【正文】 電子市場的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，在不降低空間分辨率的條件下，選用國產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑 r=，故θ=2arcsin(1. 615λ/2 πr)=75176。時聲壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。～ 80176。 圖4 傳感器指內(nèi)角 超聲波液位儀工作原理 超聲波液位儀的基本工作原理是利用超聲波傳播時間和傳播速度來確定液面距離。如圖5所示，由超聲波的入射和反射之間的夾角θ，可以計算出探頭距液面垂直高度 L=Scos(θ/2 ),L 為超聲波到液面的垂直距離，S 為實際距離，液位高度計算公式為: L=v t/2cos(θ/2 ) （ ）其中，v 表示超聲波聲速，t 表示超聲波傳播時間。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。通過溫度補(bǔ)償和數(shù)字平均濾波的方法，可以將數(shù)據(jù)提高到毫米級。用脈沖回波測量距離時，液面與超聲波探頭間的距離既不能太遠(yuǎn)也不能太近，存在著近限和遠(yuǎn)限。在距離過近時，接收信號將落進(jìn)盲區(qū)中而無法分辨，這是近限所以存在的原因[7]。雙探頭方式，不僅可以增加探測距離，還可以減小盲區(qū)。但是，由于接收電路多少會受到發(fā)射電路的感應(yīng)，并且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有部分直接繞道接收探頭，因此實際上仍存在一定的盲區(qū)，不過他要比單探頭方式的盲區(qū)小很多。 本章小結(jié) 本章介紹了超聲波的特性，對超聲波在傳播過程中的衰減與聲波所在介質(zhì)等關(guān)系進(jìn)行了分析，在超聲波測量工作原理中，分析指出把超聲波往返時間的測量轉(zhuǎn)化對計數(shù)脈沖個數(shù)的測量。3硬件總體設(shè)計液位系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)系統(tǒng)、電源電路接收模塊、LED顯示模塊和報警模塊等模塊構(gòu)成如圖6所示。超聲波液位儀硬件設(shè)計如圖7所示。面向工控領(lǐng)域的單片處理器，目前廣泛應(yīng)用的有 51 系列的8 位單片機(jī)及面向大量數(shù)字信號處理領(lǐng)域的數(shù)字信號處理器(DSP)。51單片機(jī)具有開發(fā)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，尤其是在ATMEL公司將Flash存儲技術(shù)應(yīng)用到單片機(jī)產(chǎn)品中，將Flash存儲技術(shù)與Intel公司的 MCS51核心技術(shù)相結(jié)合，形成了 AT89系列單片機(jī)[8]。AT89C51單片機(jī)的高性價比，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域[9]。它的部分引腳具體說明如表2： 表2 單片機(jī)部分引腳介紹名稱管腳名類型名稱和功能DIPLCCQFPGND202216I地Vcc404438I電源：提供掉電、空閑、正常工作電壓RST9104I復(fù)位：當(dāng)晶振在運行中，只要復(fù)位管腳出現(xiàn) 2 個機(jī)器周期高電平即可復(fù)位，內(nèi)部有擴(kuò)散電阻鏈接到 Vcc即可實現(xiàn)上電復(fù)位。/EA/VPP 313529I外部尋址使能/編程電壓：在訪問ALE 整個外部程序存儲器時，/EA 必須外部置低。該引腳在對 FLASH 編程時接5V/12V 編程電壓。ALE3033270地址鎖存使能：在訪問外部存儲器時，輸出脈沖鎖存地址的低字節(jié)，在正常情況下，ALE 輸出信號恒定為 1/6 振蕩頻率。，只要在RST復(fù)位輸入引腳上接一電容至Vcc端，下接一個電阻到地即可。F。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位，RST端的高電平信號必須維持足夠長的時間。在圖8的復(fù)位電路中，當(dāng)Vcc掉電時，必然會使RST端電壓迅速下降到0V以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個負(fù)電壓將不會對器件產(chǎn)生損害[10]。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復(fù)位，則程序計數(shù)器PC將得不到一個合適的初值，因此，CPU可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。交流電經(jīng)過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓，如圖 9所示：變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路 圖9 電源電路設(shè)計框圖直流電源的輸入為220V的電網(wǎng)電壓，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而需要通過電源變壓降壓后，再對交流電壓進(jìn)行處理。濾波的任務(wù)，就是把整流器輸出電壓中的波動成分減少，輸出恒穩(wěn)的直流電。各濾波電容 C 滿足公式（）：RC=（3～5）T/2 ()式中T為輸入交流信號周期，RC為整流濾波電路的等效負(fù)載電[11]。圖10 電源電路H7805系列3端正穩(wěn)壓電路,TO220封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。帶散熱片時，輸出電流可達(dá) 1A。結(jié)構(gòu)如圖11所示。當(dāng)在晶片的兩面上加交變電壓時，晶片因反復(fù)的機(jī)械變形產(chǎn)生振動，而這種機(jī)械振動又會反過來產(chǎn)生交變電壓。將外部時鐘電路跟晶振放在同一個封裝里面,一般都4個引腳,兩條電源線為里面的時鐘電路提供電源,又叫做有源晶振,時鐘振蕩器,讓振蕩頻率能更準(zhǔn)確。XTAL1和XTAL2分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出端。本系統(tǒng)使用12MHz的石英晶振作為系統(tǒng)的時鐘源[13]。電容C1和C2起去除噪聲的作用，且應(yīng)保持兩個電容的值一樣。 圖12 晶體振蕩器的連接超聲波發(fā)射電路原理圖如圖13所示。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。圖13 超聲波發(fā)射電路原理圖超聲波探頭超聲波探頭是發(fā)射和接收超聲波的儀器。74LS04六反向器這里采用74LS04來提高驅(qū)動的功率，以使超聲波發(fā)射信號足夠大，提高測量距離。其中一個非門用來為驅(qū)動器的一側(cè)提供180176。為提高超聲波探頭的驅(qū)動電壓，采用兩個74LS04并聯(lián)的形式[16]。為減小環(huán)境噪聲對回波信號的影響，也要考慮選用濾波特性較好的電路，使回波易于檢測[17]。CX20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路，紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器[18]。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。 