傳感器有利用光纖的波導(dǎo)部分的形變敏感構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，也有利用對(duì)彈性體表面或內(nèi)部彈性波束的衍射晶格作用形成的結(jié)構(gòu)?；诜创胖律炜s效應(yīng)的超聲波接收器的構(gòu)造主要有用磁致伸縮材料構(gòu)成的線圈狀結(jié)構(gòu)，適用于低頻。電磁效應(yīng)型接收器的結(jié)構(gòu)是將磁性受音板作為磁路的一部分，在磁路中設(shè)置拾音線圈。在壓電膜上制作梳狀電極，可以構(gòu)成檢測(cè)超高頻段的聲表面波的傳感器。電致伸縮型微音器的接收器用反壓電效應(yīng)大的電介質(zhì)板或薄膜作為接收器。電容式微音器利用張緊的聚脂膜作為感壓膜，膜的上表面涂敷金屬，下表面朝向金屬電極，金屬涂敷膜與金屬電極間隙發(fā)生變化，從而引起電容變化，它的優(yōu)點(diǎn)是與空氣的聲阻抗匹配良好，頻帶寬。將電致伸縮板，用兩片金屬板做成夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的蘭杰文扳，具有較高的變換效率，多用于水中超聲波發(fā)生器。超聲波發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：反壓電效應(yīng)、電致伸縮效應(yīng)、動(dòng)電效應(yīng)、電磁效應(yīng)，磁致伸縮效應(yīng)等，它恰好是上述超聲波接收器的相反作用，所以從結(jié)構(gòu)上看，發(fā)射與接收呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。發(fā)射器的作用是形成與被檢測(cè)對(duì)象相作用的超聲波束，它的特性包括共振頻率、方向性、電聲變換效率、穩(wěn)定性等。由圖22分析可知，Q恰好是電路的串聯(lián)支路的Q值。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí)，將壓迫兩壓電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是借助壓電晶體的諧振來(lái)工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。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。事實(shí)上，超聲波發(fā)生器即是超聲波換能器，它將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲波的能量(發(fā)射換能器來(lái)完成)和使超聲波的能量轉(zhuǎn)換成其它易于檢測(cè)的能量(接收換能器來(lái)完成)。另外，為了保證超聲波油量測(cè)量?jī)x工作的可靠性和穩(wěn)定性，在軟、硬件兩個(gè)方面都采取了相應(yīng)的抗干擾措施。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。確定了總體方案之后，在對(duì)超聲波測(cè)距的可行性進(jìn)行了理論分析的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、以及超聲波在介質(zhì)中的傳播特性等，研制出了超聲波油量測(cè)量?jī)x的硬件部分，編寫了相應(yīng)的軟件程序，并進(jìn)行了調(diào)試和試運(yùn)行。為了克服這些缺點(diǎn)，本課題利用單片機(jī)AT89C52為核心，控制超聲波對(duì)油量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)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(duì)話界面，且能與PC機(jī)通信。隨著智能化檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用超聲波進(jìn)行油量檢測(cè)在加油站及油庫(kù)中起著越來(lái)越重要的作用。因此提高油的計(jì)量精度和自動(dòng)化管理水平，其重要性是明顯的。在石油化工領(lǐng)域中，儲(chǔ)油罐中油量的計(jì)量越來(lái)越顯示出其重要地位。 MET1型磁效應(yīng)液位儀采用磁效應(yīng)原理,%,1995年又推出了BL30雷達(dá)液位儀，精度為士[1+(空高)3‰]。目前國(guó)內(nèi)計(jì)量?jī)x表的發(fā)展主要采用引進(jìn)加仿制等手段。 國(guó)內(nèi)的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)。將兩者信號(hào)混合處理，所得信號(hào)的差頻正比于罐頂?shù)揭好嬷g的距離。它通常采用調(diào)頻雷達(dá)原理，利用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)，微波發(fā)射和接收器安裝在罐頂，向液面發(fā)射頻率調(diào)制的微波信號(hào)。它可以將各種干擾過(guò)濾出來(lái)，識(shí)別多重回波，分析信號(hào)強(qiáng)度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息，這樣即使在有擾動(dòng)條件下讀數(shù)也是精確的。該技術(shù)基于超聲波在空氣中傳播遇到被測(cè)物體表面產(chǎn)生反射的原理。同時(shí)還能補(bǔ)償液面高低對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生的附加重量的誤差。這類儀表通過(guò)一個(gè)平衡浮子和重力敏感裝置，測(cè)量浮子的重量(在液面、液內(nèi)、界面上有不同的浮力)，并控制伺服電機(jī)動(dòng)作升降浮子，跟蹤液位變化，同時(shí)發(fā)出遠(yuǎn)傳信號(hào)。由于滑輪機(jī)械裝置的摩擦力和鋼帶重量，這類液位儀的測(cè)量誤差一般約為士(