【正文】 ，安裝在罐中表 井的蓋子上，也就是罐的頂部。用超聲波測量儲(chǔ)罐內(nèi)的油量，實(shí)際就是要測量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，由此算出儲(chǔ)油罐內(nèi)油 面 的高度，進(jìn)一步計(jì)算出油的體積和重量 [2][7]。 如圖 27 所示，要測量儲(chǔ)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。如要求 h的測量誤差小于 1cm，已知聲速 181。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。 具體的做法是，每隔一段 時(shí)間發(fā)射一串超聲波脈沖，在發(fā)射脈沖串的同時(shí)開始單片機(jī)定時(shí)器記數(shù)，在超聲波接收器接收到反射信號(hào)時(shí)，停止單片機(jī)計(jì)數(shù)。 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。由于液位 測量儀一般安裝在 儲(chǔ)油罐 的 井 蓋上，測量的空間非常窄小，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)，無法確定，一般存在三種可能情況： （ 本測量儀也適用于一般的液體，故做一般性討論 ) (1)從液面反射的信號(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，穿過液體層，在罐底反射，再經(jīng)過液體、氣體，直到被接收器接收。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)、制作超聲波油量測量儀的時(shí)候，首先要分清接收器接收到的究竟是哪個(gè)信號(hào)。 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。 散射引起的衰減。 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)。由于超聲波傳播過程中所遇到的介質(zhì)顆粒都比較小 (大多為揮發(fā)性氣體分子 )，散射衰減也可忽略。 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。為介質(zhì)中聲速； φ必為初相，與記時(shí)起點(diǎn)有關(guān)。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。 我們把單位時(shí)間內(nèi)，通過垂直于波的傳播方向上單位面積的能 量稱為能流密度，能流密度的時(shí)間平均值，稱為波的強(qiáng)度 。 下面討論波被反射、折射時(shí)的情況。 入 射 波 束透 射 波反 射 波介 質(zhì) I（ 空 氣 ）介 質(zhì) II（ 油 ） 圖 28 波束垂直入射到液面的反射波和投射波 9 9 )4 3 9109 8 0/(109 8 02)/(2 33122 ???????? zzzt t 為正值，入射波和透射波相位相同，透射波具有入射波聲壓的 200% ?? rR 說明反射波與入射波的強(qiáng)度之比為 %。 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。 (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。 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。 由以上分析可知，雖然超聲波 在傳播過程中有能量損耗，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)。 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。測出從超聲波發(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，就可算出要測的距離。 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。 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、打印和通信模塊等，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。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。 啟動(dòng)超聲波油量測量儀測距時(shí)， 由單片機(jī) AT89C51 編程產(chǎn)生 40kHz 的方波， 每長春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 16 20 個(gè)脈沖為一串， 再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。 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(jí)放大，再經(jīng)過電壓比較器和 D 觸發(fā)器產(chǎn)生中斷信號(hào)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。如此反復(fù)，每測出五個(gè)距離就取一次平均值存儲(chǔ)并顯示。 這些操作 也可由上位機(jī)來控制。這樣不但減少了測量過程中的人工干預(yù)，為測量帶來了方便，而且還便于管理。 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(duì)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。 超聲波接收電路主要包括放大、電壓比較和中斷信號(hào)輸出等部分。 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。 看門狗電路是由 MAX813 芯片組成，主要完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。它通過定時(shí)器 T0 發(fā)出 40KHz的脈沖信號(hào)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)。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)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。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 (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。 GND：接地。當(dāng) P1口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。在 FIASH編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 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。 圖 32 單片機(jī) 89C51 的管腳圖 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出4 個(gè) TTL門電流，當(dāng) P2 口被寫 ―1‖時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址 ―1‖時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 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。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。 RST：復(fù)位輸入。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE 脈沖。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器 (0000HFFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源 (VPP)。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。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(hào)所需的時(shí)間 T，根據(jù)公式 s=181。為超聲波的傳播速度。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(chǔ)。 如圖 33 所示： 12J5T 40 16R61 50D11 2VD21 2VT1T R A N S 1Q3IF R 6 40GND. ... 圖 33 發(fā)射部分電路 由第二章的討論可以知道，油量測量儀所用的 T/R4016 型超聲波傳感器在頻率40kHz，幅值 20V 的電壓驅(qū)動(dòng)下，各種性能最佳，所以通過單片機(jī)的 管腳輸出40kHz的脈沖信號(hào)給發(fā)射電路。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。由于變壓器的輸入端的電阻很小，只有，所以在 12V電源的接入端，加了一個(gè) 150Ω的電阻用來限制電流，這樣不至于使電源部分的元件過熱。 由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號(hào)的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的放大和整形以及產(chǎn)生中斷信號(hào)等功能。如圖34所示，根據(jù)所用的 T/R4016型超聲波傳感器的資料以及在實(shí)驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象，超聲波發(fā)射器在發(fā)射超聲波時(shí)，有一部分聲波從發(fā)射探頭直接傳到接收探頭，這部分信號(hào)直接加到回波信號(hào)中，干擾回波信號(hào)的檢測。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(hào)的通過。 兩級(jí)放大電路都是含運(yùn)放 UA741 的反向比例電路，放大倍數(shù)達(dá)到了 100 倍，以滿足長距離的測量要求。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?？捎脝坞娫垂╇?(如 +5V)，也可用雙電源供電 (如 177。在本系統(tǒng)中采用了 177。通過實(shí)驗(yàn)觀察， LM311的輸出信號(hào)符合設(shè)計(jì)要求，可以把它作為 D 觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)。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(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成 D 觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)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(hào)。 12J6R 4 0 16R51 0KR 1 02 0KR61 00 K1213U 1 1A4 06 62374615U8U A 7 412374615U9U A 7 41C 1 71 00 U /2 5 VC 1 81 00 U /2 5 V+ 12 VR71 0KR81 00 KW11 0K1 2 V+ 12 V1 2 VGNDGND GNDGND2376 5184U1L M 3 11C L K3D2SD4CD1Q5Q6U 2 1A7 4A L S 7 4R91 2K5VGNDGND...+ 5V+ 12 V 圖 34 接收部分電路 8279 接口電路與鍵盤顯示電路 可編程鍵盤 /顯示器接口芯片 8279 簡介 8279 芯片是一種專用于鍵盤、顯示器的接口芯片， 它能對(duì)顯示器自動(dòng)掃描，能識(shí)別鍵盤下閉合鍵的鍵號(hào)。 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