圖16 CX2OIO6的內(nèi)電路框圖及信號流向和引腳其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號輸出微弱電壓時，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號強(qiáng)時放大器不會過載。CX20106A接收超聲波有很高的靈敏度和抗干擾能力，可以滿足接收電路的要求。本系統(tǒng)所用的接收電路如圖17所示。采用12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS245驅(qū)動，位碼用PNP三極管驅(qū)動。圖18 單片機(jī)及顯示電路原理圖74LS245雙向總線發(fā)送器/接收器(3S) 簡要說明: 245為三態(tài)輸出的八組總線收發(fā)器[19],其封裝如圖19所示。在共陰極接法中，LED數(shù)碼管的g—a七個發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不發(fā)亮。而在共陽極接法中，剛好與共陰極接法向反,LED數(shù)碼管具有亮度大，響應(yīng)速度快等優(yōu)點[20]。圖20(a) 數(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu)圖20（b）數(shù)碼管管腳圖（共陰極）圖20（c）數(shù)碼管管腳圖（共陽極） LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。由于LED數(shù)碼管發(fā)光所需平均電流為10—20 mA，單片機(jī)端口線無法直接提供，因此必須外加驅(qū)動器，再與LED引腳相連。比較簡單的驅(qū)動電路可成由三極管構(gòu)，利用三極管的放大作用驅(qū)動LED顯示。在顯示位數(shù)較多時，直接使用三極管驅(qū)動電路比較復(fù)雜，多采用集成電路驅(qū)動器[21]。他與單片機(jī)的連接如圖21所示，單片機(jī)AT89S51的P11口通過PNP型三極管驅(qū)動蜂鳴器。圖21 蜂鳴報警器電路合理的布局是布線的前提和根本，在PCB設(shè)計時應(yīng)根據(jù)電路的布局規(guī)則和相關(guān)原理首先對元器件進(jìn)行合理的布局。，負(fù)載的變化會引起電源干擾，當(dāng)電路從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時，就會在電源線上產(chǎn)生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲。，走線盡量短，電路板上空余不用的地方都鋪地。、控制線要盡量短，以減少對地電容。，易受到干擾而引起誤操作的管腳采用上拉或下拉處理，使其處于穩(wěn)定狀態(tài)避免誤操作。 本章小結(jié) 本章基于時差測距原理設(shè)計了89S51 單片機(jī)為核心的低成本、高精度、LED顯示超聲波液位儀數(shù)據(jù)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)設(shè)計，給出了原理框圖和硬件各部分的功能。要實現(xiàn)上述功能，軟件包含初始化、參數(shù)讀入、超聲波發(fā)射、超聲波傳輸計時、聲速計算、超聲波傳輸距離計算、計算結(jié)果顯示等功能模塊。圖22 軟件總體框圖軟件設(shè)計運用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進(jìn)行分別編程，這樣不但使得整個軟件的層次和結(jié)構(gòu)比較清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。 主程序結(jié)構(gòu)流程圖 主程序是單片機(jī)程序的主體，它負(fù)責(zé)調(diào)用系統(tǒng)的子程序，中斷程序等各個功能轉(zhuǎn)換。程序首先完成初始化過程，然后是一個重復(fù)的控制發(fā)射信號，而且每次發(fā)射周期結(jié)束都會判斷在發(fā)射信號后延時等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即回波是否到達(dá)。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。如圖23。在系統(tǒng)硬件中，發(fā)射的40KHz 脈沖信號遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測電路產(chǎn)生外中斷信號至單片機(jī)。如圖 25和圖26。當(dāng)系統(tǒng)顯示完所測的液位后，單片機(jī)判斷當(dāng)前位置是否達(dá)到預(yù)先設(shè)定的值，如果達(dá)到，報警，否則返回。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。正對光滑硬質(zhì)表面進(jìn)行測量，探頭間的距離為4cm。—，不同時刻在同一點測3個值[26]。 圖28 超聲測液位儀(a)圖3 超聲波液位儀測距系統(tǒng)測量值與實際值 單位cm實際值27406080120140180200測量值次數(shù)128416182121142182201227426181122141181201328416181122140182202從表3中數(shù)據(jù)可以看出，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。而且環(huán)境條件不同也會得到不同的結(jié)果。遠(yuǎn)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。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(kuò)散傳播的。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27cm左右[27]。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[28]。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。(3)直達(dá)波的影響?？梢酝ㄟ^軟件算法對直達(dá)波進(jìn)行識別，消除直達(dá)波誤報警情況。(4)對t的計數(shù)誤差。(5)測距系統(tǒng)本身帶來的系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)對回波信號的處理需要一定的時間。(6)反射角度誤差。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。本章主要介紹了系統(tǒng)的實驗結(jié)果分析及改進(jìn)，和實驗誤差產(chǎn)生的原因。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(jī)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。(3)接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號后，通過集成芯片CX20106A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。(5)采用非接觸式測量方式，不影響被測表面，應(yīng)用范圍廣。在實驗中，—5m范圍進(jìn)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[31]。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。(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